KAmod Motor Driver

Description

The KAmod Motor Driver is an electric motor controller for DC voltages up to 30 V. It allows the selection of the motor's direction of rotation and the adjustment of its power in the range 0...100%, which in practice is used for speed control. The control signal can be a voltage signal falling within one of 3 ranges: 0...3.3 V, 0...5 V or 0...10 V, or a PWM signal with an amplitude of 3.3 V, 5 V or 10 V. Such signals can be easily obtained from Raspberry, Arduino, Nucleo boards or from a simple potentiometer. The power stage is built with MOSFET transistors connected in an H-bridge arrangement, which ensures high output power and high efficiency of the controller.

Basic features and parameters

• Regulates motor power using PWM method
• Allows motor operation in both directions
• Motor power can be controlled by analogue or digital signal.
• Analogue control signal can be in one of 3 ranges: 0...3.3 V, 0...5 V or 0...10 V
• A digital control signal in the form of a PWM waveform should have a frequency in the range of 200 Hz... 50 kHz and an amplitude of 3.3 V, 5 V or 10 V.
• Separate digital input to control the direction of motor rotation.
• Soft start and soft stop function.
• Stop function with limit sensor signal
• Stop function with or without blocking of the motor shaft
• Output frequency of PW signal
• PWM output signal frequency: 750 Hz.
• Overload protection (output current limitation).
• Protection against overheating
• DC voltage supply in the range 6...30 V
• Maximum continuous motor current: 15 A
• Buttons for quick testing
• LEDs to indicate the operating status of the unit

Standard equipment

Code	Description
KAmod Motor Driver	Assembled and launched module

Electrical schematics

Output power control

Connector	Function
ADJ IN Goldpin pins 3x1, 2,54 mm	Analog or digital control signal input An analog signal is a voltage with an appropriate range of changes The digital signal is a PWM signal with adjustable duty cycle The connector has a voltage of 3.3 V

The ADJ IN connector pins perform the following functions:

• V (pin 1, right) – 3.3 V voltage output that can be loaded with a current of up to 10 mA;
• S (pin 2, middle) – analog or digital signal input, the maximum input voltage cannot exceed 16V;
• G (pin 3, left) –ground of the system, the ground of the control signal should be connected.

The supplied analog signal must be in one of the 3 control ranges: 0...3.3 V; 0...5 V or 0...10 V. The output power of the motor controller will be proportional to the voltage applied to the S contact and depends on the selected control range. You can connect an ordinary potentiometer to the V, S, G contacts of the connector and thus regulate the output power.

Digital signal - PWM can have a frequency ranging from 200 Hz to 50 kHz, a duty cycle ranging from 0 to 100% and an amplitude of 3.3 V, 5 V or 10 V. The output power of the motor controller will be proportional to the duty cycle of the PWM signal .

The control range for both analog and digital signals is selected using the IN.RNG connector.

Wybór zakresu amplitudy sygnału sterującego

Złącze	Funkcja
IN.RNG Szpilki goldpin 4x1, 2,54 mm	Ustawienie zakresu napięcia dla sygnału sterującego analogowego i cyfrowego

Sygnał sterujący doprowadzony do złącza ADJ IN może pochodzić z różnych układów, płytek uruchomieniowych i komputerków SBC. Dwa najbardziej popularne standardy poziomu napięcia układów cyfrowych to 3,3 V oraz 5 V. Natomiast sygnał analogowy stosowany w systemach automatyki domowej i przemysłowej to sygnał o zakresie 0...10 V. Aby sterownik silnika KAmod Motor Driver prawidłowo współpracował z różnymi systemami należy ustawić właściwy zakres napięcia dla sygnału sterującego. Służy do tego złącze IN.RNG (input range).

Ustawienie zworki w jednej z 3 pozycji powala wybrać 1 z 3 zakresów:

• zaworka na szpilkach 1-2: zakres napięcia dla sygnału sterującego wynosi 10 V;
• zaworka na szpilkach 2-3: zakres napięcia dla sygnału sterującego wynosi 5 V;
• zaworka na szpilkach 3-4: zakres napięcia dla sygnału sterującego wynosi 3,3 V.

Położenie zworki oraz odpowiadające mu zakresy napięcia zostały wyraźnie oznaczone na płytce sterownika silnika.

Sterowanie polaryzacją wyjścia (kierunkiem obrotów silnika)

Złącze	Funkcja
DIR Szpilki goldpin 3x1, 2,54 mm	Wybór polaryzacji napięcia wyjściowego, czyli kierunku obrotów silnika

Kierunek obrotów typowego silnika prądu stałego zależy od polaryzacji napięcia zasilającego silnik. Odwracając polaryzację napięcia można odwrócić kierunek obrotów silnika. Sterownik silnika KAmod Motor Driver pozwala wybrać kierunek obrotów silnika za pomocą stanu na złączu DIR.

