Ein schneller

DN-Mitarbeiter | 31. Okt. 2016

Vor Jahren wollte mein Kumpel Steve Titus mit einigen Drohnenrotordesigns experimentieren. Er brauchte eine einfache Motorsteuerung, die mit 8 V bis 12 V betrieben werden konnte und Ampere Strom an einen Gleichstrommotor liefern konnte, der in ferngesteuerten Flugzeugen verwendet wird (Abbildung 1).

Ich habe ein Design entwickelt, das auf dem klassischen TL494-PWM-Chip (Pulsweitenmodulation) basiert (Figur 2 ). Dieser Chip von Texas Instruments stammt aus zweiter Quelle von ON Semi und anderen. Händler führen den Chip in kleinen Mengen zu Preisen von 24 Cent pro Tausend bis 60 Cent pro Stück (2016). Ich habe diesen Chip lieben gelernt, als ich Teledyne konsultierte. Ich habe Netzteile für Radarstörsender in F-16-Kampfflugzeugen entwickelt. Der TL494 wurde in einem Keramik-DIP-Gehäuse geliefert, sodass Sie ihn für Mil-Spec-Projekte oder für äußerst zuverlässige Industrieanwendungen verwenden können. Heutzutage würde ich aufgrund der geringen Größe und Vibrationsfestigkeit einen SOIC entwerfen. Für die Mikrominiaturisierung ist das Teil sogar in TSSOP erhältlich.

Um die große Stromstärke zu erreichen, die Steve benötigte, ließ ich den Chip einen großen TO-3-PNP-Darlington-Transistor mit Metallgehäuse ansteuern, der 100 V und 16 A verarbeiten kann. Da die Induktivität des Motors und der daran angeschlossenen Drähte Schaltspitzen von sogar mehr als 100 V erzeugen können, ist es notwendig, eine robuste Klemmdiode über den Motor zu legen (Figur 3).

Figur 4; Die Schaltung gibt Impulse an den Motor (rot). Dies basiert darauf, dass die Steuerspannung einen eingestellten Schwellenwert (gelb) erreicht. Der Strom in den Motor steigt auf bis zu 4 Ampere und fällt dann während der Ausschaltzeit (grün) ab. Kleine Stromschwankungen entstehen durch die Wechselwirkung der Induktivität des Motors und der Verkabelung mit der Kapazität der Snubbbing-Diode.

Sie steuern die Motorgeschwindigkeit, indem Sie die DC-Eingangsspannung in Impulse variabler Breite zerlegen. Ich habe C3 und R5 ausgewählt, um eine Betriebsfrequenz von 8,7 kHz zu erhalten. Wenn der IC überhaupt nicht abhackt, legt er die volle Batteriespannung an den Motor an. Wenn der Motor kurze, schmale Impulse erhält, ist die durchschnittliche Spannung niedrig und der Motor läuft langsam (Figur 4 ). Bei verschwindend schmalen Impulsen liegt keine Spannung am Motor an und er hört auf zu rotieren. Ohne Belastung des Motors kann die Spannungswellenform unregelmäßig aussehen, da die Gegen-EMK (elektromotorische Kraft) des Motors als Generator Spannung erzeugt.

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Auch wenn es brutal erscheinen mag, diese Impulse an den Motor anzulegen, bedenken Sie, dass Motoren mit Magnetismus betrieben werden und der Magnetismus durch Strom und nicht durch Spannung erzeugt wird. Während also der Controller Spannungsimpulse erzeugt, wandelt die Motorinduktivität diese in Stromrampen um, die proportional zur Spannung sind.

Für den mechanischen Entwurf habe ich auf einem Schrottplatz einige Kühlkörper gekauft, die bereits für die Montage eines TO-3-Transistors gebohrt waren. Bei der Montage habe ich Glimmer-Isolatoren und Wärmeleitpaste verwendet. Die Bolzen von der Transistorhalterung sorgten ebenfalls für einen Abstand und befestigten die Leiterplatte. Ich habe auch einige 10-Kilo-Ohm-Gleitpotentiometer auf dem Schrottplatz mitgenommen. Ich habe die Platine in ProCAD entworfen. Zur Herstellung der Platine habe ich vorbeschichtete Platinen verwendet, auf die ich Folien aus meinem Laserdrucker aufgebracht habe. Sobald der Fotolack belichtet war, legte ich sie in eine Schale mit erhitztem Eisenchlorid.

