数电课程设计-直流电机的调速与测速的设计

电气工程与自动化学院电子技术课程设计报告PAGEPAGE2直流电机的调速与测速的设计摘要直流电机的调速的方法有很多种，这里用到的是改变输入电压的大小，来调节电机的转速。产生PWM脉冲信号时，用555构成的多谐振荡电路，调节电位器的阻值大小，由可以看出，PWM脉冲信号的占空比得到改变，从而改变平均电压的大小来控制电机的转速。在驱动电机的硬件上，选取了H桥作为驱动电路，从而可以实现对电机转向和转速的控制。在电机的测速电路中，分别用到了CD4029作为脉冲计数器和74LS47作为数码管的译码器；一个共阳极的数码管作为显示装置；光电码盘作为测量转速的脉冲信号源。在一定的时间内，测量电机转过圈数，从而可以计算出电机的转速。关键词：PWMH桥光电码盘转速目录第一章总体方案设计 31.1设计思路 31.2总体设计 3第二章硬件设计与连接 42.1电源模块 42.2NE555产生PWM波模块 42.3H桥驱动 62.4脉冲信号源产生模块 62.5计数器模块 72.6数码管显示模块 8第三章电路仿真及实物展示 9第四章设计优缺点分析 104.1优点： 104.2缺点： 11第五章心得体会 11第六章参考文献 12第一章总体方案设计1.1设计思路利用NE555构成的多谐振荡电路可以产生一个占空比可调的脉冲信号，利用产生的这个PWM波可以实现对电机的转速的控制，在产生脉冲引号的引脚上多加上一个LED灯，利用LED闪烁的快慢也可以间接地反映电机转动的快慢。直流电机的驱动选择了由电子开关组成的H桥 型PWM电路。H桥电路保证了简单的实现电机转速和方向的控制。电机测速时，利用光电码盘开关特性，产生一个脉冲信号，可以被CD4029计数，再次通过74LS47译码利用共阳极的数码管显示出当前电机转过的圈数，利用，计算出转速。1.2总体设计现阶段的任务是根据设计要求进行模块划分，提出方案，并进行比较分析，最终找到较优的方案。总体设计思想采取模块化的设计理念，分电源模块，NE555产生PWM波模块，H桥驱动模块，脉冲信号源产生模块，计数器模块，数码管显示模块这6模块。这样模块化的思想，便于查错，便于集成，便于外围扩展。图1.1总体流程图第二章硬件设计与连接2.1电源模块将220V的交流电通过变压器后降压为低压24V的交流电，之后整流桥，滤波电路，稳压电路三个过程之后，按照下图的电路图，即可得到正负直流电源。图2.1稳压电源的电路图2.2NE555产生PWM波模块利用NE555做成的多谐振荡电路可以产生一个占空比可调的PWM波；如下电路图所示；通过调节电位器的阻值大小，使PWM脉冲信号的占空比得到改变，从而改变平均电压的大小来控制电机的转速。可以根据以下两个公式计算PWM波的周期和占空比的大小。T为振荡周期，Q为占空比图2.2.1图2.2.2多谢振荡器的工作波形2.3H桥驱动下图所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠。H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管。基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。图2.3H桥驱动电路图2.4脉冲信号源产生模块此模块用到了光电码盘，用于测速的传感器。光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。图2.4光电码盘工作原理图2.5计数器模块CD4029使能控制端功能表输入控制端逻辑电平功能H二进制计数L十进制计数H加法计数L减法计数H预置数L禁止预置H禁止时钟在上升沿时计数L允许时钟在上升沿时计数由功能表可以得到：将电平拉高，，，电平拉低，即可使CD4029的功能选为十进制加数计数器，在脉冲上升沿时，开始计数。所接电路图如下图所示。2.6数码管显示模块74LS47为共阳极的译码器，配合共阳极的数码管使用，及可得到显示装置。注意在接线路时加上限流电阻，防止数码管中的LED被烧坏。第三章电路仿真及实物展示第四章设计优缺点分析4.1设计优点：1、电源集成了正负12V,正负5V稳压芯片，集成度高，充分利用了资源；2、各个功能充分的模块化了，各个引脚全都引出来了方便以后对模块进行扩展；3、各个模块有自己的功能，而且组合在一起实现了一个具体的应用。4.2设计缺点：1、稳压电源没有装上指示灯，不方便使用；2、NE555所产生的PWM的频率不够高，导致控制电机时速度不是特别平滑；3、电机上所安装的自己制作的码盘精度不够高，在转动的过程中，很容易产生干扰信号；4、电机的转速过高，而计数的数码管只有一个，导致数码管显示的的频率过快，从而看不出来计数的多少，应该多接几个可以进位的数码管，以显示转速。第五章心得体会这次设计成功，设计电路图过程比较快，焊接时由于电路比较复杂，走线，飞线比较多，第一次焊好之后出现问题，后来经过检查，发现问题，并及时解决，除校时电路去抖动功能有点缺陷外，最终电机调速和测速的功能基本完成。经过长达两个星期的设计与思考，最终在Proteus上完成了数字钟的模拟。其间遇到了许多问题，但最后都一一得到解决。现将心得体会总结如下：1. 设计初期要考虑周到，否则后期改进很困难。应该在初期就多思考几个方案，进行比较论证，选择最合适的方案动手设计。总体设计在整个设计过程中非常重要，应该花较多的时间在上面。2. 方案确定后，才开始设计。设计时，多使用已学的方法，如列真值表，化简逻辑表达式，要整体考虑，不可看一步，做一步。在整体设计都正确后，再寻求简化的方法。3. 在设计某些模块的时候无法把握住整体，这时可以先进行小部分功能的实现，在此基础上进行改进，虽然可能会多花一些时间，但这比空想要有效的多。4. 尽可能是电路连线有序，模块之间关系清楚，既利于自己修改，也利于与别人交流。如果电路乱的连自己都看不懂，那还如何改进和扩展。5. 很多难点的突破都来自于与同学的交流，交流使自己获得更多信息，开拓了思路，因此要重视与别人的交流。6. 应该有较好的理论基础，整个实验都是在理论的指导下完成了，设计过程中使用了许多理论课上学的内容，如真值表、卡拉图等。本次设计把理论应用到了实践中，同时通过设计，也加深了自己对理论知识的理解和掌握。第六章参考文献[1]电工电子实验中心，电子技术试验指导书及验收报告，2012年3月[2]清华大学教研组编，