直流电机测速解析

1、北京工业大学课程设计报告（数电课设题目）直流电机测速班级：130242学号：13024212姓名：王栩晖组号：192015一.设计技术指标及设计要求（一）设计任务设计一个能对直流电机运行速度进行调速和测速的电路。（二）基本要求设计一个脉宽调速电路，实现对直流电机转速的控制。利用光电脉冲转换、整形、门控电路和计数电路测出直流电机的转速，并显示在数码管上。要求转速300转/分以下，越低越好。（三）扩展要求在完成基本要求的基础上加光耦脉冲计数和相位判别电路，进而识别电机的转向，并由LED显示转向的正反。三.设计框架0控制转向 电路四.设计方案选择及方案比较总体设计思路由555组成的方波发生器提供驱动

2、电机的方波，再经由脉宽调整电路改变脉冲的宽度，从而改变直流电机的转速。驱动电路由达林顿三极管及开关组成，达林顿三极管放大电流以驱动电机。开关选择双刀双掷开关，使得电路桥式导通，以达到改变电机转向的目的。光电脉冲转换电路有光耦组成，用来计数电机转速，输出的信号通过脉冲整形后输入计数器电路。计数器电路分为60秒计时器和转速计数器两部分，后面会详细介绍。各方案比较经查询资料，实验指导上提示的单稳触发器CD14538双比较器LM393,整流二极管及5V稳压二极管都不需要使用，所以实验方案以上述方案为准。五系统选用的元器件NE555*2达林顿三极管TIP122槽型光耦微型直流电机74LS0074LS16

3、1双刀双掷开关电阻，导线，电容主要芯片说明1)NE555定时器是一种多用途的数字模拟混合集成电路，利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。组成的施密特触发器可用于脉冲的整形，单稳态触发器可用于调整脉冲的宽度，多谐振荡器可用于提供方波信号。因而NE555广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。其工作原理如下：本RS触发器，一个放电开关T,比较器的参考电压由三只5KQ的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器A1同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为2/3Vcc和1/3VccoA1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号输入并超过2/3Vcc时，触

4、发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3Vcc时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。Rd是复位端，当其为0时，555输出低电平。平时该端开路或接VCCVc是控制电压端（5脚），平时输出2/3Vcc作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01uf的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路构成单稳态触发器如右图 为由555定时 器和外接定 时元

5、件R、CCViO.Oluf2CK13D627555OUTVoDcCvGNDO.OlufCq构成的单稳态触发器。D为钳位二极管，稳态时555电路输入端处于电源电平，内部放电开关管T导通，输出端Vo输出低电平，当有一个外部负脉冲触发信号加到Vi端。并使2端电位瞬时低于1/3VCC，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个稳态过程，电容C开始充电，Vc按指数规律增长。当Vc充电到2/3Vcc时，高电平比较器动作，比较器A1翻转，输出Vo从高电平返回低电平，放电开关管T重新导通，电容C上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳定，为下个触发脉冲的来到作好准备。波形图如下：暂稳态的持续时间TW（即为延

6、时时间）决定于外接元件R、C的大小，Tw=1.1RC。通过改变R、C的大小，可使延时时间在几个微秒和几十分钟之间变化。当这种单稳态电路作为计时器时，可直接驱动小型继电器，并可采用复位端接地的方法来终止暂态，重新计时。此外需用一个续流二极管与继电器线圈并接，以防继电器线圈反电势损坏内部功率管。构成多谐振荡器如图3-4,由555定时器和外接元件R、0、C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过Ri、R向C充电，以及C通过R向放电端De放电，使电路产生振荡。电容C在2/3Vcc和1/3Vcc之间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形

7、波，对应的波形如图3-5所示。图3-4555构成多谐振荡器图3-5多谐振荡器的波形图输出信号的时间参数是：T=twitw2twi=0.7(R+R2)Ctw2=0.7R2C其中，twi为Vc由1/3VCC上升到2/3Vcc所需的时间，tw2为电容C放电所需的时间。达林顿三极管tip122:C fti ' i i * t=i r-i i1 ,0I0-J Lr - 0JJ4曲 ；!Js 1TIP122 J；卜、>；wriJ；Q mm mmiai 1 ibi 9BCMI IE(4)光电耦合管 光电耦合管是一个光感应器，当光通路被阻断，则电流中断，所以它可以用来对电机转数进行监测，电机每转

8、一圈即阻断耦合管的光路一次，从而在光电耦合管的输出端送出一个个脉冲，提供计数器的脉冲输入。六.系统各部分电路说明各单元的工作原理及工作过程，公式推导，参数计算1.方波方生器NE555组成的多谐振荡器，用它产生的方波信号带动后面的电机转动，3脚为输出管脚。根据NE555组成的多谐振荡器的性质，由血的波形可以求得电容C的充电时间Ti和放电时间丁2各为Ti=(R+R2)CInVcc-VT-=(Ri+R2)CIn2,Vcc-VtI0-VTT2=R2CIn=R2CIn20-Vt_故电路的振荡周期为T=Ti+T2=(Ri+2R2)CIn2,荡频率为f=1J二、.T(R1+2R2)CIn2当f=100Hz时

