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1、电子技术综合训练设计报告题目：小功率直流电机控制器设计与制作 姓 名： 学 号： 班 级： 同组成员： 指导老师： 日 期： 摘要直流电机以其优良的性能应用于当代社会的各行各业中，而直流电机控制器的优劣直接影响了直流电机的使用。对于小功率直流电机控制器，应能实现对电机的正反转控制和无级调速控制。用H桥可实现电机的正、反转控制。通过对多谐振荡器的占空比调节产生PWM波形，用PWM方式实现对电机的无级调速控制。为方便使用，在控制器中增加了测速系统。利用光电转换装置将电机转速转换为脉冲电信号，用计数器对采集到的脉冲电信号进行计量，最后用寄存器对输出信号锁存并加译码器和数码管进行译码显示。整个设计利用
2、Multisim软件进行仿真测试，最后进行电路板的焊接与调试。关键词：直流电机控制器 H桥 PWM控制 转速检测目录1 设计任务和要求4 1.1 设计任务4 1.2 设计要求42 系统设计4 2.1 系统要求4 2.2 方案设计4 2.3 系统工作原理43 单元设计5 3.1 电源模块5 3.1.1 电路结构及工作原理5 3.1.2 电路仿真63.1.3 元器件的选择及参数确定6 3.2 PWM调速模块63.2.1 电路结构及工作原理63.2.2 电路仿真83.2.3 元器件的选择及参数确定93.3 H桥模块10 3.3.1电路结构及工作原理103.3.2电路仿真11 3.3.3元器件的选择及
3、参数确定123.4 光电转换模块123.4.1电路结构及工作原理123.3.2元器件的选择及参数确定133.5 测速模块133.5.1 总体电路结构及工作原理133.5.2 部分电路设计及仿真144 系统仿真214.1 控制器系统总图及仿真214.2 测速系统总图及仿真225 电路安装、调试与测试25 5.1 电路安装25 5.2 电路调试25 5.3 系统功能及性能测试255.3.1 测试方法设计255.3.2 测试结果及分析256 结论277总结、体会和建议288参考文献29 附录1 元件清单30 附录2 部分芯片引脚图31一、 设计任务和要求1.1 设计任务 设计并制作一个小功率直流电机
4、控制器，能够实现对小功率直流电机的控制，并能够对电机的转速进行测量和显示。1.2 设计要求对于小功率直流电机控制器，要求（1） 能够实现电机的正、反转控制；（2） 电机的转速能够通过PWM方式控制（3） 能够测量并显示电机的转速按以上要求设计电路，绘制电路图，对各个模块的电路用Multism进行仿真，最后对整个电路进行仿真，经仿真检验，设计满足要求后，利用万用板焊接元器件，制作电路，完成调试。并对每一部分的电路进行功能验证。28二、 系统设计2.1系统要求 要求系统能够使小功率直流电机实现正、反转控制和对直流电机的无级调速控制。并能对电机的转速进行准确测量和显示。整个系统由直流电源模块、PWM
5、调速模块、电机正反转模块和测速模块组成。2.2 方案设计直流电源模块可将220V 50HZ 交流电通过降压、整流、稳压后得到。PWM调速模块将NE555制作成多谐振荡器，通过改变占空比来进行调速。利用三极管构建H桥，控制电机的正、反转。对于测速模块，应用反射二极管和接收管先将转速这一物理量转换为脉冲形式的电信号，再应用计数器对采集到的脉冲数进行计量，最后进行译码显示。2.3系统工作原理系统方框图如图2.1电源模块PWM调速模块块光电转换模块H桥模块测速模块直流电机图2.1 系统方框图工作原理：如图2.1所示，对交流电源通过降压、整流、稳压之后，得到直流电源，将直流电源用作PWM调制模块的激励，
