Controladora para Motor Pololu G2 High-Power 18v17

El controlador de motor de alta potencia Pololu G2 es un puente H MOSFET discreto diseñado para controlar grandes motores de DC con escobillas. El puente H está formado por un MOSFET de canal N por fase; el resto de la placa contiene los circuitos para recibir las entradas del usuario y controlar los MOSFET. El voltaje máximo absoluto para este controlador de motor es de 30 V, y voltajes más altos pueden destruir permanentemente el controlador. En condiciones normales de funcionamiento, el voltaje de ondulación en la línea de suministro puede elevar el voltaje máximo a más del voltaje promedio o previsto, por lo que un voltaje máximo seguro es de aproximadamente 24V.

Nota: Los voltajes de la batería pueden ser mucho más altos que los voltajes nominales cuando están cargadas, por lo que el voltaje nominal máximo de la batería que recomendamos es de 18 V (y no se recomienda el uso con baterías de 24V) a menos que se tomen las medidas adecuadas para limitar el voltaje pico.

La versatilidad de este controlador lo hace adecuado para una amplia gama de corrientes y voltajes: puede entregar hasta 17A de corriente continua con un tamaño de placa de solo 1,3″ × 0,8″ y sin necesidad de disipador de calor. El módulo ofrece una interfaz sencilla que requiere tan solo dos líneas de I/O y, al mismo tiempo, permite elegir entre operación de magnitud de signo o antifase bloqueada. Una salida de detección de corriente proporciona un indicador de la corriente del motor y el controlador puede limitar la corriente del motor a un umbral configurable. Las entradas de la fuente de alimentación cuentan con protección contra voltaje inverso, mientras que la detección integrada de varias condiciones de falla ayuda a proteger contra otras causas comunes de falla catastrófica; sin embargo, tenga en cuenta que la placa no incluye protección contra sobretemperatura.

Características:

• Canales de motor: 1
• Voltaje de funcionamiento: 6,5V a 30V (máximo absoluto)
• Corriente de salida: 17A continuos
• Entradas compatibles con lógica de 1,8V, 3,3V y 5V
• Funcionamiento PWM hasta 100 kHz
• Salida de detección de corriente proporcional a la corriente del motor (aprox. 20 mV/A; solo activa mientras el puente H está funcionando)
• Limitación de corriente activa (corte) con umbral predeterminado de 40 A (se puede ajustar a un valor inferior)
• Protección contra voltaje inverso
• Apagado por subvoltaje
• Protección contra cortocircuito

Conexiones

Las conexiones del motor y de la alimentación del motor están en un lado de la placa, y las conexiones de control (lógica de 1,8 V a 5 V) están en el otro lado. La fuente de alimentación del motor debe ser capaz de suministrar alta corriente. Hay dos opciones para realizar las conexiones de alta potencia (VIN, OUTA, OUTB, GND): orificios grandes espaciados a 5 mm de distancia, que son compatibles con los bloques de terminales incluidos, y pares de orificios espaciados a 0,1″ que se pueden usar con placas perforadas, placas de pruebas y conectores de 0,1″.

Para un buen rendimiento, es muy importante instalar un condensador grande en la fuente de alimentación del motor y en la tierra cerca del controlador del motor. Generalmente recomendamos usar un condensador de al menos unos cientos de μF y con una clasificación muy por encima del voltaje de suministro máximo; la capacitancia requerida será mayor si la fuente de alimentación es deficiente o está lejos (más de aproximadamente un pie) del controlador, y también dependerá de otros factores como las características del motor y la frecuencia PWM aplicada. Se puede instalar un condensador pasante directamente en la placa en los orificios etiquetados como ‘+’ y ‘−’ (conectados a VM y GND, respectivamente). El controlador incluye un condensador de 150 µF integrado, que puede ser suficiente para pruebas breves y operaciones de bajo consumo limitadas, pero se recomienda encarecidamente agregar un condensador más grande para la mayoría de las aplicaciones.

Advertencia: tome las precauciones de seguridad adecuadas al utilizar dispositivos electrónicos de alta potencia. Asegúrese de saber lo que está haciendo cuando utilice voltajes o corrientes altos. Durante el funcionamiento normal, este producto puede calentarse lo suficiente como para provocar quemaduras. Tenga cuidado al manipular este producto u otros componentes conectados a él.

Las conexiones lógicas están diseñadas para interactuar con sistemas de 1,8 V a 5 V (5,5 V máx.). De forma predeterminada, el controlador está en un modo de suspensión de bajo consumo; el pin SLP debe activarse o vincularse a un alto voltaje lógico para habilitar el controlador. En una configuración típica, solo se requieren otros dos pines: PWM y DIR.

