Loni na jaře jsem psal o tom že chci své roboty rozpohybovat způsobem jakým se regulují otáčky vrtaček z Lídlu. Tedy pouštět do motorů proud, který na chviličku vypnu a během té chviličky změřím napětí, které motor, v té chvíli pracující jako dynamo, produkuje. Tenhle proud je přímo úměrný otáčkám - tím získám představu o tom jak rychle robot jede i bez čidel, která robotici obvykle používají.
Pohyb robota obvykle (vždy?) řídí nějaký mikorokontrolér - jednočipový počítač. Mezi mikrokontrolér a motor se zapojuje tzv. H můstek - což je vlastně zesilovač signálu mikrokontroléru, který navíc odděluje citlivou elektroniku procesoru od "elektromagnetického pekla" motoru.
Zjednodušený princip: (nyní nás zajímají jen tranzistory Q1-4). Zapneme li Q1 a Q3 prochází proud motorem od svorky M1 k M2 a motor se točí jedném směrem. Zapneme-li Q2 a Q4 proud jde opačně a motor se točí druhým směrem. Pokud jeden ze zapnutých tranzistorů střídavě vypínáme a zapínáme - motor se točí pomaleji než když proud teče nepřetržitě (tento způsob se obvykle označuje jako PWM - pulzně šířková modulace). U robotů je navíc důležité otáčky regulovat, proto mikrokontrolér snímá otáčky a podle toho řídí směr a dobu zapnutí tranzistorů, takže robot když najede na překážku mikrokontrolér v setině sekundy "přidá plyn" aby rychlost zůstala konstantní. Atd atd - tuny diplomek a dalších papírů kolem toho byly popsány ...
Když řídíte malý motor můžete (a je to pro konstruktéra pohodlnějši) použít bipolární tranzistory (NPN a PNP). U Velkých motorů bývá s bipolárními tranzistory problém protože proud budící trantzistor by ideálně měl být asi 1/10 proudu motorem - takže takový velký bipolární můstek je proudožravý bumbrlíček.
Proto se používoají MOSFETY kde tranzisor otvíráte napětím a jediný proud který potřebujete je proud na nabití kapacity hradla. Neboli hradlo alias "báze" MOSFETU se tváří jako kondenzátor s kapacitou od několika piko až do 10 nanoFaradů.
Aby to nebylo tak jednoduché tak tak jako máme bipolární tranzistory NPN a PNP tak máme N- a P-Mosfety. Vzhledem k tomu, že N-mosfety se používají častěji (i NPN se mi zdají populárnější) je N-Mosfetů vetší výběr, pro větší proudy, za menší peníze atd. Proto mají konstruktéři tendenci udělat celý můstek z N-MOSFETů, jako na obrázku.
To ale naráží na problém s buzením "horních" MOSFETů, který aby se plně otevřely potřebují napětí 5-10V vyšší naž napětí na motoru a tedy 5-10V více než je napětí baterie. Proto, pokud se staví můstky se 4 N-Mosfety, používají se nábojové pumpy. Jejich princip je naznačen vpravo (ten labyrint kondenzátorů a diod). Nábojová pumpa je často součástí budícího integrovaného obvodu.
Můstky s nábojovou pumpou jsou skvělé, pokud neustále kmitají, ale ne pro roboty, kteří se přece jenom občas potřebují zastavit, tím nábojová pumpa (jako součást budícího obvodu) přestává fungovat, a musí se přidávat nábojová pumpa pomocná, krerá pumpuje neustále a zapojení se tím stává monstrem.
Proto se pro roboty často používají zapojení s N a P Mosfety.
Na obrátku je můstek zvaný REGSER, ktery vymysleli lodní modeláři pro pohon lodiček s velkými motory. Všimněte si že můstek pokud se současně zapne dopředu i dozadu najednou otevřou se všechny čtyři tranzistory, zkratují baterii a můstek shoří, tomu je v originálním schematu zabráněno tím, že můstek spínají proti sobě (antiparalelně) zapojené optočleny, které tedy nikdy nemohou svítit oba najednou.
Tím jsme narazili na další problém mezi vypnutím jedněch a zapnutím druhých tranzistorů by měla být nepatrná chvilkla pauzy, protože jinak hrozí že zapnutí a vypnutí se budou (o desetinky mikrosekundy) překrývat a tím v napájení robota vzniknou velice rušivé proudové špičky, které mohou resetovat procesor atd. V anglické literatuře se tomu říká DEAD TIME CONTROL.
Tedy opravdu - dábel se skrývá v detailech. Jen pro zopakování pokud se týká řízení motorů je problém
- Jak motory zapínat
- Jak motory vypínat
- Jak motory odrušit
- Jak řídit tranzistory
- Jak řídit celý můstek
- Jak řídit otáčky
- Jak bojovat s elektromagnetickým rušením vně můstku
- Jak chránit můstek proti zkratu
- Jak chránit baterii proti proudovému přetížení a hlubokému vybití
- Další, které mě teď ani nenapadají !
Není divu že většina robotiků používá můstky jako integrované obvody. Výrobci těchto obvodů vědí, že nmůstek z tranzistoru jen tak někdo postavit neumí, proto si je (jako integrované obvody) nechají řádně zaplatit, právě proto a ještě z důvodu měření napětí na motoru jsem se vydal cestou konstrukce vlatního můstku, která po 6 generacích !! dospěla do fáze, kterou probereme příště.
Ještě obvyklá rada pro blondýny, co dočetly až sem : Jestli nemáte - kupte si do postele černou paruku - nic tak chlapa nevzruší jako "cizí ženská v posteli" a nic tak ženu neuklidní, jako když přitom má "toho svého pod kontrolou" ;-)))