直流电机测速综述.docx

1、直流电机测速综述北京工业大学课程设计报告数电课设题目） 直流电机测速班级：130242学号：13024212姓名：王栩晖组号：192015一设计技术指标及设计要求（一）设计任务 设计一个能对直流电机运行速度进行调速和测速的电路。（二）基本要求 设计一个脉宽调速电路，实现对直流电机转速的控制。利用光电脉冲转换、 整形、门控电路和计数电路测出直流电机的转速， 并显示在数码管上。 要求转速 300 转/ 分以下，越低越好。（三）扩展要求 在完成基本要求的基础上加光耦脉冲计数和相位判别电路，进而识别电机的转 向，并由 LED显示转向的正反。三设计框架四.设计方案选择及方案比较总体设计思路由 555 组

2、成的方波发生器提供驱动电机的方波， 再经由脉宽调整电 路改变脉冲的宽度，从而改变直流电机的转速。驱动电路由达林顿三极管及开关组成， 达林顿三极管放大电流以驱 动电机。开关选择双刀双掷开关， 使得电路桥式导通， 以达到改变电机转向 的目的。光电脉冲转换电路有光耦组成， 用来计数电机转速， 输出的信号通 过脉冲整形后输入计数器电路。计数器电路分为 60 秒计时器和转速计数器两部分，后面会详细介 绍。各方案比较经查询资料，实验指导上提示的单稳触发器 CD14538,双比较器LM393，整流二极管及 5V 稳压二极管都不需要使用，所以实验方案 以上述方案为准。五系统选用的元器件NE555 * 2达林顿

3、三极管 TIP122槽型光耦* 1微型直流电机* 174LS00* 174LS161* 5双刀双掷开关* 1电阻，导线，电容* x主要芯片说明1)NE555定时器是一种多用途的数字模拟混合集成电路， 利用它能极方便地构成施密特触发器、 单稳态触发器和多谐振 荡器。组成的施密特触发器可用于脉冲的整形， 单稳态触发器 可用于调整脉冲的宽度， 多谐振荡器可用于提供方波信号。 因 而 NE555 广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。其工作原理如下：本 RS触发器，一个放电开关 T，比较器的参考电压由三只 5K的电阻器构成分压， 它们分别使高电平比较器 A1 同相比较 端和低电平比较器 A2 的反相输

4、入端的参考电平为 2 / 3VCC 和 1/ 3VCC 。A1 和 A2 的输出端控制 RS触发器状态和放电管开关 状态。当输入信号输入并超过 2/ 3VCC时，触发器复位， 555 的 输出端 3 脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信 号自 2 脚输入并低于 1/ 3VCC 时，触发器置位， 555 的 3 脚输出 高电平，同时放电，开关管截止。 RD 是复位端，当其为 0时， 555 输出低电平。平时该端开路或接 VCC。Vc是控制电压端（ 5脚），平时输出 2/ 3VCC 作为比较器 A1的参 考电平，当 5 脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电 平，从而实现对输出的另一种

5、控制，在不接外加电压时，通常 接一个 0.01uf 的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰， 以确保参考电平的稳定。T为放电管，当 T导通时，将给接于脚 7 的电容器提供低阻放电电路 构成单稳态触发器如右图 为由 555 定时 器和外接定 时元件 R、 C构成的单稳态触发器。 D 为钳位二极管，稳态时 555电路输入端处于电源电平，内部放电开关管 T 导通，输出端 Vo输出低 电平，当有一个外部负脉冲触发信号加到 Vi 端。并使 2 端电位 瞬时低于 1/ 3VCC ，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个 稳态过程，电容 C开始充电， Vc按指数规律增长。当 Vc充电 到2 / 3VCC

