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Il più piccolo driver per motori DC che deve il suo nome proprio alle sue minuscole dimensioni.
La sigla MPH significa appunto Mini Ponte H.

l’MPH102 è in grado di controllare due motori DC di media potenza, opportunamente raffreddato è in grado di pilotare due motori da 24V 2A anche se già per queste potenze consiglio di usare il RoboPonte più adatto a gestire potenze di centiania di watt.
Nato dall’esigenza di avere un pratico e versatile driver per motori per alcune esigenze amatoriali è diventato modulo molto semplice ed affidabile che permette di pilotare sia motori DC che motori passo passo unipolari.

Il Chip L298 integra due ponti ad H che si possono schematizzare così:

Funzionamento con motori DC

In caso di controllo di motori DC ogni motore va collegato tra i due terminali centrali del Ponte ( M1 e M2 ) e, assieme ai 4 transistor (TR1…TR4), funzionerà in configurazione H-bridge ( si noti la H disegnata dall’insieme TR1…4 e Mot ).
Il segnale EN serve ad abilitare/disabilitare il driver mentre ciascun ingresso IN1 e IN2 serve a controllare quale dei transistor chiudere.

Con IN1=IN2 saranno chiusi in contemporanea o i due transistor TR1 TR3 o TR2 TR4, il motore in questa condizione risulterà cortocircuitato e si presenterà come bloccato.

Pilotando i due segnali IN1 e IN2 con un segnale PWM sfasato di 90° tra i due ingressi sarà possibile far ruotare il motore nei due versi di marcia variando il PWM dal minimo al massimo. Il motore risulterà fermo col PWM al 50%.
Per generare i segnali di controllo opportuni ci sono due strade possibili, o usare un circuito esterno o usare dei particolari microcontrollori ( per esempio i PIC 18F4431 ) in grado di generare due uscite PWM in opposizione di fase.

Funzionamento con motori PASSO-PASSO

…configurazione ancora da provare…

Gli schemi

Lo schema della scheda è molto semplice come si può vedere in figura:

Il cuore del circuito è il driver di potenza L298 che fa il grosso del lavoro.

Oltre a questo componente possiamo notare da DX a SX i diodi di ricircolo, le due resistenze di shunt, le resistenze di Pull-UP, il regolatore di tensione e il connettore di ingresso.

I diodi di ricircolo servono a proteggere i transistor presenti nel driver da eventuali extratensioni che lo potrebbero danneggiare, è importante che la corrente massima di lavoro dei diodi sia pari alla corrente assorbita dal carico anche se, essendo i disturbi di natura impulsiva, è sufficiente scegliere diodi con una corrente di picco alcune volte superiore a quella assorbita dal motore.

Le resistenze di shunt servono a misurare la corrente assorbita dal motore leggendo la caduta di tensione ai loro capi. Nel caso di pilotaggio di motori DC non sono obbligatorie e possono essere cortocircuitate mentre pilotando motori passo passo servono a regolare la corrente di pilotaggio.

Per il dimensionamento di queste resistenze vi consiglio di leggere con attenzione l’apposita sezione.

Le resistenze di Pull-Up servono a tenere attivo il driver nel caso non si utilizzi il segnale EN.

Il regolatore è un L7805 in formato TO92, serve ad alimentare la sezione digitale del driver e la tensione è riportata anche sul connettore di controllo da cui però sconsiglio di prelevare più di 30-40mA.

Sebbene sia possibile non montare il 7805 e prelevare l’alimentazione logica dalla scheda di controllo io lo sconsiglio per evitare il più possibile problemi di disturbi.

Sul connettore a 12 poli SV1 sono presenti tutti i segnali disposti in due file simmetriche, una per ciascuno stadio.
Due segnali sono la massa del circuito, due l’alimentazione a 5V poi, per ciascuno stadio, ci sono i segnali delle resistenze di shunt, il controllo dei due rami del ponte e l’enable.

Cablaggi

Di seguito un piccolo schemino per riassumere i cablaggi per il ponte.