Ustawienie zworki w jednej z 2 pozycji powala wybrać jeden z 2 kierunków - polaryzację napięcia na wyjściu:

• zaworka na szpilkach 1-2 (po prawej stronie): na wyjściu OUT 1 będzie potencjał dodatni, a na wyjściu OUT 2 – masa zasilania;
• zaworka na szpilkach 2-3 (po lewej stronie): na wyjściu OUT 1 będzie masa zasilania, a na wyjściu OUT 2 – potencjał dodatni.

Szpilki złącza DIR pełnią następujące funkcje:

• pin 1 (po prawej) – wyjście napięcia 3,3 V, które można obciążyć prądem do 10 mA;
• pin 2 (środkowy) – wejście sygnału cyfrowego określającego kierunek;
• pin 3 (po lewej) – masa układu, należy dołączyć masę sygnału sterującego.

Wejście DIR jest normalnie podciągnięte do 3,3 V (pull-up). Zmiana stanu nastąpi po podaniu masy na pin 2 lub zwarciu pinów 2-3. Na wejście można podać napięcie do 6 V.

Wymuszenie zatrzymania pracy silnika

Złącze	Funkcja
LIMIT Szpilki goldpin 3x1, 2,54 mm	Natychmiastowe zatrzymanie pracy silnika Ustawienie mocy wyjściowej na 0%

Działanie silnika można w każdej chwili przerwać. Moc wyjściowa jest wtedy ustawiana na wartość 0% niezależnie od sygnału sterującego doprowadzonego na wejście ADJ IN. Po zatrzymaniu za pomocą złącza LIMIT, ponowne uruchomienie silnika jest możliwe po spełnieniu jednego z 2 warunków:

• zostanie zmieniony kierunek obrotów, poprzez zmianę stanu na złączu DIR. Silnik rozpocznie pracę w przeciwnym kierunku, nawet jeśli sygnał na złączu LIMIT pozostaje w stanie aktywnym w momencie zmiany kierunku.
• sygnał sterujący na złączu ADJ IN osiągnie wartość zerową oraz sygnał na złączu LIMIT przejdzie w stan nieaktywny. Po ponownym zwiększeniu sygnału na złączu ADJ IN silnik rozpocznie pracę w dowolnie ustawionym kierunku.

Stan na złączu LIMIT jest:

• aktywny, gdy zwarte są szpilki 2-3 (po lewej stronie);
• nieaktywny, gdy zwarte są szpilki 1-2 (po prawej stronie), lub nie są zwarte żadne szpilki.

Szpilki złącza LIMIT pełnią następujące funkcje:

• pin 1 (po prawej) – wyjście napięcia 3,3 V, które można obciążyć prądem do 10 mA;
• pin 2 (środkowy) – wejście sygnału cyfrowego aktywującego funkcję zatrzymania;
• pin 3 (po lewej) – masa układu, należy dołączyć masę sygnału sterującego.

Wejście LIMIT jest normalnie podciągnięte do 3,3 V (pull-up). Aktywny stan nastąpi po podaniu masy na pin 2 lub zwarciu pinów 2-3. Na wejście można podać napięcie do 6 V.

BRK/FRE – Wybór sposobu zatrzymania

Złącze	Funkcja
BRK/FRE Szpilki goldpin 3x1, 2,54 mm	Wybór sposobu zatrzymania – z hamowaniem, lub bez

Zatrzymanie pracy silnika za pomocą złącza LIMIT może być wykonane na 2 sposoby:

• w sposób swobodny,
• z hamowaniem.

Stan złącza BRK/FRE pozwala wybrać jedną z tych opcji:

• zatrzymanie swobodne - zwarte szpilki 1-2 (po prawej stronie). Zasilanie silnika jest odłączane i silnik wytraca prędkość, aż do zatrzymania;
• zatrzymanie z hamowaniem - zwarte szpilki 2-3 (po lewej stronie). Zasilanie silnika jest odłączane, a jego zaciski zasilające są zwierane do masy, co powoduje gwałtowne wyhamowanie silnika.

Włączona funkcja zatrzymania z hamowaniem powoduje, że przy zerowym sygnale sterującym na złączu ADJ IN, silnik również jest blokowany - jego zaciski zasilające są zwierane do masy, co znacznie utrudnia jego obracanie za pomocą zewnętrznej siły.

Przyciski szybkiego testowania

Typ	Funkcja
TEST Przyciski microswitch	Ustawienie mocy wyjściowej 100%, niezależnie od poziomu sygnału na złączu ADJ IN Zmiana kierunku obrotów, przy niewysterowanym złączu DIR

Sterownik silnika KAmod Motor Driver można łatwo przetestować bez doprowadzania sygnałów sterujących, za pomocą dwóch miniaturowych przycisków umieszczonych na płytce:

• TEST RUN – wciśnięcie przycisku powoduje ustawienie mocy wyjściowej 100%, niezależnie od poziomu sygnału na złączu ADJ IN;
• TEST DIR – wciśnięcie przycisku powoduje zmianę kierunku obrotów, jeśli złącze DIR nie jest wysterowane zewnętrznym sygnałem.