Configuración de pines

PIN	Estado por default	Descripción
VIN		Esta es la conexión principal de alimentación del motor de 6,5V a 30V (máximo absoluto).
VM		Este pin le permite acceder a la fuente de alimentación del motor después de la protección contra voltaje inverso. Se puede utilizar para suministrar energía protegida contra voltaje inverso a otros componentes del sistema, pero no se debe utilizar para corrientes altas. Este pin solo se debe utilizar como salida.
+, −		Estos pads están diseñados para un condensador de fuente de alimentación (están conectadas a VM y GND, respectivamente).
3V3 (out)		Esta salida regulada de 3,3 V proporciona unos pocos miliamperios, que pueden resultar útiles como referencia o para alimentar pequeños circuitos externos. Esta salida no debe conectarse a otras líneas de suministro de energía externas. Se desactiva cuando el controlador está en modo de suspensión. ¡Tenga cuidado de no cortocircuitar accidentalmente este pin con el pin VM vecino mientras se suministra energía! ya que si lo hace, destruirá instantáneamente la placa.
GND		Conexión a tierra para fuentes de alimentación lógicas y de motor.
OUTA		Pin A de salida del Motor (Conecte a una de las terminales del motor DC).
OUTB		Pin B de salida del Motor (Conecte a la otra terminal del motor DC).
PWM	LOW	Entrada de modulación de ancho de pulso: una señal PWM en este pin corresponde a una salida PWM en las salidas del motor.
DIR	LOW	Entrada de dirección: cuando DIR es alto, la corriente fluirá de OUTA a OUTB; cuando es bajo, la corriente fluirá de OUTB a OUTA.
SLP	LOW	Entrada de suspensión invertida: este pin se baja internamente, lo que pone al controlador del motor en un modo de suspensión de bajo consumo. SLP debe activarse en modo lógico alto para habilitar el controlador. Nota: el pin SLP no se puede vincular a la salida 3V3 de la placa para habilitar permanentemente el controlador, ya que la salida de 3,3 V se desactiva cuando el controlador está en modo de suspensión.
FLT		Indicador de falla: esta salida de drenaje abierto se activa cuando se produce una falla. Consulte a continuación para obtener más detalles. Para utilizar esta salida, debe conectar externamente este pin al voltaje lógico de su sistema.
CS		Salida de detección de corriente: este pin genera una tensión proporcional a la corriente del motor cuando el puente H está funcionando (pero no cuando está frenando, incluso cuando la limitación de corriente está activa). La tensión de salida es de aproximadamente 20 mV/A más un desfase de 50 mV.
VREF		Entrada de voltaje de referencia: se puede conectar una resistencia adicional entre este pin y GND para reducir el umbral de limitación de corriente (corte). Sin una resistencia adicional, el límite de corriente predeterminado es de aproximadamente 40A.

Opciones de control del motor

Con el pin PWM bajo, ambas salidas del motor se mantendrán bajas (una operación de freno). Con PWM alto, las salidas del motor se controlarán de acuerdo con la entrada DIR. Esto permite dos modos de operación: signo-magnitud, en el que el ciclo de trabajo PWM controla la velocidad del motor y DIR controla la dirección, y bloqueo-antifase, en el que se aplica una señal modulada por ancho de pulso al pin DIR con PWM alto.

En la operación de bloqueo-antifase, un ciclo de trabajo bajo impulsa el motor en una dirección y un ciclo de trabajo alto impulsa el motor en la otra dirección; un ciclo de trabajo del 50% apaga el motor. Una implementación exitosa de bloqueo-antifase depende de la inductancia del motor y la frecuencia de conmutación que suavizan la corriente (por ejemplo, haciendo que la corriente sea cero en el caso del ciclo de trabajo del 50%), por lo que podría requerirse una frecuencia PWM alta.

Tabla de verdad del controlador de motor
PWM	DIR	OUTA	OUTB	Operación
H	H	H	L	Avance
H	L	L	H	Reversa
L	X	L	L	Freno

Frecuencia PWM

El controlador del motor admite frecuencias PWM de hasta 100 kHz, pero tenga en cuenta que las pérdidas de conmutación en el controlador serán proporcionales a la frecuencia PWM. Por lo general, alrededor de 20 kHz es una buena opción para el funcionamiento de magnitud de signo, ya que es lo suficientemente alto como para ser ultrasónico, lo que da como resultado un funcionamiento más silencioso.

Un pulso en el pin PWM debe ser alto durante una duración mínima de aproximadamente 0,5 µs antes de que las salidas se activen durante la duración correspondiente (cualquier pulso de entrada más corto no produce un cambio en las salidas), por lo que los ciclos de trabajo bajos no están disponibles en frecuencias altas. Por ejemplo, a 100 kHz, el período del pulso es de 10 µs y el ciclo de trabajo mínimo distinto de cero alcanzable es 0,5/10, o 5 %.

Detección y limitación de corriente

El pin de detección de corriente del controlador, CS, emite un voltaje proporcional a la corriente del motor mientras el puente H está funcionando. El voltaje de salida es de aproximadamente 20 mV/A más un pequeño desfase, que normalmente es de aproximadamente 50 mV.

