1、直流电机驱动H桥 直流电机驱动H桥 直流电机驱动(H桥)原理研究与设计 学生姓名 王俊岭 周磊 周雪瑞 秦淦 阿不都.沙拉木 指导教师 杨焱青 系（部） 创新实验室 论文写作日期 2011 年 12 月 20 日1.3 方案论证 第一章 序论 1.1 课题研究的目的随着社会不断进步，科技发展，声光双控节电灯逐步走进社会各个公共角落，声光双控节电灯不仅适用于住宅区的楼道，而且也适用于工厂、办公楼、教学楼等公共场所，它具有体积小、外形美观、制作容易、工作可靠等优点，适合于各种楼房走廊的照明设备。用声光控延时开关代替住宅小区的楼道上的开关，在天黑以后，当有人走过楼梯通道，发出脚步声或其它声音时，楼道
2、灯会自动点亮，提供照明，当人们进入家门或走出公寓，楼道灯延时几分钟后会自动熄灭。在白天，即使有声音，楼道灯也不会亮，它解决了“长明灯”浪费电能的问题，延长灯泡的使用寿命，安全性好，可靠性高。该装置省去了能耗大、笨重、极易产生热量的电源变压器，具有结构简单、自耗电轻微、性能稳定、灵敏度高、通用性强，降低能耗、节约能源的目的。1.2课题研究的意义 通过本课题的研究，加强了自己的动手能力，增强了团队意识，巩固了对所学知识的认知。通过本次试验我们设计了一种简易的直流电机驱动H桥转动的，不仅使自己学习到了知识，而且也为社会做出了贡献。1.3 方案论证方案1主要包含四部分电路,分别为;电源电路,光控电路,
3、声控延时电路,晶体管开并电路,.电源电路主要由微控制电路提供工作电压,本设计采用传统的电源电路设计方法,即降压,整流,滤波,稳压,使电路输出电压6V直流电压供给控制电路. 光控制电路是根据光线强弱来优先决定电灯的亮灭,该电路可以对声控延时电路进行控制,在白天光线强时,光控制电路输出低电平将声控电路封锁;在晚上光线较弱时,光控制电路输出高电平,声控功能打开.本设计采用光敏电阻和其他电阻组成的分压电路来控制555定时器的触发器输入端2脚,并将555定时器的2脚和6脚连接在一起,通过电容接地,555定时器的输出去控制电路中的定时器的复位端. 声控延时电路,该电路主要在光线较弱时起作用.这主要是通过光
4、控电路的输出来控制的.在晚上,光控电路将该电路的功能打开,使用该电路能根据外界声音信号做出相应的响应.经放大处理后的声音信号控制处于单稳工作模式的555定时器来实现声控延时功能. 晶体管开关电路,该电路受声控电路555定时器输出端的的控制.当其输出高电平时,晶体管导通,照明灯点亮. 方案2 电路由交流供电电路,放大电路,单稳态电路三部分组成. 交流供电电路由继电器和三极管9015,电阻等元器件组成. 放大电路由电阻,压电陶瓷片,三极管9014等元器件组成.由R1和R2的大小比例控制放大倍数,从而得出输出信号. 单稳态电路由有电容和电阻R,三极管9014等元器件组成,Q2和Q3直接耦合,R3和R
5、4,R5分别控制Q2和Q3的极电路和基极电压使此电路形成一个正反馈回路.(二极管保护的作用) 方案选择 由于方案1电路设计过于复杂,需要两个555计时器,并且需要变压器实现低电压来执行各个电路,所需要的元器件多,不易实现,可行性较差.而方案2设计简单,易实现,所需元器件少,可行性好.故而选择2号方案. 第二章 基本原理一、H桥驱动电路 图4.12中所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（注意：图4.12及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。如图所示，H桥
6、式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。图4.12 H桥驱动电路 要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图4.13所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。图4.13 H桥电路驱动电机顺时针转动图4.14所示为另一对三极管Q2和Q3导
7、通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。图4.14 H桥驱动电机逆时针转动二、使能控制和方向逻辑 驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管。基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。 图4.155 所示就是基于这种考虑的改进电路，它在基本H桥电路的基础上
