BTS7960 - Драйвер колекторного двигуна

Драйвер BTS7960 — дозволяє керувати одним колекторним двигуном розрахованим на напругу від 5,5 до 27,5 В постійного струму до 43 А. Але оскільки клемник встановлений на платі не розрахований на такі струми, то для довготривалої роботи рекомендується використовувати двигуни зі струмом споживання до 10 А. За допомогою даного драйвера можна керувати швидкістю двигуна, напрямом його руху, виконувати гальмування та контролювати навантаження, яке відчуває двигун.

Характеристики

• Напруга живлення двигуна: від 5,5 до 27,5 В постійного струму (поза вказаним діапазоном драйвер перейде в режим захисту).
• Напруга живлення логіки: 5 В постійного струму.
• Максимально допустимі струми двигуна: 43 А (короткочасно).
• Максимально допустимі струми двигуна: 10 А (довгочасно).
• Максимальна частота ШІМ на керуючих контактах: 25 кГц
• Напруга логічних рівнів на керуючих контактах: 3,3 або 5 В

Призначення контактів

«M+» і «M-» - Виходи для підключення мотора.
«M-» Вихід лівого плеча H-моста (чіп U3).
«M+» Вихід правого плеча H-моста (чіп U2).
«S+» і «S-» - Живлення двигуна.
«Vcc» і «GND» - Живлення логіки.
«L_IS» - Вихід стану лівого плеча H-моста (чіп U3).
Контакт є прапором помилки (якщо вона є), інакше з цього виходу можна знімати рівень напруги пропорційний струму, що протікає через мотор, а значить контролювати силу навантаження до мотора.
«R_IS» - Вихід стану правого плеча H-моста (чіп U2).
Контакт є прапором помилки (якщо вона є), інакше з цього виходу можна знімати рівень напруги пропорційний струму, що протікає через мотор, а значить контролювати силу навантаження до мотора.
«L_EN» - Вхід дозволу роботи лівого плеча H-моста (чіп U3).
Скидання 0 - відключає вихід мотора «M-» (переводить його в стан високого імпедансу).
Установка в 1 - дозволяє роботу виходу мотора «M-».
«R_EN» - Вхід дозволу роботи правого плеча H-моста (чіп U2).
Скидання 0 - відключає вихід мотора «M+» (переводить його в стан високого імпедансу).
Установка в 1 - дозволяє роботу виходу мотора «M+».
«L_PWM» - Вхід установки потенціалу на виході лівого плеча H-моста (чіп U3).
Скидання 0 - встановлює на виході «M-» потенціал виведення «S-».
Встановлення в 1 - встановлює на виході «M-» потенціал виведення «S+».
Встановлення потенціалів «S+» або «S-» на виході «M-» можлива лише якщо встановлена 1 на вході «L_EN».
«R_PWM» - Вхід установки потенціалу на виході правого плеча H-моста (чіп U2).
Скидання 0 - встановлює на виході «M+» потенціал виведення «S-».
Встановлення в 1 - встановлює на виході «M+» потенціал виведення «S+».
Встановлення потенціалів «S+» або «S-» на виході «M+» можлива лише якщо встановлена 1 на вході «R_EN»

Підключення драйвера

Двигун підключається до контактів  «M+» та «M-» клемника.
Напруга живлення двигуна (5,5 - 27,5 В постійного струму) подається на контакти «S+» та «S-» клемника.
Напруга живлення логічної частини (5 В постійного струму) подається на контакти «Vcc» та «GND».
Драйвером можна керувати по 2, 3, або 4 проводам:

Підключення драйвера двигуна до Arduino за двома проводами:
Контакти «L_EN» та «R_EN» драйвера з'єднуються один з одним і підключаються до «Vcc» (не беруть участь в управлінні).
Контакт «L_PWM» підключається до будь-якого виводу Arduino, що підтримує ШІМ.
Контакт «R_PWM» підключається до будь-якого виводу Arduino, що підтримує ШІМ.
Управління драйвером двигуна по 2 проводам:
Рух вперед із регулюванням швидкості: «L_PWM» = 0, «R_PWM» = ШІМ (що вище ШІМ тим вища швидкість).
Рух вперед із регулюванням швидкості: «L_PWM» = ШИМ, «R_PWM» = 1 (що вище ШІМ тим нижче швидкість).
Рух назад із регулюванням швидкості: «L_PWM» = ШИМ, «R_PWM» = 0 (що вище ШІМ тим вище швидкість).
Рух назад із регулюванням швидкості: «L_PWM» = 1, «R_PWM» = ШІМ (що вище ШІМ тим нижче швидкість).
Гальмування: «L_PWM» = «R_PWM» = 0 або 1 (максимальне гальмування).
Переваги та недоліки схеми управління з 2 проводів:
Явна перевага схеми – мінімальна кількість задіяних контактів Arduino.
Оскільки на входах «L_EN» та «R_EN» постійно встановлена 1 (вони підключені до «Vcc»), означає виходи мотора «M+» та «M-» не переходять у стан високого імпедансу (не відключаються), отже, можна здійснювати гальмування швидкістю (зменшення швидкості призводить до гальмування). Це факт можна віднести і до недоліків схеми, так як в ній не можна звільнити мотор, на його контактах «M+» та «M-» завжди встановлені потенціали «S+» та/або «S-».

