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说明书

摘要：

目前，PWM成为电机调速的新方式。

针对这一点，设计一种完全基于硬件的PWM控制系统，可线性调节电机转速，控制方便。

同时还具有开关频率高、低速运行稳定、动态性能优良、效率高的优点，并且能够在十秒内测量显示电机转速，快速准确。

关键词：

PWM计数器传感器译码显示

目录

1设计任务和要求……………………………………………………………3

2系统设计……………………………………………………………………4

3单元电路设计………………………………………………………………6

3.1PWM控制………………………………………………………………6

3.2驱动电路及正、反转控制器…………………………………………8

3.3测速传感电路…………………………………………………………12

3.4555振荡器构成基准脉冲信号………………………………………15

3.5计数控制及译码显示电路……………………………………………17

4系统仿真……………………………………………………………………21

5电路安装、调试与测试……………………………………………………23

5.1电路安装………………………………………………………………23

5.2系统功能及性能测试…………………………………………………24

6结论…………………………………………………………………………26

7参考文献……………………………………………………………………27

8总结、体会和建议…………………………………………………………28

附录：

电路原理图

元器件清单

1设计任务和要求

设计并制作一个小型直流电机控制器，基本要求如下：

1、根据电子市场上的小功率直流电机，设计基于PWM的电机调速方案；

2、设计PWM波形发生电路，能够手动调节控制电机转速；

3、选择合适的功率器件，设计电机的驱动电路；

4、通过按键调节电机的正、反转；

5、按照以上技术要求设计电路，绘制电路图，对设计的电路用Multisim进行仿真，用万用板焊接元器件，制作电路，完成调试、测试，撰写设计报告。

发挥部分：

1、能够测量并显示电机的转速；

2、其它恰当的功能。

2系统设计

满足题目要求可以实施的方案很多，现提出如下一种方案。

图2-1

（1）PWM信号用来产生占空比可调的方波。

采用比较器将正弦信号与标准电压相比较，输出方波信号。

（2）正、反转信号用来产生高、低电平信号。

选用自锁开关，两端各接电源线与地线。

（3）控制电路A用来把PWM信号和正、反转信号通过逻辑关系之间的转换输出成H桥驱动电路信号。

实际设计中用一片74LS00实现逻辑函数关系。

（4）H桥驱动电路此部分功能主要是驱动电机旋转。

用六个三极管组成H桥电路驱动电机，同时通过改变桥的导通方向来改变电机旋转方向。

（5）直流电机与倍频器此部分将调速电路与测速电路连接起来。

电机选用市场上常见的小功率直流电机，转盘侧上有6个透光小孔，将电机转速频率提高，实现倍频功能。

（6）传感器将电机的转速信号转换为与此相对应的电脉冲信号。

本设计把电机转盘放置在光电开关二极管与三极管之间，当电机旋转时。

三极管输出对应高低电平。

（7）滤波与整形此部分将传感器的电脉冲滤波整形为逻辑电路规则脉冲。

（8）基准时间产生电路此部分的功能是产生标准时间信号。

设计中用555构成多谐振荡器，产生固定周期的脉冲信号。

（9）控制电路B此控制电路用以保证基准时间控制的前提下，使脉冲信号送到计数译码显示电路中。

本设计用十六进制计数器74LS161及与非门逻辑电路实现输出与输入的函数功能。

（10）计数译码显示电路此部分的功能是测量电机转速并通过数码管显示出来。

实际设计中此部分由计数器、寄存器、译码显示器和数码管构成。

上述测量过程中，由于对电机转速信号进行了6倍频，计数时间也相应地缩短了6倍（10s），而数码管显示的数字却是1min的转速。

用这种方案的测量误差为±6r/min，测量时间越短误差也越大。

3单元电路设计

3.1PWM控制电路

3.1.1电路结构及工作原理

图中，运放A1采用为RC桥式振荡电路接法（实际电路中，18k的电阻用50k的滑动变阻器代替，调节滑动变阻器至可以使运放A1产生正弦波形），输出的正弦波经比较器A2与标准电压相比较。

