电力电子课程设计报告 直流电机驱动.docx

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- 21 -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14七、调试与总结157.1 、 实际调试157.1.1 、调试过程157.1.2 、输出波形及说明167.1.3 、实物图187.2 、总结与收获18八、参考文献20九、附录219.1 总体电路原理图219.2 、BOM 表21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 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、总体电路设计直流电源辅助电源5V 电源供电STM32 控制电路PWM 输出ADC 采样光耦过电压、电流检测电路基于 BTN7971 的主电路直流电机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 。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：5.2 、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 5.3-1STM32f103 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_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);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 6-1PCB 顶层图图 6-2PCB 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 STM32 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 BTN7971 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 7.1.1-1STM32 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。7.1.3、实物图图 7.1.3-1实物调试图上图为实物照片，利用开关电源供电，STM32 输出 PWM 波给驱动电路，从而带动电机运转。7.2 、总结与收获这次课程设计可以说是一次史无前例的体验，虽然从大学至今做过了不少课程的课程设计，比如模电、数电、单片机等等，但是这些课设基本都是有现成的成品或者半成品。然而本次课程设计却是依靠自己去查找各种数据手册、参考文献等内容，从而完成本次设计，这与以往的课程设计有本质的区别。对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。从这次的课程设计中，我不仅巩固了课本的知识，尤其是最近学习的电力电子技术、电子设计 CAD等，还学到了许许多多其他的知识。其次我了解到团队合作很重要，每个人都有分工，但是又不能完全分开来，还要合作，所以设计的成败因素中还有团队的合作好坏。设计过程中， 我们将本次的设计细分为主电路设计、控制电路的设计、辅助电源的设计等等模块，最终相互整合，最终完成一次完整的设计。这次课程设计让我知道了学无止境的道理。我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬ft，一座ft峰的后面还有更高的ft峰在等着 你。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！八、参考文献1 游志宇,杜杨,张洪,董秀成. 基于场效应管的直流电机驱动控制电路设计J. 国外电子元器件,2008,02:3-6.2 李军. 直流电机驱动EGR 阀控制系统的研究D.吉林大学,2011.3 胡发焕,杨杰,邱小童. 大功率直流电机驱动电路的设计J. 机械与电子,2009,10:77-80. 4高春艳. 电动高尔夫球车他励直流电机驱动系统研究D.重庆大学,2007.5 余晓填,杨曦,陈安,解辉,黄泽毅. 基于移动机器人直流电机驱动电路的设计与应用J. 微电机,2011,11:37-40.6 焦玉朋. 基于 51 单片机的PWM 直流电机调速系统D.内蒙古大学,2013.九、附录9.1 总体电路原理图总体电路原理图如下图所示：9.2 、BOM 表图 9-1总体电路图