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电气电子毕业设计论文
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毕业设计39直流电机调速测速电路设计,电气电子毕业设计论文
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电 力 电 子 及 电 机 拖 动 课 程 设 计 1 直流电机调速测速电路设计 The direct current machine velocity modulation measures the fast circuit design 摘要及关键词 (Abstract and Keywords) 摘要 (Abstract ) 本次课程设计主要在基于所学专业基础知识的前提上 ， 充分结合本专业的光电子特色 ， 利用所学的 电力电子、电机拖动、 数模电知识 ,设计一直流电机的调速测速方案 。 实现 课题所的以下要求： 1、实现直流电机的驱动以及正反转调速，再利用光电隔离器件以及 BCD 计算器实现直流电机测速模块电路。 2、输出电流和电压范围要大，电路能驱动大功率的电机。 3、功率电路对其输出应有良好的信号隔离，防止有高电压大电流进入主控电路，这可以用高的输入主抗或者光电耦合器实现隔离。 4、电机驱动电路应该尽可能做到，无论加上何种控制信号，何种无源负载，电路都是安全的。 5、电机需要双向转动，使用由 4 个功率元件组成的 H 桥电路。 关键词 (Keywords) 调速电路（ Speed Circuit ） 测速电路（ Gun circuit） 光电隔离器件（ Optoelectronic devices isolation ） BCD 计算器（ BCD Calculator ） 输入主抗 （ Main import） 光电耦合器（ Optocoupler） H 桥电路（ H-bridge circuit ） nts电 力 电 子 及 电 机 拖 动 课 程 设 计 2 目 录 第一章： 电机调速模块电路 1.1直流电机驱动电路的设计目标 1.2 元器件选择及参数计算 第二章： 电机测 速模块电路 第三章： 总的电路模块及功能分析 第四章：总电路原理图 第五章：参考文献 nts电 力 电 子 及 电 机 拖 动 课 程 设 计 3 第一章 ： 电机调速模块电路 我们的设计思路 是 利用 555 构成多谐振荡器 先产生占空比可调的方波 (其实方法可以利用单片机产生 PWM方波 )+4功率器件构成的 H桥电路，用以驱动直流电机转动。 当然还许多驱动方案 ,比如三极管 -电阻作栅极驱动 低压驱动电路的简易栅极驱动，还有可以直接用个 MCU产生 PWM外加一个 MOS管驱动也可以。 1.1、 直流电机驱动电路的设计目标 在直流电机驱动电路的设计中，主要考虑一下几点： 1、 功能：电机是单向还是双向转动？需不需要调速？对于单向的电机驱动，只要用一个大功率三极管或场效应管或继电器直接带动电机即可，当电机需要双向转动时，可以使用由 4个功率元件组成的 H桥电路或者使用一个双刀双掷的继电器。如果不需要调速，只要使用继电器即可；但如果需要调速，可以使用三极管，场效应 管等开关元件实现 PWM（脉冲宽度调制）调速。 2、 性能：对于 PWM 调速的电机驱动电路，主要有以下性能指标。 1）输出电流和电压范围，它决定着电路能驱动多大功率的电机。 2）效率，高的效率不仅意味着节省电源，也会减少驱动电路的发热。要提高电路的效率，可以从保证功率器件的开关工作状态和防止共态导通（ H 桥或推挽电路可能出现的一个问题，即两个功率器件同时导通使电源短路）入手。 3）对控制输入端的影响。功率电路对其输入端应有良好的信号隔离，防止有高电压大电流进入主控电路，这可以用高的输入阻抗或者光电耦合器实现隔离。 4）对电源的影响。共态导通可以引起电源电压的瞬间下降造成高频电源污染；大的电流可能导致地线电位浮动。 5）可靠性。电机驱动电路应该尽可能做到，无论加上何种控制信号，何种无源负载，电路都是安全的。 根据课题任务书的任务和要求 我们采用 555多谐振荡器产生一占空比可调的方波 +4功率器件构成的 H桥来驱动直流电机 .电路图如下 : 1.2、 元器件选择及参数计算 555多谐振荡器 nts电 力 电 子 及 电 机 拖 动 课 程 设 计 4 555 电路在应用和工作方式上一般可归纳为 3 类。每类工作方式又有很多个不同的电路。在实际应用中，除了单一品种的电路外，还可组合出很多不同电路，如：多个单稳、多个双稳、单稳和无稳，双稳和无稳的组合等。无稳电路就是多谐振荡电路，是 555 电路中应用最广的一类。电路的变化形式也最多。为简单起见，也把它分为三种。 第一种（见图 1）是直接反馈型，振荡电阻是连在输出端 VO的。 