电力电子课程设计报告 直流电机驱动

1、南京工程学院自动化学院电力电子技术课程设计报告题目：直流电机的脉宽调速驱动电源的设计 专 业： 自动化（自动化）_ 班 级： 保密 学 号: 保密 学生姓名： 保密 指导教师： 保密 起迄日期： 2014.12.232014.12.25设计地点: 工程实践中心4-207目录直流电机的脉宽调速驱动电源的设计3一、引言31.1、课题研究现状31.2、课题背景及研究意义3二、设计任务4三、设计方案选择及论证53.1、控制电路的方案选择53.2、辅助电源的方案选择53.3、过电流检测电路的方案选择53.4、主电路的方案选择63.5、驱动电路的方案选择6四、总体电路设计7五、功能电路设计85.1、辅助电

2、源的设计85.2、驱动电路的设计85.3、控制电路的设计95.4、检测电路的设计115.5、主电路的设计12六、电路制作与焊接13七、调试与总结147.1、 实际调试147.1.1、调试过程147.1.2、输出波形及说明157.1.3、实物图177.2 、总结与收获17八、参考文献19九、附录209.1总体电路原理图209.2、BOM表20直流电机的脉宽调速驱动电源的设计一、引言 1.1、课题研究现状直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高的效率，优异的动态特性；尽管近年来不断受

3、到其他电动机（交流变频电机、步进电机等）的挑战，但到目前为止，它仍然是大多数调速控制电动机的优先选择。近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大变化。随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制（PulseWidthModulation，简称PWM）控制方式已成为绝对主流。这种控制方式很容易在单片机控制中实现，从而为直流电动机控制数字化提供了契机。1.2、课题背景及研究意义当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流驱动控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。长期以来，直流电动机因其转速调节比较灵活，方法简

4、单，易于大范围平滑调速，控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。它广泛应用于数控机床、工业机器人等工厂自动化设备中。二、设计任务1） 主电路的设计， 器件的选型；2） 驱动电路、 检测电路和保护电路设计；3） 辅助电源设计，要求提供5V控制电源；4） 控制电路的设计，正反转及调速的实现；5） 制作驱动和主电路；6） 利用提供的控制信号，完成直流电机的脉宽调速电源的驱动和主电路和调试。三、设计方案选择及论证 3.1、控制电路的方案选择方案一、选用AT89S51单片机作为控制电路。方案二、选用STM32作为控制电路方案论证：上述两种方案中，AT89S51是一款基于8051内核的单片机，利用其

5、定时器中断功能去操作IO口可以输出PWM波。STM32是一款基于ARM的Cortex-M3内核的单片机，其具有丰富的内部资源和外设接口，且其内部具有多个通用定时器和高级定时器，只要对这些定时器做出相应的配置就可以让STM32自动输出两路互补的PWM。除此之外，STM32的工作频率高到72MHz，其内部还有多路ADC，可以方便的应用检测保护电路中，这也是AT89S51所无法相提并论的，所以，在本次设计中采用STM32作为控制电路。3.2、辅助电源的方案选择方案一：使用LM7805芯片进行稳压输出得到所需要的辅助电源方案二：使用LM2596开关电源芯片获取所需的辅助电源论证：虽然两种电源芯片都能得

6、到所需的+5V电源，但是由于7805能承受的输入电压太小（5V到18V），无法达到相应指标，因此还是选用更为合适的LM2596-5芯片，它可自行稳压输出5V的电源。3.3、过电流检测电路的方案选择方案一、通过ADC采样BTN7971反馈引脚上的电流，计算出实际电流值方案二、采用专门的集成芯片AD8418方案论证：AD8418是一款高压、高分辨率分流放大器。设定初始增益为20 V/V，在整个温度范围内的最大增益误差为0.15%。缓冲输出电压可以直接与任何典型转换器连接。AD8418在输入共模电压处于2 V至+70 V范围时，具有出色的输入共模抑制性能；它能够在分流电阻上进行双向电流的测量，适合各

