【课设】直流电机调速

1、电子技术综合训练设计报告题目： 小功率直流电机控制器设计与制作 姓名： 温少祥 学号： 09230418 班级： 电气四班 同组成员： 张励珩、刘炜 指导教师： 日期： 摘要直流电机在对调速和启动要求较高的场合应用广泛，并且具有交流电机不具有的特性，如启动转矩大、调速方法多、调速性能好。但是，传统直流电机串电阻调速方法，即不能实现无级调速，又造成部分电能浪费等不足。本设计便是基于以上调速的缺点，利用NE555时基电路构成一个占空比可调的多谐振荡器，产生PWM波，通过电位器调节占空比，以此达到无级调节电机转速的目的，以及实现节能减排的目标。本电路设计的电路图由multisim画制，各单元电路由m

2、ultism 11仿真通过，并且各项指标符合预期设计的要求。目录1 设计任务和要求1 1.1设计任务1 1.2设计要求12 系统设计1 2.1系统要求1 2.2方案设计2 2.3系统工作原理23 单元电路设计3 3.1 电源模块设计3 3.1.1电路结构及工作原理3 3.1.2电路仿真33.1.3元器件的选择及参数确定3 3.2 pwm波形产生模块设计 4 3.2.1电路结构及工作原理 4 3.2.2电路仿真 53.2.3元器件的选择及参数确定6 3.3 H桥换向模块6 3.3.1电路结构及工作原理6 3.3.2电路仿真7 3.4测速模块7 3.4.1电路结构及工作原理8 3.4.2电路仿真9

3、4 系统仿真95 电路安装、调试与测试10 5.1电路安装10 5.2电路调试10 5.3系统功能及性能测试11 5.3.1测试方法设计115.3.2测试结果及分析126 结论127 参考文献128 心得体会 139 附录 14一、 设计任务和要求1.1 设计任务设计并制作一个小型直流电机控制器。在过程中学习课程设计的一般方法，会利用所学基本知识设计制作电路模板，掌握焊接、调试、检查实物电路的方法；进一步了解芯片7805、NE555结构与原理，以及其基本应用电路。1.2 设计要求利用7805制作一个纹波较小的直流稳压电源；利用ne555产生占空比可调的PWM波；实现电机正反转；占空比连续可调，

4、并尽可能扩大调节范围；能够测量并显示电机的转速；二、系统设计2.1系统要求 通过对设计任务和设计要求的分析可知，最终设计的系统应该有以下要求：可以通过pwm方式对电机进行调速、可以通过H桥的设计实现电机换向、有转速测试显示功能。2.2 方案设计 通过组内讨论，我们最终将系统分块成以下几个模块：电源模块、pwm波产生模块、换向模块和测速模块。系统框图如下：2.3系统工作原理系统直接从电网取220V 50Hz工频电，首先经过电源模块将其转换为可供系统工作的5V直流电。之后pwm波形产生模块通过内部电路将5V直流电转化为一个占空比可调的pwm波向电机供电，并完成电机的调速功能。装在电机两端的H桥换向

5、模块通过一开关控制pwm波的正负，从而起到对电机正反转的控制。之后的测速模块可通过传感器捕获电机转速并将之显示在显示屏上。三、单元电路的设计3.1 电源模块设计3.1.1 电路结构及工作原理如图3.1首先通过变压器把生活用电交流220V降为交流20V，其次经由四个5711构成的桥式整流电路变为幅值变化直流电，再经电容滤波变为幅值变化较小的直流电，又利用直流稳压器7805使输出为稳定的+5V，最后经电容滤波，输出纹波较小的+5V直流电压源。图3.1.13.1.2电路仿真 在multisim中接入万用表测量右侧输出电压，结果如图3.2所示。图3.1.23.1.3 元器件的选择和参数测定如设计图所示

