電力電子課程設計報告 直流電機驅動

1、南京工程學院自動化學院電力電子技術課程設計報告題目：直流電機的脈寬調速驅動電源的設計 專 業(yè)： 自動化（自動化）_ 班 級： 保密 學 號: 保密 學生姓名： 保密 指導教師： 保密 起迄日期： 2014.12.232014.12.25設計地點: 工程實踐中心4-207目錄直流電機的脈寬調速驅動電源的設計3一、引言31.1、課題研究現狀31.2、課題背景及研究意義3二、設計任務4三、設計方案選擇及論證53.1、控制電路的方案選擇53.2、輔助電源的方案選擇53.3、過電流檢測電路的方案選擇53.4、主電路的方案選擇63.5、驅動電路的方案選擇6四、總體電路設計7五、功能電路設計85.1、輔助電

2、源的設計85.2、驅動電路的設計85.3、控制電路的設計95.4、檢測電路的設計115.5、主電路的設計12六、電路制作與焊接13七、調試與總結147.1、 實際調試147.1.1、調試過程147.1.2、輸出波形及說明157.1.3、實物圖177.2 、總結與收獲17八、參考文獻19九、附錄209.1總體電路原理圖209.2、BOM表20直流電機的脈寬調速驅動電源的設計一、引言 1.1、課題研究現狀直流電動機是最早出現的電動機，也是最早能實現調速的電動機。長期以來，直流電動機一直占據著調速控制的統(tǒng)治地位。由于它具有良好的線性調速特性，簡單的控制性能，高的效率，優(yōu)異的動態(tài)特性；盡管近年來不斷受

3、到其他電動機（交流變頻電機、步進電機等）的挑戰(zhàn)，但到目前為止，它仍然是大多數調速控制電動機的優(yōu)先選擇。近年來，直流電動機的結構和控制方式都發(fā)生了很大變化。隨著計算機進入控制領域以及新型的電力電子功率元件的不斷出現，使采用全控型的開關功率元件進行脈寬調制（PulseWidthModulation，簡稱PWM）控制方式已成為絕對主流。這種控制方式很容易在單片機控制中實現，從而為直流電動機控制數字化提供了契機。1.2、課題背景及研究意義當今，自動化控制系統(tǒng)已經在各行各業(yè)得到了廣泛的應用和發(fā)展，而直流驅動控制作為電氣傳動的主流在現代化生產中起著主要作用。長期以來，直流電動機因其轉速調節(jié)比較靈活，方法簡

4、單，易于大范圍平滑調速，控制性能好等特點，一直在傳動領域占有統(tǒng)治地位。它廣泛應用于數控機床、工業(yè)機器人等工廠自動化設備中。二、設計任務1） 主電路的設計， 器件的選型；2） 驅動電路、 檢測電路和保護電路設計；3） 輔助電源設計，要求提供5V控制電源；4） 控制電路的設計，正反轉及調速的實現；5） 制作驅動和主電路；6） 利用提供的控制信號，完成直流電機的脈寬調速電源的驅動和主電路和調試。三、設計方案選擇及論證 3.1、控制電路的方案選擇方案一、選用AT89S51單片機作為控制電路。方案二、選用STM32作為控制電路方案論證：上述兩種方案中，AT89S51是一款基于8051內核的單片機，利用其

5、定時器中斷功能去操作IO口可以輸出PWM波。STM32是一款基于ARM的Cortex-M3內核的單片機，其具有豐富的內部資源和外設接口，且其內部具有多個通用定時器和高級定時器，只要對這些定時器做出相應的配置就可以讓STM32自動輸出兩路互補的PWM。除此之外，STM32的工作頻率高到72MHz，其內部還有多路ADC，可以方便的應用檢測保護電路中，這也是AT89S51所無法相提并論的，所以，在本次設計中采用STM32作為控制電路。3.2、輔助電源的方案選擇方案一：使用LM7805芯片進行穩(wěn)壓輸出得到所需要的輔助電源方案二：使用LM2596開關電源芯片獲取所需的輔助電源論證：雖然兩種電源芯片都能得