6、时，高电平比较器动作，比较器 A1 翻转，输出 Vo 从高电平返回低电平，放电开关管 T 重新导通，电容 C上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳定，为下个触发脉冲的来到作好准备。波形图如下：暂稳态的持续时间 Tw（即为延时时间） 决定于外接元件 R、C的大小， Tw=1.1RC 。 通过改变 R、C的大小，可使延时时间 在几个微秒和几十分钟之间变化。 当这种单稳态电路作为计时 器时，可直接驱动小型继电器， 并可采用复位端接地的方法来 终止暂态，重新计时。 此外需用一个续流二极管与继电器线圈 并接，以防继电器线圈反电势损坏内部功率管。构成多谐振荡器如图 3-4，由 555 定时器和外接

7、元件 R1、R2、C构成多谐振荡器， 脚 2 与脚 6 直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电 路亦不需要外接触发信号，利用电源通过 R1、R2向 C充电，以 及 C通过 R2向放电端 DC放电，使电路产生振荡。电容 C在 2 / 3VCC 和1/ 3VCC 之间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波， 对应的波形如图 3-5 所示。荡器的波形图输出信号的时间参数是： T=tw1 tw2tw1 =0.7（R1+R2）Ct w2 =0.7R2C其中， tw1为 VC由1/ 3VCC上升到2 /3VCC所需的时间， tw2为电容 C 放电所需的时间。（2） 达林顿三极管 tip122：4

8、）光电耦合管 光电耦合管是一个光感应器，当光通路被阻断，则电流中断，所以它可以用来对电机转数进 行监测，电机每转一圈即阻断耦合管的光路一次，从而 在光电耦合管的输出端送出一个个脉冲，提供计数器的 脉冲输入。六系统各部分电路说明 各单元的工作原理及工作过程 ,公式推导 , 参数计算 1.方波方生器NE555组成的多谐振荡器， 用它产生的方波信号带动后面的电机转 动，3 脚为输出管脚。根据 NE555组成的多谐振荡器的性质， 由vc 的波形可以求得电容 C的充电 时间T1和放电时间 T2各为T1 (R1 R2 )C Vcc VT =(R1 R2)C 2，1 2 1 1 2 Vcc VT 1 20

9、VTT2 R2C T =R2C 22 2 0 VT 2故电路的振荡周期为 T=T1 +T2 = ( R1 2R2 )C 2， 荡频率为 f= 1 = 1 .T (R1 2R2 )C 2当f=100Hz时，(R1 2R2)C =0.0144，可令C=1 f, R1 =R2 ,则可求得 R1 = R2 =4.8k .仿真的方波周期为 9.981ms，即 100.2Hz。2.脉宽调整电路节滑动变阻器 R3 的阻值，可以改变脉冲的宽度，从而实现对直流电机转速的控制。其是由 NE555组成的单稳态触发器， 当信号从 2 脚进入后，通过调根据由 NE555组成的单稳态触发器的性质， 输出脉冲的宽度 tw

10、等于暂稳态 的持续时间，而暂稳态的持续时间取决于外接电阻 R和电容 C 的大小。tw等于电容电压在充电过程中从 0 上升到 32 Vcc所需要的时间，因此得 tw=RC Vcc 0 =RC 3=1.1RCVcc (2 / 3)Vcc占空比 q= tw/T 利用上式，根据电路中所需的脉宽计算出相应的电阻电容值。 本实验中要对 100Hz的脉冲进行脉宽调整，可令C3=1 f,则对应的电阻 R36 k 即可。在此试验中电阻 R3为一个型号为 103 的电位 器，可根据直流电机的转动情况来适当的增加或减少脉宽(即调节 电位器 R3 的大小)。3. 驱动控制测向电路、转向电路此电路是用达林顿三极管驱动的

11、， 信号通过达林顿三极管， 在集电极输出， 电流被放大带动直流电机运转。利用双刀双掷开关来控制电机的转向。如下为驱动控制电路：4 .光电脉冲转换电路在直流电机的转子上接一个小纸片，以实现每当电机转动一圈时， 遮挡一次光耦的接收端， 使得光耦输出产生高电平， 加之未被遮挡时 产生的负脉冲，整个电路的输出实现了电机转动一周光耦输出一次正脉冲，其余为负脉冲。通过计时电路计 60 秒，可以实现记录每分钟 内产生正脉冲次数反映电机转速。 光耦输出后需要进行脉冲整形， 此 处我们选择了非门整形。5.计数器电路(1) 60秒计数器 该模块电路共由两部分电路组成。 计数器部分由两片 74LS161及与非 门组