Ich würde die Leiterplatte auch einfach in einer anständigen Schnellfertigungswerkstatt bestellen, anstatt mich mit Fotolack-Leiterplattenmaterial, Transparentfolien und Eisenchlorid herumzuschlagen. Irgendwann ist es einfach einfacher, die Platinen herstellen zu lassen, vor allem jetzt, wo ich weiß, dass das grundlegende Design gut funktioniert.

Ein weiteres Bedauern, das ich auf die harte Tour gelernt habe. Ich habe einmal einen Prototyp mit Schrottplatzteilen entworfen, um ihn so schnell wie möglich zum Kunden zu bringen. Er liebte es und bat um 50 weitere. Als ich zum Schrottplatz zurückkam, waren diese Mengen nicht verfügbar. Sie hatten keine Ahnung, wo sie weitere gleiche Teile bekommen könnten. Jetzt bleibe ich bei Hauptvertriebshändlern wie Allied, damit ich weiß, dass ich so viele Teile bekommen kann, wie ich brauche, es keine Fälschungen sind und meine Ingenieurskollegen und Hacker genau die gleichen Teile bestellen können. Reproduzierbarkeit ist ein wesentlicher Bestandteil der wissenschaftlichen Methode. Die Stückliste (Stückliste) unten enthält verfügbare Teile anstelle des Schrottplatz-Kühlkörpers und -topfs sowie anderer Teile in diesem Prototyp.

Mein letztes Bedauern ist, dass ich meinem Freund Steve nicht wirklich klar gemacht habe, dass jeder weiß, dass das rote Kabel zum Pluspol der 12-Volt-Batterie führt. Er schloss es sofort verkehrt herum an und sprengte einen der Prototypen vor der Verwendung in die Luft (Abbildung 5 ). Zum Glück habe ich gelernt, drei Prototypen herzustellen. Zwei, bei denen ich Designänderungen vergleichen kann, und eine, die das Marketing stiehlt und zu einer Show in Kirgisistan verschickt.

Klicken Sie hier, um die vollständigen Bauanweisungen herunterzuladen, einschließlich ProCAD-PCB-Dateien sowie DXF- und DWG-Versionen.

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DC-Motorsteuerung TEILELISTE

Komponentenreferenz

Komponente/Material

Kosten

Quelle

Motor

Motor, DC-Keramik-Permanentmagnet, langer Stapel – Kugellager, 24 VDC

127,07 $

Alliierte Lagernummer: 70217726

Q1

TRANSISTOR, NTE250 PNP SILICON DARLINGTON 100V IC=16A TO-3-GEHÄUSE

8,74 $

Alliierte Lagernummer: 70215870

Q1-Isolator

Montagesatz für Kühlkörpertransistoren von RS Pro für TO-3

1,83 $

Alliierte Lagernummer: 70637780

Q1-Fett

Aavid Thermalloy Wärmeleitpaste, 2 Unzen, Thermalcote

10,82 $

Alliierte Lagernummer: 70115245

Leiterplatte

MG Chemicals Board; Kupferplattiert; 9 x 6 Zoll; 1/16 dick; beidseitig; vorsensibilisiert

21,50 $ (ergibt 4 Leiterplatten)

Alliierte Lagernummer: 70125853

PCB-Ätzmittel

MG Chemicals Chemical; Eisenchlorid-Kupferätzmittel; 17 Unzen Flüssigkeit

9,25 $

Alliierte Lagernummer: 70125782

D1

Diode, MR752 6A 200V Silizium-Gleichrichter

1,14 $

Alliierte Lagernummer: 70911267

U1

TL494 SWITCHMODE Pulsweitenmodulation (Hinweis: SOIC-Paket!)

0,27 $ pro Stück (20 Min.)