8、增加了4个与门和2个非门。4个与门同一个“使能”导通信号相接，这样，用这一个信号就能控制整个电路的开关。而2个非门通过提供一种方向输人，可以保证任何时候在H桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。（与本节前面的示意图一样，图4.15所示也不是一个完整的电路图，特别是图中与门和三极管直接连接是不能正常工作的。）图4.15 具有使能控制和方向逻辑的H桥电路 采用以上方法，电机的运转就只需要用三个信号控制：两个方向信号和一个使能信号。如果DIRL信号为0，DIRR信号为1，并且使能信号是1，那么三极管Q1和Q4导通，电流从左至右流经电机（如图4.16所示）；如果DIRL信号变为1，而DIRR信号变为0，
9、那么Q2和Q3将导通，电流则反向流过电机。图4.16 使能信号与方向信号的使用 实际使用的时候，用分立元件制作H桥是很麻烦的，好在现在市面上有很多封装好的H桥集成电路，接上电源、电机和控制信号就可以使用了，在额定的电压和电流内使用非常方便可靠。比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。附两张分立元件的H桥驱动电路： 第三章 电路设计分析该电路由电源电路、声电转换及放大电路、单稳态延时电路和光控电路组成。为了确保用电安全，220V交流市首先经过1：1 隔离变压器，隔离变压器的初、次绕组级之间没有电的联系，次级任一线与大地之间没有电位差，所以人接触任一线不会触电。但如果
10、同时接触两线也会触电。电路总体框架： 3.1 电源电路电源电路由C1、Rl、VD、VS及C2组成。交流市电经C1电容降压，VD整流，VS稳压，再由C2滤波后供给整个电路工作。电路采用电容降压，与使用变压器相比，不但缩小了体积，杜绝了噪声，而且也减小了电路能耗。3.4 声控电路在选择器材的时候我们经过研究比较最终选用了HTD烟点陶瓷片作为声电转换器材。压电陶瓷片是一种结构简单、轻巧的电声器件，因具有灵敏度高、无磁场散播外溢、不用铜线和磁铁、成本低，耗电少、修理方便、便于大量生产等优点而获得了广泛应用。适合超声波和次声波的发射和接收，比较大面积的压电陶瓷片还可以运用检测压力和振动，工作原理是利用压
11、电效应的可逆性，在其上施加音频电压，就可产生机械振动，从而发出声音。如果不断对压电陶瓷片施加压力它还会产生电压和电流。压点陶瓷片有两种检测方法，第一种方法是将万用表的量程开关拨到直流电压2.5V挡，左手拇指与食指轻轻捏住压电陶瓷片的两面，右手持万用表的表笔，红表笔接金属片，黑表笔横放陶瓷表面上，然后左手稍用力压一下，随后又松一下，这样在压电陶瓷片上产生两个极性相反的电压信号，使万用表的指针先向右摆，接着回零，随后向左摆一下，摆幅约为0.1一0.15V，摆幅越大，说明灵敏度越高。若万用表指针静止不动，说明内部漏电或破损。 切记不可用湿手捏压电片，测试时万用表不可用交流电压挡，否则观察不到指针摆动
12、，且测试之前最好用Rl0k挡，测其绝缘电阻应为无穷大。第二种方法是用R10k挡测两极电阻，正常时应为,然后轻轻敲击陶瓷片，指针应略微摆动。根据换能器的功能压电陶瓷片大体上按照发射型,接收型,收发型来选用陶瓷,分别对应pzt8,pzt5,pzt4，参数主要包括：d33,Fr,Fp,D,Cp0。陶瓷片的用量根据功率极限来算，一般为0.3W/kHz/cm3，厚度要根据响应或者灵明度来选取。我们设计的声电转换及放大电路由HTD、V1、V2等组成。声控元件采用压电陶瓷片HTD，它对猝发声响极为敏感，作为声-电换能元件。它将声响信号转换为相应的电信号后，通过C3耦合至V1、V2组成的直耦式双管放大器进行放
13、大。该放大器由R2、RPl提供偏流，调节RP1，可改变放大器的增益，用以控制声控灵敏度。R4为直流负反馈电阻，用来稳定工作点。C4为交流旁路电容，用以补偿放大器的交流增益，R3为放大器的输出直流负载电阻，放大后的负脉冲信号经C5去触发单稳态延时电路，达到控制负载的目的。3.3 单稳态延时电路单稳态延时电路由555时基集成电路、R6与C6组成延时回路。稳态时，555集成块3 输出端为低电平，当其2脚触发端得到一负脉冲触发信号时，电路即进入暂态，输出端3脚立刻翻转为高电平、触发双向晶闸管VT导通，灯泡EL发光。此后，电源经R6向C6充电，当C6端电位升至约2/3VCC电路又自动回复到初始稳定状态，
