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CAd课程设计

课程设计（学年论文）

说明书

课题名称：

直流电动机PWM驱动器的设计

学生学号：

1304200303

专业班级：

工业电气自动化01班

学生姓名：

方军

学生成绩：

指导教师：

王振

课题工作时间：

2013.12.30至2014.1.3

武汉工程大学教务处制

填写说明：

1.一、二、三项由指导教师在课程设计（学年论文）开始前填写并交由学生保管；

2.四、五两项由学生在完成课程设计后填写，并将此表与课程设计一同装订成册交给指导教师；

3.成绩评定由指导教师按评定标准评分。

4.此表格填写好后与正文一同装订成册。

一、课程设计的任务或学年论文的基本要求：

绘图设计:

（1）画出完整的原理图

（2）ERC电气规则检测

（3）生产网络表及元件清单

（4）画出所设计电路的PCB图,包括规划PCB板子大小、元器件布局以及布线，布线方法则可根据具体情况使用自动布线（手工调整）或者手工布线两种不同方式。

（5）根据具体情况进行电路仿真：

仿真参数、类别、结果、仿真中出现的故障、原因及排除方法等。

原理图工作原理介绍：

图1-1中，所示的直流电动机驱动器是一个PWM驱动器，其输入信号是一个0~10V的模似量，图中所示的8038是一个三角波发生器，输入的模拟信号与三角波产生的信号分别进入两组运算放大器进行电压比较，得到具有一定关系的两组调制波，该调制波经过光耦TLP250进行电气隔离，输出信号分别加到H桥中大功率管VT1~VT4的基数，VT1~VT4的导通与断开由调制波相位的改变来控制，VT1~VT4的通断会改变加在电动机两端的电枢电压，从而改变电动机的输出速度，因此电动机输出速度会随着输入电压的改变而线性改变。

参考图：

图1－1（a）直流电动机PWM调速原理图

图1－1（b）驱动器原理图

指导教师签字：

教研室主任签字：

年月日年月日

二、进度安排：

12月27号：

下达设计任务并依据参考图设计原理图。

12月30号：

确定PCB板参数和元件封装类型。

12月30号～1月3号：

设计PCB版图。

1月6号：

撰写报告和答辩。

三、应收集资料及主要参考文献：

参考数目：

[1]邵群涛.电气制图与电子线路CAD[M].北京：

机械工业出版社，2005

4、课程设计（学年论文）摘要（中文）：

目前，直流电动机在控制系统中的应用十分广泛。

直流电动机的工作原理十分简单；当定子中的励磁磁通和转子中的电流相互作用时，就会产生电磁转矩驱动电枢转动，恰当地控制转子中电枢电流的方向和大小，就可以控制直流电动机的方向和转速。

电枢电流为零时直流电机则停止不动。

在本设计中，直流电动机的驱动采用的是晶体管功率放大器组成的H型PWM电路。

直流电动机的速度调节通过改变PWM的占空比来实现，采用PWM波控制电动机不仅方便且精度高。

5、课程设计（学年论文）摘要（英文）：

Atpresent,theapplicationofDCmotorinthecontrolsystemisveryextensive.TheworkingprincipleofDCmotorisverysimple;whenthecurrentinthestatorexcitationfluxandrotorinteraction,itwillproduceelectromagnetictorquedrivetherotationofthearmature,andproperlycontrolthedirectionandsizeofthearmaturecurrentintherotor,youcancontrolthedirectionandspeedoftheDCmotor.ThearmaturecurrentiszeroandtheDCmotorisstopped.

Inthisdesign,theDCmotordriveisusedinHtypePWMtransistorpoweramplifiercircuit.DCmotorspeedregulationthroughchangingthePWMdutyratioofthePWMwavetocontrolthemotornotonlyconvenientandwithhighaccuracy.

