直流电机驱动原理图设计一

一、 项目名称：《直流电机驱动器设计》

二、 原理图设计第一部分

大家好，今天我们开始对直流电机驱动器项目进行原理图的设计，我们按照上次给大家分享的项目需求分析来着手，根据功能划分来设计各自对应的电路模块。

我们先来回顾一下这个控制器要实现的功能：

1.电压采集。

2.电压保护。

3.LED灯状态显示。

4.实现电机正反转调速控制。

大家看到上面要实现的4个功能，这些功能的实现都需要提供电源。所以我们需要设计一个电源模块，这个模块可以给单片机进行供电、给电机进行供电。

那么通过上次的分享，我们已经确定了Vbus电压为5V，所以整个电源模块的输入电压我们就可以定为5V，这样只需要通过一个线性电源就可以得到单片机的供电电压。

5V的输入，我们可以使用一个3.96mm间距的2pin的接线端子输入，那么为了给后级提供能量，一般我们在电源输入处会加一个大的电容，这个大电容的选型主要考虑容值和耐压，关于容值一般我们可以通过经验法来选择，可以通过示波器观察纹波来进行电容容值的调整，调整的依据为：若纹波大，则加大电容的容值，若纹波小则可以减小电容的容值。具体调整到项目要求的纹波范围内即可。当然电容容值大肯定纹波小，能满足要求，但是可能价格就会偏贵，所以需要合理的选择电容的容值，当然有时候也需要考虑库存、通用品，如果自己公司库存有合适的电容也可以直接拿来用，或者有些电容容值可能偏大，但是属于通用品，这样价格也会便宜些，所以电容的选取不是一成不变的，大家心里要清楚。

关于耐压的选取，一般可以考虑电源结点处电压的1.5倍-2倍之间，同样耐压的选取也需要结合上面提到的库存和通用品考虑，在这两个条件不满足的前提下，再使用我们讲的选取方法进行选择。

然后大电容旁边一般都会并联一个容值为104的瓷片电容，用于滤除高频干扰，这样就可以得到对应的电路图了。

接下来，需要选择一个线性电源，把5V降到3.3V给单片机进行供电，这个线性电源芯片可以选用常用的AMS1117-3.3V，同样输出的3.3V后面带有负载，所以3.3V也需要增加一个大的储能电容和小的瓷片电容。

然后我们可以加一个电源指示灯，用于电源供电指示。最终的电源模块的电路图如下图所示：

这样电源模块对应的电路就设计好了。然后需要用单片机来实现相关功能的控制，所以就需要设计单片机最小系统模块了。根据上次我们选用单片机型号STM32030F4P6，则可以设计出如下图所示的最小系统：

大家看上面的图，对于单片机的供电，我们一般都会采用一个大电容和一个小电容，同样大电容作为储能电容，小电容作为滤波电容，大电容的选型一般容值在10uF即可，当然有的单片机会在手册中给出具体的电容容值参数，我们也可以参考手册进行选取。

然后，单片机的复位引脚的话，我们外面只接了一个104电容，那么，我们说上电外部复位的话，需要复位引脚为低，这样的接法能否保证单片机上电复位引脚为低呢？那么，为了了解这个问题，我们就要查看单片机的数据手册了。

大家可以看到上图中有一个Rpu上拉电阻，这样当单片机上电时会从VDD出发经过电路Rpu对外面的0.1uF电容进行充电，那么0.1uF电容充电时，等效

于短路，所以此时复位引脚就变为低电平了，此时单片机就实现了外部复位，随着电容充电的进行，电容充满之后，复位引脚就是高电平，此时就完成了整个外部复位过程。

所以，综上分析，我们原理图中的104电容是可以实现外部复位功能的。

然后，我们再来看图中的BOOT0引脚，这个引脚可以配置单片机初始上电时启动的方式，一般我们都是默认从Flash启动，所以这个引脚我们下拉到低电平即可。

关于BOOT的配置方式及启动方式，可以参照上图。

那么以上就是单片机最小系统模块的设计讲解，接下来我们要实现LED灯的控制，所以需要使用一个单片机的IO口来控制LED灯，对应的电路如下图所示：

接下来，要实现电机调速的话，我们在讲项目需求分析的时候讲过可以通过电位器的方式调整，电位器的话属于模拟量，所以我们需要将电位器接到单片机的AD引脚，具体电路如下图所示：

图中的102电容是一个滤波电容，这样可以滤波一些高频干扰。

然后，我们需要对电压进行采集，用于电压保护，而Vbus电压是5V，我们单片机的供电电压是3.3V，所以我们需要对Vbus电压进行分压，分压的话，可以选用两个电阻来实现。

