【課設】直流電機調(diào)速

1、電子技術綜合訓練設計報告題目： 小功率直流電機控制器設計與制作 姓名： 溫少祥 學號： 09230418 班級： 電氣四班 同組成員： 張勵珩、劉煒 指導教師： 日期： 摘要直流電機在對調(diào)速和啟動要求較高的場合應用廣泛，并且具有交流電機不具有的特性，如啟動轉矩大、調(diào)速方法多、調(diào)速性能好。但是，傳統(tǒng)直流電機串電阻調(diào)速方法，即不能實現(xiàn)無級調(diào)速，又造成部分電能浪費等不足。本設計便是基于以上調(diào)速的缺點，利用NE555時基電路構成一個占空比可調(diào)的多諧振蕩器，產(chǎn)生PWM波，通過電位器調(diào)節(jié)占空比，以此達到無級調(diào)節(jié)電機轉速的目的，以及實現(xiàn)節(jié)能減排的目標。本電路設計的電路圖由multisim畫制，各單元電路由m

2、ultism 11仿真通過，并且各項指標符合預期設計的要求。目錄1 設計任務和要求1 1.1設計任務1 1.2設計要求12 系統(tǒng)設計1 2.1系統(tǒng)要求1 2.2方案設計2 2.3系統(tǒng)工作原理23 單元電路設計3 3.1 電源模塊設計3 3.1.1電路結構及工作原理3 3.1.2電路仿真33.1.3元器件的選擇及參數(shù)確定3 3.2 pwm波形產(chǎn)生模塊設計 4 3.2.1電路結構及工作原理 4 3.2.2電路仿真 53.2.3元器件的選擇及參數(shù)確定6 3.3 H橋換向模塊6 3.3.1電路結構及工作原理6 3.3.2電路仿真7 3.4測速模塊7 3.4.1電路結構及工作原理8 3.4.2電路仿真9

3、4 系統(tǒng)仿真95 電路安裝、調(diào)試與測試10 5.1電路安裝10 5.2電路調(diào)試10 5.3系統(tǒng)功能及性能測試11 5.3.1測試方法設計115.3.2測試結果及分析126 結論127 參考文獻128 心得體會 139 附錄 14一、 設計任務和要求1.1 設計任務設計并制作一個小型直流電機控制器。在過程中學習課程設計的一般方法，會利用所學基本知識設計制作電路模板，掌握焊接、調(diào)試、檢查實物電路的方法；進一步了解芯片7805、NE555結構與原理，以及其基本應用電路。1.2 設計要求利用7805制作一個紋波較小的直流穩(wěn)壓電源；利用ne555產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM波；實現(xiàn)電機正反轉；占空比連續(xù)可調(diào)，

4、并盡可能擴大調(diào)節(jié)范圍；能夠測量并顯示電機的轉速；二、系統(tǒng)設計2.1系統(tǒng)要求 通過對設計任務和設計要求的分析可知，最終設計的系統(tǒng)應該有以下要求：可以通過pwm方式對電機進行調(diào)速、可以通過H橋的設計實現(xiàn)電機換向、有轉速測試顯示功能。2.2 方案設計 通過組內(nèi)討論，我們最終將系統(tǒng)分塊成以下幾個模塊：電源模塊、pwm波產(chǎn)生模塊、換向模塊和測速模塊。系統(tǒng)框圖如下：2.3系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)直接從電網(wǎng)取220V 50Hz工頻電，首先經(jīng)過電源模塊將其轉換為可供系統(tǒng)工作的5V直流電。之后pwm波形產(chǎn)生模塊通過內(nèi)部電路將5V直流電轉化為一個占空比可調(diào)的pwm波向電機供電，并完成電機的調(diào)速功能。裝在電機兩端的H橋換向

5、模塊通過一開關控制pwm波的正負，從而起到對電機正反轉的控制。之后的測速模塊可通過傳感器捕獲電機轉速并將之顯示在顯示屏上。三、單元電路的設計3.1 電源模塊設計3.1.1 電路結構及工作原理如圖3.1首先通過變壓器把生活用電交流220V降為交流20V，其次經(jīng)由四個5711構成的橋式整流電路變?yōu)榉底兓绷麟姡俳?jīng)電容濾波變?yōu)榉底兓^小的直流電，又利用直流穩(wěn)壓器7805使輸出為穩(wěn)定的+5V，最后經(jīng)電容濾波，輸出紋波較小的+5V直流電壓源。圖3.1.13.1.2電路仿真 在multisim中接入萬用表測量右側輸出電壓，結果如圖3.2所示。圖3.1.23.1.3 元器件的選擇和參數(shù)測定如設計圖所示