第二种（见图 2）是间接反馈型，振荡电阻是连在电源 VCC 上的。其中第 1个单元电路（ 3.2.1）是应用最广的。第 2个单元电路（ 3.2.2）是方波振荡电路。第 3、 4 个单元电路都是占空比可调的脉冲振荡电路，功能相同而电路结构略有不同，因此分别以 3.2.3a 和 3.2.3b的代号。 第三种 (见图 3)是压控振荡器。由于电路变化形式很复杂，为简单起见，只分成最简单的形式（ 3.3.1）和带辅助器件的 (3.3.2)两个单元。图中举了两个应用实例。 nts电 力 电 子 及 电 机 拖 动 课 程 设 计 5 555应用在 该 直流电机调速控制电路 这是一个占空比可调的脉冲振荡器。电机 M是用它的输出脉冲驱动的，脉冲占空比越大，电机电驱电流就越小，转速减慢；脉冲占空比越小，电机电驱电流就越大，转速加快。因此调节电位器 RP的数值可以调整电机的速度。如电极电驱电流不大于 200mA 时，可用 CB555直接驱动；如电流大于 200mA，应增加驱动级和功放级。 图中 VD3是续流二极管。在 功放管截止期间为电驱电流提供通路，既保证电驱电流的连续性，又防止电驱线圈的自感反电动势损坏功放管。电容 C2和电阻R3是补偿网络，它可使负载呈电阻性。整个电路的脉冲频率选在 3 5千赫之间。频率太低电机会抖动，太高时因占空比范围小使电机调速范围减小。 Uln2003 芯片 概述与特点 ： ULN2003 是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅 NPN 达林顿管组成。 且 Uln2003 芯片是 16 脚七路电机驱动芯片，这块芯片在这里可以看作是七非门芯片，作用是保证 10 脚和 14 脚的输出 SINGLE1 和 SINGLE2 的输出为一 高一低。芯片中的二极管起到分流的作用。电路图的右部分的作用是通过调节电机的正转与反转来调节电机的转速，当 SINGLE1 为高 SINGLE2 为低时，三极管 Q2,Q3,Q5导通， Q1,Q4,Q6 截止，电机 1 端通过 Q5 接地， Vcc 通过 Q2 直接押在电机 2 端，此时电机 2 端电位高于 1 端，电机反转；当 SINGLE1 为低 SINGLE2 为高时，nts电 力 电 子 及 电 机 拖 动 课 程 设 计 6 电机正转。当某一时刻占空比大于 50时，电机呈现正转加速或是反转减速状态；某一时刻占空比小于 50时，电机呈现正转减速或是反转加速状态。电机就是通过矩形波占空比的不同来调节转速的，电机 呈现出来的转速是平均速度。 ULN2003电路的特点如下： ULN2003 的每一对达林顿都串联一个 2.7K 的基极电阻 ,在 5V 的工作电压下它能与 TTL 和 CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。 ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达 500mA，并且能够在关态时承受 50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。 ULN2003 采用 DIP 16 或 SOP 16 塑料封装。 方框 原理 图 ULN2003元件实物图： 极限值 (若无其它规定， Tamb=25 ) nts电 力 电 子 及 电 机 拖 动 课 程 设 计 7 电特性（若无其它规定 , Tamb=25） 1.3、 电机调速模块的电路图功能分析 555 通过可调电阻可以实现占空比可调的方波，即组成占空比可调的多谐振荡器。 多谐振荡器实现占空比可调的方波的功能分析： 电源接通瞬间，电容 C2 上的初始电压为 0，施密特触发器输出电压为 U 为高电平，与此同时由于集电极开路输出端（ 7 脚）对地断开，电源通过 R5、 R7开始对电容 C 充电，电路进入暂稳态 I 状态。此后电路按下列四个阶段周而复始地循环，产生周期性的输出脉冲。 （ 1） 暂稳态 I 阶段， VCC 通过 R5。 R7 向电容 C 充电， 电容 C 的电压 Uc 按指数上升，在 UC 高于 2/3VCC 之前，定时器暂时维持 1的状态，输出为高电位。 （ 2） 翻转 I 阶段，电容 C 继续充电，当 Uc 高于 2/3VCC 后，定时器翻转为 0的状态，输出为低电位。此时，集电极开路输出端（ 7 脚）由对地断开变为导通。 nts电 力 电 子 及 电 机 拖 动 课 程 设 计 8 （ 3） 暂稳态 II 阶段，电容 C 开始经历 R7、 R6 对地（ 7 脚）放电， Uc 按照指数下降，在 Uc 低于 1/3VCC 之前，定时器依然维持 0的状态。输出为低电位。 （ 4） 翻转 II 阶段，电容 C 继续放电，当 Uc 低于 1/3VCC 后，定时器翻转为 1状态，输出为高电位。