直流電機(jī)測速綜述

1、北京工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計報告數(shù)電課設(shè)題目） 直流電機(jī)測速班級：130242學(xué)號：13024212姓名：王栩暉組號：192015一設(shè)計技術(shù)指標(biāo)及設(shè)計要求（一）設(shè)計任務(wù) 設(shè)計一個能對直流電機(jī)運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)速和測速的電路。（二）基本要求 設(shè)計一個脈寬調(diào)速電路，實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。利用光電脈沖轉(zhuǎn)換、 整形、門控電路和計數(shù)電路測出直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速， 并顯示在數(shù)碼管上。 要求轉(zhuǎn)速 300 轉(zhuǎn)/ 分以下，越低越好。（三）擴(kuò)展要求 在完成基本要求的基礎(chǔ)上加光耦脈沖計數(shù)和相位判別電路，進(jìn)而識別電機(jī)的轉(zhuǎn) 向，并由 LED顯示轉(zhuǎn)向的正反。三設(shè)計框架脈沖顯 示電路測量轉(zhuǎn)向 電路計數(shù)器門控 電路四.設(shè)計方案選擇及方案比

2、較總體設(shè)計思路由 555 組成的方波發(fā)生器提供驅(qū)動電機(jī)的方波， 再經(jīng)由脈寬調(diào)整電 路改變脈沖的寬度，從而改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。驅(qū)動電路由達(dá)林頓三極管及開關(guān)組成， 達(dá)林頓三極管放大電流以驅(qū) 動電機(jī)。開關(guān)選擇雙刀雙擲開關(guān)， 使得電路橋式導(dǎo)通， 以達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)向 的目的。光電脈沖轉(zhuǎn)換電路有光耦組成， 用來計數(shù)電機(jī)轉(zhuǎn)速， 輸出的信號通 過脈沖整形后輸入計數(shù)器電路。計數(shù)器電路分為 60 秒計時器和轉(zhuǎn)速計數(shù)器兩部分，后面會詳細(xì)介 紹。各方案比較經(jīng)查詢資料，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)上提示的單穩(wěn)觸發(fā)器CD14538,雙比較器LM393，整流二極管及 5V 穩(wěn)壓二極管都不需要使用，所以實(shí)驗(yàn)方案 以上述方案為準(zhǔn)。五系統(tǒng)選用的元器

3、件NE555 * 2達(dá)林頓三極管 TIP122槽型光耦* 1微型直流電機(jī)* 174LS00* 174LS161* 5雙刀雙擲開關(guān)* 1電阻，導(dǎo)線，電容* x主要芯片說明1)NE555定時器是一種多用途的數(shù)字模擬混合集成電路， 利用它能極方便地構(gòu)成施密特觸發(fā)器、 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振 蕩器。組成的施密特觸發(fā)器可用于脈沖的整形， 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 可用于調(diào)整脈沖的寬度， 多諧振蕩器可用于提供方波信號。 因 而 NE555 廣泛用于信號的產(chǎn)生、變換、控制與檢測。其工作原理如下：本 RS觸發(fā)器，一個放電開關(guān) T，比較器的參考電壓由三只 5K的電阻器構(gòu)成分壓， 它們分別使高電平比較器 A1 同相比較 端和低

4、電平比較器 A2 的反相輸入端的參考電平為 2 / 3VCC 和 1/ 3VCC 。A1 和 A2 的輸出端控制 RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關(guān) 狀態(tài)。當(dāng)輸入信號輸入并超過 2/ 3VCC時，觸發(fā)器復(fù)位， 555 的 輸出端 3 腳輸出低電平，同時放電，開關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)輸入信 號自 2 腳輸入并低于 1/ 3VCC 時，觸發(fā)器置位， 555 的 3 腳輸出 高電平，同時放電，開關(guān)管截止。 RD 是復(fù)位端，當(dāng)其為 0時， 555 輸出低電平。平時該端開路或接 VCC。Vc是控制電壓端（ 5腳），平時輸出 2/ 3VCC 作為比較器 A1的參 考電平，當(dāng) 5 腳外接一個輸入電壓，即改變了比較器的參考電

5、平，從而實(shí)現(xiàn)對輸出的另一種控制，在不接外加電壓時，通常 接一個 0.01uf 的電容器到地，起濾波作用，以消除外來的干擾， 以確保參考電平的穩(wěn)定。T為放電管，當(dāng) T導(dǎo)通時，將給接于腳 7 的電容器提供低阻放電電路 構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器如右圖 為由 555 定時 器和外接定 時元件 R、 C構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。 D 為鉗位二極管，穩(wěn)態(tài)時 555電路輸入端處于電源電平，內(nèi)部放電開關(guān)管 T 導(dǎo)通，輸出端 Vo輸出低 電平，當(dāng)有一個外部負(fù)脈沖觸發(fā)信號加到 Vi 端。并使 2 端電位 瞬時低于 1/ 3VCC ，低電平比較器動作，單穩(wěn)態(tài)電路即開始一個 穩(wěn)態(tài)過程，電容 C開始充電， Vc按指數(shù)規(guī)律增長。當(dāng) V

