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L'une des pièces maîtresse, dans l'électronique d'un robot, est probablement le pont en H. Si vous souhaitez faire tourner un moteur dans n'importe quel sens et en contrôler la vitesse, vous n'y échapperez pas. Il existe beaucoup (mais alors vraiment beaucoup) de schémas de ponts en H disponibles sur le net, de qualité variable.

L'objectif de ce tutorial est de vous expliquer comment en construire un, simple mais performant, de faible coût de revient.

Un pont en H, c'est quoi ?

Un pont en H c'est un circuit destiné au pilotage d'un moteur qui a deux rôles principaux :

• fournir le courant nécessaire au fonctionnement du moteur
• donner la possibilité d'inverser le sens du courant (donc le sens de rotation du moteur)

Si on inverse la courant suffisamment vite, on peut même contrôler la vitesse du moteur (c'est ce qu'on appelle une modulation en PWM).
Pour plus de détails, on pourra se rapporter aux liens suivants :

• le pont en H sur Wikipedia
• une explication assez complète (en anglais), de 4QD TEC

 

Les différents CI utilisables

Il existe beaucoup de circuits intégrés utilisables. En voici une sélection des plus classiques et répandus, ainsi que de celui que nous allons utiliser (VNH2SP30)

Référence	L298N	L6203	LM18200	MC33886	A3950	VNH2SP30E
Format	2 moteurs	1 moteur	1 moteur	1 moteur	1 moteur	1 moteur
Datasheet	page chez ST datasheet	page chez ST datasheet	page chez NS datasheet	page chez Freescale datasheet	page chez Allegro datasheet	page chez ST datasheet
Tension Min	5V	12V	9-11V	5V	6.5V	5.5V
Tension Max	46V	48V	55V	40V	36V	16V
Courant Max	4A (en tout) 2,5A si t<10mS 3A en parallèle	4A 5A crête	3A 6A crête	5A continu 8A crête	2.8A continu 3A crête	30A
FréquencePWM max	40kHz	30-100kHz	500kHz	10kHz	50kHz	20kHz
Résistance interne	chute de tension fixe 4.9V	300mOhms	300mOhms	120mOhms	350mOhms	19mOhms
Protections	protection surchauffe	protection surchauffe	protection court-circuits protection surchauffe protection sous-alimentation	protection court-circuits protection surchauffe protection sous-alimentation	protection court-circuits protection surchauffe protection sous-alimentation	protection court-circuits protection surchauffe protection sous-alimentation protection sur-alimentation
Divers	current sense	current sense	current sense	limitation courant progressive		limitation courant progressive current sense
Type Boîtier	Multiwatt15 / MPowerSO20	Multiwatt11	Multiwatt11 / SO20	HSOP20 (exposed pad)	TSSOP16 (exposed pad)/ QFN16(exposed pad)	MPowerSO30
Prix indicatif (juil 2007)
Remarques			La protection de sous-alimentation se déclenche très tôt (11V). Ca peut être dangereux dans un robot...	Pas facile à souder correctement

 

Caractéristiques

Nous vous proposons de construire une carte pont en H avec les caractéristiques suivantes :

• pilotage de deux moteurs : donc adaptée au contrôle d'un robot de type char
• puissante : 30A par moteur
• interface standard CMOS, pour se brancher facilement sur tout type de microprocesseur, avec des connecteurs standards et détrompés (disque dur)
• protégée : contre la surchauffe, les surtensions, les sous-tensions, les court-circuits
• autonome : pas besoin de régulateurs de tension externe, tout est inclus
• sûre et fiable : complètement optocouplée, testée et éprouvée
• petite : 6cm x 8cm seulement
• pas chère : 50 euros tout compris
• tout compris : les explications, les schémas, les fichiers de fabrication (PDF ou GERBER, toutes les couches pour pouvoir éventuellement le faire graver par une entreprise spécialisée), ...

Mais d'abord, pourquoi une telle carte ?

1. parce qu'elle partie de la formation que nous dispensons à nos membres : ponts en H, schémas / routage CMS, ...
2. parce que nous en avions marre des circuits tout faits mais incomplets, des ponts en H artisanaux mal fagottés, et que nous voulions une carte suffisamment générique pour pouvoir la ré-utiliser à volonté, avec le moins de contraintes possibles...

Nous sommes donc partis d'une carte disponible dans le commerce, et l'avons adaptée à nos besoins (ajout d'un régulateur et d'optocoupleurs pour en faire une carte autonome).

Maintenant, entrons dans le vif du sujet !

Architecture

Pour mieux comprendre, on se rapportera au schéma de la carte...

Le pont en H

Le coeur de cette carte est le pont-en-H VNH2SP30-E de ST, décrit dans la table ci-dessus et disponible en Allemagne, ici, ou chez Digikey UK. Il présente plein de bonnes caractéristiques (puissant, compact, pas cher, ...) et inclut tout un tas de protection bien utiles dans ce type de carte et de compétition.

Ce circuits dispose des entrées-sorties suivantes : 

• les trois entrées de commande habituelles : 2 pour le sens, une pour le PWM
• deux sorties pour le moteur
• deux entrées-sorties pour la signalisation des erreurs
• une sortie analogique de mesure de courant

Pour faire simple, nous n'utiliserons que les entrées de commande : la sortie de mesure de courant et celles de signalisation d'erreurs ne sont pas utilisées dans cette version-ci de la carte. Une version plus évoluée de cette carte (disponible vers la rentrée 2008) les utilisera...

