Progettazione e realizzazione di una base robotica bilanciante su ...

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52 Capitolo 5. Progetto elettronico- la protezione overvoltage e undervoltage per spegnere il dispositivo incaso la tensione di alimentazione sia fuori dalla regione di funzionamento(5.5 − 36 V)- i circuiti di clamp per la protezione dei MOSFET dalle alte tensionitra drain e source- i driver per il pilotaggio di ciascun transistor di potenza- il circuito limitatore di corrente, che modula la tensione di gate deitransistor high-side in caso venga raggiunta la soglia- la protezione dal surriscaldamento, che agisce anch’essa sulle tensionidi gate dei transistor high-side- il circuito di fault detection che comunica l’occorrere di configurazionianormali mediante lo stato dei piedini EN/DIAGLe principali caratteristiche del dispositivo sono mostrate in Tabella 5.3.Tabella 5.3: Principali caratteristiche del ponte H VNH3SP30V CCmax 40 VI OUTmax (continuous) 30 AI OUTmax (pulsed) 30 AR DSON ,low-side 23 mΩR DSON ,high-side 11 mΩV F (I D = 12A) 0.8 Vf max 10 KhzIl vantaggio principale nell’utilizzare una soluzione integrata di questo tiporisiede nella semplicità di realizzazione (sono necessari pochi componentiesterni, come mostrato in Figura 5.11(b)) e nella dotazione di dispositivi diprotezione che garantiscono il corretto funzionamento del circuito.Una soluzione completamente integrata limita però le modalità di controlloPWM utilizzabili alle sole compatibili con caratteristiche del dispositivo,determinate dalle scelte del costruttore. I ponti H ST di questa famiglia impongonoad esempio, tramite la circuiteria interna, un tempo morto t DEL incui tutti i MOSFET sono interdetti ogni qualvolta si voglia invertire il sensodi rotazione del motore. Questo periodo, della durata di circa 0.6 − 1.8µS,fa si che sia impossibile utilizzare il ponte H in modalità locked antiphase,in cui il verso di rotazione è continuamente invertito (si veda la sezione precedente).La scheda di controllo motori basata su questa soluzione prevede
5.3. Elettronica di potenza 53quindi di essere pilotata in modalità sign/magnitude senza feedback di corrente,ed è utilizzata per lo sviluppo del controllore basato su apprendimentoper rinforzo descritto nella Sezione 7.3.5.3.3 Driver PWM in modalità Locked AntiphaseParallelamente alla soluzione descritta nella sezione precedente è stata sviluppatauna scheda per il controllo dei motori basata su un driver per pontiH prodotto da Allegro Micro, modello A3941, e quattro MOSFET di potenzaIRF7862.L’integrato A3941 permette di pilotare 4 MOSFET a canale N per realizzareun ponte H completo, racchiudendo in un unico package gran partedegli elementi necessari ma lasciando al progettista la libertà di scegliere idispositivi di potenza a seconda dell’applicazione.L’architettura interna dell’integrato è riportata in Figura 5.12.Il driver implementa i seguenti dispositivi:- la logica di controllo per la gestione dell’accensione dei segnali di gate,l’impostazione dei tempi di commutazione nelle varie transizioni e laselezione della modalità di funzionamento- un regolatore di tensione stabilizzato per l’alimentazione della logicainterna e di eventuali dispositivi esterni- la circuiteria per la protezione dal surriscaldamento del driver e per ladiagnosi di eventuali anomalie- le pompe di carica tramite cui vengono prodotte le tensioni necessarieall’accensione dei gate degli N-MOSFET high-side- i driver per fornire la corrente necessaria all’accensione e allo spegnimentorapido dei MOSFET per permettere di operare ad alta frequenzaLe caratteristiche principali dell’integrato sono riportate in Tabella 5.4.I transistor utilizzati sono MOSFET verticali, con diodo di ricircolo integrato,prodotti dalla International Rectifier sfruttando la teconologia proprietariaHEXFET: essa è un’estensione del concetto di struttura interdigitataper la realizzazione del gate, utilizzata per aumentare la lunghezzadi canale W in rapporto alla superficie occupata. La tecnologia HEXFET
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BIBLIOGRAFIA 111[23] Pierre Geurts,
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