6、電路，其中整流部分采用了由四個二極管組成的橋式整流電路。濾波電容采用一個100uF和一個0.33uF的電容器。穩(wěn)壓部分采用集成式穩(wěn)壓器7805。為了抵消線路的電感效應防止產(chǎn)生自激振蕩，加入了接入電容c3、c4。3.2 pwm波形產(chǎn)生模塊設計 3.2.1電路結構及工作原理 如圖所示電路形式，電路利用D1,D2單向?qū)щ娞匦詫㈦娙萜鰿充，放電回路分開，再加上電位器調(diào)節(jié)，變構成了占空比可調(diào)的多諧振蕩器。圖中，Vcc通過RA，D1向電容充電，充電的時間為：電容器C通過D2，RB及555中的BJT放電，放電時間為：因而，振蕩頻率為：可見，這種振蕩器輸出波形的占空比為：圖3.2.1 3.2.2電路仿真 在m

7、ultisim中接入Vcc，在555輸出端接入示波器測試。電位器調(diào)到10%時的輸出波形，此波形接近直流圖為電位器100%時輸出波形3.2.3元器件的選擇和參數(shù)測定555定時器由3個阻值為5k的電阻組成的分壓器、兩個電壓比較器C1和C2、基本RS觸發(fā)器、放電三極管TD和緩沖反相器G4組成。虛線邊沿標注的數(shù)字為管腳號。其中，1腳為接地端；2腳為低電平觸發(fā)端，由此輸入低電平觸發(fā)脈沖；6腳為高電平觸發(fā)端，由此輸入高電平觸發(fā)脈沖；4腳為復位端，輸入負脈沖（或使其電壓低于0.7V）可使555定時器直接復位；5腳為電壓控制端，在此端外加電壓可以改變比較器的參考電壓，不用時，經(jīng)0.01uF的電容接地，以防止引

8、入干擾；7腳為放電端，555定時器輸出低電平時，放電晶體管TD導通，外接電容元件通過TD放電；3腳為輸出端，輸出高電壓約低于電源電壓1V3V，輸出電流可達200mA，因此可直接驅(qū)動繼電器、發(fā)光二極管、指示燈等；8腳為電源端，可在5V18V范圍內(nèi)使用。555工作過程如下：5腳經(jīng)0.01uF電容接地，比較器C1和C2的比較電壓為：UR1=2/3VCC、UR2=1/3VCC。當VI12/3VCC，VI21/3VCC時，比較器C1輸出低電平，比較器C2輸出高電平，基本RS觸發(fā)器置0，G3輸出高電平，放電三極管TD導通，定時器輸出低電平。當VI12/3VCC，VI21/3VCC時，比較器C1輸出高電平，

9、比較器C2輸出高電平，基本RS觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變，555定時器輸出狀態(tài)保持不來。當VI12/3VCC，VI21/3VCC時，比較器C1輸出低電平，比較器C2輸出低電平，基本RS觸發(fā)器兩端都被置1，G3輸出低電平，放電三極管TD截止，定時器輸出高電平。當VI12/3VCC，VI21/3VCC時，比較器C1輸出高電平，比較器C2輸出低電平，基本RS觸發(fā)器置1，G3輸出低電平，放電三極管TD截止，定時器輸出高電平。3.3 H橋換向模塊3.3.1 電路結構及工作原理如下圖所示，74ls157作為一個模擬開關來使用。將555產(chǎn)生的pwm波信號輸入2腳和6腳，此時當控制端1腳輸入高電平時4腳輸出pwm波

10、、當控制端輸入為低電平時7腳輸出pwm波。而控制端的高低電平通過一個開關和JK觸發(fā)器7472N來實現(xiàn)。當開關輸入一個低電平時，觸發(fā)器改變其狀態(tài)由原低電平變?yōu)楦唠娖?，同理此時再按一下開關觸發(fā)器將變?yōu)榈碗娖?。右圖為一個電機驅(qū)動H橋，由四個二極管、兩個NPN三極管和兩個PNP三極管構成。當PWM波由1端輸入時，三極管Q1、Q5導通，電機兩端為正向PWM波，此時電機正轉。當PWM波由3端輸入時，三極管Q2、Q6導通，電機兩端為反向的PWM波，此時電機反轉。則系統(tǒng)總體功能為，按一下開關電機將反向轉動。圖3.3.13.3.2系統(tǒng)仿真在multisim11中進行仿真，以下為各個占空比時換向波形：圖3.3.2

11、3.4測速模塊 3.4.1電路結構及工作原理圖3.4.1此電路功能為按一下開關數(shù)碼管開始計數(shù)一秒鐘內(nèi)光電傳感器（圖中用信號源代替）傳人的高電平個數(shù)并鎖存。也就相當于測出了電機一秒鐘內(nèi)的轉速。用三個74ls161串聯(lián)組成3位10進制計數(shù)器，在輸出端接入三個7段顯示譯碼管讀數(shù)。下面用一個555構成一個單穩(wěn)態(tài)定時電路，按下開關后將產(chǎn)生一個1S的高電平。將這個高電平接入161的計數(shù)使能端，則按下開關后由三個161組成的顯示電路將會記錄1S內(nèi)輸入的高電平個數(shù)。將開關的另一邊接入161的清零端，則開關按下的時刻會將161之前的計數(shù)清零。這樣電路便可完成上述功能。3.4.2電路仿真在multisim中進行仿

