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1、 - 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： 保密保密 学 号: 保密保密 学生姓名： 保密保密 指导教师： 保密保密 起迄日期： 2014.12.232014.12.25设计地点: 工程实践中心工程实践中心 4-207- 2 - 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
2、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.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- 3 - 直流电机的脉宽调速驱动电源的设计直流电机的脉宽调速驱动电源的设计一、引言一、引言 1.11.1、课题研究现状、课题研究现状直流电动机是最早出现的电动机
3、，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。1.21.2、课题背景
4、及研究意义、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。- 4 - 二、设计任务二、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
5、和主电路和调试。- 5 - 三、设计方案选择及论证三、设计方案选择及论证 3.13.1、控制电路的方案选择、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
6、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。3.23.2、辅助电源的方案选择、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。3.33.3、过电流检测电路的方案选择、过电流检测电
7、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。- 6 - 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
8、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。3.43.4、主电路的方案选择、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
9、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。3.53.5、驱动电路的方案选择、驱动电路的方案选择方案一、
10、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- 7 - 四、总体电路设计四、总体电路设
11、计 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 。直流电机辅助电源直流 电源STM32 控制电路基于 BTN7971 的主电路
12、过电压、电流检测 电路5V 电源供电PWM 输出ADC 采样光耦- 8 - 五、功能电路设计五、功能电路设计 5.15.1、辅助电源的设计、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：图 5.1-1 辅助电源原理图5.25.2、驱动电路的设计、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。- 9 - 5.35.3、控制电路的设计、控制电路的设计本
13、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：- 10 - void PWM_Init(void)GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure2;TIM_TimeBaseInitTyp
14、eDef 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_Spee
15、d_50MHz;GPIO_InitStructure2.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_Init(GPIOA,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,TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=2880-1; TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=
16、0; TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;TIM_TimeBaseStructure.TIM_RepetitionCounter=0; TIM_TimeBaseInit(TIM1, TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode=TIM_OCMode_PWM2; TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse=500; - 11 - TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity=TIM_O