6、c充電 到2 / 3VCC時，高電平比較器動作，比較器 A1 翻轉(zhuǎn)，輸出 Vo 從高電平返回低電平，放電開關(guān)管 T 重新導(dǎo)通，電容 C上的電荷很快經(jīng)放電開關(guān)管放電，暫態(tài)結(jié)束，恢復(fù)穩(wěn)定，為下個觸發(fā)脈沖的來到作好準(zhǔn)備。波形圖如下：暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間 Tw（即為延時時間） 決定于外接元件 R、C的大小， Tw=1.1RC 。 通過改變 R、C的大小，可使延時時間 在幾個微秒和幾十分鐘之間變化。 當(dāng)這種單穩(wěn)態(tài)電路作為計時 器時，可直接驅(qū)動小型繼電器， 并可采用復(fù)位端接地的方法來 終止暫態(tài)，重新計時。 此外需用一個續(xù)流二極管與繼電器線圈 并接，以防繼電器線圈反電勢損壞內(nèi)部功率管。構(gòu)成多諧振蕩器如圖 3-4

7、，由 555 定時器和外接元件 R1、R2、C構(gòu)成多諧振蕩器， 腳 2 與腳 6 直接相連。電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)，電 路亦不需要外接觸發(fā)信號，利用電源通過 R1、R2向 C充電，以 及 C通過 R2向放電端 DC放電，使電路產(chǎn)生振蕩。電容 C在 2 / 3VCC 和1/ 3VCC 之間充電和放電，從而在輸出端得到一系列的矩形波， 對應(yīng)的波形如圖 3-5 所示。圖 3-4 555 構(gòu)成多諧振蕩器圖 3-5 多諧振蕩器的波形圖輸出信號的時間參數(shù)是：T=tw1 tw2tw1 =0.7（R1+R2）Ct w2 =0.7R2C其中， tw1為 VC由1/ 3VCC上升到2 /3VCC所需的時間

8、， tw2為電容 C 放電所需的時間。（2） 達(dá)林頓三極管 tip122：4）光電耦合管 光電耦合管是一個光感應(yīng)器，當(dāng)光通路被阻斷，則電流中斷，所以它可以用來對電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)進(jìn) 行監(jiān)測，電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈即阻斷耦合管的光路一次，從而 在光電耦合管的輸出端送出一個個脈沖，提供計數(shù)器的 脈沖輸入。六系統(tǒng)各部分電路說明 各單元的工作原理及工作過程 ,公式推導(dǎo) , 參數(shù)計算 1.方波方生器NE555組成的多諧振蕩器， 用它產(chǎn)生的方波信號帶動后面的電機(jī)轉(zhuǎn) 動，3 腳為輸出管腳。根據(jù) NE555組成的多諧振蕩器的性質(zhì)， 由vc 的波形可以求得電容 C的充電 時間T1和放電時間 T2各為T1 (R1 R2 )C Vcc

9、 VT =(R1 R2)C 2，1 2 1 1 2Vcc VT1 20 VTT2 R2CT =R2C 22 2 0 VT2故電路的振蕩周期為 T=T1 +T2 = ( R1 2R2 )C 2， 蕩頻率為 f= 1 = 1 .T (R1 2R2 )C 2當(dāng)f=100Hz時，(R1 2R2)C =0.0144，可令C=1 f, R1 =R2 ,則可求得 R1 = R2 =4.8k .仿真的方波周期為 9.981ms，即 100.2Hz。2.脈寬調(diào)整電路節(jié)滑動變阻器 R3 的阻值，可以改變脈沖的寬度，從而實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。其是由 NE555組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器， 當(dāng)信號從 2 腳進(jìn)入后，通過調(diào)

10、根據(jù)由 NE555組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的性質(zhì)， 輸出脈沖的寬度 tw 等于暫穩(wěn)態(tài) 的持續(xù)時間，而暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間取決于外接電阻 R和電容 C 的大小。tw等于電容電壓在充電過程中從 0 上升到 32 Vcc所需要的時間，因此得 tw=RC Vcc 0 =RC 3=1.1RCVcc (2 / 3)Vcc占空比 q= tw/T 利用上式，根據(jù)電路中所需的脈寬計算出相應(yīng)的電阻電容值。 本實(shí)驗(yàn)中要對 100Hz的脈沖進(jìn)行脈寬調(diào)整，可令C3=1 f,則對應(yīng)的電阻 R36 k 即可。在此試驗(yàn)中電阻 R3為一個型號為 103 的電位 器，可根據(jù)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動情況來適當(dāng)?shù)脑黾踊驕p少脈寬(即調(diào)節(jié) 電位器 R3 的

