基于555定时器的直流电机调速Word文档下载推荐.docx
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定子与转子之间有一气隙。
在电枢铁心上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。
换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。
换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。
在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。
图2-3直流电机的物理模型图
直流电机的基本工作原理如下：
对图2-4所示的直流电机，如果去掉原动机，并给两个电刷加上直流电源，如2-4图（a）所示，则有直流电流从电刷A流入，经过线圈abcd，从电刷B流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。
如果转子转到如2-4图（b）所示的位置，电刷A和换向片2接触，电刷B和换向片1接触，直流电流从电刷A流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷B流出。
此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。
这就是直流电动机的工作原理。
外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。
实用中的直流电动机转子上的绕组也不是由一个线圈构成，同样是由多个线圈连接而成，以减少电动机电磁转矩的波动，绕组形式同发电机。
图2-4直流电机工作原理
直流电机的调速原理:
众所周知，直流电机转速n的表达式为:
（2-1）
式中:
U-电枢端电压;
I-电枢电流;
R-电枢电路总电阻;
Φ-每极磁通量;
K-与电机结构有关的常数
由上式可知，直流电机转速n的控制方法有三种:
（1）调节电枢电压U。
改变电枢电压从而改变转速，属恒转矩调速方法，动态响应快，适用于要求大范围无级平滑调速的系统;
（2）改变电机主磁通中只能减弱磁通，使电动机从额定转速向上变速，属恒功率调速方法，动态响应较慢，虽能无级平滑调速，但调速范围小;
（3）改变电枢电路电阻R在电动机电枢外串电阻进行调速，只能有级调速，平滑性差、机械特性软、效率低。
改变电枢电路电阻的方法缺点很多，目前很少采用:
弱磁调速范围不大，往往与调压调速配合使用;
因此，自动调速系统以调压调速为主，这也是论文中设计系统所采用的方法。
改变电枢电压主要有三种方式:
旋转变流机组、静止变流装置、脉宽调制（PWM）变换器（或称直流斩波器）。
（l）旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组以获得可调直流电压，简称G-M系统，国际上统称Ward-Leonard系统，这是最早的调压调速系统。
G-M系统具有很好的调速性能，但系统复杂、体积大、效率低、运行有噪音、维护不方便。
（2）20世纪50年代，开始用汞弧整流器和闸流管组成的静止变流装置取代旋转变流机组，但到50年代后期又很快让位于更为经济可靠的晶闸管变流装置。
采用晶闸管变流装置供电的直流调速系统简称V-M系统，又称静止的Ward-Leonard系统，通过控制电压的改变来改变晶闸管触发控制角α。
进而改变整流电压Ud的大小，达到调节直流电动机转速的目的。
V-M在调速性能、可靠性、经济性上都具有优越性，成为直流调速系统的主要形式。
（3）脉宽调制（PWM）变换器又称直流斩波器，是利用功率开关器件通断实现控制，调节通断时间比例，将固定的直流电源电压变成平均值可调的直流电压，亦称DC-DC变换器。
绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。
开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，实现调速。
2.3.2555定时器
555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。
一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。
555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。
555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。
它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。
它提供两个基准电压Vcc/3和2Vcc/3。
a.555定时器的功能
555定时器的功能主要由两个比较器决定。
两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。
在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器A1的反相输入端的电压为2Vcc/3，A2的同相输入端的电压为Vcc/3。
若触发输入端TR的电压小于Vcc/3，则比较器A2的输出为1，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。
如果阈值输入端TH的电压大于2Vcc/3，同时TR端的电压大于Vcc/3，则A1的输出为1，A2的输出为0，可将RS触发器置0，使输出为0电平。
555定时器可以说是模拟电路与数字电路结合的典范。