7、种汽车和工业应用，包括电机控制、电池管理和电磁阀控制等。运用集成芯片AD8418可以行之有效地解决课题中的过电流检测问题，但是需要额外增加电路，增加了电路的复杂程度。而利用BTN7971管脚上的电流反馈，利用ADC采样该管脚上的电压，进行计算后即可得到实际的电流值，这样一来，相较于利用集成芯片AD8418电路更为简单。因此，在本次设计中采用方案一进行过电流检测。3.4、主电路的方案选择方案一、采用四个独立的MOS管组成H桥方案二、采用集成芯片BTN7971方案论证：方案一选择功率MOSFET作为开关器件。此处，需要四个功率MOSFET组成全桥。而且需要另外设计过流采样电路，需要在软件上设置死区

8、时间，在驱动MOSFET工作时，还需要特定的芯片和隔离电路，电路结构相对复杂，元件比较多，整个系统的尺寸较大。而IPM（智能功率模块）BTN7971，它是将输出功率器件IGBT和驱动电路、多种保护电路集成在同一模块内，与普通MOSFET相比，在系统性能和可靠性上均有进一步提高，而且由于IPM通态损耗和开关损耗都比较低，使散热器的尺寸减小，故整个系统的尺寸减小。其内部含有门极驱动控制、故障检测和多种保护电路。保护电路分别检测过流、短路、过热、电源欠压等故障，当任一故障出现时，内部电路会封锁驱动信号并向外送出故障信号，以便外部的控制器及时处理现场，避免器件受到进一步损坏。因此，在本次设计中采用芯片

9、BTN7971。3.5、驱动电路的方案选择方案一、采用光耦驱动方案二、采用74HC244芯片驱动方案论证：驱动电路需要实现电平转换，也要防止驱动芯片上大电流的倒灌进入单片机的引脚，而光耦的作用有可用于电气上的隔离，也可用于电压电平转换。因此，驱动电路采用光耦。光耦隔离也是一种简单、低成本的方法。由于采用STM32普通I/O口输出PWM波，理论上可以直接用STM32普通I/O口直接与BTN7971相连，但是驱动电路需要实现电平转换，也要防止驱动芯片上大电流烧坏单片机，所以可以加个74HC244芯片隔离一下。因此，在本次设计中，方案一和方案二均满足要求，最终采用方案一进行设计四、总体电路设计 直流

10、电机辅助电源直流电源STM32控制电路基于BTN7971的主电路过电压、电流检测电路5V电源供电PWM输出ADC采样光耦本次设计的总体框图如上图所示。电源部分由直流电源端输入15V或者更高电压的直流电，然后经辅助电源降压成5V之后，用来供给STM32控制电路（该控制电路自带一块LM1117-3.3的线性稳压芯片，可以将5V电源降成3.3V供给STM32使用）；除此之外，直流电源还直接将电源供给主电路，用于驱动电机运转。控制电路在本次设计中具有两个作用：第一、产生PWM信号，来控制BTN7971芯片；第二、最为过电流、电压检测的ADC采样功能，从而计算出电流和电压值，进行过电流、过电压的保护 。

11、五、功能电路设计 5.1、辅助电源的设计辅助电源芯片采用LM2596-5开关电源芯片。电路原理图如下图5-1所示：图5.1-1 辅助电源原理图5.2、驱动电路的设计驱动电路芯片采用光耦POD817。电路原理图如下图5-3所示：图5.2-2 驱动电路原理图查阅POD817光耦资料可知，开关速度需要满足一定的条件，因为输入端PWM波的频率为25KHz，因此该光耦速度必须满足要求。5.3、控制电路的设计本次设计的控制电路采用STM32f103系列的单片机，其最小系统电路图如下图所示：图5.3-1 STM32f103最小系统本次设计中利用STM32的定时器输出两路互补的PWM波，其频率为25KHz，占

12、空比可根据实际情况进行调节，实现正反转的控制功能。除此之外，利用STM32内部自带的12位ADC可以采样电流反馈信号，和输入电压，实现过电流和过电压的监测。在此给出STM32定时器的配置程序，其源代码如下：void PWM_Init(void)GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure2;TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;TIM_BDTRInitTypeDef TIM_BDTRInitStructure;RCC_APB2PeriphC