6、电路，其中整流部分采用了由四个二极管组成的桥式整流电路。滤波电容采用一个100uF和一个0.33uF的电容器。稳压部分采用集成式稳压器7805。为了抵消线路的电感效应防止产生自激振荡，加入了接入电容c3、c4。3.2 pwm波形产生模块设计 3.2.1电路结构及工作原理 如图所示电路形式，电路利用D1,D2单向导电特性将电容器C充，放电回路分开，再加上电位器调节，变构成了占空比可调的多谐振荡器。图中，Vcc通过RA，D1向电容充电，充电的时间为：电容器C通过D2，RB及555中的BJT放电，放电时间为：因而，振荡频率为：可见，这种振荡器输出波形的占空比为：图3.2.1 3.2.2电路仿真 在m

7、ultisim中接入Vcc，在555输出端接入示波器测试。电位器调到10%时的输出波形，此波形接近直流图为电位器100%时输出波形3.2.3元器件的选择和参数测定555定时器由3个阻值为5k的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电三极管TD和缓冲反相器G4组成。虚线边沿标注的数字为管脚号。其中，1脚为接地端；2脚为低电平触发端，由此输入低电平触发脉冲；6脚为高电平触发端，由此输入高电平触发脉冲；4脚为复位端，输入负脉冲（或使其电压低于0.7V）可使555定时器直接复位；5脚为电压控制端，在此端外加电压可以改变比较器的参考电压，不用时，经0.01uF的电容接地，以防止引

8、入干扰；7脚为放电端，555定时器输出低电平时，放电晶体管TD导通，外接电容元件通过TD放电；3脚为输出端，输出高电压约低于电源电压1V3V，输出电流可达200mA，因此可直接驱动继电器、发光二极管、指示灯等；8脚为电源端，可在5V18V范围内使用。555工作过程如下：5脚经0.01uF电容接地，比较器C1和C2的比较电压为：UR1=2/3VCC、UR2=1/3VCC。当VI12/3VCC，VI21/3VCC时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器置0，G3输出高电平，放电三极管TD导通，定时器输出低电平。当VI12/3VCC，VI21/3VCC时，比较器C1输出高电平，

9、比较器C2输出高电平，基本RS触发器保持原状态不变，555定时器输出状态保持不来。当VI12/3VCC，VI21/3VCC时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器两端都被置1，G3输出低电平，放电三极管TD截止，定时器输出高电平。当VI12/3VCC，VI21/3VCC时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器置1，G3输出低电平，放电三极管TD截止，定时器输出高电平。3.3 H桥换向模块3.3.1 电路结构及工作原理如下图所示，74ls157作为一个模拟开关来使用。将555产生的pwm波信号输入2脚和6脚，此时当控制端1脚输入高电平时4脚输出pwm波

10、、当控制端输入为低电平时7脚输出pwm波。而控制端的高低电平通过一个开关和JK触发器7472N来实现。当开关输入一个低电平时，触发器改变其状态由原低电平变为高电平，同理此时再按一下开关触发器将变为低电平。右图为一个电机驱动H桥，由四个二极管、两个NPN三极管和两个PNP三极管构成。当PWM波由1端输入时，三极管Q1、Q5导通，电机两端为正向PWM波，此时电机正转。当PWM波由3端输入时，三极管Q2、Q6导通，电机两端为反向的PWM波，此时电机反转。则系统总体功能为，按一下开关电机将反向转动。图3.3.13.3.2系统仿真在multisim11中进行仿真，以下为各个占空比时换向波形：图3.3.2

11、3.4测速模块 3.4.1电路结构及工作原理图3.4.1此电路功能为按一下开关数码管开始计数一秒钟内光电传感器（图中用信号源代替）传人的高电平个数并锁存。也就相当于测出了电机一秒钟内的转速。用三个74ls161串联组成3位10进制计数器，在输出端接入三个7段显示译码管读数。下面用一个555构成一个单稳态定时电路，按下开关后将产生一个1S的高电平。将这个高电平接入161的计数使能端，则按下开关后由三个161组成的显示电路将会记录1S内输入的高电平个数。将开关的另一边接入161的清零端，则开关按下的时刻会将161之前的计数清零。这样电路便可完成上述功能。3.4.2电路仿真在multisim中进行仿

