【課設(shè)】直流電機(jī)調(diào)速

1、電子技術(shù)綜合訓(xùn)練設(shè)計(jì)報(bào)告題目： 小功率直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)與制作 姓名： 溫少祥 學(xué)號(hào)： 09230418 班級(jí)： 電氣四班 同組成員： 張勵(lì)珩、劉煒 指導(dǎo)教師： 日期： 摘要直流電機(jī)在對(duì)調(diào)速和啟動(dòng)要求較高的場(chǎng)合應(yīng)用廣泛，并且具有交流電機(jī)不具有的特性，如啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速方法多、調(diào)速性能好。但是，傳統(tǒng)直流電機(jī)串電阻調(diào)速方法，即不能實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，又造成部分電能浪費(fèi)等不足。本設(shè)計(jì)便是基于以上調(diào)速的缺點(diǎn)，利用NE555時(shí)基電路構(gòu)成一個(gè)占空比可調(diào)的多諧振蕩器，產(chǎn)生PWM波，通過電位器調(diào)節(jié)占空比，以此達(dá)到無級(jí)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，以及實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。本電路設(shè)計(jì)的電路圖由multisim畫制，各單元電路由m

2、ultism 11仿真通過，并且各項(xiàng)指標(biāo)符合預(yù)期設(shè)計(jì)的要求。目錄1 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求1 1.1設(shè)計(jì)任務(wù)1 1.2設(shè)計(jì)要求12 系統(tǒng)設(shè)計(jì)1 2.1系統(tǒng)要求1 2.2方案設(shè)計(jì)2 2.3系統(tǒng)工作原理23 單元電路設(shè)計(jì)3 3.1 電源模塊設(shè)計(jì)3 3.1.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理3 3.1.2電路仿真33.1.3元器件的選擇及參數(shù)確定3 3.2 pwm波形產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì) 4 3.2.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理 4 3.2.2電路仿真 53.2.3元器件的選擇及參數(shù)確定6 3.3 H橋換向模塊6 3.3.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理6 3.3.2電路仿真7 3.4測(cè)速模塊7 3.4.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理8 3.4.2電路仿真9

3、4 系統(tǒng)仿真95 電路安裝、調(diào)試與測(cè)試10 5.1電路安裝10 5.2電路調(diào)試10 5.3系統(tǒng)功能及性能測(cè)試11 5.3.1測(cè)試方法設(shè)計(jì)115.3.2測(cè)試結(jié)果及分析126 結(jié)論127 參考文獻(xiàn)128 心得體會(huì) 139 附錄 14一、 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)小型直流電機(jī)控制器。在過程中學(xué)習(xí)課程設(shè)計(jì)的一般方法，會(huì)利用所學(xué)基本知識(shí)設(shè)計(jì)制作電路模板，掌握焊接、調(diào)試、檢查實(shí)物電路的方法；進(jìn)一步了解芯片7805、NE555結(jié)構(gòu)與原理，以及其基本應(yīng)用電路。1.2 設(shè)計(jì)要求利用7805制作一個(gè)紋波較小的直流穩(wěn)壓電源；利用ne555產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM波；實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)；占空比連續(xù)可調(diào)，

4、并盡可能擴(kuò)大調(diào)節(jié)范圍；能夠測(cè)量并顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速；二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)要求 通過對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)要求的分析可知，最終設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)該有以下要求：可以通過pwm方式對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速、可以通過H橋的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電機(jī)換向、有轉(zhuǎn)速測(cè)試顯示功能。2.2 方案設(shè)計(jì) 通過組內(nèi)討論，我們最終將系統(tǒng)分塊成以下幾個(gè)模塊：電源模塊、pwm波產(chǎn)生模塊、換向模塊和測(cè)速模塊。系統(tǒng)框圖如下：2.3系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)直接從電網(wǎng)取220V 50Hz工頻電，首先經(jīng)過電源模塊將其轉(zhuǎn)換為可供系統(tǒng)工作的5V直流電。之后pwm波形產(chǎn)生模塊通過內(nèi)部電路將5V直流電轉(zhuǎn)化為一個(gè)占空比可調(diào)的pwm波向電機(jī)供電，并完成電機(jī)的調(diào)速功能。裝在電機(jī)兩端的H橋換向