此时， 集电极开路输出端（ 7 脚）由对地导通变为对地断开。此后，振荡器又回复到暂稳态 I 状态。 （ 5） 可以通过调节 R6 的大小来调节定时器输出方波的占空比。 （ 6）震荡周期的确定： 根据 uc(t)的波形图可以确定振荡周期， T=T1+T2 先求 T1， T1 对应充电，时间常数 1=(RA+RB)C，初始值为 uc(0)= VCC/3，无穷大值 uc()=VCC，当 t= T1 时， uc(T1)=2 VCC/3，代入过渡过程公式，可得 T1=ln2(RA+RB)C0。 7(RA+RB)C 求 T2， T2 对应放电，时间常数 2=RBC，初始值为 uc(0)=2 VCC/3，无穷大值 uc() =0V，当 t= T2 时， uc(T2)= VCC/3，代入过渡过程公式，可得 T2=ln2RBC0。7RBC 振荡周期 T= T1+T20。 693(RA+2RB)C 第二章 ： 电机测速模块电路 我们的设计 要求 是利用光电隔离器件以及 BCD 计数器实现直流电机测速模块电路 .利用电机转动时带动纸片遮挡光耦 ,使其发光二极管发出的红外光被其中的光敏三极管所接收 ,通过 BCD 计数器最后将在单位时间 内转动的转数给显示出来 . 电路图如下 : 2.1电机测速模块整个电路以及其他功能分析 芯片功能分析 CD40192： 可预置 BCD 加 /减计数器 (双时钟 ) NSCTI/J1J2J3J4 是可以预设数字的输入，Q1Q2Q3Q4 是加减计数的输出。 C0 是进位端接高位的 UP（加计数器）。 BO 是nts电 力 电 子 及 电 机 拖 动 课 程 设 计 9 借 位端图上不接，为空脚。 ENABLE 是使能端。 VSS 接地， VCC 接电源。 DOWN是减计数器。 CD4511 BCD 锁存、 7 段译码 ,驱动器 ： /A、 B、 C、 D 分别接 BCD 加减计数器的输出端，锁存数字。再 7 段译码将其输出到数码管。 CD40106 六施密特触发器 ： NSCTI /输入信号为 A，输出信号为 A 反，对输入的脉冲进行整形并取反，使高位计数器的加计数能够计数。 施密特触发器 ： 它是一种特殊的门电路，与普通的门电路不同，施密特触发器有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压和负向阈值电压。在输入信号从低电 平上升到高电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电压（ ），在输入信号从高电平下降到低电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为负向阈值电压（ ）。正向阈值电压与负向阈值电压之差称为回差电压（ ）。普通门电路的电压传输特性曲线是单调的，施密特触发器的电压传输特性曲线则是滞回的 图 2.1.1(a)(b)。 图 2.1.1 用 CMOS反相器构成的施密特触发器 （ a）电路 （ b）图形符号 图 2.1.2 图 2.1.1电路的电压传输特性 （ a）同相输出 （ b）反相输出 nts电 力 电 子 及 电 机 拖 动 课 程 设 计 10 用普通的门电路可以构成施密特触发器 图 2.1.1。因为 CMOS 门的输入电阻很 高，所以 的输入端可以近似的看成开路。把叠加原理应用到 和 构成的串联电路上，我们可以推导出这个电路的 正向阈值电压 和 负向阈值电压 。当时， 。当 从 0逐渐上升到 时， 从 0上升到 ，电路的状态将发生变化。我们考虑电路状态即将发生变化那一时刻的情况。因为此时电路状态尚未发生变化，所以 仍然为 0， ，于是，。与此类似，当 时， 。当 从 逐渐下降到时， 从 下降到 ，电路的状态将发生变化。我们考虑电路状态即将发生变化那一时刻的情况。因为此时电路状态尚未发生变化，所以 仍然为， ，于是，。通过调节 或 ，可以调节 正向阈值电压 和 反向阈值电压 。不过，这个电路有一个约束条件，就是 。如果 ，那么，我们有及 ，这说明，即使 上升到 或下降到 0，电路的状态也不会发生变化，电路处于“自锁状态”，不能正常工作。 下图是 用施密特触发器实现波形变换 波形图： nts电 力 电 子 及 电 机 拖 动 课 程 设 计 11 第三章 ： 总的电路模块及功能分析 元器件列表： 序号 名称 大小 单位 封装外型 备注 1 C1 0.01 u SIP2 2 C2 0.01 u SIP2 3 C3 10 u RB.3/.6 4 Q1 TO92B NPN 5 R1 200 欧姆 AXIAL0.3 6 R3 47 千欧姆 AXIAL0.3 7 R4 47 千欧姆 AXIAL0.3 滑动变阻器 8 R6 10 千欧姆 AXIAL0.3 9 R7
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