课程设计（论文）-直流调速电动机课程设计.doc

(荆潇影 浙江杭州 310018中国计量学院信息工程学院) 摘要:本次课程设计主要在基于所学专业基础知识的前提上,充分结合本专业的光电子特色,利用所学的数模电知识,设计一直流电机的调速测速方案.实现直流电机的驱动以及正反转调速,再利用光电隔离器件以及bcd计数器实现直流电机测速模块电路.利用电机转动时带动纸片遮挡光耦,使其发光二极管发出的红外光被其中的光敏三极管所接收,通过bcd计数器最后将在单位时间内转动的转数给显示出来.一.电机调速模块.我们的设计思路是先产生占空比可调的方波(方法有多种,一是用555构成多谐振荡器.二可以利用单片机产生pwm方波)+4功率器件构成的h桥电路,用以驱动直流电机转动.当然还许多驱动方案,比如三极管-电阻作栅极驱动低压驱动电路的简易栅极驱动,还有可以直接用个mcu产生pwm外加一个mos管驱动也可以.1.1直流电机驱动电路的设计目标 在直流电机驱动电路的设计中，主要考虑一下几点：1功能：电机是单向还是双向转动？需不需要调速？对于单向的电机驱动，只要用一个大功率三极管或场效应管或继电器直接带动电机即可，当电机需要双向转动时，可以使用由4个功率元件组成的h桥电路或者使用一个双刀双掷的继电器。如果不需要调速，只要使用继电器即可；但如果需要调速，可以使用三极管，场效应管等开关元件实现pwm（脉冲宽度调制）调速。2. 性能：对于pwm调速的电机驱动电路，主要有以下性能指标。1）输出电流和电压范围，它决定着电路能驱动多大功率的电机。2）效率，高的效率不仅意味着节省电源，也会减少驱动电路的发热。要提高电路的效率，可以从保证功率器件的开关工作状态和防止共态导通（h桥或推挽电路可能出现的一个问题，即两个功率器件同时导通使电源短路）入手。3）对控制输入端的影响。功率电路对其输入端应有良好的信号隔离，防止有高电压大电流进入主控电路，这可以用高的输入阻抗或者光电耦合器实现隔离。4）对电源的影响。共态导通可以引起电源电压的瞬间下降造成高频电源污染；大的电流可能导致地线电位浮动。5）可靠性。电机驱动电路应该尽可能做到，无论加上何种控制信号，何种无源负载，电路都是安全的。考虑到以上的因素我们采用555多谐振荡器产生一占空比可调的方波+4功率器件构成的h桥来驱动直流电机.电路图如下:1.2、电机调速模块的电路图功能分析555通过可调电阻可以实现占空比可调的方波，即组成占空比可调的多谐振荡器。 多谐振荡器实现占空比可调的方波的功能分析：电源接通瞬间，电容c2上的初始电压为0，施密特触发器输出电压为u为高电平，与此同时由于集电极开路输出端（7脚）对地断开，电源通过r5、r7开始对电容c充电，电路进入暂稳态i状态。此后电路按下列四个阶段周而复始地循环，产生周期性的输出脉冲。（1） 暂稳态i阶段，vcc通过r5。r7向电容c充电，电容c的电压uc按指数上升，在uc高于2/3vcc之前，定时器暂时维持1的状态，输出为高电位。（2） 翻转i阶段，电容c继续充电，当uc高于2/3vcc后，定时器翻转为0的状态，输出为低电位。此时，集电极开路输出端（7脚）由对地断开变为导通。（3） 暂稳态ii阶段，电容c开始经历r7、r6对地（7脚）放电，uc按照指数下降，在uc低于1/3vcc之前，定时器依然维持0的状态。输出为低电位。（4） 翻转ii阶段，电容c继续放电，当uc低于1/3vcc后，定时器翻转为1状态，输出为高电位。此时，集电极开路输出端（7脚）由对地导通变为对地断开。此后，振荡器又回复到暂稳态i状态。（5） 可以通过调节r6的大小来调节定时器输出方波的占空比。（6）震荡周期的确定：根据uc(t)的波形图可以确定振荡周期，t=t1+t2 先求t1，t1对应充电，时间常数1=(ra+rb)c，初始值为uc(0)= vcc/3，无穷大值uc()=vcc，当t= t1时，uc(t1)=2 vcc/3，代入过渡过程公式，可得 t1=ln2(ra+rb)c0。7(ra+rb)c 求t2，t2对应放电，时间常数2=rbc，初始值为uc(0)=2 vcc/3，无穷大值uc() =0v，当t= t2时，uc(t2)= vcc/3，代入过渡过程公式，可得 t2=ln2rbc0。7rbc 振荡周期 t= t1+t20。693(ra+2rb)c uln2003芯片是16脚七路电机驱动芯片，这块芯片在这里可以看作是七非门芯片，作用是保证10脚和14脚的输出single1和single2的输出为一高一低。芯片中的二极管起到分流的作用。电路图的右部分的作用是通过调节电机的正转与反转来调节电机的转速，当single1为高 single2为低时，三极管q2,q3,q5导通，q1,q4,q6截止，电机1端通过q5接地，vcc通过q2直接押在电机2端，此时电机2端电位高于1端，电机反转；当single1为低single2为高时，电机正转。当某一时刻占空比大于50时，电机呈现正转加速或是反转减速状态；某一时刻占空比小于50时，电机呈现正转减速或是反转加速状态。电机就是通过矩形波占空比的不同来调节转速的，电机呈现出来的转速是平均速度。二.电机测速模块电路以及功能分析我们的设计思路是利用光电隔离器件以及bcd计数器实现直流电机测速模块电路.利用电机转动时带动纸片遮挡光耦,使其发光二极管发出的红外光被其中的光敏三极管所接收,通过bcd计数器最后将在单位时间内转动的转数给显示出来.