DCMotor Drive Board 12-36V 200A

      วงจรขับมอเตอร์ DCMotor H-Bridge Driver 200A รุ่นนี้ออกแบบมาเพื่อทดแทน

บอร์ดรุ่นเดิม SB-HB200 ซึ่งเป็นบอร์ดที่ใช้งานค่อนข้างทนทาน เป็นที่นิยม พัฒนาจากต้น

แบบของวงจรเดิม ต่อยอดมาเป็นบอร์ดรุ่นปัจจุบัน ซึ่งปรับปรุงให้มีประสิทธิภาพดีขึ้น




 

    บอร์ดนี้ภาคขับกระแสหลักอัพเกรดใช้ Mosfet IRFS7530 Spec 240A ซึ่งเพียงพอ

สำหรับใช้ในงานทั่วไปกระแส 100A (MOS 100%) เช่นรถเพื่อการเกษตร งานวิจัย

พัฒนา DIY หรือในงานอุตสาหกรรม เป็นต้น คุณสมบัติสำคัญคือการหาทางป้องกันแรงดัน

เกิน (Transient Voltage Protection) หรือ Back EMF และแผงระบายความร้อน

ขนาดใหญ่ช่วยให้การระบายความร้อนที่ดีขึ้น







 

ข้อมูลคุณสมบัติทางเทคนิค
 

- แผงวงจรขับดีซีมอเตอร์ EB-TK200V2 พิกัด  12-36Vdc Mosfet Spec 240A Peak 

พร้อมวงจรป้องกันแรงดันเกินเป็นบอร์ดขับดีซีมอเตอร์แบบเฮชบริดจ์ (สามารถควบคุมมอเตอร์หมุนกลับทางได้)

- รองรับแรงดันทางเอาต์พุต (แรงดันไฟเลี้ยงมอเตอร์) : 12-36Vdc

- รองรับใช้งานที่ความถี่สูง 20-30KHz (ทดสอบที่ 31KHz) ช่วยให้มอเตอร์ ทำงานเงียบ ไม่มีเสียงหวีด หอน คราง

- รองรับแรงดันไฟอินพุต 3-5V/8mA TTL Level ระบบ Isolate Input 

- กระแสทางด้านเอาต์พุต : เผื่อ Spec Mosfet 240A แต่กระแสใช้งานจริงๆ Peak 100A ก็พอเพียงแล้ว (ลายวงจรที่จะรองรับได้)

- มีวงจรป้องกันแรงดันเกิน (Transient Voltage Protection)

- มีออปโต้คัปเปลอร์ สำหรับแยกกราวด์ทางด้านอินพุต ออกจากทางด้านเอาต์พุต ช่วยให้ระบบแยกกราวด์ อินพุต และ เอ้าพุตได้ 100%

- เหมาะสำหรับนำไปประยุกต์ ใช้งานในการควบคุม ระบบขับเคลื่อนต่างๆ  อาทิเช่น งานโปรเจ็ค งานทดลอง DIY

รถตัดหญ้าบังคับ ไฟฟ้า ที่ต้องการออกแบบระบบควบคุมเอง มีฟังชั่นการหยุดมอเตอร์ได้แบบทันที และ แบบปล่อยไหล

จุดต่อทางด้าน Input
 

  จุดต่อควบคุมทางด้านอินพุต (3-5V/8mA TTL Level มีออปโต้สำหรับแยกกราวด์ทางด้านอินพุตกับเอาต์พุต)
 

   GND  : จุดต่อกราวด์ทางด้านอินพุต

   PWM : ควบคุม ON/OFF  หรือสามารถต่อสัญญาณ PWM เพื่อใช้ในการควบคุมความเร็วของมอเตอร์ได้  (Active High: 0=off, 1=On)

   IN1 :  ควบคุมการหมุนทางซ้าย 

   IN2 :  ควบคุมการหมุนทางขวา

จุดต่อทางด้าน Output

 
 +VS : จุดต่อไฟเลี้ยงมอเตอร์ (รองรับแรงดันสูงถึง 12-36Vdc)

  M+  : จุดต่อมอเตอร์ด้านบวก

  M-   :  จุดต่อมอเตอร์ด้านลบ

  GND:  จุดต่อกราวด์


ตารางคำสั่ง Input รูปแบบการทำงานของมอเตอร์
 

** ราคาส่งพิเศษ 10 บอร์ดขึ้นไป ราคาบอร์ดละ 2,000 บาท และฟรีจัดส่ง

 