12、真： 图3.4.2四、系统仿真系统整体仿真图如下图4.1电机两端pwm波形图4.2.1下图为计数电路锁存时数码管显示图4.2.2五、电路安装测试与调试5.1电路安装电路的安装由学校统一提供万用板、电烙铁、导线等物品，电路元器件由我们按照设计要求和内容自行采购。之后用焊锡将元器件按照电路仿真图焊接在万用板上。焊接之前先在万用版上大致规划一下各个部分在万用版上所占的大小，并且按照电气规则进行规划。之后通过学习焊接技术按照规划草图将各个原件焊接在万用版上。图5.15.2电路调试进行电路板焊接时，先分块焊接，之后对各个部分进行调试。然后将各部分整体连接，之后对整体进行调试。5.3系统功能及性能测试 5

13、.3.1测试方法设计 将系统整体接好之后，将调速电位器调到最大既占空比最大状态。看电机是否能旋转，如若不能则检查之前整体电路是否有问题。若能旋转，再调节电位器看随着电位器的旋动电机转速是否有变化。如有变化则证明调速模块正常，若不正常检查调速模块以及H桥等连接是否有误。若调速模块正常，此时按下换向开关，看电机是否反转，若电机反转表示整个电路都正常，可以完成任务要求的调速、换向功能。若电机不能反转则检查换向模块和H桥电路。5.3.2测试结果及分析整体系统接电之后，将电位器调到最大占空比状态。电机可以正常旋转，调节电位器电机转速可以根据电位器的调节而改变。按下换向开关之后，电机有明显的减速而后加速过

14、程，用万用表测量其两端电压极性与之前相反，则说明电机已进行了换向。至此整个电路测试结束，可以完成题目所要求的pwm调速，换向功能。六、结论根据仿真和最终调试检测，该PWM调速换向系统可为电机提供0.645V3.84V的连续可调电压实现电机的调速功能。并可调节电机两端的电压正反向，以达到电机正反转功能。至此，整个电路已经能打到任务书所要求的基本功能。至于原本设想的电机测速模块，由于时间紧迫未能如期安装完成，希望能在之后的假期中抽时间将这部分电路安装完成。七、参考文献电子技术基础（模拟部分）第四版，康华光编，高等教育出版社电子技术基础（数字部分）第四版，康华光编，高等教育出版社模拟电子技术基础艾永

15、乐等编，中国电力出版社 2008年8月电动机控制电路应用实例何希才、姜余祥编，中国电力出版社数字逻辑电路杨文霞、孙青林编，科学出版社八、总结体会通过这次的课程设计，使我对之前学习的各门功课有了更加深刻的认识，特别是数字电路部分的电路设计和时序电路设计以及电机学中直流无刷电机。在整个的设计过程中，我主要负责电路原理设计以及一部分电路板的焊接。从开始的在multisim中找不到元件，到现在的可以基本熟练的应用multism软件来实现电路图的仿真。我学到的东西是非常多的，当然在这个过程中也遇到了许多的问题，也走了许多的弯路，但在这个发现问题，解决问题的过程中培养了我们用于面对乃至克服困难的能力。在设计初始，我们组内就方案的选择曾产生过一些分歧，但最终经过多次的讨论和仿真实验，证明现在所用的方案是最简最可靠的。在这里我要感谢我的另两名组员，如果没有他们的配合以及通力合作，到现在是否能成功的将这个做出来还不一定。这也在一定程度上锻炼了我们的合作精神。最后，因为是初次制作万用板，最后的焊接安装成品比较难看。而且之前设想的测速功能