6、到所需的+5V電源，但是由于7805能承受的輸入電壓太小（5V到18V），無法達到相應指標，因此還是選用更為合適的LM2596-5芯片，它可自行穩(wěn)壓輸出5V的電源。3.3、過電流檢測電路的方案選擇方案一、通過ADC采樣BTN7971反饋引腳上的電流，計算出實際電流值方案二、采用專門的集成芯片AD8418方案論證：AD8418是一款高壓、高分辨率分流放大器。設定初始增益為20 V/V，在整個溫度范圍內的最大增益誤差為±0.15%。緩沖輸出電壓可以直接與任何典型轉換器連接。AD8418在輸入共模電壓處于2 V至+70 V范圍時，具有出色的輸入共模抑制性能；它能夠在分流電阻上進行雙向電流的

7、測量，適合各種汽車和工業(yè)應用，包括電機控制、電池管理和電磁閥控制等。運用集成芯片AD8418可以行之有效地解決課題中的過電流檢測問題，但是需要額外增加電路，增加了電路的復雜程度。而利用BTN7971管腳上的電流反饋，利用ADC采樣該管腳上的電壓，進行計算后即可得到實際的電流值，這樣一來，相較于利用集成芯片AD8418電路更為簡單。因此，在本次設計中采用方案一進行過電流檢測。3.4、主電路的方案選擇方案一、采用四個獨立的MOS管組成H橋方案二、采用集成芯片BTN7971方案論證：方案一選擇功率MOSFET作為開關器件。此處，需要四個功率MOSFET組成全橋。而且需要另外設計過流采樣電路，需要在軟

8、件上設置死區(qū)時間，在驅動MOSFET工作時，還需要特定的芯片和隔離電路，電路結構相對復雜，元件比較多，整個系統(tǒng)的尺寸較大。而IPM（智能功率模塊）BTN7971，它是將輸出功率器件IGBT和驅動電路、多種保護電路集成在同一模塊內，與普通MOSFET相比，在系統(tǒng)性能和可靠性上均有進一步提高，而且由于IPM通態(tài)損耗和開關損耗都比較低，使散熱器的尺寸減小，故整個系統(tǒng)的尺寸減小。其內部含有門極驅動控制、故障檢測和多種保護電路。保護電路分別檢測過流、短路、過熱、電源欠壓等故障，當任一故障出現時，內部電路會封鎖驅動信號并向外送出故障信號，以便外部的控制器及時處理現場，避免器件受到進一步損壞。因此，在本次設

9、計中采用芯片BTN7971。3.5、驅動電路的方案選擇方案一、采用光耦驅動方案二、采用74HC244芯片驅動方案論證：驅動電路需要實現電平轉換，也要防止驅動芯片上大電流的倒灌進入單片機的引腳，而光耦的作用有可用于電氣上的隔離，也可用于電壓電平轉換。因此，驅動電路采用光耦。光耦隔離也是一種簡單、低成本的方法。由于采用STM32普通I/O口輸出PWM波，理論上可以直接用STM32普通I/O口直接與BTN7971相連，但是驅動電路需要實現電平轉換，也要防止驅動芯片上大電流燒壞單片機，所以可以加個74HC244芯片隔離一下。因此，在本次設計中，方案一和方案二均滿足要求，最終采用方案一進行設計四、總體電

10、路設計 直流電機輔助電源直流電源STM32控制電路基于BTN7971的主電路過電壓、電流檢測電路5V電源供電PWM輸出ADC采樣光耦本次設計的總體框圖如上圖所示。電源部分由直流電源端輸入15V或者更高電壓的直流電，然后經輔助電源降壓成5V之后，用來供給STM32控制電路（該控制電路自帶一塊LM1117-3.3的線性穩(wěn)壓芯片，可以將5V電源降成3.3V供給STM32使用）；除此之外，直流電源還直接將電源供給主電路，用于驅動電機運轉?？刂齐娐吩诒敬卧O計中具有兩個作用：第一、產生PWM信號，來控制BTN7971芯片；第二、最為過電流、電壓檢測的ADC采樣功能，從而計算出電流和電壓值，進行過電流、過電

