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本帖最后由 IFY 于 2020-8-13 09:59 编辑
图1 系统结构框图
二、理论分析与计算
1.电源升压理论分析与计算
图2 电源升压理论分析模型图
电源升压理论分析模型如图2所示。升压电路采用Boost变换器基本拓扑结构，同时加入软件反馈形成闭环控制。
C1、C2、C3、C4实现电源输入输出的滤波，降低电源纹波。R2防止充电时冲击电流对电路产生影响，阻值选择10Ω，阻值过大会影响变换效率。选用开关速度快的MOSFET场效应管，电感参数计算如下，占空比D计算：
（1）
电感值计算：
（2）
2.电流采样理论分析与计算
采样的电阻不易选取过大，一是因为电阻越大，在采样电阻上消耗的电流也就越大，降低了电源的效率，二是电阻越大，则采样电阻的功耗越高，温漂也相应增大；采样电阻同样不宜选取过小，因为电阻小则转换的电压就小，信号调理过程中的输入小，需要放大的倍数也比较大，对输入噪声和偏置的控制要求也就更加严格，增加系统的设计难度。
本次设计的采样电流最高约为3A，选取毫欧级别的电阻比较合适，这里选用10mΩ的精密电阻，采集转换到的电压范围为0~30mV，系统采样的是单片机内部ADC进行采样，其采集电压的范围为0~3.3V，此时计算得到需要的放大倍数约为100倍。
放大电路采用的是TI的精密仪表放大器INA128，通过调节Rg实现对放大倍数G的控制，其公式如下：
计算可得：Rg=511Ω，即可对信号放大100倍，而后通过低通滤波器将不在有用信号带宽内的信号滤除，即送至单片机内部ADC进行采样。
三、硬件电路设计
1.BOOST升压电路设计
由于本系统的电源为+12V，而电机需要+15V的动力电源，为了满足电源的需求，需要通过DC-DC升压电路产生+15V的电源。本设计选择Boost电路即可达到题目对电压、电流、效率、纹波的指标。12V电源输入模块后，经过C1、C2滤波后，通过Boost电路，然后再经过C3和C4滤波得到+15V的输出。其中场效应管的开断是通过单片机输出PWM来控制的，而单片机的输出驱动电流不能达到场效应管的要求，因此，本设计采用IR2110芯片设计了场效应管的驱动电路，驱动输出接入Boost电路中的LO和HO。
图3 Boost升压电路
2.辅助电源电路设计
辅助电源电路如图4所示。本次设计需要+5V和-5V的电源供给信号调理模块使用，另外需要3.3V的电源供单片机使用，其中产生+5V和-5V电源采用了TI的开关电源芯片TPS54340的降压电路解决方案和负电源产生方案。另外，单片机的3.3V电源是利用线性稳压器AMS1117-3.3V产生的。
图4 辅助产生负电源电路
3.电流采样电路设计
电流采样电路采用的是精密电阻采样的方案，电路如图5所示。精密电阻R1为10mΩ，采样后转换的电压约为30mV。因此，本次设计需要对该采样的电压进行放大，使用TI的仪表放大器INA128，设置放大100倍，即可得到3V左右的电压。由于电流采样的带宽为1kHz，因此需要对放大后的信号进行滤波，采用OP07运放，搭建Sallen-Key结构，截止频率为5kHz的二阶低通滤波器，可以实现在1kHz带宽内有效信号不会衰减，而噪声则可以得到充分的滤除。
图5 电流采样电路
4.电机驱动电路设计
电机控制电路采用的是H桥驱动，本次设计利用两个半桥电路组成一个H桥电路，半桥电路由驱动芯片IR2104和两个MOS管构成。其中，IR2104型半桥驱动芯片能够驱动高端和低端两个N沟道MOSFET，能提供较大的栅极驱动电流，并具有硬件死区、硬件防同臂导通等功用。图5为半桥电路的结构图。
图5 电机驱动半桥电路
四、软件程序设计
根据题目要求，采用STM32单片机作为主控，并测定电机电流及电机转速相关信息。主程序流程图如图6所示。
图6 主程序流程图
主程序流程图如图6所示。程序首先进行初始化配置，包括IO口初始化，电机初始化，PWM初始化，然后根据题目要求进行功能选择，当选择电机电流测试时，AD对采样电阻进行采样，然后转换成电流值，通过WiFi传输给电脑；当选择电机转速时，通过读取转子位置，获取给定位置，然后进入中断服务程序，对电机进行相关的条件，整个过程中对速度、距离进行测量，并将瞬时测量结果通过WiFi传输至PC。
图7 中断服务程序
本设计完成了一个电流反馈型直流电机控制系统、完成相应的测试装置。实现升压电路和辅助电源两个模块实现系统供电，设计了电机驱动电路、电流检测电和两种方式控制电机运动，并对系统电机电流和转速，相应检测数据实现显示和PC端的传输。
实现了题目要求的部分功能，符合题目要求指标。
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