那么具体分压的电压选多少合适呢？这里需要给大家强调一下，一般将分压电压设在单片机的供电电压的一半为宜，那么如果电压小了会有什么影响呢？如果电压小了可能会导致分辨率不够。

如果电压过大呢？是不是当电压波动的时候，分压的电压会超过单片机的供电电压啊？这样是不是可能损坏单片机啊？因此电压选择在中间位置是最佳方式。这样就可以得到下图所示的电压采样电路。

然后，我们再来说下图中D5二极管的作用，它是用来保护单片机引脚使用的，怎么实现这个保护功能呢？

我们来看下，图中D5的负极接了3.3V，那么我们说一个二极管的导通是不是当正极大于负极0.7V（假设二极管导通电压为0.7V）时，二极管就导通了，这样二极管两端是不是就是0.7V的压降，这样负极是3.3V的话，那么正极最大就是3.3V+0.7V = 4V，那么4V的话，一般3.3V的单片机是可以承受的，所以这样就实现了单片机引脚的保护功能。

然后，C11电容的作用也是滤除高频干扰。以上就是电压采样模块的分析。

接下来，使用单片机的话，我们需要将我们编写好的程序下载到单片机中，所以需要有对应的下载电路。下载和仿真这款单片机使用的是SWD协议，所以我们只需要按照协议将接口引出即可，对应的电路如下图所示:

图中增加的电阻是为了破坏振荡条件，让仿真和下载更加稳定。

那么根据我们罗列的项目功能，还有H桥电机控制模块电路还没有设计，这部分的设计在下次文章中再给大家进行详细分析，最后给大家先贴下本项目的最终原理图，供大家学习参考。

本篇文章就给大家分享到这里，我们下次再见，谢谢大家！

直流电机驱动PCB设计注意事项讲解

一、 项目名称：《直流电机驱动器设计》

二、 直流有刷电机驱动PCB设计注意事项讲解

大家好，经过前面文章的分享，原理图我们已经全部设计完毕了，接下来需要绘制PCB了，那么在绘制PCB之前，我们需要给原理图中各个元器件都添加上对应的封装，这样就可以将带有电气属性的各个元器件导入到绘制PCB的界面中了。

图1：项目原理图

我们将上图中的所有元器件都导入到PCB绘制文件中，可以看到下图所示的样子：

图2：网表导入

导入之后，就需要对元器件布局，再按照设置的规则进行布线，当布线全部完成之后，可以进行PCB的覆铜，覆铜结束之后可以添加泪滴，最后DRC检查下是否有违背电气规则的地方，整个PCB就绘制完毕了。

PCB绘制完毕之后，需要发给PCB加工厂家进行PCB板的制作，接下来是焊接、调试、测试等流程，直到整个项目功能完成。

那么，关于PCB绘制部分，就有如下流程可供大家参考：

① 网表导入

② 板框设置

③ 电气规则设置

④ 元器件布局

⑤ 布线

⑥ 覆铜

⑦ DRC规则检查

⑧ Gerber文件生成

⑨ 发板

那么，在以上9个部分的内容中，其实④⑤⑥这三部分是比较重要的，尤其是第④部分元器件布局，我们说好的布局能让后面的走线变得比较顺畅，能让整个PCB绘制变得事半功倍，所以布局在整个PCB绘制中是占了很高的比重的。

接下来我们就来谈谈布局的注意事项：

第一：输入和输出要分开。也就是说我们在布局的时候，要划分好输入和输出，在元器件摆放的时候，输入部分和输出部分的器件应该分开摆放，不要放在一个方向。比如说输入放在左边，那么输出可以放在右边，输入放在上边，输出可以放在下边，遵循这样的原则来进行布局。

图3：输入输出布局方向示意图

第二：高压和低压要分开。板子上的高压和低压需要进行分隔，不能混在一起，比如说当项目中的母线电压是310V的时候，然后单片机部分是3.3V，如果这两个电源不分开的话，那么就很容易出问题，导致单片机损坏。

图4：高压和低压划分示意图

第三：功率和信号要分开。就是功率部分和信号部分要分开，不要混在一起，如果混在一起的话，就会导致功率部分可能会将信号部分干扰，这样会导致控制逻辑出现混乱。

第四：需要考虑回路，回路尽量越短越好。这个布局原则需要结合原理图考虑，在摆放元器件的时候就要反复斟酌，回路是怎么走的？怎么摆放才能使回路路径是最短的？但是这个原则有时候往往又是比较难做到的，因为有时候回路虽然是最短的，但是走线又不好走了，所以只能是确保回路尽量最短。就好比我们电机驱动的功率部分，因为有功率管的开关，而开关的频率一般在几十KHz，如果回路的面积大的话，回路上可能会产生很多寄生参数，导致振荡的发生，也可一定程度上抑制EMI的产生。

