小功率直流电机控制器设计与制作

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

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日期：2013 年

摘要

目前，以小型电动机为中心的机电一体化技术已经获得了显著的进步，其应用领域也不断的扩展。从而对于实现直流电机的控制则显得尤其重要。对于小功率直流电动机实现其正、反转和调速的控制。通过H桥可以实现电动机的正、反转控制。通过调节PWM的占空比所产生的不同波形来实现对转速的控制。实际应用中，往往还需要对电机的转速进行测量，该模块可用光电转换模块将电机的转速间接的转换成电脉冲，然后通过计数、锁存、译码、显示等模块将其显示出来。

关键词：H桥ＰＷＭ调速转速测量

目录

1 设计任务和要求 (4)

1.1设计任务 (4)

1.2设计要求 (4)

2 系统设计 (5)

2.1系统要求 (5)

2.2方案设计 (5)

2.3系统工作原理 (5)

3 单元电路设计 (7)

3.1 电源模块 (7)

3.1.1电路结构及工作原理 (7)

3.1.2电路仿真 (7)

3.1.3元器件的选择及参数确定 (8)

3.2 PWM调速模块 (8)

3.2.1电路结构及工作原理 (8)

3.2.2电路仿真 (10)

3.2.3器件的选择及参数确定 (12)

3.3 H桥模块 (12)

3.3.1电路结构及工作原理 (12)

3.3.2电路仿真 (13)

3.3.3元器件的选择及参数确定 (13)

3.4 光电转换 (14)

3.4.1电路结构及工作原理 (14)

3.4.2元器件的选择及参数确定 (15)

3.5 测速模块 (15)

3.1.1电路结构及工作原理 (15)

3.1.2电路仿真 (7)

3.1.3元器件的选择及参数确定 (8)

4 电路仿真……………………………………………………………………?.

5 电路安装、调试与测试……………………………………………………?

5.1电路安装………………………………………………………………?

5.2电路调试………………………………………………………………?

5.3系统功能及性能测试…………………………………………………?

5.3.1测试方法设计………………………………………………………?

5.3.2测试结果及分析……………………………………………………?

6 结论…………………………………………………………………………?

7 参考文献……………………………………………………………………?

8 总结、体会和建议

附录：

电路原理图

元器件清单

一、设计任务及要求

设计并制作一个小型直流电机控制器，

基本要求如下：

1、能够实现电机的正、反转控制；

2、电机的速度能够通过PWM方式控制；

3、按照以上技术要求设计电路，绘制电路图，对设计的电路用Multisim或OrCAD/PspiceAD9.2进行仿真，用万用板焊接元器件，制作电路，完成调试、测试，撰写设计报告。

发挥部分：

1、能够测量并显示电机的转速；

2、其它恰当的功能。

二、系统设计

２.１系统要求

要求系统能够使小功率直流电机实现正、反转控制和对直流电机的无级调速控制。并能对电机的转速进行简单的测量和显示。整个系统由电源整流模块、PWM调速模块、电机正反转模块和测速模块组成。

2.2 方案设计

电源整流模块可将220V 50HZ 交流电通过降压、整流、稳压后得到。PWM 调速模块将555制作成多谐振荡器，通过改变占空比来进行调速。利用三极管构建H桥，控制电机的正、反转。对于测速模块，应用发光二极管和接收管先将转速这一物理量转换为脉冲形式的电信号，再应用计数器对采集到的脉冲数进行计数，最后进行译码显示。

2.3系统工作原理

系统方框图如图2.1

工作原理：

如图2.1所示，对交流电源通过降压、整流、稳压之后，得到直流电源，将直流电源用作PWM调制模块的输入电压，采用PWM调制原理，通过改变占空比，使PWM调制模块的输出电压平均值发生改变，将PWM模块的输出电压加在H

桥上，这样可实现对电机的控制。再在电机轴上加装转盘，在转盘上剪一个缺口，利用转盘两侧的发光二极管和接受管实现对转速信号的采集，最后译码输出并显示。

三、单元电路设计

3.1电源模块

3.1.1电路的结构及工作原理

直流电源电路原理图见图3.1

图3.1 直流电源电路原理图

如3.1图所示，首先将220V50HZ的交流电经变压器T1变为12V50Hz的交流电，再由单相桥式整流电路将12V50Hz的交流电变为12V的直流电，然后通过LM7812CT的稳压和C4的滤波将稳定的12V直流电输出。在上面的电路中，C1的作用是为了防止整个电路产生自己振荡，C2是为了减少高频信号对电路的影响，C3是为了减少低频信号对电路的影响，C4则是滤波电容。

