CN203933474U - 一种直流电机控制电路结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种直流电机控制电路结构，其能解决现有直流电机控制方法存在的直流电机控制精度低、能耗高等问题。其包括单片机控制电路、电机控制电路、人机交互控制电路和电源电路；单片机控制电路与电机控制电路、人机交互控制电路电控连接；其特征在于：单片机控制电路采用飞思卡尔KL25单片机，飞思卡尔KL25单片机分别通过引脚连接程序下载和调试电路、速度采集接口电路、单片机晶振电路、单片机电源滤波电路、单片机复位电路、上位机通讯电路以及单片机工作状态指示电路分别引脚连接。

Description

一种直流电机控制电路结构

技术领域

本实用新型涉及自动控制领域，尤其是涉及一种能够控制直流电机旋转方向和旋转速度的单片机应用系统，具体为一种直流电机控制电路结构。

背景技术

直流电机控制电路是嵌入式应用的重要领域。直流电机由于控制方便因而在家电、电动车、汽车电子、自动化生产线等领域得到广泛的应用。由于直流电机的转速比较快，同时不同的运行模式下要对电机的转速进行控制，传统的控制方法包括两种：一种是使用相应的电路调整电机的工作电压，以达到控制直流电机的转速，上述方法存在能耗高、转速控制精度不高、转速不稳定，没有自我保护等问题；另一种是使用8位单片机输出PWM波，通过PWM波控制功率管的开关，实现对电机的转速控制,该方法没有形成的闭环控制，存在控制精度不高、转速不稳定、功率管发热量大、能耗高等缺点。

发明内容

本实用新型提供了一种直流电机控制电路结构，其能解决现有直流电机控制方法存在的直流电机控制精度低、能耗高等问题。

其技术方案是这样的，其包括

单片机控制电路，用于系统的数据运算、程序下载、与上位进行数据通讯、速度采集以及监控单片机工作温度；

电机控制电路，用于控制直流电机的转向、转速；

人机交互控制电路，用于对直流电机的转向、转速进行设置，以及用于显示当前直流电机的工作参数；

电源电路，用于为所述单片机控制电路、电机控制电路、人机交互控制电路提供电源输入；

所述单片机控制电路与所述电机控制电路、所述人机交互控制电路电控连接；

其特征在于：所述单片机控制电路采用飞思卡尔KL25单片机U3，所述KL25单片机U3分别通过引脚连接程序下载和调试电路、速度采集接口电路、单片机晶振电路、单片机电源滤波电路、单片机复位电路、上位机通讯电路以及单片机工作状态指示电路分别引脚连接。

其进一步特征在于：

所述程序下载和调试电路包括SWD调试接口插座JP1与电阻R12，所述SWD调试接口插座JP1、电阻R12与所述KL25单片机的PTA3引脚连接，所述SWD调试接口插座JP1还与所述KL25单片机U3的PTA0、Reset_b引脚连接；

所述速度采集接口电路包括编码器、电阻R4，所述编码器的接口插座JP4连接电阻R4后与所述KL25单片机U3的PTE30引脚连接，所述编码器的轴与所述直流电机的轴用器连接，所述直流电机旋转时所述编码器输出一定频率的正弦波信息，通过所述KL25单片机U3的比较器转化为同频率的脉冲信号并由PTE30引脚输出；

所述单片机晶振电路包括电容C6、电容C7以及8Mhz晶振Y1，所述电容C6、电容C7分别与所述8MHz晶振Y1连接后再与所述KL25单片机U3的EXTAL0、XTAL0引脚连接；

所述单片机电源滤波电路包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和电容C5，所述电容C1的一端接地、另一端与KL25单片机的VOUT3.3引脚连接，所述电容C2、电容C3并联后一端与所述KL25单片机U3的VDDA引脚连接、另一端与所述KL25单片机U3的VSSA引脚连接并接地，所述电容C4、C5并联后一端与所述KL25单片机U3的VDD引脚连接、另一端与所述KL25单片机U3的VSS引脚连接；

所述单片机复位电路包括电阻R11、电容C8和复位开关S2，所述电容C8与复位开关S2并联后一端与电阻R11连接、一端与所述KL25单片机U3的RESET_b引脚连接、另一端接入所述单片机晶振电路，所述电阻R11另一端连接所述电源电路输出端；

