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