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)

1.1、课题研究现状 (3)

1.2、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 (5)

3.1、控制电路的方案选择 (5)

3.2、辅助电源的方案选择 (5)

3.3、过电流检测电路的方案选择 (5)

3.4、主电路的方案选择 (6)

3.5、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 (8)

5.1、辅助电源的设计 (8)

5.2、驱动电路的设计 (8)

5.3、控制电路的设计 (9)

5.4、检测电路的设计 (11)

5.5、主电路的设计 (12)

六、电路制作与焊接 (14)

七、调试与总结 (15)

7.1、实际调试 (15)

7.1.1、调试过程 (15)

7.1.2、输出波形及说明 (16)

7.1.3、实物图 (18)

7.2 、总结与收获 (18)

八、参考文献 (20)

九、附录 (21)

9.1总体电路原理图 (21)

9.2、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

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：

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6-1 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7.1.1-1 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。

7.1.3、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，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。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.