5、模塊通過一開關(guān)控制pwm波的正負(fù)，從而起到對(duì)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制。之后的測(cè)速模塊可通過傳感器捕獲電機(jī)轉(zhuǎn)速并將之顯示在顯示屏上。三、單元電路的設(shè)計(jì)3.1 電源模塊設(shè)計(jì)3.1.1 電路結(jié)構(gòu)及工作原理如圖3.1首先通過變壓器把生活用電交流220V降為交流20V，其次經(jīng)由四個(gè)5711構(gòu)成的橋式整流電路變?yōu)榉底兓绷麟姡俳?jīng)電容濾波變?yōu)榉底兓^小的直流電，又利用直流穩(wěn)壓器7805使輸出為穩(wěn)定的+5V，最后經(jīng)電容濾波，輸出紋波較小的+5V直流電壓源。圖3.1.13.1.2電路仿真 在multisim中接入萬用表測(cè)量右側(cè)輸出電壓，結(jié)果如圖3.2所示。圖3.1.23.1.3 元器件的選擇和參數(shù)測(cè)定如設(shè)計(jì)圖所示

6、電路，其中整流部分采用了由四個(gè)二極管組成的橋式整流電路。濾波電容采用一個(gè)100uF和一個(gè)0.33uF的電容器。穩(wěn)壓部分采用集成式穩(wěn)壓器7805。為了抵消線路的電感效應(yīng)防止產(chǎn)生自激振蕩，加入了接入電容c3、c4。3.2 pwm波形產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì) 3.2.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理 如圖所示電路形式，電路利用D1,D2單向?qū)щ娞匦詫㈦娙萜鰿充，放電回路分開，再加上電位器調(diào)節(jié)，變構(gòu)成了占空比可調(diào)的多諧振蕩器。圖中，Vcc通過RA，D1向電容充電，充電的時(shí)間為：電容器C通過D2，RB及555中的BJT放電，放電時(shí)間為：因而，振蕩頻率為：可見，這種振蕩器輸出波形的占空比為：圖3.2.1 3.2.2電路仿真 在m

7、ultisim中接入Vcc，在555輸出端接入示波器測(cè)試。電位器調(diào)到10%時(shí)的輸出波形，此波形接近直流圖為電位器100%時(shí)輸出波形3.2.3元器件的選擇和參數(shù)測(cè)定555定時(shí)器由3個(gè)阻值為5k的電阻組成的分壓器、兩個(gè)電壓比較器C1和C2、基本RS觸發(fā)器、放電三極管TD和緩沖反相器G4組成。虛線邊沿標(biāo)注的數(shù)字為管腳號(hào)。其中，1腳為接地端；2腳為低電平觸發(fā)端，由此輸入低電平觸發(fā)脈沖；6腳為高電平觸發(fā)端，由此輸入高電平觸發(fā)脈沖；4腳為復(fù)位端，輸入負(fù)脈沖（或使其電壓低于0.7V）可使555定時(shí)器直接復(fù)位；5腳為電壓控制端，在此端外加電壓可以改變比較器的參考電壓，不用時(shí)，經(jīng)0.01uF的電容接地，以防止引

8、入干擾；7腳為放電端，555定時(shí)器輸出低電平時(shí)，放電晶體管TD導(dǎo)通，外接電容元件通過TD放電；3腳為輸出端，輸出高電壓約低于電源電壓1V3V，輸出電流可達(dá)200mA，因此可直接驅(qū)動(dòng)繼電器、發(fā)光二極管、指示燈等；8腳為電源端，可在5V18V范圍內(nèi)使用。555工作過程如下：5腳經(jīng)0.01uF電容接地，比較器C1和C2的比較電壓為：UR1=2/3VCC、UR2=1/3VCC。當(dāng)VI12/3VCC，VI21/3VCC時(shí)，比較器C1輸出低電平，比較器C2輸出高電平，基本RS觸發(fā)器置0，G3輸出高電平，放電三極管TD導(dǎo)通，定時(shí)器輸出低電平。當(dāng)VI12/3VCC，VI21/3VCC時(shí)，比較器C1輸出高電平，