11、壓的保護 。五、功能電路設計 5.1、輔助電源的設計輔助電源芯片采用LM2596-5開關電源芯片。電路原理圖如下圖5-1所示：圖5.1-1 輔助電源原理圖5.2、驅動電路的設計驅動電路芯片采用光耦POD817。電路原理圖如下圖5-3所示：圖5.2-2 驅動電路原理圖查閱POD817光耦資料可知，開關速度需要滿足一定的條件，因為輸入端PWM波的頻率為25KHz，因此該光耦速度必須滿足要求。5.3、控制電路的設計本次設計的控制電路采用STM32f103系列的單片機，其最小系統(tǒng)電路圖如下圖所示：圖5.3-1 STM32f103最小系統(tǒng)本次設計中利用STM32的定時器輸出兩路互補的PWM波，其頻率為2

12、5KHz，占空比可根據實際情況進行調節(jié)，實現正反轉的控制功能。除此之外，利用STM32內部自帶的12位ADC可以采樣電流反饋信號，和輸入電壓，實現過電流和過電壓的監(jiān)測。在此給出STM32定時器的配置程序，其源代碼如下：void PWM_Init(void)GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure2;TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;TIM_BDTRInitTypeDef TIM_BDTRInitStructure;RCC_APB2P

13、eriphClockCmd(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_InitStructure

14、2.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_Tim

15、eBaseStructure.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_OCInitSt

16、ructure.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(TI

17、M1,&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_Disabl

18、e; 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

19、_CtrlPWMOutputs(TIM1, ENABLE); 5.4、檢測電路的設計本次檢測電路分為過電壓檢測和過電流檢測，過電流檢測利用主電路中BTN7971芯片的電流反饋引腳引出，下拉一個阻值為的電阻，ADC采樣引腳處的電壓值，以電壓除以電阻值就可以得到電流的反饋值，就可以計算出實際的輸出電流。 電壓檢測的原理圖如下圖所示：圖5.4-1 電壓檢測原理圖圖5.4-1 輸入電壓檢測此次設計的電壓檢測經過兩個電阻分壓，利用ADC采樣兩電阻之間的電壓值，就可以計算出輸入電壓的電壓值，隨后通過控制PWM占空比，就可以改變輸出電壓的平均值，防止過電壓。5.5、主電路的設計主電路的電路原理圖如下圖5.5

20、-1所示查閱BTN7971的芯片手冊，可知官方給出了典型運用說明，如下圖5.5-2所示： 參考典型運用，在管腳2-IN處連接電阻阻值大小為10K，管腳3-INH處連接電阻阻值大小為10K，管腳5-SR處連接電阻阻值大小為0.51K，管腳6-IS處連接電阻阻值大小為0.47K。并且在SR引腳上增加ADC采樣，作為過電流檢測和保護。圖5.5-1 主電路原理圖圖5.5-2 典型應用圖六、電路制作與焊接 本次設計完成了驅動電路和主電路的PCB繪制，其具體的PCB圖如下圖所示圖6-1 PCB頂層圖 圖6-2 PCB底層圖如上圖所示其中P3為電源接口，從此處引入直流電源，P1為輸出接口，接直流電機兩端，P

21、2為PWM輸入和電流檢測信號的輸出，此處連接STM32單片機相應的I/O口，以輸入PWM波控制信號，并且引出ADC采樣點，將電壓信號送至單片機。七、調試與總結 7.1、 實際調試7.1.1、調試過程在實際的調試過程中，我們遭遇了很多問題，首先，由于學得不夠深入，對于很多知識的了解很不深入，甚至一直以來知道的內容還有錯誤，比如對于光耦的作用的認知等等。在實際課設開始之前，我們就已經開始了相關的工作，在課設正式開始的前一天，我們各自通過網絡、圖書館等方式查閱了大量的資料，并且查閱了前人在這方的研究。當課設實際開始之后，我們針對選定的課題進行了初步的討論，并且進行了相應的分工，并且確定了大致的設計方

