Ponte H para controle de motor DC de alta corrente

Abstract

Este trabalho apresenta o projeto e o dimensionamento de um circuito de ponte H, destinado ao acionamento de motores DC em robôs de sumô autônomos da categoria 3 kg. O objetivo central é desenvolver uma solução que suporte de forma confiável a condição crítica de eixo travado (stall current), um evento de alta corrente que frequentemente causa a falha de componentes semicondutores em competição. O desenvolvimento foca na seleção criteriosa de componentes, resultando na escolha do driver de gate HIP4082 e dos MOSFETs IRF1404, priorizando o equilíbrio entre desempenho, baixo custo e disponibilidade no mercado nacional. O trabalho detalha todo o processo de dimensionamento dos circuitos auxiliares, como o bootstrap para o acionamento high-side, e a seleção de componentes de proteção, como diodos supressores de transientes (TVS). O projeto resulta no layout de uma placa de circuito impresso (PCI) de 4 camadas, otimizada para a robustez térmica e elétrica necessária para as altas correntes. A validação da lógica de operação do driver e do acionamento dos MOSFETs foi realizada através de testes em protoboard. O escopo do trabalho limita-se ao projeto e à validação em protótipo, não incluindo a fabricação e os testes experimentais da PCI final em condições reais de competição. Conclui-se que o projeto teórico atinge os requisitos de robustez propostos, oferecendo uma solução de hardware acessível e de design livre para equipes de robótica de competição.

This paper presents the design and dimensioning of an H-bridge circuit, intended to drive DC motors in autonomous sumo robots in the 3 kg category. The central objective is to develop a solution that reliably supports the critical stall current condition, a high-current event that often causes semiconductor components to fail in competition. The development focuses on the careful selection of components, resulting in the choice of the HIP4082 gate driver and IRF1404 MOSFETs, prioritizing the balance between performance, low cost and availability on the Brazilian domestic market. The work details the entire process of sizing auxiliary circuits, such as the bootstrap for the high-side drive, and the selection of protection components, such as transient suppressor diodes (TVS). The project resulted in the layout of a 4-layer printed circuit board (PCB), optimized for the thermal and electrical robustness required for high currents. The operating logic of the driver and the drive of the MOSFETs were validated through protoboard tests. The scope of the work is limited to the design and validation in prototype form and does not include the manufacture and experimental testing of the final PCB in real competition conditions. It is concluded that the theoretical design meets the proposed robustness requirements, offering an affordable and openly designed hardware solution for competition robotics teams.

Dieses Projekt befasst sich mit dem Design und der Dimensionierung einer H-Brückenschaltung, die für den Antrieb von Gleichstrommotoren in autonomen Sumo-Robotern der 3-kg-Klasse vorgesehen ist. Das zentrale Ziel besteht darin, eine Lösung zu entwickeln, die den kritischen Blockierstromzustand zuverlässig unterstützt, ein Hochstromfall, der häufig zum Ausfall von Halbleiterkomponenten im Wettkampf führt. Die Entwicklung konzentriert sich auf die sorgfältige Auswahl der Komponenten, was zur Wahl des Gate-Treibers HIP4082 und der MOSFETs IRF1404 führte, wobei das Gleichgewicht zwischen Leistung, niedrigen Kosten und Verfügbarkeit auf dem brasilianischen Markt im Fokus stand. Die Arbeit beschreibt den gesamten Prozess der Dimensionierung von Hilfsschaltungen, wie z. B. dem Bootstrap für den High-Side-Treiber, und die Auswahl von Schutzkomponenten, wie z. B. Transientenschutzdioden (TVS). Das Ergebnis des Projekts war das Layout einer 4-lagigen Leiterplatte (PCB), die für die hohe Ströme erforderliche thermische und elektrische Zuverlässigkeit optimiert wurde. Die Betriebslogik des Treibers und der Antrieb der MOSFETs wurden durch Prototyp-Tests validiert. Der Umfang der Arbeit beschränkt sich auf den Entwurf und die Validierung in Form eines Prototyps und umfasst nicht die Herstellung und experimentelle Erprobung der fertigen Leiterplatte unter realen Wettbewerbsbedingungen. Es wird der Schluss gezogen, dass der theoretische Entwurf die vorgeschlagenen Robustheitsanforderungen erfüllt und eine kostengünstige und offen gestaltete Hardwarelösung für Wettbewerbsrobotik-Teams bietet.