所述上位机通讯电路包括UART串口接口插座JP3，所述UART串口接口插座JP3与所述KL25单片机U3的PTA1、PTA2引脚连接，并且所述UART串口接口插座JP3与所述速度采集接口电路的编码器接口插座JP4连接；

单片机工作状态指示电路包括电阻R5和指示灯D2，所述电阻R5一端与所述KL25单片机U3的PTC1引脚连接、另一端连接所述指示灯D2，所述指示灯D2的另一端连接入所述电源电路输出端。

其进一步特征还在于：

所述电机控制电路包括电压转换和隔离保护电路、电机H桥驱动电路，所述电机H桥驱动电路与所述电压转换和隔离保护电路连接；

所述电压转换和隔离保护电路包括电压转换和保护芯片U4、电阻R9、电阻R10，所述电阻R9的一端与所述电压转换芯片和保护U4的Ain引脚连接后再与所述KL25单片机U3的PTB1引脚连接，所述电阻R10的一端与所述电压转换和保护芯片U4的Bin引脚连接后再去所述KL25单片机U3的PTB2引脚连接，所述电阻R9、R10的另一端均连接入所述电源电路；

所述电机H桥驱动电路包括两个P沟道场效应管Q1、Q4、两个N沟道场效应管Q2、Q3以及电容C9，所述P沟道场效应管Q1、N沟道场效应管Q3的栅极连接后与所述电压转换芯片U4的Acout引脚连接，从而构成一路PWM控制电路；所述N沟通场效应管Q2、P沟道场效应管Q4的栅极连接后与所述电压转换芯片U4的Cout引脚连接，从而构成一路PWM控制电路，实现对H桥的控制；所述场效应管Q1、Q2、Q3、Q4与所述电容C9、电机插座接接口JP7连接，从而构成H桥驱动电路，实现对所述直流电机旋转速度和旋转方向的控制；

所述人机交互控制电路包括液晶显示屏LCD、拨码盘，所述拨码盘开关S1、电阻R6、R7、R8的一端均与所述KL25单片机U3的PTD7、PTD6、PTD5引脚连接，从而实现直流电机旋转方向和速度值的设置功能；所述液晶显示屏LCD的接口插座JP2与所述KL25单片机U3的PTC7、PTC6、PTC5、PTC4引脚连接，通过SPI通讯方式显示直流电机工作状态信息；

所述电源电路包括电源插座JP6、稳压芯片U1，电容C10、C11并联后一端与所述稳压芯片U1的输入端连接，所述电源插座JP6连接入所述稳压芯片U1的输入端，电容C12、C13并联后连接入所述稳压芯片U1的输出端；

所述电源电路还包括电源指示灯电路，所述电源指示灯电路包括电阻R3和指示灯D1，所述指示灯D1与所述电阻R3串联后一端接入所述稳压芯片U1的电压输出端、另一端接地。

本实用新型直流电机控制电路结构的有益效果在于：

（1）其单片机控制电路采用了飞思卡尔KL25单片机，由于飞思卡尔KL25单片机采用了运算速度快、精度高的32位ARM-M0+微控制芯片，因此其不仅可以控制电机旋转方向同进还可以精确控制转速；

