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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
2、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 ）目 录
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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。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
8、载呈电阻性。整个电路的脉冲频率选在35千赫之间。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
9、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，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
10、还可以在高负载电流并行运行。ULN2003 采用DIP16 或SOP16 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)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
11、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。（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
12、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
13、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是借位端图上不接，为空脚。ENABLE是使能端。VSS接地，VCC
14、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
15、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
16、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：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1C10.01uSIP22C20.01uSIP23C310uRB.3/.64Q1TO
17、92BNPN5R1200欧姆AXIAL0.36R347千欧姆AXIAL0.37R447千欧姆AXIAL0.3滑动变阻器8R610千欧姆AXIAL0.39R747千欧姆AXIAL0.310R850千欧姆AXIAL0.311R910千欧姆AXIAL0.312R101千欧姆AXIAL0.313R111千欧姆AXIAL0.314S115S216U1DIP-14CD40106BE17U2DIP-16CD40192BCM18U3DIP-16CD40192BCM19U4DIP-16CD4511BCM20U5DIP-16CD4511BCM21U6SHUMAGUANDPY22U8SHUMAGUANDPY23U9DIP-855524U10OPTOPTOISO125U11SIP2CON226电源若干27接地若干28导线若干第四章：总电路原理图第五章：参考文献【1】王志刚.无刷直流电机振动特性分析与数字控制器设计【D】.河海大学，2007【2】姜树杰.直流调速系统智能控制策略研究【D】.天津大学，2005【3】孟中，张涛.机电产品控制系统设计中的IEE思想【J】光电信息，2002，（10）【4】陈涛，陈娟，陈长青.直流力拒电机低速自适应跟踪控制【J】光电工程，2003（03）【5】章跃进.旋转电机磁场计算数值解析结合法研究【D】上海大学，2005