Potencjometry do regulacji parametrów pracy

Typ	Funkcja
SOFT START CURR LIMIT Potencjometry miniaturowe	Ustawianie szybkości działania funkcji łagodnego rozruchu oraz łagodnego zmniejszania prędkości Ustawienie progu zadziałania zabezpieczenia przed przeciążeniem

Sterownik silnika KAmod Motor Driver realizuje funkcję SOFT START, która obejmuje:

• łagodny rozruch,
• łagodne zwiększanie prędkości,
• łagodne zmniejszanie prędkości,
• płynną zmianę kierunku obrotów (z etapami łagodnego hamowania, zatrzymania i łagodnego rozruchu).

Działanie tych rozwiązań pozwala zmniejszyć obciążenie źródła zasilania oraz ograniczyć przeciążenia mechaniczne silnika i elementów mechanicznych połączonych z silnikiem. Intensywność działania powyższych funkcji określa położenie potencjometru oznaczonego SOFT START. W zakresie od pozycji MIN do MAX czas rozruchu z poziomu 0% do 100% jest regulowany w zakresie od 1 do 4 sekund.

Sterownik silnika KAmod Motor Driver realizuje funkcję zabezpieczenia przed przeciążeniem CURRENT LIMIT, która zabezpiecza sterownik oraz silnik przed przepływem zbyt dużego prądu (funkcja nie gwarantuje zabezpieczenia przed zwarciem na wyjściu sterownika). Poziom ograniczenia pądu określa położenie potencjometru oznaczonego CURR LIMIT. W zakresie od pozycji MIN do MAX wartość prądu jest regulowana od ok. 2 A do ok. 15 A. Działanie ograniczenia jest sygnalizowane miganiem czerwonej diody sygnalizacyjnej FLT.

Sygnalizacja stanu pracy

Typ	Funkcja
OUT FLT STA Diody LED	OUT – sygnalizacja obecności napięcia na wyjściu STA – sygnalizacja normalnej pracy lub aktywnej funkcji LIMIT FLT – sygnalizacja przeciążenia lub przegrzania

OUT (Output) - Sygnalizacja napięcia wyjściowego jest realizowana przy pomocy dwóch diod LED oznaczonych na płytce sterownika jako OUT. Każda z diod odpowiada jednemu kierunkowi obrotów, jednak w przypadku silników o dużej mocy, energia indukowana w silniku w trakcie sterowania PWM będzie powodowała efekt świecenia obu diod jednocześnie. Diody będą świeciły tym jaśniej, im większy będzie stopień wysterowania wyjścia.

STA (Status) - W czasie normalnej pracy sterownika zielona dioda STA świeci światłem ciągłym. Gdy zostanie wymuszone zatrzymanie silnika sygnałem na złączu LIMIT, wówczas dioda STA będzie świeciła krótkimi impulsami, sygnalizując w ten sposób, że należy spełnić jeden z warunków zakończenia stanu zatrzymania, aby uruchomić silnik.

FLT (Fault) - W czasie normalnej pracy czerwona dioda FLT jest wygaszona. Świecenie diody krótkimi impulsami oznacza działanie zabezpieczenia przed przeciążeniem CURRENT LIMIT, czyli ograniczenie prądu zasilającego silnik. Świecenie ciągłe diody FLT oznacza wyłączenie sterownika z powodu przeciążenia i/lub przegrzania.

Zasilanie i obciążenie

Złącze	Funkcja
POW OUT Złącze śrubowe DG35, M3 22...12AWG	POW – złącze umożliwiające dołączenie zasilania OUT – złącze umożliwiające dołączenie obciążenia

POW - Napięcie zasilania dołączone do złącza POW musi zawierać się w zakresie 6...30 V. Służy ono do zasilania sterownika silnika oraz dołączonego do jego wyjścia obciążenia, np silnika. W przypadku obciążeń o dużej mocy należy zapewnić źródło zasilania o odpowiedniej wydajności. Złącze wyposażone jest w śruby rozmiaru M3.

OUT - Złącze umożliwiające dołączenie obciążenia, np. silnika elektrycznego na napięcie stałe, itp. Napięcie znamionowe silnika musi odpowiadać wartości napięcia zasilającego sterownik. Prąd znamionowy silnika nie powinien przekraczać 15 A. Złącze wyposażone jest w śruby rozmiaru M3.

W przypadku obciążeń o dużej mocy należy zadbać o odpowiednio dużą średnicę oraz jak najmniejszą długość przewodów połączeniowych.

Wymiary

Płytka sterownika silnika KAmod Motor Driver ma wymiary 65x56 mm i wysokość ok. 21 mm. Umiejscowienie otworów mocujących pokazano na rysunku.

Linki zewnętrzne

• Karta katalogowa układu DRV8701