13、lockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_TIM1|RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);GPIO_InitStructure2.GPIO_Pin=GPIO_Pin_8;GPIO_InitStructure2.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_InitStructure2.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure2); GPIO_InitStructure2.GPIO_Pin

14、=GPIO_Pin_13;GPIO_InitStructure2.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_InitStructure2.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure2);TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=2880-1; TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=0; TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;TIM_TimeBaseStructure

15、.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;TIM_TimeBaseStructure.TIM_RepetitionCounter=0; TIM_TimeBaseInit(TIM1, &TIM_TimeBaseStructure); TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode=TIM_OCMode_PWM2; TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse=500; TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity=TIM_OCPolarity_High; TIM_OCInitStructure.TIM_Output

16、State=TIM_OutputState_Enable; TIM_OCInitStructure.TIM_OCNPolarity=TIM_OCNPolarity_High; TIM_OCInitStructure.TIM_OutputNState=TIM_OutputNState_Enable;TIM_OCInitStructure.TIM_OCIdleState=TIM_OCIdleState_Reset; TIM_OCInitStructure.TIM_OCNIdleState=TIM_OCNIdleState_Reset;TIM_OC1Init(TIM1,&TIM_OCInitStru

17、cture); TIM_BDTRInitStructure.TIM_OSSRState = TIM_OSSRState_Disable;TIM_BDTRInitStructure.TIM_OSSIState = TIM_OSSIState_Disable;TIM_BDTRInitStructure.TIM_LOCKLevel = TIM_LOCKLevel_OFF; TIM_BDTRInitStructure.TIM_DeadTime = 0x90; TIM_BDTRInitStructure.TIM_Break = TIM_Break_Disable; TIM_BDTRInitStructu

18、re.TIM_BreakPolarity = TIM_BreakPolarity_High; TIM_BDTRInitStructure.TIM_AutomaticOutput = TIM_AutomaticOutput_Enable;TIM_BDTRConfig(TIM1,&TIM_BDTRInitStructure); TIM_OC1PreloadConfig(TIM1, TIM_OCPreload_Enable); TIM_ARRPreloadConfig(TIM1, ENABLE); TIM_Cmd(TIM1,ENABLE); TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1, ENAB

19、LE); 5.4、检测电路的设计本次检测电路分为过电压检测和过电流检测，过电流检测利用主电路中BTN7971芯片的电流反馈引脚引出，下拉一个阻值为的电阻，ADC采样引脚处的电压值，以电压除以电阻值就可以得到电流的反馈值，就可以计算出实际的输出电流。 电压检测的原理图如下图所示：图5.4-1 电压检测原理图图5.4-1 输入电压检测此次设计的电压检测经过两个电阻分压，利用ADC采样两电阻之间的电压值，就可以计算出输入电压的电压值，随后通过控制PWM占空比，就可以改变输出电压的平均值，防止过电压。5.5、主电路的设计主电路的电路原理图如下图5.5-1所示查阅BTN7971的芯片手册，可知官方给出了

20、典型运用说明，如下图5.5-2所示： 参考典型运用，在管脚2-IN处连接电阻阻值大小为10K，管脚3-INH处连接电阻阻值大小为10K，管脚5-SR处连接电阻阻值大小为0.51K，管脚6-IS处连接电阻阻值大小为0.47K。并且在SR引脚上增加ADC采样，作为过电流检测和保护。图5.5-1 主电路原理图图5.5-2 典型应用图六、电路制作与焊接 本次设计完成了驱动电路和主电路的PCB绘制，其具体的PCB图如下图所示图6-1 PCB顶层图 图6-2 PCB底层图如上图所示其中P3为电源接口，从此处引入直流电源，P1为输出接口，接直流电机两端，P2为PWM输入和电流检测信号的输出，此处连接STM3

