踩踏式发电机实验模型的设计Word文件下载.doc
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摘要：
提出了由盘式发电机和TL494组成PWM开关稳压电源构成的踩踏式发电实验模型设计方案。
给出盘式发电的缠绕方法，设计了系统原理图，并附带了各器件的参数。
该项目涵盖了电子技术、机械设计、物理实验等知识，非常适合作为物理实验竞赛和大学生创新实验设计以及大学生实践创新训练项目的借鉴。
关键词：
踩踏发电机实物模型桥式整流电路盘式发电机
1引言
在这个科学为主的时代，科技创新才是硬道理。
科学的幻想归根结底是科学和技术的大胆创造。
所以探索创新性实验就非常重要了，探索创新性实验以研究性、设计性为主，以专门小课题研究为辅。
加大有探索创新性、研究性内容实验的考核比重，调动我们的主动性，引导我们开展初步的有探索创新性的实验工作，启发我们的创新精神。
为了鼓舞我校的大学生科技创新，从1999年开始，我校根据具体情况制定了很多大学生课外创新学分的政策。
学生如果想在课外活动中锻炼能力、在创新方面有所发展并且获得创新学分,就需要老师在课堂上注重创新能力、创新意识的培养和指导,最后对学生的成果进行分析与改进。
大学物理实验，基础实验课程在培养创新方面具有不可否认的优势。
指导老师进行出题、学生进行自主选题。
通过这种方式，学生可以自主完成实验内容，再由指导教师根据实验方案的可行性和创新性、实验结果的准确性和所写论文的规范性等给出合适分数。
我校从2009起，开展“大学生物理能力测试”训练，共安排了十几个创新性综合实验题目，对我们进行考查，现已有5000多名学生参加并且最终获得了创新学分。
结果证明这些实验课题大大地提高了学生的探索精神、创新思维、动手能力和逻辑能力，激发了学生的学习兴趣，使我们从被动学习的方式变为主动学习的方式，取得了很好的教学效果。
正是有以上的创新基础，我们参加了2014年校大学生实践创新训练项目——踩踏式发电机的设计与制作的课题，此课题荣获2014年辽宁省大学生物理实验竞赛二等奖和最具人气奖。
此项目的实验模型的设计对我们大学生创新训练有很好的借鉴作用，值得大力发扬。
2踩踏式发电机的系统整体框图
踩踏式发电机系统整体设计框图如图1，踩踏式发电机通过踩踏或碾压产生交变电流，经桥式整流电路和控制器对畜电池进行充电。
控制器控制蓄电池的输出电流送给负载，与此同时控制逆变器给交流负载供电。
AC负载
DC负载
逆变
电路
蓄电池
控制
桥式整
流电路
踩踏式
发电
图1踩踏式发电机系统的整体框图
2.1踩踏发电部分的设计
为了提高发电的效率和性能，我们采用了盘式发电机。
盘式发电机中采用了两个半圆形的磁钢，在磁铁内表面分别是N极和S极，将15个线圈附在一根轴的表面，并将轴用一个大的螺栓固定在箱体上，作为发电机定子部分，轴的另一端连接一根轴承。
盘式发电机外壳的内表面附着两个磁钢，并且外壳与定子的轴承相连接，在外壳上固定一根轴，把齿轮固定在轴上，外壳轴的末端安装一个小轴承，并用轴端盖把轴固定在箱体的内板上。
装置的踏板的四角用螺栓固定4根钢柱，4根钢柱被套在箱体内4根钢管上，钢管内有4个弹簧，当踏板被压下后4个弹簧会将其弹起。
踏板的中间连接一个轨道齿，轨道齿下方套在一个空管内，与其对应的另一方也有一根轨道齿，这根轨道齿上下两方被套在两个空管内，在空管内都按有弹簧，方便其上下运动。
装置内的两条锯齿轨道和盘式发电机的齿轮相互咬合，当踏板踩下后，锯齿型轨道带动齿轮转动，同时齿轮带动转子转动，转子转动带动盘式发电机中的两个磁体转动，产生旋转磁场，定子上的线圈切割磁感线产生电流，模型如图2。