3.1.2电路仿真

将图3.1所示的电路图经Multism仿真后的波形

图3.2 直流电源电路Multism仿真波

由图3.2可知，电源整流后的输出电压为12.557V,在误差允许的范围内，该设计满足实验所需的要求，故该设计是正确的。

3.1.3元器件的选择及参数的确定

交流电流源选择220V50Hz的工频电源，变压器选择变比为N=18的将压变压器，电容C1=40uF,C2=100nF，C3=1uF，C4=400uF。并且C1、C4均为电解电容C2、C3为普通电容。

3.2 PWM调速模块

3.2.1 电路的结构及工作原理

PWM调速原理的电路图如图3.3所示

图3.3 PWM 调速电路原理图

如图3.3所示，PWM 调速电路由555定时器接成多谐振荡器，通过改变占空比来改变输出电压的平均值，从而实现电机的调速控制。对于555定时器接成多谐振荡器，其占空比为

2

12

12R R R R q ++=

(1)

（1）式中，1R 为555定时器RST 与DIS 引脚间接入的总电阻值，2R 为555定时器DIS 与THR 引脚间接入的总电阻值，显然要改变上述多谐振荡器的占空比，可以通过调节滑动变阻器的阻值来完成。

另外，对于直流电机的调速，还可以用89C51单片机来实现，或者用AVR 单片机实现直流电机的PWM 调速控制，其优点是可对电机转速实现精准控制，但因其成本较高，且要求有较高的单片机编程基础，所以本设计未采用。

此外，我们还可以用电枢回路串电阻调速、串联二极管调速、利用三极管的电流放大作用来调速或者使用运算放大器时的电动机调速等等，但该几种调速对负载的要求比较严格，所以不宜采用。 3.2.2电路仿真

根据（1）式，改变滑动变阻器阻值，可改变输出多谐振荡器的占空比，相应的使输出电压平均值发生改变。图3.4为占空比较小时输出电压的Multism 仿

真波形，图3.5为占空比较大时输出电压的Multism仿真波形

图3.4 小占空比时输出电压的Multism仿真波形

图3.5 大占空比时输出电压的Multism仿真波形

通过图3.4和图3.5验证，PWM调速模块满足设计要求，可通过改变滑动变阻器的阻值来调节占空比从而改变输出电压的平均值。

3.2.3 元器件的选择及参数确定的

为满足设计要求且使设计成本最低，555定时器选择NE555，滑动变阻器选择最大值为200Ω

K，电容容量分别为50nF和10nF。

K的。电阻阻值为两个10Ω

由（1）式计算得，该电路的占空比调节范围约为0.512—0.957。

3.3 H桥模快

3.3.1 电路结构及工作原理

对于直流电机，通过改变流过电动机电流的方向可以实现它的正反转，而改变流过电动机电流的方向可以通过改变加在电动机两端电压的方向来实现。要在一个电路中能够随意改变电压的正负，最简单的方法是采用H桥，其电路如图3.6。

3.6 H桥电路原理图

该电路图中，电动机用10Ω电阻和1.0mH的电感来代替。为了能够直观明了的看到电动机正反转，在电路中串联了一个交流电流表，在模拟电动机的两端并连一个直流电压表。

图3.5电路工作原理：

图中采用了两个PNP型三极管和两个NPN三极管，PNP为低点频导通NPN为高电平导通。图3.6中，当开关A闭合，开关B打开时，三极管Q1、Q4导通，此时电流由Vcc流出，经三极管Q4,电机，三极管Q1回到接地处，构成闭合回路，实现电机正转；当开关A打开，开关B闭合式时，三极管Q2、Q3导通，此时电流由Vcc流出，经三极管Q3,电机，三极管Q2回到接地处，构成闭合回路,实现电机反转。

为防止开关A和B同时闭合引起短路，在实际应用图3.6电路时，可在每个三极管两侧反并联一个二极管，或者通过开关A和B之间的互锁来实现，为降低成本和制作工艺的难度，常采用开关之间的互锁来避免短路。对于功率较大的电机，可用MOS管来代替三极管。

3.3.2电路的仿真

当开关A闭合，开关B断开，电动机正转如图3.7.

图3.7 电动机正转

当开关A断开，开关B闭合，电机反转。如图 3.8.

图3.8电机反转

3.3.3 元器件的选择及参数的确定

图3.6中，三极管用于开关状态，所以应该选择功率较大，管压降较小的三极管，考虑各个因素后，选择中功率三极管8550和8050来构成H桥。小功率直流电机选择市场上最常见的4.7V无刷直流电机。为使H桥可靠工作，在控制信

号与三极管基极间串联一电阻，一般选择33Ω左右的电阻，这样既可以使三极管可靠导通，又不会使三极管管压降太高，提高了H桥的工作效率。

3.4 光电转换模块

3.4.1 电路的工作原理及结构

电机转速为一物理量，不能直接用于电路处理，需转换为电信号。整个光电转换装置由信号采集和信号处理两部分组成。电路结构如图3.10

3.9 光电转换原理图

工作原理：

图3.9中，在电机轴上装一圆形转盘，在转盘上去掉一部分（如图3.10），相当于图3.9中的档板。发光二极管发出红外线，当光透过档板上的缺口照到接收管上时，在接收管所在电路回路中将产生高电平的脉冲信号；当光被挡板遮住时，再接收管所在的回路将产生低电平的脉冲信号。

