【武汉理工大学第十三届电子设计大赛】直流电机控制系统

简介:本系统以STM32F407单片机为控制核心,结合编码器 、电流检测模块、蜂鸣器报警模块以及电源模块,设计并实现了直流电机的速度与电流反馈控制系统。

开源协议: GPL 3.0

发布时间:2020-08-13 08:24:49
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描述

武汉理工大学第十三届电子设计大赛一等奖

队伍:折腾小队

成员:徐世康,张毓振,李丙银

指导老师:张家亮

参赛题目:直流电机控制系统

一、系统整体方案

主系统为电机控制系统,由STM32F407单片机、升压模块、辅助电源模块、电机驱动模块、电流检测模块、编码器六部分组成。电机的转动角位移和电枢电流通过编码器和电流检测模块发送给单片机,之后单片机执行PID控制运算,输出PWM信号给电机驱动模块,电机驱动模块控制电机输入端电压进而控制电机转动。

辅助测量系统主要由STM32F407单片机、OLED模块、HC-05蓝牙模块、编码器等组成,主要完成速度与距离的测量显示功能。

系统的结构框图如图1所示:

系统整体框图.png

图1 系统总体框架图

二、硬件电路

1.电机驱动设计

电机驱动电路额定输入电压6-28V,同时板载共660uF的电源滤波电解电容,同时使用的BTN7971B驱动芯片,在85摄氏度以下的峰值电流为90A,脉宽10ms,可以满足实验使用的775电机较大启动电流的需求。

2.辅助电源设计

辅助电源使用LM317芯片,它具有调压范围宽、稳压性能好、噪声低、纹波抑制比高等优点,由于主要为单片机供电因此设定输出电压为5V,考虑到部分电路如编码器,电流检测模块存在非5V供电情况,采取可调电阻的方式进行调节。可以较为稳定的输出5V的电压,同时经过调试检验可以在1.5-5.5V之间稳定变化,满足系统各传感器的供电需求。

3.DC-DC升压回路设计

将平稳的直流电压12V接入boost 升压斩波电路中去,当控制信号为高电平时,开关管Q1导通,直流电源给电感提供电流,能量储存于电感L中。当控制信号为低电平时,开关管Q1截止,Q2导通,此时存储在电感中的能量经Q2对电容C充电,同时提供给负载。因此通过调节PWM占空比改变开关管打开与关断时间,从而调节输出电压至15V。

三、软件程序设计

电机控制系统采用STM32F407作为本系统主控芯片,主要完成模式选择,电流信号与转速信号处理,PID控制,辅助测量系统采用STM32F407作为主控芯片,主要完成速度与距离的测量与显示,并将瞬时测量结果通过HC-05蓝牙模块传输至PC机进行核对。 在实际监测电机电流时,电流采样值常混有干扰噪声,如功率管的导通和截止过程的电流突变会产生谐波干扰和尖峰干扰等。为了精确的测量电流值,必须进行滤波处理以减弱或消除干扰。而对周期性的工频或高频干扰,可通过在电路中加入 RC 低通滤波器硬件来加以抑制。对于低频周期性干扰和随机性干扰,必须采用数字滤波解决。拟采用滑动平均滤波法对 A/D 采样值进行滤波,可有效地抑制周期性干扰,提高电流采样值的平滑性。

软件程序设计.png

设计图

LM317辅助电源PCB

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LM317辅助电源

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LM5122模块PCB

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ACS712模块原理图

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BTN7971B模块原理图

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BTN7971B模块PCB

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LM5122模块原理图

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ACS712模块原理图

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ID Name Designator Footprint Quantity
1 4.7K RN1,RN2 RES-ARRAY-SMD_0603-8P-L3.2-W1.6-BL 2
2 Header-Female-2.54_1x2 P3,P2,P1 CONN-TH_WJ126V-5.0-2P 3
3 100K R2 POTL15 1
4 BTN7971BAUMA1 U4,U3,U2,U1 TO-263-7 4
5 100k R1,R4 R0603 2
6 68.1k R2 R0603 1
7 6.2k R3 R0603 1
8 18k R5 R0603 1
9 36.5k R6 R0603 1
10 8.06k R7 R0603 1
11 3.3R R8 R0603 1
12 49.9k R9 R0603 1
13 100R R10,R11 R0603 2
14 8.2R R13 R0402 1
15 10k R14 R0402 1
16 5.6k R16 R0402 1
17 4p P2 HDR-4X1/2.54 1
18 Header-Female-2.54_1x10 J1 HDR-TH_10PIN-V-FEMALE-PITCH2.54 1
19 10uf C5 C0603 1
20 LM5122MHX/NOPB U1 HTSSOP-20_L6.5-W4.4-P0.65-LS6.4-BL-EP 1
21 LTS25NP U1 LTS25NP 1
22 4.7uf C2 C0603 1
23 0.47uf C3,C7 C0402 2
24 330pf C4 C0402 1
25 22nf C5 C0402 1
26 100pf C8,C9 C0402 2
27 470pf C12 C0402 1
28 ORH-G36G LED1 LED0603-R-RD 1
29 10K R15 RES-ADJ-TH_3296W 1
30 KF7.62-2P P1,P2,P1 KF7.62-P2 3
31 100K R5 0805 1
32 10K R1,R4 R0805 2
33 20K R3,R6 R0805 2
34 LM317_C22147 U1 TO-220-3_L10.0-W4.5-P2.54-L 1
35 35V/220UF C15,C14,C13,C12,C11,C10 CAP-SMD_BD8.0-L8.3-W8.3-FD 6
36 TLC2274ACD U4 SOIC-14_L8.7-W3.9-P1.27-LS6.0-BL 1
37 330uF C13,C14 CAP-SMD_BD10.0-L10.3-W10.3-FD 2
38 B5819W D1 SOD-123FL_L2.7-W1.8-LS3.8-RD 1
39 IN4007 D2 FM4007 1
40 204-10SURD/S530-A3 LED1 LED0805-R-RD 1
41 100NF C16,C19,C18,C9,C4,C3,C2,C1 C0603 8
42 4.7UF/50V C8,C7,C6,C5 C1206 4
43 10uF C1,C2,C5 0805 3
44 10uF C11,C10,C15,C16,C17,C18 C1206 6
45 100uF C4 直插电容 1
46 SN74LV125APWR U6,U5 TSSOP-14_L5.0-W4.4-P0.65-LS6.4-BL 2
47 0.005 R12 R1206 1
48 IRFR1018 Q1,Q2 TO-252-2_L6.6-W6.1-P4.57-LS9.9-BR-CW 2
49 10k R13 R0603 1
50 510R R12,R10,R8,R6,R4,R3,R2,R1 R0603 8
51 1k R11,R9,R7,R5 R0603 4
52 104 C1 电容 1
53 MC78L05ACDX U8 SOIC-8_L5.0-W4.0-P1.27-LS6.0-BL 1
54 0.01uF/50V C3,C4 0805 2
55 1nF C6 0805 1
56 FPC05010P03LX00 FPC1 FPC-SMD_P0.50-10P_FGS 1
57 可调电阻3296 R1 RES-ADJ_3296W 1
58 220uF C3 直插电容 1
59 10uH L1 IND-SMD_L13.8-W12.6_MHCC12050 1
60 220 R2 0603 1
61 KF127-5.08-2P J1,J2 CONN-TH_P5.08_KF127-5.08-2P 2
62 0.1uf C6,C13 0603 2
63 0.1uf C1,C6 C0402 2

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