22、案。隨后，我們根據我們的分工和手頭現有的資料進行了深入的研究。在本次設計中，我負責設計過電流、過電壓的檢測，以及STM32控制電路的設計及其程序的編寫。首先，由于分工的原因，BTN7971并不在我的分工范圍內，所以我并不了解其電流反饋，所以根據自己之前查找的資料，初步選定了用AD8418作為過電流檢測，并且采用LM393電壓比較器，作為過電壓的檢測。當確定方案之后，便是根據數據手冊提供的參考電路，利用Altium Designer完成了電路的繪制。第二天，我們小組成員完成各自的設計內容也如期的完成了，我們得到了一個大致的設計方案，并且和老師進行了探討。結果令我們非常的失望，由于學藝不精，我們在

23、設計中犯了很多錯誤。經過老師的指點之后，我們開始修正各自的設計方案，由于BTN7971具有電流反饋的輸出引腳，因此，就不需要使用AD8418來進行過電流檢測，大大簡化了電路設計，并且由于根據驅動電路的原理，不需要檢測過電壓，只需要利用ADC去采樣輸入電壓，再去調控占空比即可，也就省去了電壓比較器，再度簡化了電路的設計。由于我設計的過電壓、過電流檢測電路相對來說比較簡單，因此，在完成這一項工作之后，因為之前接觸過STM32的編程，也研究過電路圖，且直接利用現成的STM32最小系統(tǒng)板，控制電路的設計就很快完成。于是，我就開始了程序的編寫，而組內其他成員則繼續(xù)優(yōu)化改進他們的設計。因為之前有過類似的經

24、歷，所以編程的難度也不是很大，并且，因為BTN7971自己帶有死區(qū)時間，所以在設計PWM輸出的程序時，不需要留出死區(qū)時間。經過調試之后就實現了兩路互補的PWM輸出，并經示波器查看，正確無誤。第三天也就是最終驗收的前一天，時間已經比較緊張了，我開始了繪制驅動電路的PCB的工作，而其他成員則將之前的內容開始匯總，并最終成為一個完整的設計。隨后，我們又和老師進行了交流討論，進一步改進設計中存在的缺陷。然后，在這一天即將結束的時候，我們首次進行了實物的調試。因為之前在學校創(chuàng)新學院參與過相關的競賽，因此直接就使用了當時的硬件電路，進行測試，由于這個電路雖然和我們的設計大致一樣，但是仍然存在一些細節(jié)上的差

25、異，比如一些特定的電阻阻值等細節(jié)性的參數。因此在實際測試時，大致實現了設計的內容，但是出現了死區(qū)時間過長的問題，需要進一步改進。最后，終于到了驗收的那一天，經過對于組織的修正，我最終得到了比較完美的波形，并通過了驗收。7.1.2、輸出波形及說明圖7.1.1-1 STM32輸出波形上圖為首次測試時從STM32的I/O輸出的兩路互補的PWM波形，其頻率約為25KHz，占空比約為50%。圖7.1.1-2 驅動電路輸出波形1上圖為首次測試時從驅動電路的輸出波形，從上圖可以看出，已經輸出可正常的驅動波形，但是很想然由于電阻阻值選取不當，死區(qū)時間過長，影響了整體的效率。圖7.1.1-3 驅動電路輸出波形2上圖為第二次測試時驅動電路兩端的輸出波形，本次測試時，我們改小了死區(qū)時間控制電阻的大小，將原來的10K的電阻減小為3.3K，可以明顯地看出死區(qū)時間減小，提高直流電機的工作效率，并且將PWM的占空比改為小于50%，使電機工作在正轉狀態(tài)。圖7.1.1-4 驅動電路輸出波形3如上圖所示波形為PWM占空比大于50的情況，電機工作在反轉狀態(tài)。7.1.3、實