6、采用PWM调制原理，通过改变占空比，使PWM调制模块的输出电压平均值发生改变，将PWM模块的输出电压加在H桥上，这样可实现对电机的控制。再在电机轴上加装装盘，在转盘上打孔，利用转盘两侧的发射二极管和接受管实现对信号的采集，最后译码输出并显示。三、 单元电路设计3.1 电源模块3.1.1电路结构及工作原理直流电源电路原理图见图3.1图3.1 直流电源电路原理图如图3.1所示，为降压变压器，经变压器后电压降为12V交流电，后经单相桥式整流桥整流，变为直流电。其中电容用来防止整个电路产生自激振荡，用来减少高频信号的干扰，可减少输出电压的波纹和低频信号的干扰，用于滤波。LM7812CT为稳压部分，确保
7、输出电压为12V。3.1.2电路仿真 图3.1电路经Multism仿真后，仿正波形如图3.2所示图3.2 直流电源电路Multism仿真波形通过图3.2可见，电源最后的输出电压为12.540V,可见，电源模块电路设计满足要求。3.1.3 元器件的选择及参数确定 对于交流电源选择工频220V交流电，变压器选择单相变压器，其变比为。电容， ,且均为电解电容，,为普通电容。3.2 PWM调速模块3.2.1电路结构及工作原理PWM调速电路由NE555构成NE555内部结构原理图3.3 NE555引脚图NE555工作原理5脚经0.01uF电容接地，比较器C1和C2的比较电压为：UR1=2/3VCC、UR
8、2=1/3VCC。当VI12/3VCC，VI21/3VCC时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器置0，G3输出高电平，放电三极管TD导通，定时器输出低电平。当VI12/3VCC，VI21/3VCC时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器保持原状态不变，555定时器输出状态保持不来。当VI12/3VCC，VI21/3VCC时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器两端都被置1，G3输出低电平，放电三极管TD截止，定时器输出高电平。当VI12/3VCC，VI21/3VCC时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器
9、置1，G3输出低电平，放电三极管TD截止，定时器输出高电平。PWM调速电路原理图见图3.4图3.4PWM调速电路原理图如图3.4所示，PWM调速电路由555定时器接成多谐振荡器，通过改变占空比来改变输出电压的平均值，从而实现电机的调速控制。对于555定时器接成多谐振荡器，其占空比为 (1)（1）式中，为555定时器RST与DIS引脚间接入的总电阻值，为555定时器DIS与THR引脚间接入的总电阻值，显然要改变上述多谐振荡器的占空比，可以通过调节滑动变阻器的阻值来完成。另外，对于直流电机的调速，还可以用89C51单片机来实现，或者用AVR单片机实现直流电机的PWM调速控制，其优点是可对电机转速实
10、现精准控制，但因其成本较高，且要求有较高的单片机编程基础，所以本设计未采用。有关具体实现方法可阅读参考文献3。3.2.2电路仿真根据（1）式，改变滑动变阻器阻值，可改变输出多谐振荡器的占空比，相应的使输出电压平均值发生改变。图3.4为占空比较大时输出电压的Multism仿真波形，图3.5为占空比较大时输出电压的Multism仿真波形。图3.5 高占空比时输出电压的Multism仿真波形图3.6低占空比时输出电压的Multism仿真波形通过图3.5和图3.6验证，PWM调速模块满足设计要求，可通过改变滑动变阻器的阻值来改变输出电压的平均值。3.2.3 元器件的选择及参数的确定 为满足设计要求且使
11、设计成本最低，555定时器选择NE55，滑动变阻器选择最大值为20的。电阻阻值为两个10，电容容量为50和10。由（1）式计算得，该电路的占空比调节范围为0.560.8。3.3 H桥模块3.3.1电路结构及工作原理对于直流电机，要完成其正反转控制，可通过改变加在电机两端的电压的方向来实现，最简单的方法是通过开关去改变加在电机两端的电压的极性，即采用H桥，其电路如图3.7。在仿真时电机用电阻和电感元件代替，通过电压表的读数来确定电机两端电压的极性。 图3.7 H桥电路原理图 图3.5电路工作原理图中三极管均采用PNP型三极管，所以导通条件为三极管基极为低电平。图3.5中，当开关A闭合，开关B打开