Schema connessioni MPH101

Adattatore per singolo canale PWM

Questo è lo schema del circuito adattatore per controllare due motori con due soli segnali PWM:

Il circuito di pilotaggio è disegnato già doppio per usare il driver con due motori e gestisce anche il segnale di Enable che, se non necessrio, può essere non collegato e sarà tenuto a 1 dalle resistenze di Pull-UP R2 e R3.

Tale schema prevede di pilotare alternativamente i due rami del ponte tramite un singolo segnale PWM.

Quando il duty-cicle del PWM sarà al 50% il motore risulterà perfettamente immobile, variando il duty-cicle verso 0% o verso il 100% il motore girerà via via più velocemente nei due sensi di marcia.

Una seconda soluzione prevede, per ciascun motore, l’uso di due segnali PWM generati in opposizione di fase direttamente dal micro, alcuni micro come i PIC della serie 18F4431 e similari permettono via HW di generare direttamente questi segnali e così facendo è possibile usare direttamente il ponte senza l’ausilio di altro HW.

Il master

Per questa scheda ho fatto realizzare il PCB da un service, la qualità è ottima ed è completo di solder e serigrafia.

è possibile coperare questo PCB su PCB MiniPonteH su Katodo Store assieme a molti altri componenti

Elenco componenti

Per assemplare il driver servono pochissimi componenti come si vede nella seguente tabella.

Realizzazione pratica

Assemblare il ponte è una operazione abbastanza semplice, il PCB che ho realizzato dovrebbe agevolare molto la cosa.

Gli unici particolari a cui prestare attenzione sono:

• Ordine di montaggio dei componenti:
  Iniziare saldando quelli meno agevoli cercando di individuare quali sono da saldare prima.
  In questo caso consiglio di partire dal connettore centrale e poi saldare i componenti che si trovano immediatamente vicini per finire con quelli più esterni alla scheda.
• Evitare saldature fredde
• Prestare attenzione al verso di inserimento dei diodi:

Come bypassare lo shunt

Particolare di come bypassare gli shunt

Programmazione

Funzioni in C per PIC con PWM avanzato

Ecco delle funzioni per l’uso del ponteH con i pic 18F4×31 scritte da Fabio Drago.

Le funzioni si compongono di due file:

motors.c

/* *****************************************************************************
Libreria per l'utilizzo dei ponti H realizzati da Mauro Soligo
Autore: 	Fabio Drago
Versione:	1.0
Data:	09 Giugno 2006
Note:Pic:	18f4x31
H-Bridge:	RoboPonte (HIP4081A) o MiniPonteH (L298)
Controllo:	Locked Anti Phase
Frequenza:	9.8kHz, 19.5kHz, 39.0kHz
Risoluzione:	12bits, 11bit, 10bit
***************************************************************************** */
 
#include"motors.h"
 
/* *****************************************************************************
initMotors ( unsigned int period )
period : Valore per la generazione del periodo. Tab 17-2 pagina 193
Note:
sono state definiti degli alias per le frequenze di lavoro piu' comuni:
    PWM_PER_10k = 9.8kHzPWM_PER_20K = 19.6kHzPWM_PER_40k = 39.0kHz
***************************************************************************** */
 
void initMotors(unsigned int period){
// Mette in Output i pin
PORTB = PORTB & 0b11000000;
// Power Timer Control
PTCON0 = 0b11110000;
// 1:16 postscaler, 1:1 prescale, free running
PTCON1 = 0b10000000;
// PWM time base ON, count up
PTPERH = (unsigned char) (period >> 8);
PTPERL = (unsigned char) (period);
 
// PWM Control
PWMCON0 = 0b01000000;   // PWM1:PWM5 Abilitati
PWMCON1 = 0b11110000;   // 1:16 postscaler, updates abilitati, override asincrono
DTCON = 0x00;           // dead time 0ns
 
// Output Override
OVDCOND = 0b00111111;	  // L'output è controllato dal DutyCycle e TimeBase
OVDCONS = 0b00000000;	  // Tutti i pin sono INACTIVE quando in override
 
// Fault Configuration
FLTCONFIG = 0x00;       // Fault A e B disabilitatireturn ;}
 
/******************************************************************************
setMotors ( unsigned char motor, int dc )
motor : Motore da impostare. motor = 1 | 2 | 3
dc :  valore di dutycycle nel range  -2048 < dc < +2048
il dutycycle da impostare viene definito tramite la formula:
        dutycycle = zero + dc * (risoluzione / 4096*)4096
perchè il range di dc è +/- 2048
 
Note:- Si è deciso di utlizzare il range +/- 2048 per il dutycycle passato alla funzione
in modo da avere una risoluzione di 12 bit indipendentemente dalla risoluzione
effettiva legata alla frequenza di lavoro.
In questo modo si puo' cambiare la frequenza di lavoro dei motori senza dover
ritarare tutti i valori di duty cycle precedentemente calcolati.
 