9、，（Ri2R2）C=0.0144,可令C=1f,Ri=R2,则可求得R=R2=4.8k.VCC 5VC1sXR14.8kohmVCC RSTDISTHRR2TRI4.8kohmC2C1-1uF8 U1OUTCONGND干 0.01uF1 LM555CN歹 Osdlioscope-XSCl上也仿真的方波周期为9.981ms,即100.2Hz2 .脉宽调整电路其是由NE555组成的单稳态触发器，当信号从2脚进入后，通过调节滑动变阻器R3的阻值，可以改变脉冲的宽度，从而实现对直流电机转速的控制。根据由NE555组成的单稳态触发器的性质，输出脉冲的宽度tw等于暂稳态的持续时间，而暂稳态的持续时间取决于

10、外接电阻R和电容C的大小。tw等于电容电压在充电过程中从0上升到沁所需要的时间，因此得tw=RCInVcc -0Vcc -(2/3)Vcc=RCln 3=1.1RC占空比q=tw/T利用上式，根据电路中所需的脉宽计算出相应的电阻电容值。本实验中要对100Hz的脉冲进行脉宽调整，可令C3=lNf,则对应的电阻R3<6kc即可。在此试验中电阻R3为一个型号为103的电位器，可根据直流电机的转动情况来适当的增加或减少脉宽（即调节电位器R3的大小）。3 .驱动控制测向电路、转向电路此电路是用达林顿三极管驱动的，信号通过达林顿三极管，在集电极输出,电流被放大带动直流电机运转。利用双刀双掷开关来控制

11、电机的转向。如下为驱动控制电路:vcc5VM14 .光电脉冲转换电路-VCC5V在直流电机的转子上接一个小纸片，以实现每当电机转动一圈时，遮挡一次光耦的接收端，使得光耦输出产生高电平，加之未被遮挡时产生的负脉冲，整个电路的输出实现了电机转动一周光耦输出一次正脉冲，其余为负脉冲。通过计时电路计60秒，可以实现记录每分钟内产生正脉冲次数反映电机转速。光耦输出后需要进行脉冲整形，此处我们选择了非门整形。5.计数器电路(1)60秒计数器该模块电路共由两部分电路组成。计数器部分由两片74LS161及与非门组成。由于60秒计数器需要到60秒自动停止，所以需要锁存信号。锁存器由与非门及74LS20&

12、成，锁存信号60的十位6,即0110,所以高片的Q4、Q1需要接上与非门，之后再与Q2、Q3接入四输入与非门，实现当两计数器共同计到60秒时，产生一个低的信号给锁存器。1HZ时钟与锁存信号通过与非门供给计时器CLK通常锁存信号为1，与非门输出是1HZ时钟高低电平的反，计时器正常工作。但是当计时器到60时，锁存信号变为低，与非门输出变为恒定的高，相当于计时器的时钟被停止，计时器停止工作，实现到60秒，及时停止功能。计数器时钟接到数电实验箱上的1HZ脉冲信号上，以实现一秒一个信号，按秒计时。由于74LS161为十六进制的芯片，而我们需要十进制，所以每个数位上计到10，即1010时，Q2，Q4提供一

13、个信号经过与非门取反后送到1管脚，是芯片清零，同时给高位芯片2管脚一个信号，计数+1。-5VVCC一：5VCDHEX：乂即确：!-9ppAizB>OJ<-74LS161N(2)电机转速计数器由三片74LS161及74LS00组成，方法同上。输入由经过非门整形的光耦输出信号提供。T5LaUUNvecU1QDCDJdEXCC5VU11BMPZHT_LA_TLQAD>CLK-74LS161NUUB：g咚工必i-3J2KPHMTDCDHEXDCDHEXU129R8B-ET-E>-cia-LtXfcDYLftCLK74LS161NU15CmiZKT74LS161NU13A<

14、n7AiQnnki计数器部分总电路图L5161NU1874LQHU1白rnvCCJ-a事八.实验结果及实际连线图九.附录1.芯片管脚图及功能表(1)NE555引脚位图1-2NE555接脚图ne555的结构图Pin1（接地）-地线（或共同接地），通常被连接到电路共同接地。Pin2（触发点）-这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3VCC,下缘须低于1/3VCC。Pin3（输出）-当时间周期开始555的输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到。伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200mA。Pin4（重置）-一个低逻辑电位送至这个脚位

15、时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。Pin5（控制）-这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下，这输入能用来改变或调整输出频率。Pin6（重置锁定）-Pin6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3VCC电压以下移至2/3VCC以上时启动这个动作。Pin7（放电）-这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW,对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH,对地为高阻抗。Pin8（V+）-这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特（最小值）至+16伏特（最大值）。多谐振荡器电阻R1、R2和电容C1构成定时电路。定时电容C1上的电压UC作为高触发端TH（6脚）和低触发端TL（2脚）的外触发电压。放电端D（7脚）接在R1和R2之间。电压控制端K（5脚）不外接控制电压而接入高频干扰旁路电容C2（0.01uF）。直接复位端R（4脚）接高电平，使NE555处于非复位状态。多谐振荡器的放电时间常数分别为tPH«0.693X（R1+R2）XC1tPL=0