12、时，三极管、导通，此时电流由流出，经三极管,电机，三极管回到接地处，构成闭合回路，实现电机正转；当开关A打开，开关B闭合式时，三极管、导通，此时电流由流出，经三极管,电机，三极管回到接地处，构成闭合回路,实现电机反转。为防止开关A和B同时闭合引起短路，在实际应用图3.5电路时，可在每个三极管两侧反并联一个二极管，或者通过开关A和B之间的互锁来实现，为降低成本和制作工艺的难度，常采用开关之间的互锁来避免短路。对于功率较大的电机，可用MOS管来代替三极管。3.3.2电路仿真闭合开关A，打开开关B,使电机正转，其仿真如图3.8图3.8 电机正转时multism仿真图打开开关A, 闭合开关B，使电机反
13、转，其仿真如图3.9图 3.9电机反转时multism仿真图通过图3.9，当闭合开关A，打开开关B时，电压表读数为4.218V，电机正转；通过图3.9，当打开开关A, 闭合开关B时，电压表读数为-4.218V,此时电机反转。通过以上仿真，验证设计符合设计要求。3.3.3 元器件的选择及参数确定图3.7中，三极管用于开关状态，所以应该选择功率较大，管压降较小的三极管，考虑各个因素后，选择中功率三极管8550来构成H桥。小功率直流电机选择市场上最常见的12V,3W无刷直流电机。为使H桥可靠工作，在控制信号与三极管基极间串联一电阻，一般选择33的电阻，这样既可以使三极管可靠导通，又不会使三极管管压降
14、太高，提高了H桥的效率。3.4 光电转换模块3.4.1 电路结构及工作原理电机转速为一物理量，不能直接用于电路处理，需转换为电信号。整个光电转换装置由信号采集和信号处理两部分组成。电路结构如图3.10图3.10 光电转换原理图工作原理图3.10中，在电机轴上装一圆形转盘，在转盘上去掉一部分（如图3.11），相当于图3.10中的档板。当发射二极管发出红外线，透过档板上的孔照到接受管上，在接收管所在电路回路中将产生高低电平的脉冲信号。图3.11 测速档板示意图3.4.2 元器件的选择及参数确定发射管和接受管选择额定电压为5V，为保证发射管和接收管可靠工作，需在回路中串联电阻起保护作用，选择电阻阻值
15、为1可满足要求。3.5测速模块3.5.1总体电路结构及工作原理1.设计思路电机转速指单位时间内电机转过的圈数，因此可制作一单位时钟脉冲，再用计数器对一分钟内电机转速进行计数，最后通过锁存器进行锁存并加译码显示输出。整个测速模块由秒脉冲产生电路，60进制计时电路，转速脉冲计数电路，锁存电路，显示电路。整个测速电路的测速范围为0099。整体电路结构框架图如图3.12被测量光电转换模块60进制计时电路锁存译码电路秒脉冲产生电路转速脉冲计数电路显示电路图3.12 测速电路结构框架图3.5.2 部分电路设计及仿真（1）秒脉冲产生电路设计思路产生1HZ脉冲，可用石英晶体或555定时器实现。其中，石英晶体具
16、有产生的脉冲准确度高，制作方便等特点，但石英晶体价格昂贵，不宜采用。用555定时器，其制作工艺简单，价格低廉，且产生的脉冲能满足该设计，所以采用555定时器。电路结构及工作原理用555定时器结成的秒脉冲产生电路原理图如图3.13图3.13 秒脉冲产生电路原理图工作原理对于图3.13所示秒脉冲产生电路，其产生的脉冲频率计算公式为 （2）当R=10，C=47时，产生脉冲的频率由（2式）计算得=1.06HZ 计算值1.06HZ与理论值1HZ相差0.06HZ，对于实际电路，该值符合设计要求。电路仿真对图3.13电路进行仿真，其仿真波形如图3.14图3.14 秒脉冲电路multism仿真波形图通过图3.