两个比较器C1和C2各有一个输入端连接到三个电阻R组成的分压器上，比较器的输出接到RS触发器上。
此外还有输出级和放电管。
输出级的驱动电流可达200mA。
比较器C1和C2的参考电压分别为UA和UB，根据C1和C2的另一个输入端——触发输入和阈值输入，可判断出RS触发器的输出状态。
当复位端为低电平时，RS触发器被强制复位。
若无需复位操作，复位端应接高电平。
b.555定时器的应用
（1）构成施密特触发器，用于TTL系统的接口，整形电路或脉冲鉴幅等；
（2）构成多谐振荡器，组成信号产生电路；
（3）构成单稳态触发器，用于定时延时整形及一些定时开关中。
555应用电路采用这3种方式中的1种或多种组合起来可以组成各种实用的电子电路，如定时器、分频器、脉冲信号发生器、元件参数和电路检测电路、玩具游戏机电路、音响告警电路、电源交换电路、频率变换电路、自动控制电路等。
555时基电路是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙地结合在同一硅片上的组合集成电路。
该电路可以在最基本的典型应用方式的基础上，根据实际需要，经过参数配置和电路的重新组合，与外接少量的阻容元件就能构成不同的电路，因而555电路在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了广泛应用。
c.555时基电路的电路结构和逻辑功能
1）电路结构及逻辑功能
图2-5定时器内部电路图
图2-6555时基电路的电路结构和引脚图
由图2-5可知555电路由电阻分压器、电压比较器、基本RS触发器、放电管和输出缓冲器5个部分组成。
它的各个引脚功能如下：
1脚：
GDN（或Vss）外接电源负端Vss或接地，一般情况下接地。
2脚：
TR低触发端。
3脚：
OUT为输出端。
4脚：
R是直接清零端。
当R端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。
5脚：
CO为控制电压端。
若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防止引入干扰。
6脚：
TH高触发端。
7脚：
D放电端。
该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电阻分压器由三个5kΩ的等值电阻串联而成。
电阻分压器为比较器C1、C2提供参考电压，比较器C1的参考电压为2/3Vcc，加在同相输入端，比较器C2的参考电压为1/3Vcc，加在反相输入端。
比较器由两个结构相同的集成运放C1、C2组成。
高电平触发信号加在C1的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器R端的输入信号；
低电平触发信号加在C2的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器S端的输入信号。
基本RS触发器的输出状态受比较器C1、C2的输出端控制。
8脚：
Vcc（或Vdd）外接电源Vcc，双极型时基电路Vcc的范围是4.5～16V，CMOS型时基电路Vcc的范围为3～18V。
一般用5V。
在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器C1、C2基准电压分别为2/3Vcc，1/3Vcc的情况下，555时基电路的功能表如表2-1所示：
表2-1555时基电路的功能表
输入
输出
功能
清零端
高触发端TH
低触发端
OUT（
）
放电管VT
X
导通
直接清零
1
>
置0
<
截止
置1
不变
保持
2）555时基电路的主要参数
555时基电路的主要参数有电源电压、静态电流、定时精度、阈值电压、阈值电流、触发电压、触发电流、复位电压、复位电流、放电电流、驱动电流及最高工作频率。
其参考值如下所示：
电源电压：
4.5——16V；
静态电流：
10mA；
定时精度：
1%；
阀值电压：
；
阀值电流：
0.1uA；
触发电压：
触发电流：
0.5uA；
复位电压：
1V；
复位电流：
400uA；
放电电流：
200mA；
驱动电流：
最高工作频率：
500kHz；
2.3.3IRF540N沟道MOS管
a.场效应管-工作原理
场效应管场效应管工作原理用一句话说，就是“漏极-源极间流经沟道的ID，用以门极与沟道间的pn结形成的反偏的门极电压控制ID”。
更正确地说，ID流经通路的宽度，即沟道截面积，它是由pn结反偏的变化，产生耗尽层扩展变化控制的缘故。
在VGS=0的非饱和区域，表示的过渡层的扩展因为不很大，根据漏极-源极间所加VDS的电场，源极区域的某些电子被漏极拉去，即从漏极向源极有电流ID流动。
从门极向漏极扩展的过度层将沟道的一部分构成堵塞型，ID饱和。
将这种状态称为夹断。
这意味着过渡层将沟道的一部分阻挡，并不是电流被切断。
在过渡层由于没有电子、空穴的自由移动，在理想状态下几乎具有绝缘特性，通常电流也难流动。
但是此时漏极-源极间的电场，实际上是两个过渡层接触漏极与门极下部附近，由于漂移电场拉去的高速电子通过过渡层。
因漂移电场的强度几乎不变产生ID的饱和现象。
其次，VGS向负的方向变化，让VGS=VGS（off），此时过渡层大致成为覆盖全区域的状态。
而且VDS的电场大部分加到过渡层上，将电子拉向漂移方向的电场，只有靠近源极的很短部分，这更使电流不能流通。
场效应管分结型、绝缘栅型（MOS）两大类。
按沟道材料型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种；
按导电方式：
耗尽型与增强型，结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。