9、比較器C2輸出高電平，基本RS觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變，555定時(shí)器輸出狀態(tài)保持不來。當(dāng)VI12/3VCC，VI21/3VCC時(shí)，比較器C1輸出低電平，比較器C2輸出低電平，基本RS觸發(fā)器兩端都被置1，G3輸出低電平，放電三極管TD截止，定時(shí)器輸出高電平。當(dāng)VI12/3VCC，VI21/3VCC時(shí)，比較器C1輸出高電平，比較器C2輸出低電平，基本RS觸發(fā)器置1，G3輸出低電平，放電三極管TD截止，定時(shí)器輸出高電平。3.3 H橋換向模塊3.3.1 電路結(jié)構(gòu)及工作原理如下圖所示，74ls157作為一個(gè)模擬開關(guān)來使用。將555產(chǎn)生的pwm波信號(hào)輸入2腳和6腳，此時(shí)當(dāng)控制端1腳輸入高電平時(shí)4腳輸出pwm波

10、、當(dāng)控制端輸入為低電平時(shí)7腳輸出pwm波。而控制端的高低電平通過一個(gè)開關(guān)和JK觸發(fā)器7472N來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)開關(guān)輸入一個(gè)低電平時(shí)，觸發(fā)器改變其狀態(tài)由原低電平變?yōu)楦唠娖剑泶藭r(shí)再按一下開關(guān)觸發(fā)器將變?yōu)榈碗娖?。右圖為一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)H橋，由四個(gè)二極管、兩個(gè)NPN三極管和兩個(gè)PNP三極管構(gòu)成。當(dāng)PWM波由1端輸入時(shí)，三極管Q1、Q5導(dǎo)通，電機(jī)兩端為正向PWM波，此時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)PWM波由3端輸入時(shí)，三極管Q2、Q6導(dǎo)通，電機(jī)兩端為反向的PWM波，此時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。則系統(tǒng)總體功能為，按一下開關(guān)電機(jī)將反向轉(zhuǎn)動(dòng)。圖3.3.13.3.2系統(tǒng)仿真在multisim11中進(jìn)行仿真，以下為各個(gè)占空比時(shí)換向波形：圖3.3.2

11、3.4測(cè)速模塊 3.4.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理圖3.4.1此電路功能為按一下開關(guān)數(shù)碼管開始計(jì)數(shù)一秒鐘內(nèi)光電傳感器（圖中用信號(hào)源代替）傳人的高電平個(gè)數(shù)并鎖存。也就相當(dāng)于測(cè)出了電機(jī)一秒鐘內(nèi)的轉(zhuǎn)速。用三個(gè)74ls161串聯(lián)組成3位10進(jìn)制計(jì)數(shù)器，在輸出端接入三個(gè)7段顯示譯碼管讀數(shù)。下面用一個(gè)555構(gòu)成一個(gè)單穩(wěn)態(tài)定時(shí)電路，按下開關(guān)后將產(chǎn)生一個(gè)1S的高電平。將這個(gè)高電平接入161的計(jì)數(shù)使能端，則按下開關(guān)后由三個(gè)161組成的顯示電路將會(huì)記錄1S內(nèi)輸入的高電平個(gè)數(shù)。將開關(guān)的另一邊接入161的清零端，則開關(guān)按下的時(shí)刻會(huì)將161之前的計(jì)數(shù)清零。這樣電路便可完成上述功能。3.4.2電路仿真在multisim中進(jìn)行仿

12、真： 圖3.4.2四、系統(tǒng)仿真系統(tǒng)整體仿真圖如下圖4.1電機(jī)兩端pwm波形圖4.2.1下圖為計(jì)數(shù)電路鎖存時(shí)數(shù)碼管顯示圖4.2.2五、電路安裝測(cè)試與調(diào)試5.1電路安裝電路的安裝由學(xué)校統(tǒng)一提供萬用板、電烙鐵、導(dǎo)線等物品，電路元器件由我們按照設(shè)計(jì)要求和內(nèi)容自行采購(gòu)。之后用焊錫將元器件按照電路仿真圖焊接在萬用板上。焊接之前先在萬用版上大致規(guī)劃一下各個(gè)部分在萬用版上所占的大小，并且按照電氣規(guī)則進(jìn)行規(guī)劃。之后通過學(xué)習(xí)焊接技術(shù)按照規(guī)劃草圖將各個(gè)原件焊接在萬用版上。圖5.15.2電路調(diào)試進(jìn)行電路板焊接時(shí)，先分塊焊接，之后對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行調(diào)試。然后將各部分整體連接，之后對(duì)整體進(jìn)行調(diào)試。5.3系統(tǒng)功能及性能測(cè)試 5

