1?緒論

1.1? 直流電機簡介

直流電機就是將直流電能轉換成機械能（直流電動機）或將機械能轉換成直流電能（直流發電機）的旋轉電機。直流電機的結構應由定子和轉子兩大部分組成。直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產生磁場，由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運行時轉動的部分稱為轉子，其主要作用是產生電磁轉矩和感應電動勢，是直流電機進行能量轉換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風扇等組成。

本次課程設計采用微型直流電機，這種電動機只有兩根引線，調節供電電壓或電流可調速，更換兩根引線的極性，電動機換向。

在此次課程設計中，我們主要利用門電路及三極管驅動電路來設計一微型直流電機速度、方向控制電路，從而加深對直流電機及其相關電路的理解。

1.2? 任務設計與要求

利用門電路及三極管驅動電路設計一直流電機速度、方向控制電路，通過對電路進行調整能夠控制微型直流電機的轉速和轉動方向。

1.3? 設計方案論證與選擇

方案一：采用電阻網絡或數字電位調整電動機的分壓，從而達到調速的目的。但是電阻網絡只能實現有級調速，其次數字電阻的元器件價格比較昂貴。更主要的問題在于一般電動機的電阻很小，但電流很大，分壓不僅會降低效率，而且實現起來很困難。

方案二：采用繼電器對電動機的開或關進行控制，通過開關的切換對電機的速度進行調整。這個方案的優點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應時間慢、機械結構容易損壞壽命較短、可靠性不高。

方案三：采用驅動芯片L298驅動直流電機，L298具有驅動能力強，外圍電路簡單等優點。

綜合各方面因素，采用了方案三

1.4? 總體方案設計

電路總體由三部分構成：矩形波輸出部分，控制部分，轉動部分。矩形波輸出部分由555振蕩電路和相關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，也達到了通過調節555振蕩電路的充電時間常數來調節電動機轉速的目的，以及通過輸入控制電平，通過調節開關來控制電機的正反轉；控制部分主要由電位器組成，通過調節電阻阻值來改變555振蕩電路的充放電時間，起到調節是由555振蕩電路輸出矩形波的目的；轉動部分是以微型直流電機。

另外，電源由直流電源發生器提供，選取合適的電源電壓是電路正常工作的關鍵，調速過程如下：合上電源開關，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，電機通電正轉；5腳接入高電平，7腳接入低電平時電機通電反轉。調節控制電路的電位器，就能改變555振蕩電路的充電時間常數，從而改變輸出高電平、低電平的占空比，也就達到了調節電動機轉速的目的。

2 硬件電路設計及描述

2.1? 555振蕩電路

555定時器成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現多諧振蕩器、單穩態觸發器及施密特觸發器等脈沖產生與變換電路。它也常作為定時器廣泛應用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。所以本次課程設計使用由555芯片組成多諧振蕩電路來控制電機轉速。

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，集電極輸出端（7腳）對地斷開，電源VCC對電容C1充電，電路進入暫穩態，此后，電路周而復始地產生周期性的輸出脈沖。多諧振蕩器兩個暫穩態的維持時間取決于RC充、放電回路的參數。暫穩態Ⅰ的維持時間，即輸出Vo的正向脈沖寬度T1≈0.7(R1+R2)C；暫穩態Ⅱ的維持時間，即輸出Vo的負向脈沖寬度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，可以驅動感性負載，如大功率直流電機，步進電機，電磁閥等，特別是其輸入端還可以與單片機直接相聯，從而方便的受單片機控制。當驅動直流電機時，可以直接控制微型電機，并可以實現微型電機的正轉與反轉。因此我們可以通過控制其輸入端的邏輯電平來實現對電機的正轉和反轉。L298N芯片可以驅動兩個二相電機，也可以驅動一個四相電機，在本課程設計，我們只需要用它來驅動一個二相電機即可。

圖3? L298N芯片邏輯構造

　　L298N可接受標準TTL邏輯電平信號VCC，在此次設計中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2A，可驅動電感性負載。1腳和15腳下管的發射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。L298N可驅動2個電動機，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動機，本次課程設計我們只驅動一臺微型電機，將微型電機兩個接口分別與OUT1、OUT2連接起來。5，7腳接輸入控制電平，通過調節開關來控制電機的正反轉。1腳SENSA，15腳SENSB接控制使能端，控制電機的停轉。

2.3? 轉動方向與速度控制電路

通過控制5、7腳的開關來控制輸入電平從而達到控制電機正反轉的效果。當5腳接入低電平，7腳在接入高電平時，電機通電正轉；5腳接入高電平，7腳接入低電平時電機通電反轉。

當調節555振蕩電路的電位器時，可以改變555振蕩電路的充電時間常數，從而改變輸出高電平、低電平的占空比，便可調節微型電機的轉速。

圖4? 轉動方向控制電路

圖5? 轉動速度控制電路

3 理論分析與計算過程

3.1? 理論分析

經過電路圖仿真，可以通過控制兩個開關來控制5、7腳的輸入電平從而達到控制電機正反轉的效果，并且通過調節555振蕩電路的電位器來控制電機的轉速。整個電路能達到設計所需要的對直流電機進行速度、方向控制，通過對電路進行調整能夠控制微型直流電機的轉速和轉動方向。

?

圖6 ?電路圖仿真

3.2? 計算過程

脈寬調制計算：

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

Tpl=R2CIn2≈0.7R2C

當放電結束時，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所需的時間為:

tph=（R1+R2）Cln2≈0.7（R1+R2）C

當Vc上升到三分之二Ⅴc時，電路又翻轉到低電平。如此周而復始，于是，在輸出端就輸出了一個周期性矩形波。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 實物調試結果

經過第一次調試，發現電機能夠正常運轉，通過控制按鍵也能夠調整電機轉動方向。但斷電后檢查重新連接電源線檢查時，發現電機轉速異常緩慢，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的情況，推斷是存在虛焊問題。

檢查焊點情況，發現555芯片底座引腳與導線之間連接不夠穩固，將焊點重新焊接穩固，再次調試。

調試后發現，電機能夠正常運轉，且能夠通過調節電位器改變電機轉速，但通過開關卻無法控制微型電機運轉方向。

推斷可能為虛焊問題或元器件損壞問題，測量輸出電流，發現輸出電流達到了3A，存在嚴重的短路情況，立即斷電保護元器件。首先測試555芯片和L298N芯片，發現兩個芯片均能正常使用，不存在燒壞問題；再測量穩壓二極管，二極管通斷正常未壞；再測量電容，數值也是正常，于是推斷仍然是電路虛焊，導致電路存在嚴重的短路現象。重新焊接所有連接情況不佳，連接混亂處，并整理導線，避免出現誤接情況。經過調試，發現微型電機能夠正常運轉，且能夠通過調整電位器調整轉速，也能夠通過調整兩個輸入口高低電平來控制微型電機轉動方向。但調整電位器不能在一個比較大的范圍內控制微型電機轉速，微型電機轉速變化小，經過多次調整，仍然無法解決此問題，推測是電路元器件數值選擇不當使得調節范圍過小。

圖7? 調試后電路正面

參考文獻

[1] 康華光.電子技術基礎（模擬部分）(第六版).[M]北京：高等教育出版社2006

[2] 曹衛鋒， 耿盛濤.模擬及數字電子技術實驗教程（第二版）[M].北京：北京航空航天大學出版社2014

[3] 邱關源.電路（第五版）[M].北京：高等教育出版社2008

[4] 閻石.數字電子技術基礎（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

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容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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