Alliierte Lagernummer: 70341601

Topf1

Bourns-Potentiometer, Bedienfeldsteuerung, Kohlenstoff, 100 mm, 10 Kiloohm, 20 %

3,91 $

Alliierte Lagernummer: 70155184

Topfknopf

RS Pro-Schiebeknopf; Gehäuse: Schwarz mit weißem Indikator; 1,2x4mm Schaft

0,39 $

Alliierte Lagernummer: 70644546

Kühlkörper

Wakefield 423K Kühlkörper; TO-3; 47 °C bei 50 W; 2,625 Zoll; 0,5C/W;

20,79 $

Alliierte Lagernummer: 70236723

C1

Kondensator; Tantal; 33uF; Tippen Sie auf Serie; Radial; Fall J; 10 %; 25V; 33 VDC; 1,2 Ohm ESR

2,18 $

Alliierte Lagernummer: 70195926

C2

Kondensator; Keramik; Kappe 1uF; Tol 10 %; Radial; Vol-Rtg 25V; Dielektrikum X7R

0,770 $

Alliierte Lagernummer: 70096303

R1. R2

Vishay Dale Widerstand; Metallfolie; 133 Ohm; 0,5 W; Tol 1%; Axial; Militär (2 Stück)

0,44 $ pro Stück

Alliierte Lagernummer: 70200270

R3

WIDERSTAND METALLFILM 1/4W 3,16K OHM 1% AXIALLEITUNG

0,05 $

Alliierte Lagernummer: 70722839

R4

Widerstand; Metallfolie; Res 1,13 Kiloohm; Pwr-Rtg 0,125 W; Tol 1%; Axial

1,02 $

Alliierte Lagernummer: 70205979

C3

Nichicon Kondensator Polyesterfolienkappe 0,01 uF 100 V 10 % Radial 6,5 x 10,5 LS 5 mm

0,142 $

Alliierte Lagernummer: 70188286

R5

Vishay Dale Widerstand; Metallfolie; Res 19,1 Kiloohm; Pwr-Rtg 0,125 W; Tol 1%; Axial; Militär

0,09 $

Alliierte Lagernummer: 70200553

J1, J2

TE Connectivity UNIV MNL HEADER, 02P UMNL HDR ASSY R/A 94VO LF

1,66 $ pro Stück

(Menge 2)

Alliierte Lagernummer: 70087875

P1, P2

TE Connectivity-Steckverbinder, Soft Shell; Universelles MATE-N-LOK; 2; Stecker; Nylon; Weiß; 19 A

0,25 $ pro Stück

(Menge 2)

Alliierte Lagernummer: 70083521

Kontakte P1, P2

TE Connectivity Universal MATE-N-LOK II Buchsenkontakt, 24–18 AWG, Gold (30) über Nickel

1,26 $ pro Stück

(Menge 4)

Alliierte Lagernummer: 70041811

P3

Pomona Electronics Bananenstecker; Bananenstecker; 15 A; Schwarz; Berylliumkupfer; 5000 Vrms

5,24 $

Alliierte Lagernummer: 70197210

P4

Pomona Electronics Bananenstecker; Bananenstecker; 15 A; Rot; Berylliumkupfer; 5000 Vrms

5,24 $

Alliierte Lagernummer: 70197211

Q1-Schrauben

APM Hexseal Hardware, Phillips-Flachkopf-Seelsrew, 1 Zoll, 6-32 Gewindegröße, SS

0,51 $ pro Stück

(Menge 2)

Alliierte Lagernummer: 70156385

J1, J2 Schrauben

APM Hexseal Hardware, Phillips-Flachkopf-Seelsrew, 1/2 Zoll, 6-32 Gewindegröße, SS

0,43 $ pro Stück

(Menge 4)

Alliierte Lagernummer: 70156382

Q1, J1, J2 Muttern

Keystone Electronics Mutter; Sechskant 6-32 mit Gewinde; Stahl; Bearbeitet; Außendurchmesser .250

0,070 $ pro Stück

(Menge 10)

Alliierte Lagernummer: 70279752

Q1, J1, J2 Sicherungsscheiben

Keystone Electronics-Anschlussfahne; Sicherungsscheibe; Messing, Weißblech; Länge .875; Lochgröße Nr. 6

0,120 $ pro Stück

(Menge 6)

Alliierte Lagernummer: 70386216

[Alle Bilder von Paul Rako, sofern nicht anders angegeben]

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