数电课程设计基于555定时器的调速电机的制作.docx

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数电课程设计基于555定时器的调速电机的制作

基于555定时器的调速电机的制作

Basedonthe555ofthetimercontrolmotormanufacture

摘要：

在电机的调速方面加入数字控制部分，设计一款数控直流电机。

该电机使用数字方式调节，具有设计简单、调节方便、安全的特性。

适用于各种直流的电机的调速控制。

利用555定时器对直流电机进行调速，与传统的电压调速方式比较安全方便。

同时该作品可升级与微处理器相连接，增强人机交互与对电机的实时监控。

关键词：

555定时器；直流电机；控制

Abstract:

Inthemotorspeedregulatingjoindigitalcontrolparts,designanumericalcontroldcmotor.Themotorusingdigitalmodeadjustment,hasthedesignissimple,convenientadjustment,safetyfeatures.Applytoallkindsofdcmotorspeedcontrol.Use555todcmotorspeedcontroltimer,andtraditionalvoltageissafeandconvenientwaytospeed.Atthesametime,thisworkcanbeupgradedandmicroprocessorconnectedtoenhancehumaninteractionandthereal-timemonitoringofthemotor.

Keywords:

555thetimer;Dcmotor;control

0引言

直流电机是电子技术中常见的设备之一，广泛应用于工农业生产、科研、教学等领域。

传统的直流电机控制制作复杂、精度低、可靠性低且操作危险性高。

普通的直流电机调速装置很多，但均存在以下问题：

上端和交流电源连接，下端和直流电动机连接，直流调速器将交流电转化成输出直流电源，一路输入给直流电机励磁（定子），一路输入给直流电机电枢（转子），直流调速器通过控制电枢直流电压来调节直流电动机转速。

控制部分没有将电机供电电源隔离开，导致控制的危险程度加大。

本文所设计的系统将控制模块与电机驱动模块隔离，通过NE555输出不同脉宽的矩形波对电机进行调速，制作简单控制方便安全，具有很高的市场推广价值。

1系统硬件设计

系统总体设计结构

本系统以555定时器核心控制器，具有控制与驱动分离，控制脉冲输出脉宽可调，且操作简便等特点。

其硬件原理方框图如图所示。

系统有555脉冲输出电路、旋钮调节电路、电源电路、H桥驱动电路、等部分组成。

系统通过“旋钮正旋+”、“旋钮倒旋-”、调整555定时器输出脉宽，H桥驱动电路根据接收的脉冲宽度对直流电机进行驱动，实现调速。

图系统硬件结构图

电源部分

1.2.1供电电源部分

电源部分输入220v,50HZ交流电，输出全机所需的+5v，主要供数控部分和驱动模块使用。

+5v作为数控供电的正电源，同时也是驱动输出电路的主电源。

如图1.3.1和图所示。

脉宽调制部分

555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件，它性能优良，适用范围很广，外部加接少量的阻容元件可以很方便地组成单稳态触发器和多谐振荡器，以及不需外接元件就可组成施密特触发器。

因此集成555定时被广泛应用于脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面。

1.3.1555定时器内部结构

555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成电路,其内部结构及管脚排列如图1.3.1所示。

它由分压器、比较器、基本R--S触发器和放电三极管等部分组成。

分压器由三个5的等值电阻串联而成。

分压器为比较器、提供参考电压，比较器的参考电压为，加在同相输入端，比较器的参考电压为，加在反相输入端。

比较器由两个结构相同的集成运放、组成。

高电平触发信号加在的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本R--S触发器端的输入信号；低电平触发信号加在的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本R—S触发器端的输入信号。

基本R--S触发器的输出状态受比较器、的输出端控制。

图555定时器内部原理图

1.3.2多谐振荡器工作原理

由555定时器组成的多谐振荡器如图1.3.2a所示，其中R1、R2和电容C为外接元件。

其工作波如图所示。

设电容的初始电压＝0，t＝0时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高、低触发端＝0

当上升到时，输出由0翻转为1，这时触发顺保持状态不变。

所以0

时刻上升到比较器的输出由1变为0，这时触发器复0，定时器输出0。

期间，放电三极管T导通，电容C通过放电。

按指数规律下降，当比较器输出由0变为1，R-S触发器的，Q的状态不变，的状态仍为低电平时刻，下降到三分之一Vcc，比较器输出由1变为0，R-S触发器的1，触发器处于1，定时器输出。

此时电源再次向电容C放电，重复上述过程。

通过上述分析可知，电容充电时，定时器输出1，电容放电时电容不断地进行充、放电，输出端便获得矩形波。

多谐振荡器无外部信号输入，却能输出矩形波，其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。

图1.3.2a多谐振荡器原理图

图1.3.2b多谐振荡器输出波形仿真图

1.3.3脉宽调制计算

用555定时器组成的多谐振荡器，接通电源后，电容C被充电，当Vc上升到三分之二时，使Vo为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C通过R4和T放电，Vc下降。

当Vc下降到三分之一Vcc时，Vo翻转为高电平。

电容C放电所需时间为

当放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R2向电容C充电，Vc由三分之一Vcc上升到三分之二Vcc所需的时间为

当Vc上升到三分之二Vcc时，电路又翻转到低电平。

如此周而复始，于是，在输出端就输出了一个周期性矩形波。

周期为

输出振荡频率

输出波形占空比

H桥驱动电路

图1.4.1a中所示为一个典型的直流电机控制电路。

电路得名于“H桥式驱动电路”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（如图所示，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。

图1.4.1a H桥式电机驱动电路

1.4.1H桥驱动电路原理

要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。

例如，如图1.4.1b所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。

按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。

当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。

图 H桥电路驱动电机顺时针转动

图1.4.1c所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。

当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。

图1.4.1c H桥电路驱动电机逆时针转动

1.4.2驱动电路使能控制和方向逻辑

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1.4.2a所示就是基于这种考虑的改进电路，它在基本H桥电路的基础上增加了4个与门和2个非门。

4个与门同一个“使能”导通信号相接，这样，用这一个信号就能控制整个电路的开关。

而2个非门通过提供一种方向输入，可以保证任何时候在H桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。

图1.4.2a 具有使能控制和方向逻辑的H桥电路

采用以上方法，电机的运转就只需要用三个信号控制：

两个方向信号和一个使能信号。

如果DIR－L信号为0，DIR－R信号为1，并且使能信号是1，那么三极管Q1和Q4导通，电流从左至右流经电机（如图所示）；如果DIR－L信号变为1，而DIR－R信号变为0，那么Q2和Q3将导通，电流则反向流过电机。

图 使能信号与方向信号的使用

2结语

本作品以555定时器为控制核心，以驱动电路为骨架，制作出了一款使用灵活方便，调节安全可靠的直流电机驱动电路。

在制作过程中，以定时电路的搭建最为困难。

我在调试过程中，尝试着选用最合适的电阻电容，对脉宽进行调制。

由此我们学到了从课堂上无法掌握的知识。

尤其针对不同的功能，不同的场合，不同类型的三极管的方法。

我制作的数控直流调速装置，利用555定时器设置速度大小，确保电路运行可靠。

输入采用旋钮方式，电路外表更加小巧美观，操作方便，更加人性化。

具有较高的使用和推广价值！

参考文献

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高等教育出版社2006.

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