แนวทางหลักการในการออกแบบ

   อันดับแรกเราต้องทราบว่าเราจะไปใช้งานสเปคเท่าไร แรงดัน และ กระแสใช้งานที่

ต้องการเท่าไร จากนั้นจึงมาเลือก Power Mosfet ที่มีคุณสมบัติตามต้องการได้

ตัวอย่างวงจรที่ผมออกแบบนี้ เบื้องต้นสำหรับใช้งานที่แรงดัน 12-36V กระแสใช้งาน

จริงๆไม่เกิน 100A ก็ถือว่าสูงมาก ซึ่งปกติใช้งานจริงๆกระแสมอเตอร์อยู่แค่ระดับ 30-40A

ก็เพียงพอ แต่ผมเลือกใช้ IRFS7530  เพราะตามสเปคระบุ แรงดัน 60V กระแส 240A

ถือว่าสูงมาก แต่การใช้งานจริงเผื่อไว้ 100A นั่นก็ถือว่ามากเพียงพอใช้งานทั่วไปแล้ว 

ปกติถ้า เลือกแรงดันสูงกระแสก็ต่ำ เลือกแรงดันต่ำกระแสก็สูง ได้อย่างเสียอย่าง

เลือกที่เหมาะสมกับการใช้งานของเราก็ OK






คลิบตัวอย่างการเลือก Mosfet Spec




   ถัดมาก็ต้องมาออกแบบภาค Gate Drive ว่าจะใช้วงจรไหนซึ่งมีมากมายแต่จากที่ศึกษา

มาง่ายสุดก็จะเป็นพวก IC Gate Driveสำเร็จรูปอย่าง IC TLP250  หรือ IR2110 ก็ตามซึ่ง

แล้วแต่การเลือกใช้งานในการออกแบบวงจรต่อไป

       

   รุ่นทดลอง 1 นี้ผมลองเลือกใช้คือ IR2110 เนื่องจากการต่อใช้งาน Drive Gate Power Mosfet

แบบ H-Bridge ทำได้สะดวก ใช้ไฟเลี้ยงภาค GateDrive ในส่วนชุดบนและล่างชุดเดียวกันได้เลย แต่

ข้อเสียยุ่งยากหน่อยคือ เรื่องไฟเลี้ยง IC แยกเป็น 2 ส่วนคือไฟเลี่ยงในส่วนขับ Gate และไฟเลี้ยง

ในส่วนของ Input หากออกแบบให้ใช้ร่วมกันได้ก็ไม่ยากทำได้ และ สำคัญอีกจุดคือ การเลือก 

Bootstrap Capacitor (Cboot) ค่าที่เหมาะสม กับย่านความถี่ PWM และ DutyCycle ที่ใช้งาน

เนื่องจาก PowerMosfet มีค่าการประจุชาจ์ทที่ขา Gate สามารถหาดูได้ใน DataSheet เรียกว่า

ค่า Qg (Total Gate Charge) แต่ถ้าง่ายๆเราก็เลือกใช้ค่าสูงๆไว้เพื่อเป็นการเพียงพอในการชาจ์ท

ประจุ 2.2-4.7uF (X7R ceramic)


   อีกส่วนคือหากต้องการแยก Input Isolate ต้องจัดภาค Input โดยใช้ Opto isolator

module เข้ามาช่วยเสริม แต่ TLP250 มี Opto isolator ในตัวเองด้านล่างนี้เป็นข้อมูล

Block Diagram ของ IC IR2110




ตัวอย่างวงจร Drive Gate Power Mosfet  ใช้  IR2110



ตัวอย่างผลงานบอร์ด วิจัยและทดลองรุ่น 1







    ผลการทดสอบในรุ่น 1 พบว่าสามารถใช้งานได้ วงจรออกแบบง่าย ระบบภาคไฟใช้ชุดเดียว สะดวก

แต่มีปัญหาในการควบคุมเรื่อง HiSide / LowSide ทำงานชนกัน Shoot-Through แบบทันทีทำให้

Mosfet ช็อตเสียหาย ต้องปรับแก้ DeadTime ให้ดีอย่าให้ชนกัน อีกทั้งเรื่อง แรงดันภาค  Hiside

ที่ทำหน้าที่ Bootstrap ให้เพียงพอในการขับเกท กล่าวคือหากใช้ความถี่ที่สูงมาก HiSide จะทำงานไม่ทัน

และ ไม่สามารถเปิด Duty Cycle ได้ 100% ปัญหาดังกล่าวจึงพัฒนาไปสู่ง รุ่นที่ 2 นั่นเอง



คลิบการออกแบบ วิจัยและทดลองรุ่น 1






EB-TK200V2 พิกัด  12-36Vdc 200A  (วิจัยและออกแบบรุ่น 2)



 


รุ่นทดลอง 2 IC Gate Driveสำเร็จรูปอย่าง IC TLP250  เพื่อแก้ปัญหาในส่วนของการควบคุม