当正弦波电压大于标准时，比较器输出高电平；当正弦波电压小于比较电压时比较器输出低电平。

不难想象，通过改变标准电压值可以实现输出方波占空比可调。

为了得到正规的方波信号，需要用滞回比较器对输出的占空比可调的方波进行滤波。

图3-1

3.1.2电路仿真

（1）占空比较大时的PWM波形

图3-2

（2）占空比较小时的PWM波形

图3-3

3.1.3元器件的选择及参数确定

（1）运算放大器LF353P

（2）二极管IN4007

（3）电阻与电容参数在电路图中已给出

3.2驱动电路及正、反转控制器

3.2.1电路结构及工作原理

图3-4

控制器的两个输入端为两个开关信号S1、S2，假设S1为PWM输出信号，其闭合与断开分别对应方波的高低电平；S2为外接单刀双掷开关，可接高低电平。

S1与S2的实际功能描述如下：

S1

功能描述

S2

功能描述

闭合1

电机转

闭合1

电机正转

断开0

电机停

断开0

电机反转

表3-5

控制器的输出信号Q1、Q2分别街H桥的两输入端，控制H桥的导通与关断。

输入信号S1、S2与输出信号Q1、Q2的真值表如下：

S1

S2

Q7

Q8

0

0

1

1

0

1

1

1

1

0

1

0

1

1

0

1

表3-6正、反转控制驱动真值表

逻辑表达式为：

Q7=S1S2

Q8=S1S2S1

可以看出，由两个与非门可以实现上述逻辑关系。

3.2.2电路仿真

（1）电机两端波形（占空比较大时）

）

图3-7

（2）电机两端波形（占空比较小时）

图3-8

（3）电机两端波形（正、反转切换时）

图3-9

3.2.3元器件的选择及参数确定

（1）两输入与非门HD74LS00

（2）三极管NPNS8050

（3）三极管PNPS8550

（4）二极管IN4007

（5）开关六角自锁开关

（6）电阻与电容参数在电路图中已给出

3.3测速传感电路

3.3.1电路结构及工作原理

理论上，是先将转速转化为某一种电量来测量，如电压、电流等。

设计中将转速的测量转化为电脉冲频率的测量。

基于这一思想，可以采用普通三极管输出型红外光电耦合器，如下图所示，在电机转轮一侧开一个孔，这样每转一圈，三极管（红外接收头）透光导通一次，输出端输出一个上脉冲，即完成了转速/频率的转换。