La salida CS solo está activa mientras el puente H está en modo de accionamiento; está inactiva (baja) cuando el controlador está en modo de freno (decaimiento lento), lo que sucede cuando la entrada PWM es baja o cuando la limitación de corriente está activa. La corriente seguirá circulando a través del motor cuando el controlador comience a frenar, pero el voltaje en el pin CS no reflejará con precisión la corriente del motor en modo de freno. El voltaje CS es utilizado internamente por el controlador del motor, por lo que para evitar interferir con el funcionamiento del controlador, no debe agregar un capacitor a este pin ni conectar una carga que extraiga más de unos pocos mA de él.

El controlador G2 tiene la capacidad de limitar la corriente del motor a través del corte de corriente: una vez que la corriente de accionamiento del motor alcanza un umbral establecido, el controlador pasa al modo de freno (decaimiento lento) durante aproximadamente 25 µs antes de aplicar energía para accionar el motor nuevamente. Esto hace que sea más práctico utilizar el controlador con un motor que puede consumir solo unos pocos amperios mientras está en funcionamiento, pero puede consumir muchas veces esa cantidad (decenas de amperios) al arrancar.

El umbral de limitación de corriente está establecido en aproximadamente 40 A de forma predeterminada. Puede reducir el límite conectando una resistencia adicional entre el pin VREF y el pin GND adyacente; el gráfico a continuación muestra cómo se relaciona el límite de corriente con el valor de la resistencia VREF. Por ejemplo, agregar una resistencia de 100 kΩ entre VREF y GND reduce el límite de corriente a aproximadamente 24 A. Tenga en cuenta que la limitación de corriente es menos precisa en configuraciones especialmente bajas (indicadas por la parte discontinua de la curva).

Condiciones de falla

El controlador del motor puede detectar varios estados de falla que informa al hacer que el pin FLT esté en un nivel bajo; se trata de una salida de drenaje abierto que debe elevarse hasta el voltaje lógico de su sistema. Las fallas detectables incluyen cortocircuitos en las salidas, subvoltaje y sobretemperatura. Todas las fallas desactivan las salidas del motor, pero no están bloqueadas, lo que significa que el controlador intentará reanudar el funcionamiento cuando se elimine la condición de falla (o después de un retraso de unos pocos milisegundos en el caso de la falla de cortocircuito). La falla de sobretemperatura proporciona una indicación débil de que la placa está demasiado caliente, pero no indica directamente la temperatura de los MOSFET, que suelen ser los primeros componentes en sobrecalentarse, por lo que no debe contar con esta falla para evitar daños por condiciones de sobretemperatura.

Consideraciones sobre la disipación de potencia en el mundo real

Los MOSFET pueden manejar grandes picos de corriente durante períodos cortos (p. ej., 100 A durante unos pocos milisegundos), y el corte de corriente del controlador mantendrá la corriente promedio por debajo del límite establecido. Los valores máximos son para transitorios rápidos (p. ej., cuando se enciende un motor por primera vez), y el valor continuo de 17 A depende de varias condiciones, como la temperatura ambiente. El PWM del motor introducirá un calentamiento adicional proporcional a la frecuencia. La corriente real que puede entregar dependerá de qué tan bien pueda mantener frío el controlador del motor. La placa de circuito impreso del controlador está diseñada para extraer calor de los MOSFET, pero el rendimiento se puede mejorar agregando un disipador de calor.

Advertencia: este controlador de motor no tiene apagado por sobretemperatura. Una condición de sobretemperatura o sobrecorriente puede causar daño permanente al controlador del motor. Puede considerar usar la salida de detección de corriente integrada del controlador o un sensor de corriente externo para monitorear su consumo de corriente.

Hardware incluido

Con cada controlador de motor se incluyen dos conectores macho de 8 pines y dos bloques de terminales de 5 mm y 2 pines. Puede soldar los bloques de terminales a los cuatro orificios pasantes grandes para realizar las conexiones de alimentación del motor o puede soldar una de las tiras de conectores de 1 × 8 de 0,1″ en los orificios pasantes más pequeños que bordean estos orificios más grandes. Sin embargo, tenga en cuenta que los bloques de terminales solo tienen una capacidad nominal de 16 A y que cada par de pines del conector solo tiene una capacidad nominal de 6 A combinados, por lo que para aplicaciones de mayor potencia, los cables gruesos deben soldarse directamente a la placa.

La otra tira de conectores de 1 × 8 se puede soldar en los orificios pequeños del lado de la conexión lógica de la placa para permitir su uso con placas de pruebas sin soldadura, placas perforadas o conectores de 0,1″, o puede soldar cables directamente a estos orificios para lograr una instalación más compacta.

Nota: En la mayoría de las aplicaciones, es necesario conectar un capacitor grande adicional (no incluido) a través de la fuente de alimentación, como se describe en “Conexiones” más arriba.

La placa tiene dos orificios de montaje de 0,086″ (2,18 mm) de diámetro destinados a tornillos #2 o M2 (no incluidos); están separados por 0,62″ (15,75 mm) tanto horizontal como verticalmente.