4.2
Modulo controllo motori
Il modulo per il driver dei motori ha il compito di convertire il segnale logico di controllo in uscita dal microcontrollore in segnale di potenza. E’ necessario quindi uno stadio di potenza che sia in grado di pilotare il carico rappresen- tato dal motore.
La soluzione scelta per il circuito di potenza `e quella di utilizzare uno schema a Ponte ad H. Un ponte ad H `e costituito da quattro interruttori co- mandati da altrettanti segnali logici e permette il funzionamento bidirezionale del motore in presenza di una alimentazione singola. In figura 4.2 `e mostrato lo schema elettrico di una configurazione a ponte ad H.
Figura 4.2: Schema elettrico di un Ponte ad H
Lo schema mostra come i quattro transistor sono connessi. In genere i due transistor inferiori (2 e 4 nello schema) sono detti di sink oppure low side switch in quanto assorbono la corrente proveniente da motore; i due tran- sistor connessi direttamente alla Vcc sono detti di source oppure high side switch. Il ponte ad H `e utilizzabile in funzionamento on/off semplicemente applicando gli opportuni segnali logici per ottenere rotazione in un verso o nel verso opposto, frenata rapida o frenata lenta. In particolare, attivan- do un transistor di sink e il transistor di source dalla parte opposta si pu`o
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controllare il verso del motore; `e importate evitare la situazione in cui siano attivi entrambi i transistor di source e di sink dallo stesso lato: in questo caso infatti si genererebbe un cortocircuito fra la linea di alimentazione e di massa.
Come gi`a detto, il pilotaggio del motore avviene in maniera on/off. Questo si ottiene inviando alla base dei transistors un segnale PWM ad una frequen- za di almeno una decade superiore alla banda passante del motore: si ha come conseguenza che il motore agisce da filtro passa-basso e la tensione ai suoi capi `e pari al duty-cicle del segnale PWM. In questo modo si ha la possibilit`a di controllare la velocit`a di rotazione dell’asse del motore. Per il dimensionamento della frequenza del segnale PWM si `e fatto riferimento ai diagrammi di bode del motore, riportati in figura 4.3.
Figura 4.3: Diagrammi di bode del motore
Il microcontrollore PSoC ha un oscillatore interno a 32KHz da utilizzare come sorgente di clock per pilotare i moduli interni; pilotando il modulo PWM con questo clock, il segnale PWM ha una frequenza di 32KHz, suffi-
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cientemente superiore alla banda passante del sistema.
Esistono due modalit`a principali per pilotare dal punto di vista logico un ponte ah H:
Sign/magnitude PWM: occorre un segnale pwm per l’ampiezza ed uno costante per il verso di rotazione. Il duty cycle del segnale pwm varia tra lo 0% (motore fermo) ed il 100% (motore a piena velocit`a); esso deve essere applicato direttamente ad una coppia diagonale di transistor mentre l’altra deve essere spenta. L’ingresso costante serve per scegliere a quale coppia di transistor applicare il segnale pwm.
Locked anti-phase PWM: occorre un solo segnale pwm tale che quando `e alto `e in conduzione una coppia di transistor, quando `e basso l’altra. L’effetto `e quello di forzare la corrente nel motore prima in un verso, poi nell’altra: a causa dell’induttanza si ha una stabilizzazione intorno al valor medio. In particolare quando un duty cycle `e del 50% sia la corrente che la tensione media sono nulle e quindi il motore `e fermo. Quando il duty cycle tende al 100% il motore ruota a piena velocit`a in un verso, quando `e dello 0%, ruota a piena velocit`a nell’altro verso. Nella prima configurazione (Sign/magnitude PWM:) si rendono necessari due ingressi costanti per stabilire il segno e un segnale PWM per stabilire l’ampiezza. Nella seconda (Locked anti-phase PWM:) invece bastano due in- gressi: uno di enable e uno di comando, ma `e necessario avere una sorgente di alimentazione duale, in modo che quando il duty-cicle del segnale PWM `e al 50% la corrente che circola nel motore sia nulla.
In questa applicazione `e stata adottata la prima soluzione, che semplifica il circuito di alimentazione in quanto le uscite digitali fornite dal microcon- trollore sono sufficienti.
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Per la realizzazione del circuito di potenza `e stato scelto l’integrato L298 prodotto da STMicroelectonics che implementa al suo interno un ponte ad H. Nelle figure 4.4 e 4.5 sono mostrati rispettivamente il package e la piedinatura dell’integrato. Per una completa descrizione delle specifiche dell’integrato, si rimanda al datasheet del componente, allegato in appendice.
Figura 4.4: Package dell’integrato L298
Figura 4.5: Piedinatura dell’integrato L298
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realizzato attraverso il software EagleCad `e riportato in figura 4.6.
Figura 4.6: Disegno dello schematico per l’integrato L298 In figura 4.7 `e invece mostrato lo schematico per il disegno delle con- nessioni dei motori. La presenza dei diodi `e necessaria a prevenire danni all’integrato L298 dovute alle correnti di ricircolo causate del comportamen- to induttivo del motore.
Figura 4.7: Disegno dello schematico per il collegamento dei motori Il microcontrollore dedicato alla gestione di questo modulo ha la il com- pito di implementare il controllore PID per l’inseguimento dei riferimenti di
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velocit`a e di generare i quattro segnali logici per il controllo del verso di rotazione dei motori e dei due segnali PWM per il controllo della velocit`a. Sono inoltre state predisposte due linee di comunicazione seriale per la co- municazione con gli altri due microcontrollori dei due restanti moduli. Le linee sono unidirezionali, in quanto le informazioni dagli altri due moduli sono solo in ricezione. Questo modulo `e stato implementato all’interno di un microcontrollore PSoC denominato PSoC Master. La figura 4.8 mostra lo schematico relativo.
Figura 4.8: Disegno dello schematico per il microcontrollore Master