六、成绩评定：

指导教师评语：

指导教师签字：

201年月日

项目

评价

项目

评价

调查论证

工作量、工作态度

实践能力

分析、解决问题能力

质量

创新

得分

七、答辩记录：

答辩意见及答辩成绩

答辩小组教师（签字）：

201年月日

总评成绩：

（教师评分×75%+答辩成绩×25%）

课程设计评审标准（指导教师用）

评价内容

具体要求

权重

调查论证

能独立查阅文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获得新知识的能力。

0.1

实践能力

能正确选择研究（实验）方法，独立进行研究工作。

如装置安装、调试、操作。

0.2

分析解决问题能力

能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题；能正确处理实验数据；能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。

0.2

工作量、工作态度

按期圆满完成规定的任务，工作量饱满，难度较大，工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。

0.2

质量

综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；实验正确，分析处理科学；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确；论文结果有应用价值。

0.2

创新

工作中有创新意识；对前人工作有改进或独特见解。

0.1

1、方案论证

1.1系统功能要求

设计直流电动机（110V）PWM驱动器，要求输入信号是0~10V的电压值，转速与该输入信号成正比，调制波产生的电路与后级功率管驱动电路要进行电气隔离。

1.2工作原理

图1-2中，所示的直流电动机驱动器是一个PWM驱动器，其输入信号是一个0~10V的模似量，图中所示的8038是一个三角波发生器，输入的模拟信号与三角波产生的信号分别进入两组运算放大器进行电压比较，得到具有一定关系的两组调制波，该调制波经过光耦TLP250进行电气隔离，输出信号分别加到H桥中大功率管VT1~VT4的基数，VT1~VT4的导通与断开由调制波相位的改变来控制，VT1~VT4的通断会改变加在电动机两端的电枢电压，从而改变电动机的输出速度，因此电动机输出速度会随着输入电压的改变而线性改变。

图1-2

1.3电气电子线路CAD设计步骤

（1）前期准备

包括创建工程文件、准备元件库和绘制原理图。

创建PCB工程文件，就相当于在计算机中创建一个文件夹，将与PCB设计相关的文件统一规整到该工程文件下，便于日后的管理、更改等操作。

接下来就要准备好项目中所需要库文件，包括原理图的元件库和PCB的元件库。

当然元件库可以用AltiumDesigner自带的库，但一般情况下较难找到合适的，最好是根据所选期间得标准尺寸资料自己做元件库。

（2）PCB结构设计

PCB结构包括创建PCB文件，确定电路板尺寸和各项机械定位，在PCB设计环境下绘制PCB版面，并按定位要求放置所需的接插件、按键/开关、螺丝孔，装配孔等。

并充分考虑和确定布线区域和非布线区域。

（3）PBC布局

布局要求均衡，疏密有序，不能头重脚轻或一头沉。

在放置元器件时，一定要考虑元器件的实际尺寸、元器件之间的相对位置，以保证电路板的电气性能和生产安装的可行性和便利性，然后适当的修改器件的摆放使之整齐美观。

（4）PCB布线

布线是最重要的工序。

这将直接影响着PCB板的性能好坏.。

在PCB的设计过程中，布线一般有三种境界的划分：

首先是布通，其次是电气性能的满足，接着是美观。

（5）网络和DRC及结构检查

首先，在确定电路原理图设计无误的前提下，将所生成的PCB网络文件与原理图网络文件进行物理关系的网络检查，并根据输出文件结果及时对设计进行修改，以保证布线连接关系的正确性；网络检查正确通过后，对PCB设计进行DRC检查，并根据输出文件结果及时对设计进行修正，以保证PCB布线的电气性能。

最后需进一步对PCB的机械安装结构进行检查和确认。

2、项目元件库

虽然AltiumDesigner提供了丰富的元件库，足以应付大多数的设计。

但是也有部分元件没有收录其中，此外设计中经常也会使用一些非标准器件，这就需要设计者自己制作元件库。

在本实验——直流电动机PWM驱动器设计中，由摩托罗拉公司设计的MC1413就无法在原元件库中找到。

接下来已设计MC1413为例介绍元件库制作。

2.1制作原理图元件库

原理图如图2-1

图2-1MC1413原理图

（1）创建元件库

执行命令菜单“文件”→“新的”→“库”→“原理图”元件库，系统将进入原理图元件库编辑工作界面，如图2-1-1

图2-1-1创建元件库

单击“保存”，可以设置保存的文件名和位置。

（2）创建一个元件

打开SCHLibrary面板，新建库文件中已经存在一个默认的元件。

双击该元件，可对元件的属性进行编辑，如图2-1-2

图2-1-2创建元件

在绘图工具箱中点击矩形绘图工具，即可绘出MC1413的基本结构，点击工具箱中的放置管脚即可在矩形上放置若干管脚，放置时按住TAB键可设置管脚属性，如图2-1-2-1。

