[文章]你真的会直流电机驱动器设计吗?

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` 本帖最后由张飞电子学院赵云于 2021-3-11 15:41 编辑

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！

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