（2）本实用新型电路设置有电机死区保护，其通过电压转换和保护芯片U4实现3.3V电压与7.2V电机电压隔离，从而提高电路的安全性；

（3）其元器件少、成本低，用户通过拨码盘即能设置电机正反两种旋转方向以及电机旋转速度，并通过LCD液晶显示屏显示电机当前的转速、旋转方向和设定值，人机交互便捷；

（4）其电路功耗低，其KL25单片机采用了32位低功耗的ARM-M0+微控制芯片，并且其采用了高性能的场效应管，导通时的内阻小，电能转换率高，发热量低；

（5）由于其使用了场效应管，因而电路工作电压具有较宽的工作范围，可以根据电机的工作电压选择输入电压，可以驱动5V-24V的直流电机，电机电流可以达到20A。

附图说明

图1为本实用新型直流机控制电路结构中单片机控制电路图；

图2为本实用新型直流机控制电路结构中电机控制电路图；

图3为本实用新型直流机控制电路结构中电源电路图。

具体实施方式

本实用新型一种直流电机的控制电路结构，其包括

单片机控制电路10，用于系统的数据运算、程序下载、与上位进行数据通讯、速度采集以及监控单片机工作温度；

电机控制电路20，用于控制直流电机的转向、转速；

人机交互控制电路30，用于对直流电机的转向、转速进行设置，以及用于显示当前直流电机的工作参数；

电源电路40，用于为单片机控制电路10、电机控制电路20、人机交互控制电路30提供电源输入；

单片机控制电路10与电机控制电路20、人机交互控制电路30电控连接；

见图1，单片机控制电路10采用飞思卡尔KL25单片机U3，该单片机U3采用了32位ARM-M0+微控制芯片，单片机U3分别通过引脚连接程序下载和调试电路101、速度采集接口电路102、单片机晶振电路103、单片机电源滤波电路104、单片机复位电路105、上位机通讯电路106以及单片机工作状态指示电路107分别引脚连接；

其中程序下载和调试电路101包括SWD调试接口插座JP1与电阻R12，SWD调试接口插座JP1、电阻R12与飞思卡尔KL25单片机的PTA3引脚连接，SWD调试接口插座JP1还与单片机U3的PTA0、Reset_b引脚连接；

速度采集接口电路102包括编码器、电阻R4，编码器的接口插座JP4连接电阻R4后与单片机U3的PTE30引脚连接，编码器的轴与直流电机的轴用器连接，所述直流电机旋转时编码器输出一定频率的正弦波信息，通过单片机U3的比较器转化为同频率的脉冲信号并由PTE30引脚输出；

单片机晶振电路103包括电容C6、电容C7以及8Mhz晶振Y1，电容C6、电容C7分别与所述8MHz晶振Y1连接后再与单片机U3的EXTAL0、XTAL0引脚连接；

单片机电源滤波电路104包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和电容C5，电容C1的一端接地、另一端与单片机U3的VOUT3.3引脚连接，电容C2、电容C3并联后一端与单片机U3的VDDA引脚连接、另一端与单片机U3的VSSA引脚连接并接地，电容C4、C5并联后一端与单片机U3的VDD引脚连接、另一端与单片机U3的VSS引脚连接；

单片机复位电路105包括电阻R11、电容C8和复位开关S2，电容C8与复位开关S2并联后一端与电阻R11连接、一端与单片机U3的RESET_b引脚连接、另一端接入单片机晶振电路，电阻R11另一端连接电源电路40输出端；

上位机通讯电路106包括UART串口接口插座，UART串口接口插座JP3与单片机U3的PTA1、PTA2引脚连接，并且UART串口接口插座JP3与速度采集接口电路的编码器接口插座JP4连接；

单片机工作状态指示电路107包括电阻R5和指示灯D2，电阻R5一端与单片机U3的PTC1引脚连接、另一端连接指示灯D2，指示灯D2的另一端连接入电源电路40输出端。

见图2，电机控制电路20包括电压转换和隔离保护电路201、电机H桥驱动电路202，电机H桥驱动电路202与电压转换和隔离保护电路201连接；

电压转换和隔离保护电路201包括电压转换和保护芯片U4、电阻R9、电阻R10，电阻R9的一端与电压转换芯片和保护U4的Ain引脚连接后再与单片机U3的PTB1引脚连接，电阻R10的一端与电压转换和保护芯片U4的Bin引脚连接后再去单片机U3的PTB2引脚连接，电阻R9、R10的另一端均连接入电源电路40；