13、.3.1測(cè)試方法設(shè)計(jì) 將系統(tǒng)整體接好之后，將調(diào)速電位器調(diào)到最大既占空比最大狀態(tài)。看電機(jī)是否能旋轉(zhuǎn)，如若不能則檢查之前整體電路是否有問題。若能旋轉(zhuǎn)，再調(diào)節(jié)電位器看隨著電位器的旋動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速是否有變化。如有變化則證明調(diào)速模塊正常，若不正常檢查調(diào)速模塊以及H橋等連接是否有誤。若調(diào)速模塊正常，此時(shí)按下?lián)Q向開關(guān)，看電機(jī)是否反轉(zhuǎn)，若電機(jī)反轉(zhuǎn)表示整個(gè)電路都正常，可以完成任務(wù)要求的調(diào)速、換向功能。若電機(jī)不能反轉(zhuǎn)則檢查換向模塊和H橋電路。5.3.2測(cè)試結(jié)果及分析整體系統(tǒng)接電之后，將電位器調(diào)到最大占空比狀態(tài)。電機(jī)可以正常旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)電位器電機(jī)轉(zhuǎn)速可以根據(jù)電位器的調(diào)節(jié)而改變。按下?lián)Q向開關(guān)之后，電機(jī)有明顯的減速而后加速過

14、程，用萬用表測(cè)量其兩端電壓極性與之前相反，則說明電機(jī)已進(jìn)行了換向。至此整個(gè)電路測(cè)試結(jié)束，可以完成題目所要求的pwm調(diào)速，換向功能。六、結(jié)論根據(jù)仿真和最終調(diào)試檢測(cè)，該P(yáng)WM調(diào)速換向系統(tǒng)可為電機(jī)提供0.645V3.84V的連續(xù)可調(diào)電壓實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速功能。并可調(diào)節(jié)電機(jī)兩端的電壓正反向，以達(dá)到電機(jī)正反轉(zhuǎn)功能。至此，整個(gè)電路已經(jīng)能打到任務(wù)書所要求的基本功能。至于原本設(shè)想的電機(jī)測(cè)速模塊，由于時(shí)間緊迫未能如期安裝完成，希望能在之后的假期中抽時(shí)間將這部分電路安裝完成。七、參考文獻(xiàn)電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）第四版，康華光編，高等教育出版社電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）第四版，康華光編，高等教育出版社模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)艾永

15、樂等編，中國(guó)電力出版社 2008年8月電動(dòng)機(jī)控制電路應(yīng)用實(shí)例何希才、姜余祥編，中國(guó)電力出版社數(shù)字邏輯電路楊文霞、孫青林編，科學(xué)出版社八、總結(jié)體會(huì)通過這次的課程設(shè)計(jì)，使我對(duì)之前學(xué)習(xí)的各門功課有了更加深刻的認(rèn)識(shí)，特別是數(shù)字電路部分的電路設(shè)計(jì)和時(shí)序電路設(shè)計(jì)以及電機(jī)學(xué)中直流無刷電機(jī)。在整個(gè)的設(shè)計(jì)過程中，我主要負(fù)責(zé)電路原理設(shè)計(jì)以及一部分電路板的焊接。從開始的在multisim中找不到元件，到現(xiàn)在的可以基本熟練的應(yīng)用multism軟件來實(shí)現(xiàn)電路圖的仿真。我學(xué)到的東西是非常多的，當(dāng)然在這個(gè)過程中也遇到了許多的問題，也走了許多的彎路，但在這個(gè)發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的過程中培養(yǎng)了我們用于面對(duì)乃至克服困難的能力。在設(shè)計(jì)初始，我們組內(nèi)就方案的選擇曾產(chǎn)生過一些分歧，但最終經(jīng)過多次的討論和仿真實(shí)驗(yàn)，證明現(xiàn)在所用的方案是最簡(jiǎn)最可靠的。在這里我要感謝我的另兩名組員，如果沒有他們的配合以及通力合作，到現(xiàn)在是否能成功的將這個(gè)做出來還不一定。這也在一定程度上鍛煉了我們的合作精神。最后，因?yàn)槭浅醮沃谱魅f用板，最后的焊接安裝成品比較難看。而且之前設(shè)想的測(cè)速功能