而在其他发电装置中一般采用齿轮或链杆传动，在齿轮传动中需要数量较多的齿轮，成本过大，而齿轮之间的啮合时间较长会使齿轮磨损过大，在链杆的传动中虽然成本会减小，但是工作时有噪声并且存在冲击、振动。
在我们的装置中采用的轨道式的连接不仅成本低而且具备齿轮传动的优点。
图2踩踏发电模型简图
踩踏发电部分实物见图3，在装置中为了避免传统盘式发电机的两个大磁盘产生大的能量损耗，我们采用了两个小磁环，并且在盘式发电机的中间和一端安装了轴承减小摩擦的能量损耗，在装置中选用齿轮传动，齿轮传动会使发电机的效率较高，增强了传动的稳定性，可以延长发电机的寿命，并且增强工作的可靠性。
踏板我们采用了4根钢柱作为支撑，钢柱硬度高且支撑能力强，大大提高装置的适用性，延长了装置的寿命。
关于定子的固定我们采用大的螺栓固定，提高了定子的稳定性，避免了长时间的使用定子会发生松动。
关于4个钢柱和2个轨道齿的固定我们采用了钢管套制的方式，这样增加了钢柱和轨道齿的稳定性。
图3踩踏发电部分实物模型图
线圈的接法如图4：
盘式发电机一般线圈的个数为“3”的倍数，3个线圈为一组。
第一组的线圈首端相连，尾端按顺序连在下一组的首端，下面的几组线圈依次类推。
最后会甩出3根线。
线圈的连接方式采用星形连接。
图4盘式发电机的线圈连线图
2.2踩踏模型发电系统整流电路的设计
PWM三相半桥整流稳压电路如图5所示，盘式发电机产生的三相交流电，由整流二极管Z1、Z2、Z3与晶闸管V1、V2、V3组成三相半桥整流电路，给负载提供电能，并给蓄电池GB1充电。
图5三相半控桥式整流稳压电路图
三相半桥整流电路部分的实物模型见图6，控制电路由触发电路、比较电路、基准电路、检测电路组成。
整流后的电压值U0，与基准电路和比较电路产生的基准电压相比较，当U0比基准电压值小时，触发电路中的晶闸管导通，桥式整流电路部分正常工作，盘式发电机向蓄电池GB1充电，输出电压升高，同时给负载RL提供所需要电能。
当整流电压值U0比基准电压值大时，比较电路中的比较器输出方向与之前相反，触发电路得不到触发信号，晶闸管关断。
因此半桥整流电路处于断开静止状态，盘式发电机不能给蓄电池充电，所以输出电压下降，也不能给负载提供电源。
图6整流部分的实物图
设计中晶闸管的门极得到的触发信号是脉冲宽度调制信号，它的特点是频率固定，脉冲宽度可以调节，将噪音影响降到最低。
因此三相半桥整流电路的导通和关断周期是固定的，通断时间是根据具体工作状态的变化而变化，实现稳压状态的输出。
PWM控制的专用集成块是TL494芯片。
2.3踩踏式发电模型系统的充电电路的设计
2.3.1PWM开关稳压电源工作原理
PWM开关稳压电源的运行原理在输入电压、内部参数的设定值和外部负载全部变化的情况下，控制电路对基准信号和被控信号的差值进行闭环反馈，控制主电路中门电路和三极管等电子开关器件的导通脉冲宽度，保持开关电源的输出电流或输出电压稳定。
PWM的开关频率一般为恒定值。
PWM是充电电流、输出电流、输入电压、输出电压、输出电感电压共同调制的结果。
这些信号构成单环、双环或多环反馈系统，这些反馈回路和电流反馈构成内环路，电压反馈构成外环路，共同实现稳压、稳流及恒定功率的目的，同时还能降低噪音，对电路进行过载保护、过流保护和均流等功能。
使电压的利用率达到最大。
PWM调制型开关电源有多种不同的反馈控制模式。
PWM开关稳压电源的核心器件为TL494，所以了解集成块TL494内部结构和管脚功能对电路的设计是非常必要的。