图3-10

由于电机转速通常用每分钟转数表示，如果只在转轮一侧开一个小孔的话，要等待一分钟才能显示转速。

为了缩短测量时间，同时考虑到红外光电耦合器的工作频率，实际设计中在电机转轮侧开六个孔，这样测量时间为10秒。

由于电机在转动过程中有很大晃动，而且本设计中测量装置做工粗糙，因此所获得的脉冲信号掺杂高频噪声或误动脉冲。

为了提高测量准确度，尽可能的减少错误，实际设计中如下图所示：

图3-11

在输出端加一电容接地，此外为了得到正规的矩形脉冲信号，还增加了滞回比较器。

实际的电路图如下：

图3-12

3.3.2电路仿真

传感器输出脉冲经滤波、整形后的波形为：

图3-13

3.3.3元器件的选择及参数确定

（1）施密特触发器SN74LS14

（2）红外光电开关

（3）电阻与电容参数在电路图中已给出

3.4555振荡器构成基准脉冲信号

3.4.1电路结构及工作原理

基准时间产生电路的功能是产生一个周期为1秒的脉冲信号，以便通过控制器输出计数信号和显示信号，在10s内完成1min的测量任务。

选用555构成多谢振荡器产生脉冲信号，其周期为：

T=Ln2·C（R1+2R2）

选定元件参数，使脉冲信号周期为1s。

实际电路仿真图如下：

图3-14

3.4.2电路仿真

555振荡器构成基准脉冲信号

图3-15

3.4.3元器件的选择及参数确定

（1）555定时器NE555

（2）电阻与电容参数在电路图中已给出

3.5计数控制及译码显示电路

3.5.1电路结构及工作原理

控制电路的作用是控制转速信号经传感器转换、滤波整形后进入计数器的时间，另外还应具有控制寄存器打开以及计数器清零的功能。

如下图所示。

图3-16

图中，基准时间周期为1s，由555多谐振荡器产生，经计数器倍频后产生周期为10s的数码管显示信号和周期为14s的计数器清零信号。

下图为计数译码显示电路。

图3-17

3.5.2电路仿真

（1）清零信号与数码管显示信号波形（上为清零，下为显示）

图3-18

（2）数码管

3.5.3元器件的选择及参数确定

（1）十进制计数器HD74LS160

（2）十六进制计数器HD74LS161

（3）数据锁存器74LS373

（4）7段LED锁存解码器驱动器CD4511

（5）7段共阴数码管

（6）电阻参数在电路图中已给出

4系统仿真

现将实际电机两端电压仿真波形给出。

（1）占空比较大时

图4-1

（2）占空比较小时

图4-2

（3）正、反转切换时

图4-3

仿真分析：

占空比较大时，电机两端平均电压较大；占空比较小时，电机两端平均电压较小。

当正、反转开关按下时，电机两端电压立即反向。

整体仿真满足设计要求。

5电路安装、调试与测试

5.1电路安装

在整体电路进行和单元电路仿真充分验证后，列出元件清单，购买元器件开始安装。

该设计是在万能试验板上进行安装的，根据元器件的布局，首先摆放集成电路块座，待位置合理后，焊接集成块座，然后焊接相邻的分立元件，再依照各集成电路以及分立元件引脚之间的关系，用导线焊接起来，最后再焊接电源线和接地线。

1．布线方向：

　　从焊接面看，元件的排列方位尽可能保持与原理图相一致，布线方向最好与电路图走线方向相一致，因生产过程中通常需要在焊接面进行各种参数的检测，故这样做便于生产中的检查，调试及检修。