电机H桥驱动电路202包括两个P沟道场效应管Q1、Q4、两个N沟道场效应管Q2、Q3以及电容C9，P沟道场效应管Q1、N沟道场效应管Q3的栅极连接后与电压转换芯片U4的Acout引脚连接，从而构成两路PWM转入电路；N沟通场效应管Q2、P沟道场效应管Q4的栅极连接后与电压转换芯片U4的Cout引脚连接，从而构成两路PWM驱动电路，实现对H桥的控制；场效应管Q1、Q2、Q3、Q4与所述电容C9、电机插座接接口JP7连接，从而构成H桥驱动电路，实现对直流电机旋转速度的控制；当Ain输入3.3V的高电平，Cin输入0V低电平时，Aout输出7.2V高电平，Cout输出0V低电平，此时Q1和Q4导通，Q2和Q3关闭,电机正转；当Ain输入0V的低电平,Cin输入3.3V高电平时，Aout输出0V低电平，Cout输出7.2V高电平,此时Q2和Q3导通,Q1和Q4关闭,电机反转；当Ain和Cin都输入3.3V高电平，此时Q1和Q2导通，Q3和Q4关闭,电机不转；当Ain和Cin都输入0V低电平时，此时Q1和Q2关闭，Q3和Q4导通,电机不转；当Ain输入个某个频率的3.3VPWM信号，Cin输入0V低电平时，此时Q2和Q3关闭，Q1和Q4按PWM波的频率快速开关, 实现对电机的直流变频控制，电机按一定的速度正转；当Cin输入个某个频率的3.3VPWM信号，Ain输入0V低电平时，Cout输出相同频率的7.2VPWM波, Aout输出0V低电平，此时Q1和Q4关闭，Q2和Q3按PWM波的频率快速开关, 实现对电机的直流变频控制，电机按一定的速度反转。

见图1，人机交互控制电路30包括液晶显示屏LCD、拨码盘，拨码盘的开关S1、电阻R6、R7、R8的一端均与KL25单片机U3的PTD7、PTD6、PTD5引脚连接，从而实现直流电机旋转方向和速度值的设置功能；液晶显示屏LCD的接口插座JP2与KL25单片机U3的PTC7、PTC6、PTC5、PTC4引脚连接，通过SPI通讯方式显示直流电机工作的状态信息。

见图3，电源电路40包括电源插座JP6、稳压芯片U1，电容C10、C11并联后与稳压芯片U1的输入端连接，电源插座JP6连接入稳压芯片U1的输入端，电容C12、C13并联后连接入稳压芯片U1的输出端；电源电路40还包括电源指示灯电路401，电源指示灯电路401包括电阻R3和指示灯D1，指示灯D1与电阻R3串联后一端接入稳压芯片U1的电压输出端、另一端接地。

上述实施例中，KL25单片机U3采用了飞思卡尔KL25Z128VFM4单片机，电压转换和保护芯片U4采用了CD4054BM芯片。

Claims (6)

1.一种直流电机控制电路结构，其包括

单片机控制电路，用于系统的数据运算、程序下载、与上位进行数据通讯、速度采集以及监控单片机工作温度；

电机控制电路，用于控制直流电机的转向、转速；

人机交互控制电路，用于对直流电机的转向、转速进行设置，以及用于显示当前直流电机的工作参数；

电源电路，用于为所述单片机控制电路、电机控制电路、人机交互控制电路提供电源输入；

所述单片机控制电路与所述电机控制电路、所述人机交互控制电路电控连接；

其特征在于：所述单片机控制电路采用飞思卡尔KL25单片机（U3），所述飞思卡尔KL25单片机（U3）分别通过引脚连接程序下载和调试电路、速度采集接口电路、单片机晶振电路、单片机电源滤波电路、单片机复位电路、上位机通讯电路以及单片机工作状态指示电路分别引脚连接。

2.根据权利要求1所述的一种直流电机控制电路结构，其特征在于：所述程序下载和调试电路包括SWD调试接口插座（JP1）与电阻R12，所述SWD调试接口插座（JP1）、电阻R12与所述KL25单片机（U3）的PTA3引脚连接，所述SWD调试接口插座（JP1）还与所述KL25单片机（U3）的PTA0、Reset_b引脚连接；

所述速度采集接口电路包括编码器、电阻R4，所述编码器的接口插座（JP4）连接电阻R4后与所述KL25单片机（U3）的PTE30引脚连接，所述编码器的轴与所述直流电机的轴用器连接，所述直流电机旋转时所述编码器输出一定频率的正弦波信息，通过所述KL25单片机（U3）的比较器转化为同频率的脉冲信号并由PTE30引脚输出；

所述单片机晶振电路包括电容C6、电容C7以及8Mhz晶振Y1，所述电容C6、电容C7分别与所述8MHz晶振Y1连接后再与所述KL25单片机（U3）的EXTAL0、XTAL0引脚连接；