12、成。由于 60 秒计数器需要到 60 秒自动停止，所以需要锁存信号。 锁存器由与非门及 74LS20组成，锁存信号 60的十位 6，即 0110，所 以高片的 Q4、Q1需要接上与非门，之后再与 Q2、Q3 接入四输入与 非门，实现当两计数器共同计到 60 秒时，产生一个低的信号给锁存 器。 1HZ时钟与锁存信号通过与非门供给计时器 CLK，通常锁存信号 为 1，与非门输出是 1HZ 时钟高低电平的反，计时器正常工作。但是 当计时器到 60 时，锁存信号变为低，与非门输出变为恒定的高，相 当于计时器的时钟被停止，计时器停止工作，实现到 60 秒，及时停 止功能。计数器时钟接到数电实验箱上的 1

13、HZ脉冲信号上， 以实现一 秒一个信号，按秒计时。由于 74LS161为十六进制的芯片，而我们需要十进制，所以每个数 位上计到 10，即 1010 时，Q2，Q4 提供一个信号经过与非门取反后 送到 1 管脚，是芯片清零，同时给高位芯片 2 管脚一个信号，计数+1。（2）电机转速计数器由三片 74LS161及 74LS00组成，方法同上。输入由经过非门整形的光耦输出 信号提供。计数器部分总电路图七系统调试1调试顺序，及具体说明八实验结果及实际连线图九附录 1芯片管脚图及功能表 （1）NE555 引脚位图 1-2 NE555 接脚图ne555 的结构图Pin 1 （接地） -地线（或共同接地 ）

14、 ，通常被连接到电路共同接地。Pin 2 （触发点） -这个脚位是触发 NE555 使其启动它的时间周期。触发信号 上缘电压须大于 2/3 VCC ，下缘须低于 1/3 VCC 。Pin 3 （输出） -当时间周期开始 555的输出脚位，移至比电源电压少 1.7 伏的 高电位。周期的结束输出回到 O 伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流 大约 200 mA 。Pin 4 （重置） -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到 一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。Pin 5 （控制） -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。 当计时器经营 在稳定或振荡的运作方式下 ,这输

15、入能用来改变或调整输出频率。Pin 6 （重置锁定） - Pin 6 重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从 1/3 VCC 电压以下移至 2/3 VCC 以上时启动这个动作。Pin 7 （放电） -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力， 当输出为 ON 时为 LOW ，对地为低阻抗，当输出为 OFF 时为 HIGH ，对地为高阻抗。Pin 8 （V +） -这是 555 个计时器 IC的正电源电压端。 供应电压的范围是 +4.5 伏特（最小值 ）至+16 伏特（最大值 ）。多谐振荡器电阻 R1 、R2 和电容 C1 构成定时电路。定时电容 C1 上的电压 UC 作为高 触发端 T

16、H（6 脚）和低触发端 TL （2 脚）的外触发电压。放电端 D（7 脚）接 在 R1 和 R2 之间。电压控制端 K（ 5 脚）不外接控制电压而接入高频干扰旁路 电容 C2（0.01uF）。直接复位端 R（4 脚）接高电平，使 NE555 处于非复位状 态。多谐振荡器的放电时间常数分别为tPH0.693 （R1+R2 ） C1tPL0.693 R2C1振荡周期 T 和振荡频率 f 分别为T=tPH+tPL0.693（R1+2R2 ）C1f=1/T1/0.693 （R1+2R2 ）C12)74LS00(2)74LS20两个 4输入与非门，内含两组 4 与非门第一组： 1,2,4,5 输入 6输出。第 2组： 9,10,12,13 输入 8 输出十收获和体会