控制電機(jī)控制器的微控制器
發(fā)布日期:2023-10-12
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以下原理圖摘錄顯示了 EFM8 及相關(guān)電路：
您可能已經(jīng)在框圖中注意到 EFM8 似乎由 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的 5 V 供電。但實際上，EFM8 有一個集成的線性穩(wěn)壓器，可接受 5 V 輸入并生成 3.3 V 電壓供自身使用和外部電路使用。J2 是一個三針接頭，允許用戶通過 DC/DC 轉(zhuǎn)換器或 USB 連接提供的 5 V 電壓為 EFM8 供電。后一種布置對于初始測試和調(diào)試來說很方便，因為即使電池斷開或 DC/DC 轉(zhuǎn)換器無法運行，EFM8 也能正常工作。
微控制器有一個相當(dāng)準(zhǔn)確的集成振蕩器，但我選擇包含一個外部振蕩器 (U8)，以防需要更高的頻率精度。LTC6930是一款“硅振蕩器”——這個相當(dāng)模糊的術(shù)語是指不需要壓電元件的振蕩器 IC。這些設(shè)備有一定的好處；您可以在此處閱讀有關(guān)硅振蕩器的更多信息。
其余組件如下：
J5：一個接頭，允許我們使用 Silicon Labs USB 調(diào)試適配器對微控制器進(jìn)行調(diào)試和編程
LED1：一個封裝中的三個通用 LED（紅、綠、藍(lán)）
FB1：有助于抑制電源噪聲的鐵氧體磁珠
D1和D2：USB 信號的 ESD 保護(hù)二極管
J1：USB Micro-B 連接器，允許 EFM8 與 USB 主機(jī)設(shè)備通信
C3和C4：EFM8內(nèi)部參考電壓的輸出電容器
用于電源軌的各種濾波器/旁路帽
的幫助：MAX14870
該板包含兩個這樣的電路，因為 Tri-Track 底盤有兩個坦克式軌道，每個軌道都有一個電機(jī)。我們需要能夠獨立控制兩個電機(jī)，以便我們可以通過改變一個軌道相對于另一個軌道的速度來轉(zhuǎn)動機(jī)器人。
我喜歡設(shè)計自己的電路，但我也喜歡從高技能 IC 設(shè)計師提供的好處中獲益。工程謙遜的一部分是接受這樣一個事實：Maxim 的可以設(shè)計出遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我可能想出的任何電機(jī)控制器。因此，我們推出了MAX14870，這是一款高度集成、小尺寸、用戶友好的器件，需要很少的外部元件，僅需要三個控制信號。
控制界面很簡單：
nEN 引腳必須驅(qū)動為低電平才能啟用電機(jī)驅(qū)動輸出。
DIR 引腳的邏輯電平控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。
只要 PWM 引腳處于邏輯高電平，就會向電機(jī)施加驅(qū)動電壓。顧名思義，電機(jī)的速度可以通過向 PWM 引腳施加脈寬調(diào)制信號來控制。
過流情況或熱關(guān)斷會將 nFAULT 引腳驅(qū)動至邏輯低電平。當(dāng)電機(jī)控制情況出現(xiàn)問題時，這使得微控制器能夠收到通知。它是開漏輸出，因此多個 nFAULT 引腳可以連接在一起（盡管采用這種布置，無法確定哪個特定芯片正在生成故障條件）。
檢測電流：V = IR
讓我們花一點時間來了解一下檢測電阻 R1 的情況。通過允許電流從 12 V 電源流經(jīng)高側(cè) FET 之一、電機(jī)線圈、低側(cè) FET 之一，流至 COM 引腳來驅(qū)動電機(jī)。該電流需要流向接地節(jié)點，但我們不必將 COM 引腳直接接地。如果我們在 COM 引腳和地之間放置一個小電阻，COM 節(jié)點的電壓將與流過電機(jī)線圈的電流成正比。換句話說，這個電流檢測電阻使我們能夠監(jiān)控電機(jī)驅(qū)動電流。
通過添加檢測電阻并將COM節(jié)點連接到MAX14870的SNS引腳，我們可以實現(xiàn)內(nèi)部電流調(diào)節(jié)功能。MAX14870希望SNS引腳電壓保持在100 mV以下；如果該電壓開始變得過高，電機(jī)驅(qū)動電流會根
據(jù)需要中斷，以將 SNS 電壓保持在 100 mV 以下。因此，電機(jī)驅(qū)動電流由以下等式給出：
$$I_{MAX}=frac{100 mV}{R_{SENSE}}$$
C-BISCUIT 電機(jī)控制電路有一個 0.068 Ω 檢測電阻；這意味著電機(jī)驅(qū)動電流被限制在約 1.47 A。Tri-Track 電機(jī)的數(shù)據(jù)表表明啟動電流約為 1.5 A，因此 1.47 A 是一個保守的限制，仍允許電機(jī)正常啟動。但考慮到我之前沒有使用該電機(jī)或 MAX14870 的經(jīng)驗，如果發(fā)現(xiàn) 0.068 Ω 不是 R SENSE的值，我不會感到驚訝。
需要記住的重要一點是，該檢測電阻會消耗一些嚴(yán)重的功率。這是一個容易犯重大錯誤的地方，因為低壓設(shè)計人員通常不需要仔細(xì)考慮電阻器的額定功率。盡管啟動電流高于穩(wěn)態(tài)電流，但為了安全起見，我們假設(shè)該電阻器可能會長時間承受 1.5 A 的電流。這意味著
$$P_{MAX}=(1.5 A)^2 imes0.068 歐米茄=0.153 W$$
我喜歡兩倍的安全裕度，因此電阻器的額定功率應(yīng)至少為 1/4 W。我選擇了 1/2 W 部件，因為這讓我更有信心電阻器不會因以下原因而燒毀：設(shè)計者錯誤。
如果不需要自動電流調(diào)節(jié)，只需將 SNS 引腳接地即可禁用此功能，這（顯然）可以確保 SNS 上的電壓永遠(yuǎn)不會超過 100 mV。MAX14870仍然具有其通用的過流保護(hù)功能，但只有當(dāng)流經(jīng)電機(jī)驅(qū)動線路之一的電流大于約6 A且持續(xù)時間超過1 ?s時，該保護(hù)才會啟動。
電機(jī)電流——EFM8 應(yīng)該知道的
由于我決定添加一個用于自動電流調(diào)節(jié)的檢測電阻器，因此我還可以添加一些額外的組件，使 EFM8 微控制器能夠收集有關(guān)電機(jī)在各種工作條件下需要多少電流的信息。這就是運算放大器電路的用途，它只是一個增益為 10 的同相放大器，用作 R SENSE兩端的電壓與 EFM8 的 ADC 電路之間的接口電路。
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