《多模式电机驱动模块》工程技术报告

 

1. 作品概述

1.1 功能概述

       该项目以芯源CW32系列MCU为主控，制作电机驱动模块，通过电路的设计，实现了电机程序控制、手动控制等多种控制模式。程序控制以洗衣机应用为例，实现童锁、加水、清洗、漂洗、脱水、屏幕显示等功能。手动控制可实现电机的转向控制及显示、转速调节、警告提示等。

 

1.2 实物图

 

图1.1  《多模式电机驱动模块》实物图

2. 技术详情

2.1 功能模块

       该电机可实现程序控制、手动控制等多种控制模式。程序控制以洗衣机应用为例，实现安全童锁、加水、清洗、漂洗、脱水、屏幕显示、结束声光提示等功能。手动控制可实现电机的转向控制及转向显示、转速调节、手动警告提示等。除此之外还预留了其他接口，方便扩展运用到其他类型电机的控制。详见图 2.1：

 

图2.1  《多模式电机驱动模块》功能模块示意图

 

2.2 原理图说明

       电路原理图如图2.2所示，根据功能模块进行设计，包括电源及安全童锁模块、CW32最小系统板模块、调试接口（IIC、蓝牙、串口、J-LINK）、H桥电机驱动、手动/程序切换模块、程序调速、手动调速、水量显示、进程显示、蜂鸣器报警与提示电路、预留扩展接口（ESC）等。

 

图2.2  《多模式电机驱动模块》电路原理图

 

2.3 PCB设计

       PCB设计如图2.3所示。

(a)                                                                        (b)                                                                 (c)

图2.3  《多模式电机驱动模块》PCB设计图

(a)接线图  (b)2D图  (c)3D图

 

       该PCB功能分布主要分为五个部分，分别为电源模块、最小系统板、操作台、运行信息显示、电机及驱动，如图2.4所示。

 

图2.4  《多模式电机驱动模块》PCB功能分布图

 

2.4 软件说明

      主控芯片为芯源CW32F030C8，主控程序使用kei5编写，主要用到了I²C外接OLED屏幕、ADC模拟信号采集和GPIO功能。电机驱动芯片为聚迹AS4950,该驱动芯片具有8-40V的宽范围工作电压。其封装及引脚定义如图2.5所示：

 

图2.5  AS4950电机驱动芯片封装及引脚定义

 

       核心代码如下(详细代码见附件)：

 

3. 实物展示说明

3.1 电源及安全童锁模块

       该作品供电接口有DC电源插座和接线柱2种，供电电压8-15V，并接有15.1和5.1V稳压管确保系统电压处于安全范围,接通后电源指示红灯亮，安全童锁黄灯亮。安全童锁功能与实际应用中的安全童锁作用类似，防止在通电后的儿童误操作。如图3.1所示：

 

图3.1  电源及安全童锁模块

 

3.2 程序控制电机（以洗衣机功能为例）

       安全童锁开启后，系统开启。当程序/手动按键选择在“程序档”时，系统处于程序控制电机状态，电机启动按键按下后，洗衣机启动，并按照预定程序控制电机的转向与转速，本工程中设定的程序运行逻辑为：启动-OLED屏幕显示欢迎并提示洗衣机启动-进程灯闪烁动画-加水-清洗-脱水-加水-漂洗-脱水-结束声光提示。(详见演示视频1《多模式电机驱动模块之程序控制》)。各按键及运行信息指示如图3.2所示：

 

图3.2  程序控制模式时的按键及运行信息指示

 

（1）   程序控制--加水

       程序运行在加水时，加水指示黄灯亮，三档水量指示绿灯依次亮起，表示水量增加。结束后加水指示黄灯灭。如图3.3所示：

 

图3.3  程序控制--加水

 

（2）   程序控制—清洗

       程序运行在清洗时，清洗指示黄灯亮。清洗过程中，电机在顺时针旋转与逆时针旋转交替运行。顺时针旋转时，红色转向指示灯亮，逆时针旋转时，蓝色转向指示灯亮。清洗结束后，程序进入脱水，三档水量指示绿灯依次熄灭，表示水量减少。脱水结束后清洗指示黄灯灭。如图3.4所示：

 

图3.4  程序控制—清洗

 

（3）   程序控制—漂洗

      程序运行在漂洗时，漂洗指示黄灯亮。漂洗过程中，电机在顺时针旋转与逆时针旋转交替运行。根据实际生活中洗衣机的使用情况，漂洗时，电机每次的旋转时间小于清洗时的旋转时间。顺时针旋转时，红色转向指示灯亮，逆时针旋转时，蓝色转向指示灯亮。漂洗结束后，程序进入脱水，三档水量指示绿灯依次熄灭，表示水量减少。脱水结束后漂洗指示黄灯灭。如图3.5所示：

 

图3.5  程序控制—漂洗

 

（4）   程序控制—脱水

       程序运行在脱水时，脱水指示黄灯亮。脱水过程中，电机断续重复顺时针旋转多次，红色转向指示灯亮。三档水量指示绿灯依次熄灭，表示水量减少。脱水结束后脱水指示黄灯灭，并触发洗衣结束声光提示。如图3.6所示：

 

图3.6  程序控制—脱水

 

3.3 手动控制电机模式

       为实现电机的多模式控制，本设计还增加了手动控制功能。当程序/手动按键选择在“手动档”时，系统处于手动控制电机状态，手动控制指示红灯亮。可通过“转向开关”控制电机的旋转方向，通过“手动调速”可变电阻控制电机旋转速度。(详见演示视频2《多模式电机驱动模块之手动控制》)。各按键及运行信息指示如图3.7所示：

 

图3.7  手动控制模式时的按键及运行信息指示

 

4. 项目重点与难点

       该项目在设计制作过程中，有以下难点：

A. 逻辑设计：由于要实现多种控制模式，电路设计过程中需要兼顾程序控制与手动控制，电路逻辑会比较复杂。

B. 走线复杂：由于本设计预留了许多接口，包括训练营中教学的无刷电机控制接口，因此走线较为复杂。PCB设计采用了四层板。

C. 目前的版本中，OLED屏幕显示的内容不多，后续需进一步完善相关代码，使之能够显示更多的运行信息。

 

5. 注意事项  

A.电机旋转时速度较高，调试时需注意安全。

B.电机运行时电流较大，电源走线应尽量加粗，或者铺铜。

C.电路中的关键信号预留测试接口，方便工程的调试。

D.限流电阻的额定功率需与设计功率情况相互匹配，避免因为功率超出而烧坏电阻。

 

6. 个人收获与致谢

       通过参加本次电路设计训练营，有以下收获：

A.进一步熟悉了立创EDA的使用和设计流程，体验了复杂电路的连线方法，学习了四层PCB的设计走线方法，积累了设计经验。

B.熟悉了使用keil开发芯源MCU的流程，对其GPIO和I2C的配置和使用有了更深的理解。熟悉了keil的使用，熟悉了J-Link调试流程。

C.感谢立创、芯源和创芯工坊提供学习机会和技术指导，祝此类活动越办越好。

 

7. 相关附件

       包括硬件设计资料、PCB设计相关文件、工程报告、演示视频、基础软件代码等，详见立创开源平台。

 

8. 效果演示视频

       详见立创开源平台，共包含3段视频：

A.演示视频1:多模式电机驱动模块之程序控制.mp4

B.演示视频2:多模式电机驱动模块之手动控制.mp4

C.演示视频3:升级功能：OLED显示更多信息.mp4

 

(2022.6.17升级更新功能：使用OLED显示更多信息，包括进程实时显示、水量实时显示等。详见视频3)