11、大小)。3. 驅(qū)動控制測向電路、轉(zhuǎn)向電路此電路是用達(dá)林頓三極管驅(qū)動的， 信號通過達(dá)林頓三極管， 在集電極輸出， 電流被放大帶動直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。利用雙刀雙擲開關(guān)來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。如下為驅(qū)動控制電路：4 .光電脈沖轉(zhuǎn)換電路在直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子上接一個小紙片，以實(shí)現(xiàn)每當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動一圈時， 遮擋一次光耦的接收端， 使得光耦輸出產(chǎn)生高電平， 加之未被遮擋時 產(chǎn)生的負(fù)脈沖，整個電路的輸出實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)動一周光耦輸出一次正脈沖，其余為負(fù)脈沖。通過計時電路計 60 秒，可以實(shí)現(xiàn)記錄每分鐘 內(nèi)產(chǎn)生正脈沖次數(shù)反映電機(jī)轉(zhuǎn)速。 光耦輸出后需要進(jìn)行脈沖整形， 此 處我們選擇了非門整形。5.計數(shù)器電路(1) 60秒計數(shù)器 該模塊電

12、路共由兩部分電路組成。 計數(shù)器部分由兩片 74LS161及與非 門組成。由于 60 秒計數(shù)器需要到 60 秒自動停止，所以需要鎖存信號。 鎖存器由與非門及 74LS20組成，鎖存信號 60的十位 6，即 0110，所 以高片的 Q4、Q1需要接上與非門，之后再與 Q2、Q3 接入四輸入與 非門，實(shí)現(xiàn)當(dāng)兩計數(shù)器共同計到 60 秒時，產(chǎn)生一個低的信號給鎖存 器。 1HZ時鐘與鎖存信號通過與非門供給計時器 CLK，通常鎖存信號 為 1，與非門輸出是 1HZ 時鐘高低電平的反，計時器正常工作。但是 當(dāng)計時器到 60 時，鎖存信號變?yōu)榈?，與非門輸出變?yōu)楹愣ǖ母撸?當(dāng)于計時器的時鐘被停止，計時器停止工作

13、，實(shí)現(xiàn)到 60 秒，及時停 止功能。計數(shù)器時鐘接到數(shù)電實(shí)驗(yàn)箱上的 1HZ脈沖信號上， 以實(shí)現(xiàn)一 秒一個信號，按秒計時。由于 74LS161為十六進(jìn)制的芯片，而我們需要十進(jìn)制，所以每個數(shù) 位上計到 10，即 1010 時，Q2，Q4 提供一個信號經(jīng)過與非門取反后 送到 1 管腳，是芯片清零，同時給高位芯片 2 管腳一個信號，計數(shù)+1。（2）電機(jī)轉(zhuǎn)速計數(shù)器由三片 74LS161及 74LS00組成，方法同上。輸入由經(jīng)過非門整形的光耦輸出 信號提供。計數(shù)器部分總電路圖七系統(tǒng)調(diào)試1調(diào)試順序，及具體說明八實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)際連線圖九附錄 1芯片管腳圖及功能表 （1）NE555 引腳位圖 1-2 NE555 接

14、腳圖ne555 的結(jié)構(gòu)圖Pin 1 （接地） -地線（或共同接地 ） ，通常被連接到電路共同接地。Pin 2 （觸發(fā)點(diǎn)） -這個腳位是觸發(fā) NE555 使其啟動它的時間周期。觸發(fā)信號 上緣電壓須大于 2/3 VCC ，下緣須低于 1/3 VCC 。Pin 3 （輸出） -當(dāng)時間周期開始 555的輸出腳位，移至比電源電壓少 1.7 伏的 高電位。周期的結(jié)束輸出回到 O 伏左右的低電位。于高電位時的最大輸出電流 大約 200 mA 。Pin 4 （重置） -一個低邏輯電位送至這個腳位時會重置定時器和使輸出回到 一個低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。Pin 5 （控制） -這個接腳準(zhǔn)許由外部電壓

15、改變觸發(fā)和閘限電壓。 當(dāng)計時器經(jīng)營 在穩(wěn)定或振蕩的運(yùn)作方式下 ,這輸入能用來改變或調(diào)整輸出頻率。Pin 6 （重置鎖定） - Pin 6 重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當(dāng)這個接腳的電壓從 1/3 VCC 電壓以下移至 2/3 VCC 以上時啟動這個動作。Pin 7 （放電） -這個接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力， 當(dāng)輸出為 ON 時為 LOW ，對地為低阻抗，當(dāng)輸出為 OFF 時為 HIGH ，對地為高阻抗。Pin 8 （V +） -這是 555 個計時器 IC的正電源電壓端。 供應(yīng)電壓的范圍是 +4.5 伏特（最小值 ）至+16 伏特（最大值 ）。多諧振蕩器電阻 R1 、R2 和電容 C1 構(gòu)成定時電路。定時電容 C1 上的電壓 UC 作為高 觸發(fā)端 TH（6 腳）和低觸發(fā)端 TL （2 腳）的外觸發(fā)電壓。放電端 D（7 腳）接 在 R1 和 R2 之間。電壓控制端 K（ 5 腳）不外接控制電壓而接入高頻干擾旁路 電容 C2（0