17、14仿真波形，在半周期内脉冲宽度为0.52HZ，脉冲周期为1.04HZ，可见设计满足要求。（2）60进制计时电路设计思路制作60进制计数器，当脉冲数到59时，用于产生输出信号作为控制信号对锁存译码电路进行锁存并使显示电路显示输出。当脉冲数到60时，用计数器的进位输出信号使脉冲计数电路清零。对于60进制计数器，可用若干与非门和两片74LS160或两片74LS161以串行连接方式来实现，但考虑到74LS160价格比较昂贵，这样使得整个电路的设计成本变高，因此选择使用74LS161芯片。对于60进制计数器，可采用大模分解法来完成，,所以可将低位的74LS161连成十进制的计数器，高位的74LS161
18、连成6进制的计数器，最后用串行连接方式连接起来。电路结构及工作原理用74LS161连接的60进制计数器电路原理图如图3.15图3.15 60进制计数器电路原理图如图3.13，两片74LS161均采用异步清零法来实现相应进制计数器的制作。电路仿真 用multism对图3.13电路进行仿真，仿真结果如图3.16。图3.16 60进制计时电路multism仿真图通过图3.16，设计的计数器显示的计数范围为0059，总共60种状态，所以设计符合要求，设计成功。（4） 转速脉冲计数电路 设计思路电机每转过一圈，光电转换装置采集到的脉冲改变一次，通过计数脉冲个数，可间接反应电机转速。因此需要一计数器对采集
19、到的脉冲数进行计数。由于测速范围为0099，所以可用一个100进制计数器进行脉冲数的计数。100进制计数器可由两片74LS161来完成。电路结构及工作原理用74LS161连接的100进制计数器电路原理图如图3.17图3.17转速脉冲计数电路原理图图3.15用异步清零法将两片74LS161用与非门分别结成10进制计数器，最后用串行连接方式对两片计数器进行连接。电路仿真用multism对图3.16电路进行仿真，仿真结果如图3.17。图3.17 转速脉冲计数电路multism仿真通过图3.17，当60进制计时电路计时到60s（即上图显示59）时，转速脉冲计数电路记数的脉冲个数为24，满足设计要求，所
20、以设计合理。（5） 锁存电路设计思路为使计数所得脉冲数能够显示，需对脉冲数进行锁存。常见的锁存电路有触发器和74LS194芯片。若采用触发器，会使电路结构比较复杂，不易制作，因此采用74LS194芯片对电路进行锁存。电路结构及工作原理用两片74LS194对转速脉冲计数电路输出信号进行锁存，每59s锁存一次，电路原理图如图3.18。图3.18 锁存电路原理图电路仿真图3.18multism仿真图如图3.19所示图3.19 锁存电路multism仿真图经multism仿真，锁存电路满足要求，在60s内能够对脉冲计数电路计数所得的脉冲数进行锁存，所以设计合理。（6） 译码显示输出电路为使脉冲数能够译
21、码显示输出，需对输出信号进行译码，再通过数码显示管显示输出。译码显示电路原理图如图3.20图3.20 译码显示电路原理图译码显示电路由4511芯片译码产生，最后加七段数码显示管进行数码显示。由图3.20仿真，电路设计满足要求。四 系统仿真4.1控制器系统总图及仿真将直流电源模块，PWM调速模块，H桥模块按顺序级联，控制器系统原理图如图4.1。图4.1 控制系统原理图4.2 测速系统总图及仿真将秒脉冲产生电路，60进制计时电路，转速脉冲计数电路，锁存电路，显示电路按顺序进行级联，测速系统电路原理图如图4.2图4.2 测速系统总图测速系统仿真如图4.3图4.3 测速系统总图仿真通过图4.3可验证整
22、个测速系统满足要求，在60s内转速对应的数码显示管显示的为输入信号的脉冲数，所以设计合理。五、 电路安装、调试与测试5.1 电路安装电路安装前应先进行整体布线，确保进行电路板焊接时，使导线尽可能不要相交且应使应用的导线尽可能短。布线完成后，先进行单元电路的焊接，焊接完成后，经检验无误后，再进行单元电路的连接。5.2 电路调试先进行单元电路的调试，借助示波器和万用表分别测试每一个单元的电路，当测试时所测波形与仿真波形中每个部分的波形图吻合时，说明电路连接正确，满足要求，最后对系统电路进行统一调试，当满足设计要求时，说明整个系统的设计符合设计要求。5.3 系统功能及性能测试 5.3.1测试方法设计
