Motoren en H-bruggen - deel 2

Snelheidsregeling

De snelheid waarmee de motor draait, is afhankelijk van de stroom, die erdoorheen loopt. Of liever gezegd, de gemiddelde stroom. Als je de schakelaars snel genoeg open en dicht doen, lijkt de motor gewoon door te draaien in plaats van te starten, te stoppen, enzovoort. Door de verhouding van het "open" en "dicht" te veranderen kunnen we de gemiddelde stroom, en dus de snelheid, regelen.

Pulse Width Modulation

Dit heet Puls Breedte Modulatie. Uiteraard wordt de Engelse term, Pulse Width Modulation, vaker gebruikt, en is de afkorting, PWM, ook in het Nederlands gebruikelijk.

Duty Cycle

In bovenstaand plaatje worden periode en pulsbreedte genoemd. Als de verhouding van pulsbreedte en periode toeneemt, dan neemt ook de (gemiddelde) toegevoerde energie toe. Zo is de gemiddelde waarde laag als de pulsbreedte klein is in vergelijk met de periode.
Deze verhouding heet duty cycle (in correct Nederlands "arbeidscyclus") en wordt gewoonlijk in procenten uitgedrukt.

Zo is bij een duty cycle van 50% de pulsbreedte de helft van van de periode.

Schakelen

De schakelaars uit de vorige entry worden MOSFETs, de elektronische tegenhanger van een schakelaar, die ook nog eens snel schakelt en (relatief) grote stromen kan verwerken. Een H-brug ziet er dan als volgt uit:

Dit is te vereenvoudigen tot onderstaand, waarbij slechts twee stuursignalen gebruikt worden:

Toch is dit geen goede schakeling; een wisselend signaal (PWM!) laat weliswaar de MOSFET snel in geleiding gaan, maar een MOSFET heeft capaciteit; hij zal dus niet snel uit geleiding gaan.
Gedurende een korte periode zullen zowel T3 als T5 geleiden: een volledige kortsluiting!

Dit valt wel te voorkomen, bijvoorbeeld door een comparator in te bouwen (dit is een ontwerp van OddBot, die niet langer actief is op letsmakerobots, but credit's due where credit's due):

De schakeling bestaat uit de LM339, een viervoudige comparator en weerstandsbruggen. Er zijn twee weerstandsbruggen actief; R15/R16/R17 en R13/R14/R5/R6. Voor mij niet bruikbaar, want twee ingangssignalen. Hier worden de low-side zowel als de high-side aangestuurd. Er is nogal wat discussie gaande over dit onderwerp, zie hier (en kijk dan ook even naar YT, hier!)

Low-side, high-side

Ik heb P-channel MOSFETs (IRF9540N) liggen, en N-channel MOSFETs (IRFZ44N). N-channel MOSFETs zitten in de low side, omdat de spanning op de gate hoger moet zijn dan de source om te geleiden.
Bij P-channel MOSFETs is dat andersom: de spanning op de gate moet lager zijn dan de source om te gaan geleiden. Deze zul je dus makkelijker in de high side inzetten.

R_DS(ON)

Een ander fenomeen is de weerstand van de Drain-Source overgang bij geleiding, of te wel de R_DS(ON). Deze is bij P-channel MOSFETs hoger dan bij N-channel MOSFETs. Heeft iets van doen met de bouwwijze.
Zo heeft de IRFZ44N een R_DS(ON) van 0,0175 Ω en de IRF9540N een van 0,117 Ω. Dat is dus ruim zes keer zoveel! Aangezien belasting vooral tijdens het schakelen naar voren komt, is het het beste om de P-channel MOSFET zo min mogelijk te schakelen. Of helemaal niet.

Half bridge

Wat er dan nodig is, is een stuursignaal op de high-side, dat aangeeft welke kant de motor op moet draaien. Of de A-side high side geleidt continue, en de B-side low side wordt gepulst, of de B-side high side geleidt, en de A-side low side wordt gepulst.
Aangezien eigenlijk alleen de onderste helft van de brug (de low side) aangestuurd wordt met een PWM signaal heet dit soort schakeling een half bridge sturing. Er zijn veel half bridge stuur IC's te koop, maar het kan ook met wat simpele logic IC's.

Eisen

Uiteindelijk hebben alle bovenstaande overwegingen geleid tot het volgende lijstje met eisen voor mijn Electronic Speed Controller (ESC):

• fool proof (dwz onmogelijk kortsluiting te veroorzaken, motor altijd gecontroleerd)
• efficiënt
• Drie aansluitingen: Enable, Richting, PWM.

Na lang plussen en minnen is dit het idee: