1?緒論

1.1? 直流電機(jī)簡介

直流電機(jī)就是將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能（直流電動機(jī)）或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換成直流電能（直流發(fā)電機(jī)）的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，由機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等組成。

本次課程設(shè)計(jì)采用微型直流電機(jī)，這種電動機(jī)只有兩根引線，調(diào)節(jié)供電電壓或電流可調(diào)速，更換兩根引線的極性，電動機(jī)換向。

在此次課程設(shè)計(jì)中，我們主要利用門電路及三極管驅(qū)動電路來設(shè)計(jì)一微型直流電機(jī)速度、方向控制電路，從而加深對直流電機(jī)及其相關(guān)電路的理解。

1.2? 任務(wù)設(shè)計(jì)與要求

利用門電路及三極管驅(qū)動電路設(shè)計(jì)一直流電機(jī)速度、方向控制電路，通過對電路進(jìn)行調(diào)整能夠控制微型直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向。

1.3? 設(shè)計(jì)方案論證與選擇

方案一：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位調(diào)整電動機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級調(diào)速，其次數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴。更主要的問題在于一般電動機(jī)的電阻很小，但電流很大，分壓不僅會降低效率，而且實(shí)現(xiàn)起來很困難。

方案二：采用繼電器對電動機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過開關(guān)的切換對電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)容易損壞壽命較短、可靠性不高。

方案三：采用驅(qū)動芯片L298驅(qū)動直流電機(jī)，L298具有驅(qū)動能力強(qiáng)，外圍電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。

綜合各方面因素，采用了方案三

1.4? 總體方案設(shè)計(jì)

電路總體由三部分構(gòu)成：矩形波輸出部分，控制部分，轉(zhuǎn)動部分。矩形波輸出部分由555振蕩電路和相關(guān)電子器件組成的多諧振蕩電路，通過輸出矩形波來控制三極管的通斷，也達(dá)到了通過調(diào)節(jié)555振蕩電路的充電時(shí)間常數(shù)來調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，以及通過輸入控制電平，通過調(diào)節(jié)開關(guān)來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；控制部分主要由電位器組成，通過調(diào)節(jié)電阻阻值來改變555振蕩電路的充放電時(shí)間，起到調(diào)節(jié)是由555振蕩電路輸出矩形波的目的；轉(zhuǎn)動部分是以微型直流電機(jī)。

另外，電源由直流電源發(fā)生器提供，選取合適的電源電壓是電路正常工作的關(guān)鍵，調(diào)速過程如下：合上電源開關(guān)，555振蕩電路輸出矩形脈沖，5腳接入低電平，7腳在接入高電平時(shí)，電機(jī)通電正轉(zhuǎn)；5腳接入高電平，7腳接入低電平時(shí)電機(jī)通電反轉(zhuǎn)。調(diào)節(jié)控制電路的電位器，就能改變555振蕩電路的充電時(shí)間常數(shù)，從而改變輸出高電平、低電平的占空比，也就達(dá)到了調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

2 硬件電路設(shè)計(jì)及描述

2.1? 555振蕩電路

555定時(shí)器成本低，性能可靠，只需要外接幾個(gè)電阻、電容，就可以實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時(shí)器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。所以本次課程設(shè)計(jì)使用由555芯片組成多諧振蕩電路來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

電路接通電源的瞬間，由于電容C來不及充電，Vc=0V，輸出Vo為高電平。同時(shí)，集電極輸出端（7腳）對地?cái)嚅_，電源VCC對電容C1充電，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，此后，電路周而復(fù)始地產(chǎn)生周期性的輸出脈沖。多諧振蕩器兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的維持時(shí)間取決于RC充、放電回路的參數(shù)。暫穩(wěn)態(tài)Ⅰ的維持時(shí)間，即輸出Vo的正向脈沖寬度T1≈0.7(R1+R2)C；暫穩(wěn)態(tài)Ⅱ的維持時(shí)間，即輸出Vo的負(fù)向脈沖寬度T2≈0.7R2C。

因此，振蕩周期T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C，振蕩頻率f=1/T。正向脈沖寬度T1與振蕩周期T之比稱矩形波的占空比D，由上述條件可得D=（R1+R2）/（R1+2R2），若使R2>>R1，則D≈1/2，即輸出信號的正負(fù)向脈沖寬度相等的矩形波（方波）。

圖1? 555振蕩電路

圖2? 電路生成的矩形方波

2.2? L298N芯片電路

L298N是專用驅(qū)動集成電路，屬于H橋集成電路，其邏輯框圖如圖二所示。其輸出電流為2A，最高電流4A，最高工作電壓50V，可以驅(qū)動感性負(fù)載，如大功率直流電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，電磁閥等，特別是其輸入端還可以與單片機(jī)直接相聯(lián)，從而方便的受單片機(jī)控制。當(dāng)驅(qū)動直流電機(jī)時(shí)，可以直接控制微型電機(jī)，并可以實(shí)現(xiàn)微型電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。因此我們可以通過控制其輸入端的邏輯電平來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。L298N芯片可以驅(qū)動兩個(gè)二相電機(jī)，也可以驅(qū)動一個(gè)四相電機(jī)，在本課程設(shè)計(jì)，我們只需要用它來驅(qū)動一個(gè)二相電機(jī)即可。

圖3? L298N芯片邏輯構(gòu)造

　　L298N可接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號VCC，在此次設(shè)計(jì)中9腳VCC是邏輯供電電壓，可接4.5~7V的電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍為+2.5~46V。輸出電流最大可達(dá)2A，可驅(qū)動電感性負(fù)載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。L298N可驅(qū)動2個(gè)電動機(jī)，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動機(jī)，本次課程設(shè)計(jì)我們只驅(qū)動一臺微型電機(jī)，將微型電機(jī)兩個(gè)接口分別與OUT1、OUT2連接起來。5，7腳接輸入控制電平，通過調(diào)節(jié)開關(guān)來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。1腳SENSA，15腳SENSB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。

2.3? 轉(zhuǎn)動方向與速度控制電路

通過控制5、7腳的開關(guān)來控制輸入電平從而達(dá)到控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的效果。當(dāng)5腳接入低電平，7腳在接入高電平時(shí)，電機(jī)通電正轉(zhuǎn)；5腳接入高電平，7腳接入低電平時(shí)電機(jī)通電反轉(zhuǎn)。

當(dāng)調(diào)節(jié)555振蕩電路的電位器時(shí)，可以改變555振蕩電路的充電時(shí)間常數(shù)，從而改變輸出高電平、低電平的占空比，便可調(diào)節(jié)微型電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖4? 轉(zhuǎn)動方向控制電路

圖5? 轉(zhuǎn)動速度控制電路

3 理論分析與計(jì)算過程

3.1? 理論分析

經(jīng)過電路圖仿真，可以通過控制兩個(gè)開關(guān)來控制5、7腳的輸入電平從而達(dá)到控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的效果，并且通過調(diào)節(jié)555振蕩電路的電位器來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。整個(gè)電路能達(dá)到設(shè)計(jì)所需要的對直流電機(jī)進(jìn)行速度、方向控制，通過對電路進(jìn)行調(diào)整能夠控制微型直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向。

?

圖6 ?電路圖仿真

3.2? 計(jì)算過程

脈寬調(diào)制計(jì)算：

用555定時(shí)器組成的多諧振蕩器，接通電源后，電容C被充電，當(dāng)Vc上升到三分之二時(shí)，使Vo為低電平，同時(shí)放電三極管T導(dǎo)通，此時(shí)電容C通過R4和T放電，Vc下降。當(dāng)Ⅴc下降到三分之一Vc時(shí)，Vo翻轉(zhuǎn)為高電平。電容C放電所需時(shí)間為:

Tpl=R2CIn2≈0.7R2C

當(dāng)放電結(jié)束時(shí)，T截止，Vcc將通過R1、R2向電容C充電，Vc由三分之一Vcc上升到三分之二Vcc所需的時(shí)間為:

tph=（R1+R2）Cln2≈0.7（R1+R2）C

當(dāng)Vc上升到三分之二Ⅴc時(shí)，電路又翻轉(zhuǎn)到低電平。如此周而復(fù)始，于是，在輸出端就輸出了一個(gè)周期性矩形波。周期為:

T=Tpl+tph

輸出振蕩頻率

F=1/tph+tpl≈1.43/(Ra+Rb)C

輸出波形占空比

q（%）=Ra/（Ra+Rb）×100%

4 實(shí)物調(diào)試結(jié)果

經(jīng)過第一次調(diào)試，發(fā)現(xiàn)電機(jī)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，通過控制按鍵也能夠調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)動方向。但斷電后檢查重新連接電源線檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速異常緩慢，考慮到線路連接較為混亂，且焊接過程中存在線路連接不穩(wěn)的情況，推斷是存在虛焊問題。

檢查焊點(diǎn)情況，發(fā)現(xiàn)555芯片底座引腳與導(dǎo)線之間連接不夠穩(wěn)固，將焊點(diǎn)重新焊接穩(wěn)固，再次調(diào)試。

調(diào)試后發(fā)現(xiàn)，電機(jī)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，且能夠通過調(diào)節(jié)電位器改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，但通過開關(guān)卻無法控制微型電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向。

推斷可能為虛焊問題或元器件損壞問題，測量輸出電流，發(fā)現(xiàn)輸出電流達(dá)到了3A，存在嚴(yán)重的短路情況，立即斷電保護(hù)元器件。首先測試555芯片和L298N芯片，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)芯片均能正常使用，不存在燒壞問題；再測量穩(wěn)壓二極管，二極管通斷正常未壞；再測量電容，數(shù)值也是正常，于是推斷仍然是電路虛焊，導(dǎo)致電路存在嚴(yán)重的短路現(xiàn)象。重新焊接所有連接情況不佳，連接混亂處，并整理導(dǎo)線，避免出現(xiàn)誤接情況。經(jīng)過調(diào)試，發(fā)現(xiàn)微型電機(jī)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，且能夠通過調(diào)整電位器調(diào)整轉(zhuǎn)速，也能夠通過調(diào)整兩個(gè)輸入口高低電平來控制微型電機(jī)轉(zhuǎn)動方向。但調(diào)整電位器不能在一個(gè)比較大的范圍內(nèi)控制微型電機(jī)轉(zhuǎn)速，微型電機(jī)轉(zhuǎn)速變化小，經(jīng)過多次調(diào)整，仍然無法解決此問題，推測是電路元器件數(shù)值選擇不當(dāng)使得調(diào)節(jié)范圍過小。

圖7? 調(diào)試后電路正面

參考文獻(xiàn)

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[4] 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）[M]. 北京：高等教育出版社2013

附錄

表1? 元器件清單表

圖8? 電路圖

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的基于L298N的微型直流电机的控制课程设计报告的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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