图7是TL494芯片的内部结构图，TL494芯片的引脚名称和功能见表1。
图7TL494内部结构图
图8TL494外部封装及引脚图
表1TL494引脚名称和功能
引脚
名称
功能
1、2
1IN+、1IN-
内部1号误差放大器同相、反相输入端
3
FEEDBACK
两内部误差变压器的输出端
4
DTC
死区时间控制端
5、6
CT、RT
设定振荡器频率用电容与电阻接端
7
GND
参考地端
8、11
C1、C2
两个脉冲输出端
9、10
E1、E2
输出脉冲参考地端
12
VCC
工作电源端
13
OC
脉冲输出方式选择端
14
REF
内部基准电压输出端
15、16
2IN-、2IN+
内部2号误差放大器同相、反相输入端
2.3.2踩踏式发电系统充电电路的设计
PWM控制电路由TL494和其它外围元件构成，如图9。
第1脚和第2脚分别是第一误差放大器误差信号的同相信号输入端和反相信号输入端。
第4脚是死区信号的控制端，输出脉冲宽度的调节由加在其上的电压控制。
输出电位的升高，会导致输出脉冲宽度变窄，将延长死区时间。
如果稳压开关电路的输出端用全桥或者半桥，死区时间就要准确的设定，防止两个开关在相同的时间内导通，造成短路损坏电源。
将基准电压通过R3和R23分压就能得到第2脚的电位，测量值得到3.2V的电压。
同样将基准电压经R20和R24分压得到第4脚的电位，测得0.46V电压。
锯齿波振荡器的频率通过第5脚、第6脚和定时元件C10、R19相连来决定，频率大小F为1.1与RC的比值。
TL494起调制脉冲宽度的作用，线性锯齿波振荡器就在其中，振荡器频率的设定值大小为50KHz。
输出方式设定信号输入端即为第13脚，接地后，输出电流最大值可到400mA，输出呈推挽型是因为该脚接基准电压。
基准电压输出端+5V连接到第14脚，用来输出5V的基准参考电压，能为芯片内部供电，也能给第2、4、13脚和IC2供电。
第15、16脚为第二误差放大器误差信号的反相信号输入端和同相信号的输入端。
第1引脚由+44V的充电电压与R26、R27和R28分压后得到。
软启动电容即是C15。
第1脚接低电压，输出的脉宽度会增大，充电电压就升高；
反之脉冲宽度减小，充电电压降低，直到达到最大充电电压+44V。
充电电压通过Ra进行调试，Ra和R26的并联值决定充电电压的大小。
Rb为过流保护的调试电阻，电流设定达到1.8A时即为过流。
R29为充电电流取样电阻，该电阻的电压值经R13接入TL494芯片的第15引脚，第15脚的电位由充电电流决定，之间的关系成反比。
当第15脚电位低，第16脚电位高的时候，IC输出端变为零，意味着电流过高，电路进行自我保护。
外部输入电路的值改变，片内电路通过处理，会经8、10脚输出一对矩形波，该矩形波幅值相等，脉冲宽度可以调节，第一个矩形波比第二个矩形波相位滞后180度，经过T2、T3的推挽放大作用，由变压器X1的耦合功能，将信号传输至功率开关变换电路。
图9发电系统电路设计图
N沟道MOSFET型功率管2SK3176作为大电流开关的主要元器件，可承受最大电压为150V，漏极可承受的最大电流值为120A。
PWM开关电源电路是本充电电路的控制电路。
63H的电感起滤波作用。
驱动变压器Xl为发电电路中的重要元件，线圈匝数的比值为1︰1，线圈使用漆包线，直径为0.3mm，线圈匝数值为30。
前馈控制电路如图10作为充电电路的输入电路，若使发电机稳定工作，输入电流的大小要与输入电压的值成三次方
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