21、2单片机相应的I/O口，以输入PWM波控制信号，并且引出ADC采样点，将电压信号送至单片机。七、调试与总结 7.1、 实际调试7.1.1、调试过程在实际的调试过程中，我们遭遇了很多问题，首先，由于学得不够深入，对于很多知识的了解很不深入，甚至一直以来知道的内容还有错误，比如对于光耦的作用的认知等等。在实际课设开始之前，我们就已经开始了相关的工作，在课设正式开始的前一天，我们各自通过网络、图书馆等方式查阅了大量的资料，并且查阅了前人在这方的研究。当课设实际开始之后，我们针对选定的课题进行了初步的讨论，并且进行了相应的分工，并且确定了大致的设计方案。随后，我们根据我们的分工和手头现有的资料进行了深

22、入的研究。在本次设计中，我负责设计过电流、过电压的检测，以及STM32控制电路的设计及其程序的编写。首先，由于分工的原因，BTN7971并不在我的分工范围内，所以我并不了解其电流反馈，所以根据自己之前查找的资料，初步选定了用AD8418作为过电流检测，并且采用LM393电压比较器，作为过电压的检测。当确定方案之后，便是根据数据手册提供的参考电路，利用Altium Designer完成了电路的绘制。第二天，我们小组成员完成各自的设计内容也如期的完成了，我们得到了一个大致的设计方案，并且和老师进行了探讨。结果令我们非常的失望，由于学艺不精，我们在设计中犯了很多错误。经过老师的指点之后，我们开始修正

23、各自的设计方案，由于BTN7971具有电流反馈的输出引脚，因此，就不需要使用AD8418来进行过电流检测，大大简化了电路设计，并且由于根据驱动电路的原理，不需要检测过电压，只需要利用ADC去采样输入电压，再去调控占空比即可，也就省去了电压比较器，再度简化了电路的设计。由于我设计的过电压、过电流检测电路相对来说比较简单，因此，在完成这一项工作之后，因为之前接触过STM32的编程，也研究过电路图，且直接利用现成的STM32最小系统板，控制电路的设计就很快完成。于是，我就开始了程序的编写，而组内其他成员则继续优化改进他们的设计。因为之前有过类似的经历，所以编程的难度也不是很大，并且，因为BTN797

24、1自己带有死区时间，所以在设计PWM输出的程序时，不需要留出死区时间。经过调试之后就实现了两路互补的PWM输出，并经示波器查看，正确无误。第三天也就是最终验收的前一天，时间已经比较紧张了，我开始了绘制驱动电路的PCB的工作，而其他成员则将之前的内容开始汇总，并最终成为一个完整的设计。随后，我们又和老师进行了交流讨论，进一步改进设计中存在的缺陷。然后，在这一天即将结束的时候，我们首次进行了实物的调试。因为之前在学校创新学院参与过相关的竞赛，因此直接就使用了当时的硬件电路，进行测试，由于这个电路虽然和我们的设计大致一样，但是仍然存在一些细节上的差异，比如一些特定的电阻阻值等细节性的参数。因此在实际

25、测试时，大致实现了设计的内容，但是出现了死区时间过长的问题，需要进一步改进。最后，终于到了验收的那一天，经过对于组织的修正，我最终得到了比较完美的波形，并通过了验收。7.1.2、输出波形及说明图7.1.1-1 STM32输出波形上图为首次测试时从STM32的I/O输出的两路互补的PWM波形，其频率约为25KHz，占空比约为50%。图7.1.1-2 驱动电路输出波形1上图为首次测试时从驱动电路的输出波形，从上图可以看出，已经输出可正常的驱动波形，但是很想然由于电阻阻值选取不当，死区时间过长，影响了整体的效率。图7.1.1-3 驱动电路输出波形2上图为第二次测试时驱动电路两端的输出波形，本次测试时，我们改小了死区时间控制电阻的大小，将原来的10K的电阻减小为3.3K，可以明显地看出死区时间减小，提高直流电机的工作效率，并且将PWM的占空比改为小于50%，使电机工作在正转状态。图7.1.1-4 驱动电路输出波形3如上图所示波形为PWM占空比大于50的情况，电机工作在反转状态。7.1