-	il terzo motore ha i canali PWM invertiti quindi bisogna invertire la
        direzione di rotazione rispetto agli altri due.
******************************************************************************/
 
unsigned char setMotor(unsigned char motor, int dc)
{
    unsigned int period;
    int dutycycle;		// nel range 0 - period
    // Controlla se i parametri sono corretti
    if ((motor < 0 ) || (motor > 3)) return 1;
    if ((dc > 2048) || (dc < -2048)) return 2;
 
    // Inverte il senso di rotazione del terzo canale
    if (motor ==3) dc = -1*dc;
 
    // legge la frequenza di lavoro per calcolare la risoluzione
    period = ((unsigned int)(PTPERH) << 8) + PTPERL;
 
    // calcola il dutycycle da applicare in base alla precisione
    switch ((unsigned int) period)
    {
      case 0x3ff : dutycycle = 2048 +  dc;
      break;  		// 12 bit (4096)
 
      case 0x1ff : dutycycle = 1024 + (dc / 2);
      break;	// 11 bit (2048)
 
      case 0x0ff : dutycycle = 512  + (dc / 4);
      break;	// 10 bit (1024)
    }
 
    // Aggiorna i registri relativi al motore interessato
    switch (motor)
    {
      case 1 :  PDC0H = dutycycle >> 8;
                PDC0L = dutycycle;
                break;
 
      case 2 :  PDC1H = dutycycle >> 8;
                PDC1L = dutycycle;
                break;
 
      case 3 :  PDC2H = dutycycle >> 8;
                PDC2L = dutycycle;
                break;
    }
  return 0;
}

motors.h

/******************************************************************************
Libreria per l'utilizzo dei ponti H realizzati da Mauro Soligo
Autore: Fabio DragoVersione:	1.0
Data:     09 Giugno 2006
Note:
Pic:      18f4x31
H-Bridge:	RoboPonte (HIP4081A)
          MiniPonteH (L298)
 
Controllo:	Locked Anti Phase
Frequenza:	9.8kHz, 19.5kHz, 39.0kHz
Risoluzione:	12bits, 11bit, 10bit
******************************************************************************/
 
// Valori di PTPER per le frequenze di lavoro piu' comuni
#define	PWM_PER_10k		0x03ff
#define PWM_PER_20k		0x01ff
#define PWM_PER_40k		0b00ff
 
/******************************************************************************
Special File Register del PIC
Abbiamo deciso di ridefinire i registri del PIC per evitare di dover cambiare,
all'interno del motors.c, l'include del file relativo al pic (i.e. p18f4431.h)
******************************************************************************/
 
extern volatile near unsigned char       PORTB;
extern volatile near unsigned char       PTCON0;
extern volatile near unsigned char       PTCON1;
extern volatile near unsigned char       PWMCON0;
extern volatile near unsigned char       PWMCON1;
extern volatile near unsigned char       OVDCONS;
extern volatile near unsigned char       OVDCOND;
extern volatile near unsigned char       DTCON;
extern volatile near unsigned char       FLTCONFIG;
extern volatile near unsigned char       PTPERH;
extern volatile near unsigned char       PTPERL;
extern volatile near unsigned char       PDC2H;
extern volatile near unsigned char       PDC2L;
extern volatile near unsigned char       PDC1H;
extern volatile near unsigned char       PDC1L;
extern volatile near unsigned char       PDC0H;
extern volatile near unsigned char       PDC0L;
 