Підключення драйвера двигуна до Arduino по 3 дротам:
Контакти «L_EN» та «R_EN» драйвера з'єднуються один з одним і підключаються до будь-якого контакту Arduino, що підтримує ШІМ.
Контакт «L_PWM» підключається до будь-якого контакту Arduino.
Контакт «R_PWM» підключається до будь-якого контакту Arduino.
Управління драйвером двигуна по 3 проводам:
Рух вперед із регулюванням швидкості: «L_PWM» = 0, «R_PWM» = 1, «EN» = ШІМ (що вище ШІМ тим вища швидкість).
Рух назад із регулюванням швидкості: «L_PWM» = 1, «R_PWM» = 0, «EN» = ШІМ (що вище ШІМ тим вища швидкість).
Вільне обертання: «L_PWM» та «R_PWM» не мають значення, «EN» = 0 (мотор електрично відключений).
Гальмування: «L_PWM» = «R_PWM» = 0 або 1, «EN» = ШІМ (що вище ШІМ тим сильніше гальмування).
Переваги та недоліки схеми управління з 3 проводів:
Незважаючи на більшу кількість проводів, схема управління виглядає простіше: «L_PWM» та «R_PWM» керують напрямком, а «EN» швидкістю. Якщо на входах «L_PWM» та «R_PWM» однаковий логічний рівень, то «EN» керує гальмуванням.
Є можливість регулювати рівень гальмування за допомогою ШІМ без подачі напруги (різниці потенціалів) на двигун.
При подачі логічного 0 на вхід «EN», мотор електрично відключається від схеми. Наприклад, якщо керований мотором пристрій стоїть на гірці і на всіх входах «L_PWM», «R_PWM» та «EN» встановлена 1, то воно нікуди не поїде, але варто скинути в 0 рівень на вході «EN», як мотор звільниться і пристрій скотиться з гірки. Ще одним прикладом може бути економія електроенергії: після досягнення необхідної швидкості скидаємо рівень на вході «EN» у стан логічного 0 і пристрій продовжуватиме рух за інерцією, далі встановлюємо на вході «EN» логічну 1, набираємо швидкість і знову скидаємо до 0.
До недоліків схеми підключення по 3 дротах можна віднести те, що у схемі не передбачено гальмування швидкістю.
Підключення драйвера мотора до Arduino по 4 дротам:
Контакти «L_EN», «R_EN», «L_PWM» та «R_PWM» підключаються до контактів Arduino підтримуючим ШІМ (інакше доцільніше використовувати схему з 2 або 3 проводами).

Керування драйвером двигуна по 4 проводам:
У такій схемі можна здійснювати управління за будь-яким із розглянутих раніше варіантів управління, перемикаючись з однієї схеми на іншу в міру необхідності.
Переваги та недоліки схеми управління з 4 проводів:
Гідність схеми полягає в її універсальності, можна використовувати переваги двох попередніх схем і позбавитися їх недоліків.
Явний недолік схеми – максимальна кількість задіяних контактів Arduino.

Живлення:
Напруга живлення двигуна (5,5 - 27,5 В постійного струму) подається на контакти «S+» та «S-» клемника.
Напруга живлення логічної частини (5 В постійного струму) подається на контакти «Vcc» та «GND».

Драйвер побудований на базі H-моста зібраного з двох напівмостів на чіпах BTS7960. Чіпи BTS7960 підтримують ШІМ до 25 кГц (наприклад, у Arduino UNO частота ШІМ всього 0,5 кГц) і забезпечені схемами захисту від короткого замикання, перегріву, перенапруги (на контактах клемника S+ та S-) та падіння напруги нижче 5,5 В ( на кнтактах клемника S+ та S-). Чіпи BTS7960 мають контакт стану «IS» напруга на якому змінюється пропорційно струму, що протікає через двигун (що дозволяє визначити, яке навантаження зазнає двигун), а у разі виявлення помилок, контакт «IS» працює як прапор виявлення помилки встановлюючись в логічну «1». На платі контакти чіпів «IS» притиснуті до GND через опір 10 кОм та підключені до виходів плати «L_IS» та «R_IS». На платі драйвера встановлений шинний формувач на базі чіпа 74HC244 який забезпечує розв'язку логічних рівнів керуючих сигналів між входами «L_EN», «R_EN», «L_PWM», «R_PWM» та входами чіпів BTS7960. Завдяки наявності шинного формувача керувати драйвером можна логічними рівнями як 3,3, так і 5 В логіки.