电力电子课程设计报告 直流电机驱动

--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： 2014.12.23~2014.12.25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 3、课题研究现状 3、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 5、控制电路的方案选择 5、辅助电源的方案选择 5、过电流检测电路的方案选择 5、主电路的方案选择 6、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 8、辅助电源的设计 8、驱动电路的设计 8、控制电路的设计 9、检测电路的设计 、主电路的设计 六、电路制作与焊接 七、调试与总结 、实际调试 、调试过程 、输出波形及说明 、实物图 、总结与收获 八、参考文献 九、附录 总体电路原理图 、BOM表 直流电机的脉宽调速驱动电源的设计一、引言、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。长期以动机（交流变频电机、步进电机等）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。、课题背景及研究意义机因其转速调节比较灵活，方法简单，易于大范围平滑调速，控制性能好等特自动化设备中。二、设计任务主电路的设计，器件的选型；驱动电路、检测电路和保护电路设计；5V控制电路的设计，正反转及调速的实现；制作驱动和主电路；试。三、设计方案选择及论证、控制电路的方案选择AT89S51STM32方案论证：上述两种方案中，AT89S518051其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ADC，AT89S51STM32、辅助电源的方案选择LM7805LM2596论证：虽然两种电源芯片都能得到所需的+5V7805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LM2596-55V、过电流检测电路的方案选择ADCBTN7971AD8418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20V/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2V至+70V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ADC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。、主电路的方案选择MOSHBTN7971MOSFET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MOSFET工作时，还需要特定的芯片和隔离电路，电路结构相对IPM（智能功率模块）BTN7971，IGBT和驱动电路、多种保护电路集成在同一模块内，与普MOSFETIPM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。BTN7971。、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。STM32I/OPWMSTM32I/OBTN7971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、总体电路设计直流直流电源辅助电源5VSTM32PWMADC光耦过电压、电流检测电路BTN7971直流电机本次设计的总体框图如上图所示。15V5VSTM32（LM1117-3.35V3.3VSTM32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，从而计算出电和电压值，进行过电流、过电压的保护。五、功能电路设计、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：、驱动电路的设计

图5.1-1 辅助电源原理图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POD817PWM25KHz，因此该光耦速度必须满足要求。、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STM32PWM占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STM3212ADC在此给出STM32定时器的配置程序，其源代码如下：voidPWM_Init(void){GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure2;TIM_TimeBaseInitTypeDefTIM_TimeBaseStructure;TIM_OCInitTypeDefTIM_OCInitStructure;TIM_BDTRInitTypeDefTIM_BDTRInitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(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=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.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_OutputState=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_OCInitStructure);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_BDTRInitStructure.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,ENABLE);}、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BTN7971ADC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PWM出电压的平均值，防止过电压。、主电路的设计主电路的电路原理图如下图5.5-1所示BTN79715.5-2示：2-IN10K，3-INH10K，5-SR0.51K，6-IS0.47KSRADC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P3P1直流电机两端，P2PWMSTM32I/OPWMADC单片机。七、调试与总结、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，并且进行了有的资料进行了深入的研究。在本次设计中，我负责设计过电流、过电压的检STM32BTN7971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AD8418LM393AltiumDesigner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，我们开始修正各自设计方案，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STM32STM32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，BTN7971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PCB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。、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