12、真： 圖3.4.2四、系統(tǒng)仿真系統(tǒng)整體仿真圖如下圖4.1電機兩端pwm波形圖4.2.1下圖為計數(shù)電路鎖存時數(shù)碼管顯示圖4.2.2五、電路安裝測試與調(diào)試5.1電路安裝電路的安裝由學校統(tǒng)一提供萬用板、電烙鐵、導線等物品，電路元器件由我們按照設計要求和內(nèi)容自行采購。之后用焊錫將元器件按照電路仿真圖焊接在萬用板上。焊接之前先在萬用版上大致規(guī)劃一下各個部分在萬用版上所占的大小，并且按照電氣規(guī)則進行規(guī)劃。之后通過學習焊接技術按照規(guī)劃草圖將各個原件焊接在萬用版上。圖5.15.2電路調(diào)試進行電路板焊接時，先分塊焊接，之后對各個部分進行調(diào)試。然后將各部分整體連接，之后對整體進行調(diào)試。5.3系統(tǒng)功能及性能測試 5

13、.3.1測試方法設計 將系統(tǒng)整體接好之后，將調(diào)速電位器調(diào)到最大既占空比最大狀態(tài)?？措姍C是否能旋轉，如若不能則檢查之前整體電路是否有問題。若能旋轉，再調(diào)節(jié)電位器看隨著電位器的旋動電機轉速是否有變化。如有變化則證明調(diào)速模塊正常，若不正常檢查調(diào)速模塊以及H橋等連接是否有誤。若調(diào)速模塊正常，此時按下?lián)Q向開關，看電機是否反轉，若電機反轉表示整個電路都正常，可以完成任務要求的調(diào)速、換向功能。若電機不能反轉則檢查換向模塊和H橋電路。5.3.2測試結果及分析整體系統(tǒng)接電之后，將電位器調(diào)到最大占空比狀態(tài)。電機可以正常旋轉，調(diào)節(jié)電位器電機轉速可以根據(jù)電位器的調(diào)節(jié)而改變。按下?lián)Q向開關之后，電機有明顯的減速而后加速過

14、程，用萬用表測量其兩端電壓極性與之前相反，則說明電機已進行了換向。至此整個電路測試結束，可以完成題目所要求的pwm調(diào)速，換向功能。六、結論根據(jù)仿真和最終調(diào)試檢測，該PWM調(diào)速換向系統(tǒng)可為電機提供0.645V3.84V的連續(xù)可調(diào)電壓實現(xiàn)電機的調(diào)速功能。并可調(diào)節(jié)電機兩端的電壓正反向，以達到電機正反轉功能。至此，整個電路已經(jīng)能打到任務書所要求的基本功能。至于原本設想的電機測速模塊，由于時間緊迫未能如期安裝完成，希望能在之后的假期中抽時間將這部分電路安裝完成。七、參考文獻電子技術基礎（模擬部分）第四版，康華光編，高等教育出版社電子技術基礎（數(shù)字部分）第四版，康華光編，高等教育出版社模擬電子技術基礎艾永

15、樂等編，中國電力出版社 2008年8月電動機控制電路應用實例何希才、姜余祥編，中國電力出版社數(shù)字邏輯電路楊文霞、孫青林編，科學出版社八、總結體會通過這次的課程設計，使我對之前學習的各門功課有了更加深刻的認識，特別是數(shù)字電路部分的電路設計和時序電路設計以及電機學中直流無刷電機。在整個的設計過程中，我主要負責電路原理設計以及一部分電路板的焊接。從開始的在multisim中找不到元件，到現(xiàn)在的可以基本熟練的應用multism軟件來實現(xiàn)電路圖的仿真。我學到的東西是非常多的，當然在這個過程中也遇到了許多的問題，也走了許多的彎路，但在這個發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的過程中培養(yǎng)了我們用于面對乃至克服困難的能力。在設計初始，我們組內(nèi)就方案的選擇曾產(chǎn)生過一些分歧，但最終經(jīng)過多次的討論和仿真實驗，證明現(xiàn)在所用的方案是最簡最可靠的。在這里我要感謝我的另兩名組員，如果沒有他們的配合以及通力合作，到現(xiàn)在是否能成功的將這個做出來還不一定。這也在一定程度上鍛煉了我們的合作精神。最后，因為是初次制作萬用板，最后的焊接安裝成品比較難看。而且之前設想的測速功能