3.10 挡板

3.4.2 元器件的选择及参数的确定

发光二极管和接受管选择额定电压都为5V，为保证发光二极管和接收管可

靠工作，需在回路中串联电阻起保护作用，选择电阻阻值一般为1

K即可满足要求。

3.5测速模块

3.5.1 总的电路结构及原理

1.设计思路

电机转速指单位时间内电机转过的圈数，因此可制作一单位时钟脉冲，再用计数器对一分钟内电机转速进行计数，最后通过锁存器进行锁存并加译码显示输出。整个测速模块由秒脉冲产生电路，60进制计时电路，转速脉冲计数电路，锁存电路，显示电路等模块构成。整个测速电路的测速范围为00～99。整体电路结构框架图如图3.11

图3.11 测速电路结构框架图

3.5.2部分电路的原理及结构

（1）秒脉冲产生电路

①设计思路

产生1s的脉冲，可用石英晶体或555定时器实现。其中，石英晶体具有产生的脉冲准确度高，制作方便等特点，但石英晶体价格昂贵，不宜采用。用555定时器，其制作工艺简单，价格低廉，且产生的脉冲能满足该设计，所以采用555定时器。

②电路结构及工作原理

用555定时器结成的秒脉冲产生电路原理图如图3.12

3.12秒脉冲产生原理图

工作原理：

对于图3.13所示秒脉冲产生电路，其产生的脉冲周期计算公式为 T=（R1+2R2)Cln2（2）

当R

1=

2

R=500Ω，C=1uF时，产生脉冲的周期由（2式）计算得

T=（R1+2R2)Cln2=1500*1*10-6*ln2=1.42s

计算值1.42s与理论值1s相差0.42s，对于实际电路，该值符合设计要求。

③电路仿真

对图3.12电路进行仿真，其仿真波形如图3.13

（2）60进制计时电路

①设计思路

制作60进制计数器，当脉冲数到59时，用于产生输出信号作为控制信号对锁存译码电路进行锁存并使显示电路显示输出。当脉冲数到60时，用计数器的进位输出信号使脉冲计数电路清零。对于60进制计数器，可用若干与非门和两片74LS160或两片74LS161以串行连接方式来实现，但考虑到74LS160价格比较昂贵，这样使得整个电路的设计成本变高，因此选择使用74LS161芯片。对于60进制计数器，可采用大模分解法来完成，10

M⨯

=,所以可将低位的

M

60M

6

74LS161连成十进制的计数器，高位的74LS161连成6进制的计数器，最后用串行连接方式连接起来。

②电路结构及工作原理

用74LS161连接的60进制计数器电路原理图如图3.13

3.13秒脉冲原理图

如图3.13，两片74LS161均采用异步清零法来实现相应进制计数器的制作。

③电路仿真

用multism对图3.13电路进行仿真，仿真结果如图3.14。

3.15 秒脉冲计数

通过图3.16，设计的计数器显示的计数范围为00～59，总共60种状态，所以设计符合要求，设计成功。

（3）转速脉冲计数电路

①设计思路

电机每转过一圈，光电转换装置采集到的脉冲改变一次，通过计数脉冲个数，可间接反应电机转速。因此需要一计数器对采集到的脉冲数进行计数。由于测速范围为00～99，所以可用一个100进制计数器进行脉冲数的计数。100进制计数器可由两片74LS161来完成。

②电路结构及工作原理

3.16计数原理图

图3.16用异步清零法将两片74LS161用与非门分别结成10进制计数器，最后用串行连接方式对两片计数器进行连接。

③电路仿真

用multism对图3.16电路进行仿真，仿真结果如图3.17。

3.17计数

（4）锁存电路

①设计思路

为使计数所得脉冲数能够显示，需对脉冲数进行锁存。常见的锁存电路有触发器和74LS194芯片。若采用触发器，会使电路结构比较复杂，不易制作，因此采用74LS194芯片对电路进行锁存。

②电路结构及工作原理

用两片74LS194对转速脉冲计数电路输出信号进行锁存，每59s锁存一次，电路原理图如图 3.18。

3.18锁存原理图

③电路仿真

图3.18multism仿真图如图3.19所示

3.19锁存的仿真图

（1）经multism仿真，锁存电路满足要求，在60s内能够对脉冲计数电路计数所得的脉冲数进行锁存，所以设计合理。

（5）译码显示输出电路

为使脉冲数能够译码显示输出，需对输出信号进行译码，再通过数码显示管显示输出。译码显示电路原理图如图3.20。