2．各元件排列，分布要合理和均匀，力求整齐，美观，结构严谨的工艺要求。

3．电阻的放置方式分为平放与竖放两种：

（1）平放：

当电路元件数量不多，而且电路板尺寸较大的情况下，一般是采用平放较好。

（2）竖放：

当电路元件数较多，而且电路板尺寸不大的情况下，一般是采用竖放。

4．进出接线端布置

（1）相关联的两引线端不要距离太大。

（2）进出线端尽可能集中在1至2个侧面，不要太过离散。

5．设计布线图时要注意管脚排列顺序，元件脚间距要合理。

6．在保证电路性能要求的前提下，设计时应力求走线合理，少用外接跨线，并按一定顺序要求走线，力求直观，便于安装，高度和检修。

7．设计布线图时走线尽量少拐弯，力求线条简单明了。

8．布线条宽窄和线条间距要适中，电容器两焊盘间距应尽可能与电容引线脚的间距相符；　　

9．设计应按一定顺序方向进行。

5.2系统功能及性能测试

5.2.1测试方法设计

（1）转速调节测试

（a）接通电源，电机转动；

（b）旋转滑动变阻器，观察电机转速变化；

（c）断开电源。

（2）正、反转调节测试

（a）接通电源，电机转动；

（b）按左下角的正反转控制开关，观察电机转速方向变化；

（c）断开电源。

（3）转速测量

（a）接通电源，调节滑动变阻器使电机转速合适；

（b）等待一段时间（约10s），观察数码管显示变化，记录数码管显示数字；

（c）重复步骤b）2次，记录数据；

（d）调节滑动变阻器到某一位置，观察电机转速变化，重复步骤b）、c），记录数据；

（e）断开电源。

附：

转速测量数据表格

滑动变阻器位置

n1（r/min）

n2（r/min）

n3（r/min）

位置1

位置2

位置3

电路的调试仪器

万用表一只

直流电源一台

示波器一台

5.2.2测试结果及分析

（1）转速调节测试

测试结果接通电源后，发现电机有细微鸣声却不转动，调节滑动变阻器至某一位置后电机才转动，且转速较快。

当电机旋转后，调节滑动变阻器，发现电机转速调节范围较大，基本上呈线性变化。

测试分析当电电枢两端加电压时，便产生电磁转矩TM由于电机存在空载转矩T0，如果TM

另外，PWM波的占空比可线性调节，所以当调节滑动变阻器时，转速呈线性变化。

（2）正、反转调节测试

测试结果：

电机旋转时，按下正反转控制开关，电机先停止后反方向转动。

测试分析：

按下正反转控制开关后，电机两端电压立即变化，此时电磁转矩为制动性转矩。

由于转速不能突变，所以经过一个很小的时间后电机才停止，然后反方向旋转。

（3）转速测量

测量结果：

滑动变阻器位置

n1（r/min）

n2（r/min）

n3（r/min）

位置1

368

312

374

位置2

1160

1220

1210

位置3

1614

1642

1668

测量分析：

当电机转速较低时，电机转速显示变化较大；当电机转速较高时，电机转速显示变化较小。

6结论

本设计主要通过模块化思想，逐步实现了设计所需达到的功能要求：

1．采用比较器可以将正弦信号与标准电压相比较，输出占空比可调的方波信号，实现了PWM控制方式；

2．采用H桥可以控制电机的正转和反转；

3．能够测量并显示电机的转速；

此次课程设计采用的电路原理基于数字电路的基本知识，模块化的设计理念是此次设计的亮点。

进一步巩固了自己所学的专业知识，还培养了整体思维能力，动手能力和独立思考能力以及解决问题的能力。

通过各个单元电路的仿真和整体电路的仿真以及整体的实验安装测试，完成了设计任务并达到了设计要求。

同时在此次课程设计中，发现了自己还有很多的不足之处，动手能力不够强，分析问题与解决问题的能力不够,不会很好的与别人合作。

这些方面都是以后的学习生活中需要加强的地方。

本设计小型直流电机控制器经系统功能测试，可实现PWM调速方案，能够手动调节电机转速，控制电机正、反转，测量显示电机转速。

整体满足设计要求，设计成功！

7参考文献

《模拟电子技术基础》（第四版）童诗白高等教育出版社

《数字电子技术基础》（第五版）阎石高等教育出版社

《电子技术实验与课程设计》（第三版）毕满清机械工业出版社

《电子技术实验——数字电路实验》沈小丰清华大学出版社

《直流电机实际应用技巧》【日】古腰欣司科学出版社

8总结、体会和建议

本次为期三周的电子课程设计，我们经历了最初的总体方案选择，方案最优化，电路仿真，购买器件，电路焊接与调试，到最后的课设报告的撰写，共经历了从理论到实际操作的六大过程。

这一次课程设计让我学到不少东西。

从原理图的设计、电路板的焊接与调试到撰写设计说明书，在这个过程中我们也遇到了很多困难，如成员间分工不明确，各类元件选择不当等。

这次综合训练给我们最大的体会就是很多东西如果不是自己亲自动手，只在书本上是学不到的，设计初期要考虑周到，否则后期会带来很多不必要的麻烦。

虽然可能会多花一些时间，但这比空想有效得多。

另外，做事情一定要细心，更要耐心，遇到问题要慢慢去检查，然后仔细分析后再解决；除此之外，还要有合作精神，注重团队合作，和合作者一起做，相互鼓励，互相弥补不足之处，很多难点的突破都来自于与同学的交流。

交流使自己获得了更多信息，开拓了思路，这样很多事情就成功了。

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，在解决困难的过程中，获得了许多专业方面的知识，拓展了视野，提高了理论水平和实际的动手能力，学会了解决问题的方法，激发了我们的探索精神。

这样的课程设计是很好的锻炼机会，这次综合训练使我深入了解到实践在大学学习的重要性。

综合训练增强了我们的动手能力，也为以后的大学学习提供了宝贵的经验。

附录1电路原理图

调速部分

测速部分

附录2元器件清单

类型

序号

型号

数量

集

成

电

路

1

74LS00

2

2

74LS160

4

3

74LS161

1

4

74LS14

1

5

74LS373

2

6

CD4511

4

7

LF353

1

8

555

1

电阻

9

10

8

10

1

4

11

330

29

12

50

滑动变阻器

2

13

100

电位器

1

电容

14

0.1

4

15

10

1

二极管

16

IN4007

4

三极管

17

NPN

4

18

PNP

2

共阴数码管

19

4

光电开关

20

1

自锁开关

21

1

万用板

22

1