所述单片机电源滤波电路包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和电容C5，所述电容C1的一端接地、另一端与KL25单片机（U3）的VOUT3.3引脚连接，所述电容C2、电容C3并联后一端与所述KL25单片机（U3）的VDDA引脚连接、另一端与所述KL25单片机（U3）的VSSA引脚连接并接地，所述电容C4、C5并联后一端与所述KL25单片机（U3）的VDD引脚连接、另一端与所述KL25单片机（U3）的VSS引脚连接；

所述单片机复位电路包括电阻R11、电容C8和复位开关S2，所述电容C8与复位开关S2并联后一端与电阻R11连接、一端与所述KL25单片机（U3）的RESET_b引脚连接、另一端接入所述单片机晶振电路，所述电阻R11另一端连接所述电源电路输出端；

所述上位机通讯电路包括UART串口接口插座JP3，所述UART串口接口插座（JP3）与所述KL25单片机（U3）的PTA1、PTA2引脚连接，并且所述UART串口接口插座（JP3）与所述速度采集接口电路的编码器接口插座（JP4）连接；

所述单片机工作状态指示电路包括电阻R5和指示灯D2，所述电阻R5一端与所述KL25单片机（U3）的PTC1引脚连接、另一端连接所述指示灯D2，所述指示灯D2的另一端连接入所述电源电路输出端。

3.根据权利要求2所述的一种直流电机控制电路结构，其特征在于：所述电机控制电路包括电压转换和隔离保护电路、电机H桥驱动电路，所述电机H桥驱动电路与所述电压转换和隔离保护电路连接；

所述电压转换和隔离保护电路包括电压转换和保护芯片（U4）、电阻R9、电阻R10，所述电阻R9的一端与所述电压转换芯片和保护（U4）的Ain引脚连接后再与所述KL25单片机（U3）的PTB1引脚连接，所述电阻R10的一端与所述电压转换和保护芯片（U4）的Bin引脚连接后再去所述KL25单片机（U3）的PTB2引脚连接，所述电阻R9、R10的另一端均连接入所述电源电路；

所述电机H桥驱动电路包括两个P沟道场效应管Q1、Q4、两个N沟道场效应管Q2、Q3以及电容C9，所述P沟道场效应管Q1、N沟道场效应管Q3的栅极连接后与所述电压转换芯片（U4）的Acout引脚连接，从而构成一路PWM控制电路；所述N沟道场效应管Q2、P沟道场效应管Q4的栅极连接后与所述电压转换芯片（U4）的Cout引脚连接，从而构成一路PWM控制电路，实现对H桥的控制；所述场效应管Q1、Q2、Q3、Q4与所述电容C9、电机插座接口（JP7）连接，从而构成H桥驱动电路，实现对所述直流电机旋转速度和旋转方向的控制。

4.根据权利要求根据权利要求2所述的一种直流电机控制电路结构，其特征在于：所述人机交互控制电路包括液晶显示屏LCD、拨码盘，所述拨码盘开关S1、电阻R6、R7、R8的一端均与所述KL25单片机（U3）的PTD7、PTD6、PTD5引脚连接，从而实现直流电机旋转方向和速度值的设置功能；所述液晶显示屏LCD的接口插座（JP2）与所述KL25单片机（U3）的PTC7、PTC6、PTC5、PTC4引脚连接，通过SPI通讯方式显示直流电机工作状态信息。

5.根据权利要求根据权利要求2所述的一种直流电机控制电路结构，其特征在于：所述电源电路包括电源插座JP6、稳压芯片（U1），电容C10、C11并联后一端与所述稳压芯片（U1）的输入端连接，所述电源插座（JP6）连接入所述稳压芯片（U1）的输入端，电容C12、C13并联后连接入所述稳压芯片（U1）的输出端。

6.根据权利要求根据权利要求5所述的一种直流电机控制电路结构，其特征在于：所述电源电路还包括电源指示灯电路，所述电源指示灯电路包括电阻R3和指示灯D1，所述指示灯D1与所述电阻R3串联后一端接入所述稳压芯片（U1）的电压输出端、另一端接地。