23、 按照系统设计要求，应分别测试系统的各项性能指标，需测试的性能指标包括，电机正反转，电机的无级调速控制，电机的速度准确显示。电机转向可通过连在转轴上的转盘的转动方向来判断。电机的转速可以借助秒表去测量，当测量的转速与电路显示的转速一致时，说明测速系统的精确度较高。当以上各项性能指标均满足要求时，说明系统设计合理。5.3.2测试结果及分析直流电机控制器部分，通过改变电位器接入电路中的阻值，可实现电机转速的PWM方式控制，经过实测，电机转速为56120，说明了PWM方式控制电机的方法可行性较强。通过正反转按钮可实现电机正反转转动，且具有操作简单，动作速度快等优点。测速部分由于设计时，设计的测速范围
24、为0099之间，当电机的转速超过99时，显示部分不能较好地显示，而要增加数码管的显示范围，会使电路的连接变得相当复杂，且存在竞争-冒险现象，使各个显示部分不能较好地同步。因此用时序逻辑电路实现转速大于100的电机，其效果不是很好。为使显示性能更好，应借助于单片机去实现，这需要随着以后专业课程的学习去进一步完善，所以，测速部分的设计不是很成功。六、 结论对于小功率直流电机控制器的设计，应用PWM控制方式可非常容易地实现电机的无级调速控制，其具有操作简单，可行性高，经济性能优越等特点。H桥可方便地完成电机的正反转控制，其经济成本比较低，但H桥控制电机正反转具有局限性，只能用于小功率直流电机，对于大
25、功率直流电机或有刷电机不宜采用。一方面由于大功率直流电机回路中电流较大，用H桥控制可能出现火花或产生火灾，即电路可靠性不高；另一方面，对于有刷电机，存在换向电流，会发生电源短路现象。因此不宜采用，应该借助单片机或其他器件，如电力MOSFET等实现。对于直流电机测速系统，能准确测量低速电机的转速，但对于转速较高的电机，因存在光电转换延时误差，且测速装置的测速范围不易做到很大，所以对于高速旋转的电机不宜采用。应借助传感器和单片机实现高速电机的速度测试。本次设计还有许多部分做的不是很完整，所以还需进一步学习相关专业的知识，使设计进一步完善，最终达到设计要求。八、 总结、体会和建议（七）设计总结：（1
26、）设计中遇到的问题及解决办法1.在做定时模块电路时，555多谐振荡器，电阻的调节，电容的匹配，在计算及调试上存在困难，通过多次模拟仿真。2.在做计数模块时，74LS161D的连接方法，以及计数器的清零处理，及清零脉冲的处理。通过查阅课本，上网查资料，以及向老师同学求助，从而得以解决。3.在做数码显示模块时，数码显示不稳定问题，连续闪烁或者出现全部点亮现象。通过添加74LS194D锁存器，从而顺利解决这个问题。在锁存器清零脉冲的选择上与计数器清零基本一致。4.在做整体电路设计时，由于电路系统较大，存在时序的同步问题， 最后通过查找资料，消除竞争-冒险，解决了上述问题。(2)设计心得及体会通过本次
27、课像力，知道而进，不断进取，只有这样才能获得成功。另外在接线时一定要认真，仔细，耐心，且一步一步地检查分析，避免犯错误。总之通过这次课设使我受益匪浅，同时要感谢老师的指导和帮助。更重要的是，这次课设使我认识到，在以后的专业课学习中，不仅要学好课本上的基本理论，同时还应注重对实践的联系，做到理论联系实际，理论服务于实践的思想，只有这样，才能提高我们应用知识的能力，使自己变得更加优秀。参考文献1 康华光电子技术基础（模拟部分）第四版北京：高等教育出版社，19992 阎石数字电子技术基础第四版北京：高等教育出版社，1998.3 李素娟，蒋维安直流电机PWM调速系统中控制电压非线性研究现代电力电子技术 2010.5，22（3）：331-3344 张圣勤Multism 11.0实用教程机械工业出版社2009.95 张羽鹏等红外技术在测速中的应用红外应用技术2008.11，30（11）：664-666附录一表一 元件清单元件名称元件个数直流电机 12V，3W1个NE5552个74LS002个74LS201个74LS1614个74LS1942个4511BC2个七段显示数码管2个电阻 10K4个电阻 334个电阻 1K3个电容 472个电容 0.012个三极管 85504个滑动变阻器 20K1个按钮开关2个发射管、接收管1个导线若干 附录二部分芯片引脚图