14、3脚恢复低电平。此时，可控硅因失去触发电路而关断，灯泡熄灭，控制电路暂态结束，进入稳态，等待下一次触发脉冲。图中R5和RP2组成分压电路，为集成块的触发端提供一个开门阈值电平，调节RP2，使触发端2脚的电压略大于 1/3Vcc，迫使3脚输出低电平。当2脚一旦出现负脉冲信号时，单稳态电路即动作，适当调节RP2，也可改变控制灵敏度。3.4光控电路光控电路由555时基集成电路、V4、晶闸管等组成。在白天，由于光照度较强，V4的e-c间呈低阻态，为V3提供了一个较大的偏置电流，使其饱和导通。此时，V3的集电极即555集成块的强制复位端4脚被强制为低电平，555集成块处于复位状态，使其输出端3脚恒为低电
15、平，双向晶闸管因无触发电流而关断，灯泡EL不亮。因此，白天不管声控信号如何增强，555集成块的3脚始终为低电平，VTH关断，达到白天停止照明的目的。晚间，由于光线明显减弱，V4因无光照而使e-c间呈高阻状态，使V3截止，555集成块强制复位端4脚为高电平，555集成块退出复位状态，电路可受控制。改变R9的值，可以控制光控灵敏度。第四章 故障排除在我们后期调试过程中遇到了很多问题，但是我们对这些问题做了详细的分析并一一排除。电路故障的直接表现就是当我们拍手是灯泡不亮，出现此故障的原因是有多方面的，首先可能是控制电路中有的原件焊接不良，我们一一检查了元件的焊接点并重新进行了焊接。检查完元件焊接点后
16、灯泡仍不亮，我们认为也可能是主振三极管特性不良，这时候我们就要更换了三极管来排除故障。灯泡不亮的另一个原因是滤流电容击穿短路，这时我们检查了电容并更换了滤流电容。第二种故障现象是灯管两端发红，中部不发光。出现这种故障的原因可能是灯丝回路中的启动电容器击穿或双向触发二极管性能不一致。排除这种故障的方法是更换耐压大于450V的电容更换性能一致的双向二极管。还有一种故障现象是灯管两端过早发黑，使用寿命短。出现这种故障的原因可能是两只主振三极管同时导通，使管子热击穿或电感局部短路使电流增大。排除这种故障的办法是更换主振三极管，重绕或更换电感。第四章 电路设计图及所需元器件清单 元器件名称数量备注555
17、定时器1NE555C1涤纶电容器10.47K ufC2.C6电解电容器1100 ufC3.C4圆片电容器10.47ufC5圆片电容器10.02ufC7电解电容器10.1ufVs稳压二极管12cw56VD二极管12N4002RP1电位器1220KRP2电位器11 KV1.V2.V3三极管19013VTH双向晶闸管1BCR1AMEL电灯115W/220VV4光敏三极管13DU5HTD瓷片PCB印制电路板1电阻8R1（1M）R2（6.8），R3（3K），R4（1K），R5（100），R6（200K），R7（22K），R8（330）。第五章 心得体会 我国照明电器行业还在高速的发展着，进一步提高照明产
18、品的质量和档次，既是当前摆在我们面前的课题，也是全行业共同努力的长期目标。就国内市场需求而言，随着人们生活水平逐步提高，对生存环境质量的要求也越来越高，对照明电器产品提出更高的要求。从国际市场分析，虽然我们的出口逐年大幅度增长，但我国大部分产品在国际市场仍属中低档水平，我们的产品与国际先进水平相比还存在较大差距。另外，如果大量劣质低价产品出口，还会遭遇反倾销诉讼，从而影响全行业出口，因此注重质量显得尤为重要。 我国目前已成为世界照明电器产品生产大国，我们的目标是要成为照明电器产品生产强国，我们与发达国家在照明电器产品的质量、档次、生产工艺、设备、材料以及新产品开发能力等方面均存在明显差距。看到
19、我们取得成绩的同时，也能清醒地认识我们存在的差距，才能不断地进步。我国正处于经济高速发展的时期，能源消耗过大，环境污染加剧，能源紧张等问题摆在人们面前，解决这些问题的方法就是利用科技，声控灯的出现为人类的发展指明了方向，同时希望越来越多的人来使用节能照明灯，节约利用每一点资源。通过此次电子设计锻炼了我们的创作能力和动手实践能力，用所知的知识设计了自己的电子产品，加深了对模拟电路和数字电路的了解和利用。但由于自己知识水平有限，没有使用更合理技术，设计出更好的作品。这也更加坚定了我们学好文化知识，增强创新能力的决心。 第六章 致谢在本文完成之际， 特别感谢余银峰老师，这几周他在学习、科研上一直对我们悉心指导，严格要求、热情鼓励，为我们创造了很多锻炼提高的机会。余银峰老师洞察全局、高屋建瓴，为我们的论文和作品的顺利完成指出了很好的方向，余银峰老师渊博的知识、宽广无私的胸怀、夜以继日的工作态度、对事业的执著追求、诲人不倦的教师风范和对问题的敏锐观察力，都将使我们毕生受益。 在此我们谨向余银峰老师以及在作品设计过程中给予我们很大帮助的老师、同学们致以最诚挚的谢意。