以上就是布局的注意事项，大家在布局的时候需要遵循这几点来考虑。

接下来我们来看下走线的注意事项。

第一：走线尽量走钝角。大家要知道走线是流过电流的，那么电流大家可以跟河流的水流联系起来，如果水流正常情况下流动很顺畅，这时候突然来了一个大拐角，此时水流会在急弯处发生方向突变，这样的话就会引起振荡了，在拐角处就很容易溅起水花。同样的电流也一样，如果出现了锐角走线，那么也会有类似的效果。

图5：锐角走线示意图

第二：尽量少用过孔。其实我们在走线的时候，要尽量追求顺畅的，毕竟过孔他就是一个结点，一个结点的阻抗与走线的阻抗是不一样的，可能还存在更大的寄生参数，如果可以不用过孔，就不用了。

第三：过孔大小要统一。0.3/0.6 0.4/0.8 0.5/1.0 这种过孔比较常见，厂家在生产 PCB 的时候，如果你的过孔的型号越多啊，那么制作的时间肯定是越长的，我们尽量做到统一，如果过孔一个钻头钻到底，那么时间也节约了，板子也好看了，另外，过孔的大小啊，尽量是 0.3，0.4 类似于这样的大小。不要什么 0.31 0.32 这样的，板厂都没有这样的钻头，引来不必要的麻烦。

图6：过孔型号示意图

第四：走线尽量要顺畅美观。越顺越好，比如我们画一天时间也可以画，画一星期也是画，但是顺畅度和美观度肯定是不一样的，首先顺畅度是排首要，然后就是美观度，电流其实真的类比于水流，越顺越好，至于美观的画不用我说，都知道，在一家公司工作我们必须注意自己的个人品牌，不要被人说，谁谁画的板子，就是丑死了。

第五：尽量使用贴片封装。这个的话就是板子美观，然后板子加工成本更低，省钱。在 N 年前，大家都尽量用插件的，后来随着贴片机的普及，贴片价格的便宜，人工成本的上涨，都从插件往贴片过渡了，现在的人工成本很高的。

第六：线径大小要统一。比如说信号线，我们尽量都设置为一个规格，例如都设置为0.3mm。另外走大电流的线，不要突然变大或者突然变小。这样突变的话，就好比流水的渠道忽大忽小，就很容易水流的涟漪，对电流的话就是振荡，这样对EMI是很不好的。

图7：线径突变

第七：元器件的方向尽量要一致。打个比方啊，电解电容不是分正负极吗？如果朝向乱七八糟，各个方向都有，对于工人来说，当然是尽量插对啊，但是方向很乱各个方向都有的话，是不是有时候一不小心插错方向的可能性更大呢？另外一个方面就是，生产的时候，波峰焊的问题。

图8：元件朝向示意图

例如上图，我们推荐使用上图中的上面的摆放方式，这样生产出来的产品会更好。

最后，我们再说下地线，我们说地线其实是有分类的，并不能所有的地都铺成一个整体的平面，而是需要根据功率的不同进行划分。例如我们可以划分为总地和分地。总地的话，就是输入大电解电容的地，而其它芯片的地就是分地。其它分地之间的连接需要做好划分，最后再跟总地进行连接。

图9：地的连接示意图

大家看上图，H桥功率部分的地和下面单片机的地并没有全部铺在一块，而是在输入电解电容处进行了连接，这样呢功率部分电流即使较大，它并不会影响单片机部分，因为电容是一个储能元件，即使功率部分出现一点波动，经过电容之后也不会对后级造成影响。 就好比一个大的水库，我们往里面扔一个石子，几乎不会对水位造成什么影响，这里也是一个道理。

然后，大家还要注意，在走地线的时候不要出现环路。

好了，那么关于该项目的PCB设计注意事项就给大家分享到这里啊，关于更多详细的内容，大家可以观看我们F1D部分的系列视频，最后给大家贴一下这个项目的最终PCB和3D效果图。

图10：F1D PCB示意图

图11：F1D 3D示意图

好了，那么本次文章的分享就给大家分享到这里啊，感谢大家的观看，我们下次再见，谢谢大家！

直流有刷电机驱动项目需求分析

一、 项目名称：《直流电机驱动器设计》

二、 项目需求分析

我们想设计一款直流有刷电机驱动器，那么在设计驱动器之前，我们需要明确驱动器的控制对象，知道控制对象的参数，这样才能设计出一款适合控制对象、稳定、鲁棒性强的驱动器。所以，下面我们需要先来介绍下项目的控制对象。