场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管，而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型；
P沟耗尽型和增强型四大类。
场效应管分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅场效应管（MOS管）。
b.绝缘栅场效应管（MOS管）
1、绝缘栅场效应管的分类：
绝缘栅场效应管也有两种结构形式，它们是N沟道型和P沟道型。
无论是什麽沟道，它们又分为增强型和耗尽型两种。
2、它是由金属、氧化物和半导体所组成，所以又称为金属—氧化物—半导体场效应管，简称MOS场效应管。
3、绝缘栅型场效应管的工作原理（以N沟道增强型MOS场效应管）它是利用UGS来控制“感应电荷”的多少，以改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，然后达到控制漏极电流的目的。
在制造管子时，通过工艺使绝缘层中出现大量正离子，故在交界面的另一侧能感应出较多的负电荷，这些负电荷把高渗杂质的N区接通，形成了导电沟道，即使在VGS=0时也有较大的漏极电流ID。
当栅极电压改变时，沟道内被感应的电荷量也改变，导电沟道的宽窄也随之而变，因而漏极电流ID随着栅极电压的变化而变化。
场效应管的式作方式有两种：
当栅压为零时有较大漏极电流的称为耗散型，当栅压为零，漏极电流也为零，必须再加一定的栅压之后才有漏极电流的称为增强型。
图2-7N沟道增强型MOS场效应管结构图
c.转移特性曲线（N沟道增强型MOSFET的特性曲线）
N沟道增强型MOSFET的转移特性曲线有两条，转移特性曲线和漏极输出特性曲线。
沟道N增强型MOSFET的转移特性曲线如图2-8所示，它是说明栅源电压UG转移特性曲线的斜率gm反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。
gm称为跨导。
这是场效应三极管的一个重要参数。
S对漏极电流ID的控制关系，可用这个关系式来表达，这条特性曲线称为转移特性曲线。
图2-8转移特性曲线
漏极输出特性曲线:
当UGS＞UGS（th），且固定为某一值时，反映UDS对ID的影响，即ID=f（UDS）UGS=const这一关系曲线称为漏极输出特性曲线。
场效应三极管作为放大元件使用时，是工作在漏极输出特性曲线水平段的恒流区，从曲线上可以看出UDS对ID的影响很小。
但是改变UGS可以明显改变漏极电流ID，这就意味着输入电压对输出电流的控制作用。
图2-9漏极输出特性曲线
d.场效应管的主要参数：
场效应管直流参数：
饱和漏极电流IDSS它可定义为：
当栅、源极之间的电压等于零，而漏、源极之间的电压大于夹断电压时，对应的漏极电流。
夹断电压UP它可定义为：
当UDS一定时，使ID减小到一个微小的电流时所需的UGS。
开启电压UT它可定义为：
当UDS一定时，使ID到达某一个数值时所需的UGS。
交流参数：
低频跨导gm它是描述栅、源电压对漏极电流的控制作用。
极间电容场效应管三个电极之间的电容，它的值越小表示管子的性能越好。
极限参数：
漏、源击穿电压当漏极电流急剧上升时，产生雪崩击穿时的UDS。
栅极击穿电压结型场效应管正常工作时，栅、源极之间的PN结处于反向偏置状态，若电流过高，则产生击穿现象。
2.4本章小结
通过总电路框图的介绍，了解各个主要组成部分和电路的工作流程；
其次，对电路图及其中直流电动机和555定时器以及场效应管的工作原理加以介绍，明确各部分的功能及其作用；
最后，对电路中所用到的元器件如直流电动机和555定时器等加以详细介绍。
3电路的调试及其问题的解决
3.1电路的调试
3.1.1调试步骤及注意事项
1.电动机调试：
直接将电动机接在电源上测试电机能否转动。
2.场效应管调试：
首先将一个场效应管接到电路中，接通电源，导通场效应管，观察电机是否转动，如果转动，取下该场效应管，然后用同样的方法测试另一个场效应管，直到测试完毕。
3.555定时器波形测试：
用示波器观察555输出波形是否为方波，调剂电位器，方波占空比是否可调。
3.1.2调试中的问题及解决方法
开始时，首先利用示波器检测NE555定时器的输出管脚3中是否有矩形脉冲，没有检测到则555定时器不工作；
当接通电源后若电机没有转动，则可能是电压太低无法驱动电机，也可能是场效应管的问题，利用调试方法中的步骤另加判断。
在波形观察中，当波形不稳定时，对电压的大小和周期的频率进行调节，对于示波器的熟练使用有助于电机一侧电压波形的观察。
3.2电路的波形及和数据测试
555定时器输出端3的输出波形图如图3-1所示
图3-1555定时器输出端3的输出波形图
一个场效应管驱动电机，N最大的波形图如图3-2，其占空比为0.417。
图3-2一个场效应管驱动电机且N最大的波形图
一个场效应管驱动电机，N最小的波形图如图3-3，其占空比0.167。
图3-3一个场效应管驱动电机且N最小的波形图
三个场效应管驱动电机，N最大的波形图如图3-4，其占空比0.538。
图3-4三个场效应管驱动电机且N最大的波形图
三个场效应管驱动电机，N最小的波形图如图3-5，其占空比为0.091。
图3-5三个场效应管驱动电机且N最小的波形图
无论是一个或是三个场效应管来驱动电机，其原理相同，均是通过电位器调节555定时器输出电压的占空比来达到电机调速的目的，在一个场效应管下，555定时器输出电压占空比越大的转速越大，占空比越小的转速越小，三个的类似。
3.3本章小结
首先通过介绍调试过程及其注意事项，了解电机和场效应管的调试过程；
其次，调节滑动变阻器，对电机一侧的波形用示波器进行观察，分析调速过程。
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