/******************************************************************************
Prototipi delle Funzioni
******************************************************************************/
 
void initMotors(unsigned int period);
unsigned char setMotor(unsigned char motor, int vel);

main.c

/******************************************************************************
Programma Demo per l'utilizzo della libreria "motors.h"
Autore: 	Fabio DragoVersione:	1.0
Data:	09 Giugno 2006
Scopo:Questo programma inizializza i PWM per tre motori controllati in LAP.
Imposta i dutycycle a 1/4, 1/2 e 3/4 e poi attende all'infinito in mododa
poterli verificare con un analizzatore di stati logici.
Note:
******************************************************************************/
#include
 
#include "motors.h"
 
#pragma config OSC  = HSPLL  // Oscillatore PLL 4x attivo
#pragma config WDTEN = OFF  // Whatch dog disattivato
#pragma config PWRTEN = ON  // Power UP timer abilitato
#pragma config LVP  = OFF  // Programmazione LVP disabilitata
#pragma config BOREN = OFF  // Brown out Reset disabilitato
#pragma config BORV  = 42  // Tensione per Brown out Reset 4.2 Volt
#pragma config PWM4MX 	= RB5		// RB5 = PWM4
 
void initRB(void);
 
void main(void)
{
  initRB();
  initMotors( PWM_PER_20k);
  setMotor(1, 1024);
  setMotor(2, 0);
  setMotor(3, -1024);
  while(1);
  return;
}
 
void initRB(void)
{
// PINs Direction
TRISA = 0b11111111;		// Ananlogs and Encoder
TRISB = 0b11000000;		// uscite PWM e ICSP
TRISC = 0b10111001;		// I2C, RS232, pwm
TRISD = 0x00;			    // display lcd
TRISE = 0xf0;			    // led
 
// PINs Initial State
PORTA = 0xff;
PORTB = 0x00;
PORTC = 0x00;
PORTD = 0x00;
PORTE = 0x00;
INTCON  = 0;     		// Clear Interrupt
return;
}

Trucchi e consigli

I diodi

I 12 diodi D1-D12 devono essere dei diodi veloci in grado di sopportare correnti di picco di 2A, io personalmente ho provato diodi come gli mbr160, sb140/160 ma in teoria qualunque diodo veloce da 1A continuo può andare bene.
I diodi consigliati sono diodi da 60V che mi permettono di usare il ponte con tensioni fino a 24V senza problemi. Per sfruttare il ponte per tensioni superiori usare diodi con tensione di lavoro almeno doppia rispetto a quella a cui si vuole usare il ponte.

Dimensionamento

Nello schema ci sono due componenti che vanno dimensionati in base alle specifiche esigenze di lavoro e sono le due resistenze di shunt.

A queste si aggiunge il dimensionamento del dissipatore a cui fissare l’L298 che senza non dissipa pi๠di 2W.

Resistenze di Shunt

Le resistenze di SHUNT vengono attraversate dalla stessa corrente che pilota il motore e servono per poterla misurare potendo leggere ai loro capi una tensione proporzionale grazie alla legge di Ohm

   V = I * R

Nel dimensionamento delle due resistenze bisogna però tenere presente due problematiche, una legata alla dissipazione in potenza e una legata all’ampiezza del segnale da misurare.

Per quanto riguarda la dissipazione in potenza la formula che la lega alla corrente e alla resistenza è

   W = I^2 * R

E’ evidente quindi che all’aumentare della resistenza e a parità di corrente, la potenza dissipata aumenta.

àˆ da tenere presente che questa potenza poi viene sottratta al motore infatti, considerando Vbat la tensione di alimentazione, Vmot quella del motore e Vs quella di shunt, la tensione che andrà realmente a pilotare il motore sarà

   Vmot=Vbat-Vs

ed essendo sia la corrente che attraversa il motore e la resistenza sia Vbat fisse all’aumentare di Vs Vmot scenderà e scenderà la potenza erogabile dal motore

   Pmot=Vmot*I

A questo punto è evidente quindi che tanto pi๠piccola è la resistenza di shunt meglio è… ma non è del tutto vero, infatti questa resistenza ci serve per misurare la corrente e quindi deve essere tale da poter leggere con sufficente precisione la corrente ai suoi capi.

Dissipatore

Ora come ora non so bene come calcolare le dimensioni di un dissipatore per questo ponte… qualche suggerimento?

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