控制对象信息：

电机型号：140有刷电机

电压范围：1.5V-6V

电流：500mA

转速：14000转/分，有正负5%的误差

电机重量：16g

电机内阻（实测）：1.2欧姆

如下图一为电机实物展示图。

图一：140直流有刷电机

明确了控制对象的参数之后，接下来就需要根据这些参数来设计属于这款电机的驱动器了。那么，我们可以根据电机的电压参数，确定出Vbus电压，因为电压的范围是1.5V至6V，而一般5V比较常用，所以我们决定选5V作为Vbus电压。

电压确定好之后，我们需要根据要实现的控制功能来选择相应的控制方案。或者说，我们要使用单片机控制的话，需要根据功能来对单片机选型。

所以，接下来先对我们要实现的控制功能进行说明（注意：如果项目是别人或者别的公司的话，控制功能需要由项目提供者给出）。这里我们就自己定一个需要实现的功能来实现驱动器的设计了。

下面将控制功能罗列如下：

1.实现电机正反转调速控制。

2.LED灯状态显示。

3.电压采集。

4.电压保护。

那么，要实现电机正反转调速控制的话，正反转的实现，就需要用到H桥了，调速的话，就要使用到PWM波了。那么，也就是说，至少需要选型的这款单片机至少能够输出2路PWM信号，其它两路的话可以使用电平控制。这样的话，我们可以选择H桥的上桥用电平来控制，只需要两个普通的IO口即可实现。H桥的下桥用PWM控制来实现电机调速的功能，所以下桥的驱动信号使用PWM即可。

然后LED显示的话，使用一个普通的IO口就可以实现。

要实现电压保护的话，需要用到ADC模块了，需要一个模拟IO口。PWM占空比的调节可以通过一个电位器来实现，电位器的电压采集也需要ADC模块，同样需要一个模拟IO口。

然后需要考虑程序的下载，我们可以找一款SWD协议的单片机，这样只需要两个专用的下载引脚加上电源VDD和地VSS即可实现程序的下载。

那么，单片机要供电的话，至少需要2个引脚，一个VDD和一个VSS。电源电压可以选择3.3V供电。

外部复位，需要一个专用的复位引脚。

综上分析，我们可以选用一款20pin引脚的单片机，那么这里我们可以选用一款ST的单片机，如STM32030F4P6这个型号。这款单片机的引脚封装如下图二所示：

图二：STM32F030F4P6封装和引脚示意图

这款单片机的功能描述如下图三所示：

从图中红色方框描述，我们需要实现的功能都可以实现。

图三：STM32F030F4P6单片机功能描述

电机正反转控制实现方案：

我们前面分析了，要实现电机的正反转控制的话，需要使用H桥，那么就需要考虑到H桥的元器件选择了。H桥的元器件选择需要根据负载电机的参数进行选取，前面我们介绍电机的参数的时候，知道了电机给定的额定电流是500mA，但是经过我们实际上电测试，电机带载时，最大可达到1A以上的电流。所以H桥选型需要考虑过电流能力。

所以，基于以上分析，我们可以选择H桥使用上管P型三极管，下管N型三极管的方式，那么考虑到过电流能力，所以这里的P管可以选择B772，封装可以选用DPARK封装的，N管可以选择P管的对应型号，D882，封装同样也可以选用DPARK的。这样就选定了H桥的功率器件了。

电压保护功能实现：

通过前面的分析，要实现电压采样的话，需要设计一个电压采样电路。将采集到的电压作为一个模拟信号送到单片机的引脚，单片机就根据AD转换完成的结果判断是否出现过压和欠压信号，当出现过压或欠压时，可以控制PWM不输出，实现电机的停止转动，达到系统保护的目的。

过压保护的电压，可以根据Vbus电压来确定，我们前面确定了Vbus电压为5V，那么过压的电压可以选择6V，欠压的值，需要考虑LDO最小的压差，单片机的供电电压是3.3V，欠压电压的确定需要确保单片机能正常检测电压信号，LDO我们可以选用AMS1117-3.3这个型号，它的最小压差是1.2V-1.4V，那么欠压值最小需要定为5-1.2(1.4) = 4.8V(4.6V)。这样就可以把欠压的值确定下来了。

综上就是《直流电机驱动器设计》这个项目的需求分析了。接下来就需要根据这个需求来设计方案的原理图和PCB。

关于原理图和PCB的设计，在下面的文章中再给大家介绍。

最后，先给大家展示下项目最终的实物图：

本篇文章就给大家分享到这里，我们下次再见，谢谢大家！