Conséquence : les IO inutilisées ne sont pas utilisées (!!!). Mais il faut quand même les relier  ce qu'il faut pour que le circuit fonctionne correctement (cf datasheet) :

• VCC, par un pull-up, pour les IO d'erreur
• GND, avec une résistance de charge, pour la sortie de mesure de courant.

Les optocoupleurs

Un moteur génère beaucoup de bruit et de surtensions dans l'alimentation. On pourra consulter le site de 4QD Tec pour plus de détails là-dessus. Dans certains cas pathologiques, ces surtensions peuvent même être destructrices pour le reste de composants (microprocesseur...).

Pour éviter tout problème, l'une des solutions possibles consiste à séparer totalement le circuit de puissance du circuit logique de commande. Comme ça, les interférences restent confinées dans les moteurs et leur batterie, et tout va bien.

Conséquence :

• on prévoit une batterie à part pour les moteurs. Elle alimentera les moteurs et rien d'autre. Et on fera en sorte que les fils qui véhiculent de la puissance soient les plus courts possibles.
• on intercale entre la logique et la puissance des opto-coupleurs, qui permettent de transmettre de l'information (0 ou 1) sans aucun lien électrique.

Nous avons choisi, comme optocoupleurs, des ACSL6400 d'Avago (ex-Agilent), car ils sont rapides (c'est important pour avoir un PWM de qualité), simples à mettre en oeuvre, et disponibles chez Farnell. Comme on utilise que 3 voies sur les 4, on aurait bien sûr prendre la version triple (ACSL6300), mais ils sont moins faciles à se procurer...

Ces optocoupleurs ont une sortie en collecteur ouvert (oui, ce n'est pas évident dans la datasheet), ce qui veut dire qu'ils sortent soit un 0 soit rien (haute impédance). Pour obtenir un 1, il faut leur mettre des pull-up en sortie : R32-R37.

Pour piloter correctement les optocoupleurs, il faut fournir 15mA à la diode comme courant de commande, ce qui est beaucoup trop pour certains microprocesseurs ou FPGA. On intercale donc entre le processeur et les optocoupleurs un buffer (amplificateur de courant). Nous avons choisi un 74ALVCH245AD, qui peut être alimenté en 3.3V (la tension de notre FPGA). On pourra le remplacer par un 74ABT245 par exemple au cas où le microprocesseur est en 5V. De plus, on insère les résistances R24-R29 de 330ohms pour limiter ce courant à la valeur normale (15mA).

Pour éviter que les moteurs démarrent quand on a oublié de brancher le câble (ou que le processeur n'a pas encore booté, que le FPGA n'est pas encore configuré, etc.), on rajoute des pull-down en entrée du buffer : R39, R41-R43.

Alimentation

L'alimentation de opto-coupleurs (côté puissance) est produite à patir d'un régulateur spécial permettant d'encaisser des surtensions très hautes : TS2937CP-5.0.
L'alimentation logique sera produite par le micro-processeur.

De plus, pour un contrôle visuel rapide, on a placé deux LED sur les deux alimentations (puissance et logique)...

Enfin, pour être sûr, on a placé un fusible ré-armable (ou de voiture si on préfère)...

Connecteurs

Les connecteurs de notre robot ont été choisi avec attention, pour qu'il soit impossible de faire une fausse manip (et pourtant, malgré ça, ... mais bon c'est une autre histoire ).

• les alimentations sont apportés par des connecteurs standards de disque dur, en respectant leur brochage. Comme ça, on peut faire des tests avec une alimentation standard de PC
• les moteurs sont branchés par des connecteurs microfit, petits et résistants
• la partie logique est apportée par un micromatch 10 points (plus un câble en nappe)

 

Le PCB

Le PCB est réalisé en double couche, et tous les composants sont en CMS : non seulement c'est plus joli que des composants à percer, mais ça permet d'obtenir une carte beaucoup plus compacte.

Les dimensions des pistes ont été choisie de façon à ce que tout le monde puisse graver cette carte :

• 0.4mm de largeur minimale de piste
• 0.4mm d'espacement minimal
• vias de 1.6mm, percés en 0.8mm

Les fichiers de fabrication (tous ne sont pas encore disponible, mais ce sera bientôt le cas) :

• couches cuivre top et bottom au format pdf pour gravure maison
• couches top, bottom, solder mask, silkscreen, solderpaste et drill au format GERBER pour gravure industrielle

L'assemblage est disponible au format png :

• couche du dessus (top)
• couche du dessous (bottom)

La liste des composants est disponible ici. Le code fournisseur correspond à la référence chez Farnell (Fa : xxxx) ou Radiospares (Rs : xxxx) .

Le soudage du pont en H mérite un petit peu d'explications : il possède, en dessous, trois broches qui devraient être soudées au circuit imprimé pour permettre une meilleure dissipation de la chaleur. Le problème, est qu'à moins de jouer avec un pistolet à air chaud ou de disposer d'un four à CMS, c'est impossible à faire manuellement. Heureusement, tant que l'intensité n'est pas trop grande (moins de 10A par pont, en continu), il n'y a en fait pas besoin de les souder : un peu de pâte thermique avant de souder le pont, et le tour est joué ! Croyez-nous, la pâte suffit amplement.

De toutes façons, la carte a été conçue pour être fixée directement contre le robot, sur une plaque en aluminium, qui servira de radiateur très efficace !!!