555电机调速和测速

Posted on 2021-06-30 In 电路调试案例 Views:

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555红外报警器

题目说明

使用555电路产生PWM，用PWM信号对小电机进行调速，并使用红外对管对电机转速进行测试。电机使用12V供电，芯片电路使用5V供电。
这个题目分为两个难度水平。
第一个难度水平是可以实现控制小电机旋转，转速可调。
第二个难度水平是将红外对管检测的信号转变为稳定触发的方波脉冲信号。

关键字：PWM调速，红外对管测速，比较器脉冲整形，共阻抗干扰

整体原理图

在555多谐振荡器基础上，添加了两个二极管，改变了充放电的路径，这样使用电位器就可以调节方波的占空比，实现了PWM的产生。PWM的占空比可以计算出对应的直流平均值，直流平均值控制了小电机的转速。

小电机带动一个转盘，转盘上黑色底色，贴一个白色小片。红外对管都朝向转盘。转盘转动时，由于白色小片的反光跟黑色底色反光不一样，红外对管就会输出一个波动信号，波动的频率跟转速一致。

然后将波动信号经过比较器整形为方波脉冲，方便数字电路进行计数。

硬件实物图

各部分分析和调试测试

555芯片PWM发生器

555芯片PWM发生器是在多谐振荡器基础上改进的。将充放电路径用二极管隔开，这样占空比就发生了变化。充电时，5V通过R1，P1的上半部分和D2给C2充电。放电时，通过P1的下半部分，R2和D1来放电。调节P1就可以改变充放电的时间比例，即产生了PWM。

开启电源给电路供电

示波器AIN1测试C点，示波器AIN2测试D点。观察PWM波的产生过程。“水平”按钮里面打开“缩放”功能，这样即可以看到多个周期，也可以看到局部细节。

细节中可以看到黄色信号达到充放电的门限（1/3 Vcc和2/3 Vcc）后，芯片输出蓝色信号PWM波。用cursor功能可以看到黄色信号的波峰是3.37V，波谷是1.66V，对应门限2/3 Vcc和1/3 Vcc. 在“测量区域”右键点击，添加测量值。蓝色信号的峰峰值是4.57V，占空比21.3%。理论计算直流为 4.57*0.213=973mV。实测直流值在964mV，相差0.9% 。这是因为实际方波有小过冲，并且边沿不是直角，不是理想方波。

调节电位器P1，可以看到蓝色波形的占空比发生变化。这样通过P1的调节，改变了PWM的占空比，进而可以调节电机转速。

小电机驱动

开关状态驱动

线性调压驱动

PWM波驱动电机的一个好处是效率高。PWM波是开关信号，高电平是三极管导通，低电平时截止。T1管不发热。T1管的功耗计算为，功耗=Uce * Ic。T1是共射极接法，当工作在线性状态时，如右图所示，改变基极电压可以改变Uce，这时由于Uce电压较高，产生的功耗也大。当T1工作在开关状态时，导通时Uce=0.2V，很小，这样UceIc功耗也小。截止时 Uce=12V，Ic=0，功耗UceIc=0。

以集电极接70欧姆负载为例，输出相同功率给电阻时，对T1的功耗进行对比。T1功耗相差42倍。所以T1管在PWM波调速时不发热。

调节状态	RL上的功率	Uce	Ic mA	导通时间	三极管功耗
线性	0.7W	5V	100	100%	5*0.1=0.5W
开关	0.7W	0.2V	12V÷70Ω=171mA	34.1%	0.20.1710.341=0.012W

红外对管检测转动

红外发射管和红外接收管并排一起，朝向转盘。转盘底色黑色，贴白色小片。旋转后由于白色小片的反光，红外对管的输出会有相同频率的波动。频率就是转盘的转速。

有光照时，D3是低阻，G点电压下降。无光照时D3是高阻，G点电压上升。用示波器AIN1观察G点。测试黄色信号的频率为36.8Hz，则当前转速为 36.8*60 = 2208转/分钟。C6使用1nF来抑制电路中的噪声，因为G点是高阻输出点。

需要注意的是，R4控制LED1发射红外光的强度，R4选的过大则光线不够，波形的下凹变小。R5控制跟D3的分压，黑色背景时，选择合适的R5使波形输出的直流满足后面比较器的输入要求。

比较器脉冲整形

比较器的作用是把红外对管的波形转变为方波脉冲，方便数字电路识别和处理。比如接单片机来进行测速。信号源S1设置输出直流，R7和R5提供迟滞，迟滞为5%，为了避免波形上的干扰信号。

LM311的输出很灵活，因为它把输出三极管的集电极和发射极都放在管脚上，用户可自行配置。7管脚可以选择上拉到的电压，本电路选择上拉到5V，这样高电平为5V。1管脚可以选择下拉的电压，也就是低电平，本电路选择接地，这样低电平为0V。

除了方便配置电平外，这个结构还方便多个输出并联构成与逻辑输出和或逻辑输出。

与逻辑输出时，T1和T2只要有一个输出为0，则并联的输出为0. 或逻辑输出时，T1和T2只要有一个输出为1，则并联的输出为1. 这个结构使得并联输出不会冲突。如果是push-pull推挽输出的则不能并联。

设置信号源提供参考电压

示波器AIN1接G点测试，AIN2接F点测试，AIN3接E点测试，AIN4接H点测输出。

红色线是参考电压，跟黄色线相交的点是方波边沿位置。蓝色是迟滞电压。绿色是输出。输出的峰峰值是4.88Vpp，迟滞电压峰峰值是249.87mVpp。迟滞比例为 249.87/4880 = 5.1%。理论计算迟滞比例5.1K/（5.1K+100K）=4.9% 误差只有0.2%。

如果去掉迟滞，将R7取下，这时比较器的抗干扰能力下降。“水平”按钮中开启“缩放”功能，可以看到方波边沿变粗的细节是因为多了几个错误触发的毛刺。

共阻抗干扰分析

回顾一下整体原理图，图中C3，C5，C4是去耦电容，用于降低这三个单元电路共用GND线带来的干扰。干扰主要来源于PWM的开关控制，因为PWM信号的边沿很陡峭。导线相当于一个小电感，因为金属有长度，并且里面有电流，就会有磁场形成电感。U= L* di/dt。电流变化越快，U电压越高。所以在GND导线中，由于PWM的快速开关，导致di/dt很大，从而带来了感应电动势U的干扰。