电路图如下:1.3、电机测速模块整个电路以及其他功能分析1.3.1芯片功能分析cd40192: 可预置bcd加/减计数器(双时钟) nscti/j1j2j3j4是可以预设数字的输入，q1q2q3q4是加减计数的输出。c0是进位端接高位的up（加计数器）。bo是借位端图上不接，为空脚。enable是使能端。vss接地，vcc接电源。down是减计数器。cd4511 bcd锁存、7段译码,驱动器：/a、b、c、d分别接bcd加减计数器的输出端，锁存数字。再7段译码将其输出到数码管。cd40106 六施密特触发器： nscti /输入信号为a，输出信号为a反，对输入的脉冲进行整形并取反，使高位计数器的加计数能够计数。1.4、接受板子整个电路图功能分析 光电耦合器optoiso1，当其接受到光信号，led放光，三极管饱和导通，晶体管q1导通，因为电阻r3 为47k，大部分的电压分压在电阻上了，a为低电平。若没有接受到光的话，a为一高点平，这样在a端形成了一个负脉冲，再经过cd40106 六施密特触发器对脉冲进行整形并且取反，得到a的非为一正脉冲（指的是没有光的时候为低电平，有光信号的时候为高电平）。经过六施密特触发器的脉冲信号再接到cd40192的up端使bcd计数器件1为加计数器。又两个cd40192enable是使能端一起接在enable信号上。rest信号也相连一起通过按键s1接vcc高电平/通过r9 10k接地。这样只要按s1就可以实现rest重置清零。不按s1的就照常计数。enable使能信号的产生:是通过按键s1和555芯片以及相应的rc电路,实现一定时间的延时,也就是意味着一按s1,在定时t(由rc值确定)的时间内,计数器在计数,将光电耦合器接受到的恒定脉冲个人给计数,定时时间到的话就停止.这样的话可以将电机的速度给测出来.定时时间为0.5s1.0s.驱动cd40192工作,我们对照图2来分析这个定时器的功能。 当一上电的时候, 3 (out)脚输出一个高电平, 分析如下：（1） 电容c1的电压小于1/3ucc(ur2),电容c3的电压小于2/3ucc (ur1), 所以三极管截止,out输出为高平。 (属于第四种情况)（2） 我们注意到电容c1的时间常数比c3的时间常数要小的多, 所以c1的电压很快大于1/3ucc,而c3的电压仍然还小于2/3ucc, 所以三极管保持截止,out输出保持为高电平。 (属于第三种情况)（3） 随着电容c1,和c3的电压的不断升高, uth ur1, utr ur2, 三极管导通,out输出为低电平。 电容c3开始放电(属于第二种情况)（4） 如果不按下s2这个按键的话,电容c1的电压还是保持大于1/3ucc(ur2), 电容c3的电压还是保持小于2/3ucc (ur1) ,所以保持三极管导通不变。(属于第三种情况)（5） 从c3的不断充电,到c2放电的瞬间这部分时间,便达到了定时的目的。这里的时间常数为0。51s（6） 如果按下了s2这个按键,电容c1的电压开始变小,这时候将会从 第三种情况 到 第四种情况, 接下去又重复步骤(1)到步骤(5)的过程,再定一次测速所需要的时间。另外两个计数器cd40192部分j1j2j3j4是可以预设数字的输入，q1q2q3q4是加减计数的输出。低位计数器的c0是进位端接高位的up加计数器）。bo是借位端不接，为空脚。enable是使能端。vss接地，vcc接电源。down是减计数器。这样的话可以实现两位数字的十进制的加计数，当低位计数器cd40192计数到10自动向高位cd40192计数器计数。再通过cd4511锁存计数的数字，并译码输出到数码管。1.5、总的功能简单总结整个发射板可视为直流电机的正反转从而调制产生一点发射光的脉冲,而发射板在接受到调制光脉冲后,在一定的定时时间t内对脉冲个数进行计数,这样的话我们可以测得电机的转速.当然发射板也可以通过555定时器产生占空比可调的方波,从而来达到调电机转速.1.6调试经验以及遇到的问题总结本次设计包括焊接电路以及电路调试一共用了2天半的时间.(1)在电路焊接过程中要注意,按照模块一块块来焊接,比如我先焊好了555多谐震荡器这块,我先调试下看其能否产生占空比可调的方波,检查无错后继续下一部分焊接.这样的话可以保证电路能够即使的发现检查出错误.(2)遇到电路不能够工作的情况,先看一些主要器件是否在工作,三极管,光耦等是否在工作,测量下两端电压是否达到了其工作电压,另外看三极管是否被烧坏.如其没有工作就应该考虑下修改下外部电路参数匹配的问题,比如电阻匹配,电位匹配等问题.(3)在进行调试前,必须套深刻理解每一块器件的内部原理,比如我们在第一块板的过程中在调试过程中发现uln2003输出的两路驱动信号signal1和signal2并没有反相,仔细检查下发现uln2003实际上等同于7个集电极开路的三极管,这样输出时相当于电位不够高,那么需要我们加四个上拉的电阻,这样就解决了问题.(4)在第二块原理图中,在调试过程中发现根本不能够计数,发现有两处问题,一是555定时器产生的enable信号并没有控制cd1511的锁存,导致输出结果无法锁存,解决的方法是将555产生的定时器通过cd40106 取反再接到cd4511的锁存端ale.还有cd40192的计数器的down端被悬空,导致计数时误操作很厉害.因为端子悬空,有可能为高也有可能为低,在思考其芯片内