我们根据原理图给出的图形绘出IN和COM输入，OUT输出。

图2-1-2-1引脚设置

（3）设置元件属性

每个元件都有与之相关的属性，MC1413的属性也要设置。

在SCHLibrary中双击要编辑的元件，即可对其设置。

如图2-1-3，我们为其取名为MC1413，标号为U？

，允许标识号自动递增。

右下方的model域中可选择PCB模型，用于以后的PCB同步设计。

图2-1-3设置元件属性

2.2制作PCB元件库

PCB图如图2-2

图2-2PCB图

（1）创建元件库

与创建原理图元件库相同。

单击“保存”，可设置保存的位置和文件名。

（2）创建一个元件

打开PCBLibrary面板，新建库文件中已经存在一个默认的元件。

双击该元件，可对元件的属性进行编辑，如图2-2-2

图2-2-2更改名称

（3）设置面板

单机菜单“工具”→“器件库选项”，可对面板进行设置，如图2-2-3。

图2-2-3设置面板

（4）绘制元件外形

在绘制元件外形前，首先要获得元件的准确外形和尺寸。

该封装焊盘列间距为300mil，列内焊盘间距为100mil。

找到绘图区的原点，以元点为参照放置所创建封装的焊盘，轮廓等对象。

选择工具栏中的焊盘，鼠标变十字后按下TAB键可设置焊盘，如图2-1-4。

接着以第一个焊盘为基准，放置两列共16个焊盘，焊盘放置结束，如图2-1-5。

图2-1-4图2-1-5

点击绘图区底部的TopOverlay，在这一层上绘制元件封装轮廓。

单击工具箱中的连线放置，鼠标变为十字，移动鼠标即可绘制出轮廓线。

绘制弧形也是单击弧形绘制按键，即可绘制。

第一个焊盘做成方形，以便确认。

得到图2-1-6。

图2-1-6轮廓描绘

2.3利用向导自建PCB封装库

我们也可以利用绘制向导来制作PCB封装。

鼠标右键PCBLibrary中的元件，点击“绘制向导”，即可弹出对话框，如图2-3-1。

图2-3-1向导开始界面

点击下一步，选择封装类型和使用度量单位，如图2-3-2

图2-3-2选择封装类型

继续点击下一步可设置焊盘尺寸，焊盘间距，设定元件名称等等，如图2-3-3。

图2-3-3设置焊盘

最后，将制作完成的PBC元件库与原理图元件库结合，即可做成一个完整的集成元件库。

如图2-3-4，图2-3-5。

图2-3-4结合

图2-3-5结合

3、原理图设计

3.1原理图设计操作流程

（1）创建PCB工程（项目文件）

启动ProtelDXP后，选择菜单【File】/【New】/【Project】/【PCBProject】命令。

（2）保存PCB项目（工程）文件

选择【File】/【SaveProject】菜单命令，弹出保存对话框【Save[PCB_Project1.PrjPCB]AS…】；选择保存路径后在【文件名】栏内输入新文件名保存到自己建立的文件夹中。

（3）创建原理图文件

在新建的PCB项目（工程）下，选择菜单【File】/【New】/【Schematic】命令。

（4）保存原理图文件

选择【File】/【Save】菜单命令，弹出保存对话框【Save[Sheet1.SchDoc]AS…】，选择保存路径后在【文件名】栏内输入新文件名保存到自己建立的文件夹中。

（5）设置工作环境

选择【Design】/【DocumentOption…】菜单命令，在系统弹出的框中进行设置。

（6）放置元件

方法一：

安装库文件的方式放置

选择【Design】/【Add/Removelibrary】菜单命令，在弹出的对话框中单击安装找到库文件即可。

方法二:

搜索元件方式放置

（7）原理图布线

选择【Place】/【Wire】工具菜单，此时将带十字型的光标放到元件引脚位置单击鼠标左键即可进行连线（注意拉线过程不应一直按住鼠标左键不放），将导线拉到另一引脚上单击鼠标左键即放完一根导线，放置完导线单击右键或者

【Esc】键结束放置。

（8）原理图电气规则检查

选择【Project】/【CompilePCBProject[工程名]】；若无错误提示，即通过电器规则检查，如有错误，则需找到错误位置进行修改调整。

（9）原理图如图3-1-1所示

图3-1-1原理图

（10）元器件清单如图3-1-2所示

图3-1-2元器件清单

4、PCB图设计

4.1设计步骤和操作

（1）创建PCB工程（项目）文件

如果在原理图绘制阶段已经新建，则无需新建。

启动ProtelDXP后，选择菜单【File】/【New】/【Project】/【PCBProject】命令。

（2）保存PCB工程（项目）文件

选择【File】/【SaveProject】菜单命令，弹出保存对话框【Save[PCB_Project1.PrjPCB]AS…】对话框；选择保存路径后在【文件名】栏内输入新文件名保存到自己建立的文件夹中。

（3）原理图绘制

详见第三章

（4）将原理图导入PCB

单击【设计】，然后点击【updatePCBdocumeng】，在弹出的对话框中点击执行更改。

（5）PCB布局

通过移动、旋转元器件，将元器件移动到电路板内合适的位置，使电路的布局最合理。

（6）PCB布线

我在把各个元器件排列好后选择了自动布线。

PCB图如图4.1所示。

4.2元件布局要求

（1）先布放关键元器件，然后按照地址线和数据线的走向布放其他元件。

（2）高频元器件引脚引出的导线应尽量短些，以减少对其他元件及其电路的影响。

（3）模拟电路模块与数字电路模块应分开布置，不要混合在一起。

（4）带强电的元件与其他元件距离尽量要远，并布放在调试时不易触碰的地方。

（5）对于重量较大的元器件，安装到PCB上要安装一个支架固定，防止元件脱落。

（6）对于一些严重发热的元件，必须安装散热片。

（7）电位器、可变电容等元件应布放在便于调试的地方。

4.3PCB布线原则

（1）输入端导线与输出端导线应尽量避免平行布线，以免发生耦合。

（2）在布线允许的情况下，导线的宽度尽量取大些，一般不低于10mil。

（3）导线的最小间距是由线间绝缘电阻和击穿电压决定的，在允许布线的范围内应尽量大些，一般不小于12mil。

（4）微处理器芯片的数据线和地址线应尽量平行布线。

（5）布线时尽量少转弯，若需要转弯，一般取45度走向或圆弧形。

在高频电路中，拐弯时不能取直角或锐角，以防止高频信号在导线拐弯时发生信号反射现象。

（6）电源线和地线的宽度要大于信号线的宽度。

PCB封装图如图4-4

图4-4封装图

五、结论

通过本次课程设计，将课本上的知识与实际应用相结合，使我对于电路，数电，单片机等方面的知识有了更加清晰的认识。

同时通过对AltiumDesigner软件的应用，加强了实践动手能力。

在实验设计过程中遇到的问题，通过询问辅导老师，上网查找资料，请教同学最后都得到了解决。

AltiumDesigner软件功能的强大不仅仅是我们现在所知道的内容，只有不断的学习才能更加完善自我，掌握更多的知识，为以后的工作学习奠定基础。

6、参考文献

[1]邵群涛.电气制图与电子线路CAD[M].北京：

机械工业出版社，2005

[2]老虎工作室.电路设计与制版--Protel99入门与提高[M].北京：

人民邮电出版社,2001

[3]老虎工作室.电路设计与制板--Protel99SE高级应用[M].北京：

人民邮电出版社,2001

[4]谷树忠，刘文洲，姜航.AltiumDesigner教程[M].北京：

电子工业出版社，2012