ในเรื่องความถี่ใช้งาน และความเร็วสูงสุด ที่ดีกว่าแต่ ข้อเสียคือต้องทำการแยกภาคจ่ายไฟในส่วน

ของ HiSide และ LowSide ออกจากกัน (ต้องออกแบบให้ภาคจ่ายไฟ GateDrive มี 3 ชุด) แต่โดยรวม

สามารถทำงานได้ดี ตรงตามความต้องการ ในรุ่น 1 และ 2 จึงเป็นการเรียนรู้ระบบ DCMotor Driver



ข้อมูลสำคัญอีกอย่างและเป็นเทคนิคสำคัญ ในการออกแบบวงจร DCMotor Drive คือ

เรื่องการป้องกัน BACK EMF


  วงจรไม่ว่าจะออกแบบมาเลือกใช้ Power Mosfet เทพแค่ไหนหากไม่คำนึงถึงแรงดันตีกลับ ซึ่งเป็น

ศัตรูตัวร้ายในวงจร Driver Motor จะสร้างความเสียหาย ต่อวงจรได้ในแบบชั่วขณะ หรือ ที่เราเรียกว่า

Back EMF ขณะมอเตอร์เปลี่ยนแปลง สถานะการทำงาน จากมีโหลด เป็นไม่ีมีโหลด หรือ ช่วงกลับทางหมุน

ความสัมพันธ์และข้อมูล Back EMF สามารถศึกษาดูได้จากข้อมูลประกอบและคลิบด้านล่างนี้เพิ่มเติมเพื่อ

ความเข้าใจ มากขึ้น 
 

มอเตอร์เริ่มหมุนแบบไม่มีโหลด BackEMF เริ่มมา	มอเตอร์หมุนเร็วรอบสูงขึ้น BackEMF สูงขึ้น
มอเตอร์หมุนเร็วขึ้น BackEMF สูงขึ้นๆ	ที่ความเร็วรอบสูงสุด แบบไม่มีโหลด BackEMF สูงสุด
เริ่มมีโหลด รอบตกลง กระแสสูงขึ้น  BackEMF ลดลง	สภาวะ MaxLoad ถ้ารอบเป็นศูนย์ กระแสสูงไม่ดี เสี่ยงไหม้

*** สรุปได้ว่า BackEMF หรือที่เราเรียกว่าแรงดันย้อนกลับนี้ มีโอกาสจะทำความเสียหายต่อ

Driver Motor Circuit ได้แบบทันทีทันใดนั้นคือตอนที่ "มอเตอร์ Run ตัวเปล่าไม่มีโหลดแบบรอบสูง

หรือช่วงจังหวะที่มีโหลดอยู่แล้วปลด โหลดออกทันทีทันใด" ก็จะทำให้เป็นสภาวะที่เกิด BackEMF

สูงสุดย้อนตีกลับวงจรเสียหายได้ง่าย กลับกันขณะมีโหลดนั้นจะพิจารณาที่ กระแสใช้งาน และ เรื่อง

การระบายความร้อน ให้ทันเป็นหลักซึ่งหากควบคุมได้ไม่เกินสเปคอุปกรณ์ก็ไม่มี ปัญหานั่นเอง





เครดิต ----> https://www.digikey.co.th/en/articles/controlling-sensorless-bldc-motors-via-back-emf



คลิบศึกษา BackEMF เกิดขึ้นได้อย่างไร และแนวทางออกแบบป้องกัน




   จากคลิบสามารถสรุปเป็นภาษาบ้านๆ ที่เข้าใจง่ายคือ อุปกรณ์ที่เป็นขดลวด เมื่อมีกระแสไหลผ่าน

ขั้วนึงจะเป็นบวก ขัวนึงเป็นลบ พอเราหยุดจ่ายไฟให้ อุปกรณ์ขดลวด ไม่ว่าจะเป็น L Coil Motor Relay 

เหล่านี้ทั้งหลาย มันจะคายพลังงานออกมา ตามสูตรเขาบอกมาว่า V = L*dI/dt  และจะมีแรงดัน

กลับกันกับตอนแรก ฉะนั้นแรงดันนี้มันจะไปเสริมบวกรวมกับแรงดันแหล่งจ่าย แน่นอนจะทำให้เกิด

แรงดันตกคร่อมอุปกรณ์สวิทช์ หรือ Vds Mosfet นั่นเอง ซึ่งหากสูงเกินสเปคที่ออกแบบไว้ ไหม้ตุย

อย่างเดียว จึงต้องออกแบบหาทางป้องกันไว้ด้วย ดังตัวอย่างด้านล่างนี้เป็นต้น