1 绪论

1.1 直流电机简介

直流电机就是将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。

本次课程设计采用微型直流电机，这种电动机只有两根引线，调节供电电压或电流可调速，更换两根引线的极性，电动机换向。

在此次课程设计中，我们主要利用门电路及三极管驱动电路来设计一微型直流电机速度、方向控制电路，从而加深对直流电机及其相关电路的理解。

1.2 任务设计与要求

利用门电路及三极管驱动电路设计一直流电机速度、方向控制电路，通过对电路进行调整能够控制微型直流电机的转速和转动方向。

1.3 设计方案论证与选择

方案一：采用电阻网络或数字电位调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，其次数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现起来很困难。

方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构容易损坏寿命较短、可靠性不高。

方案三：采用驱动芯片L298驱动直流电机，L298具有驱动能力强，外围电路简单等优点。

综合各方面因素，采用了方案三

1.4 总体方案设计

电路总体由三部分构成：矩形波输出部分，控制部分，转动部分。矩形波输出部分由555振荡电路和相关电子器件组成的多谐振荡电路，通过输出矩形波来控制三极管的通断，也达到了通过调节555振荡电路的充电时间常数来调节电动机转速的目的，以及通过输入控制电平，通过调节开关来控制电机的正反转；控制部分主要由电位器组成，通过调节电阻阻值来改变555振荡电路的充放电时间，起到调节是由555振荡电路输出矩形波的目的；转动部分是以微型直流电机。

另外，电源由直流电源发生器提供，选取合适的电源电压是电路正常工作的关键，调速过程如下：合上电源开关，555振荡电路输出矩形脉冲，5脚接入低电平，7脚在接入高电平时，电机通电正转；5脚接入高电平，7脚接入低电平时电机通电反转。调节控制电路的电位器，就能改变555振荡电路的充电时间常数，从而改变输出高电平、低电平的占空比，也就达到了调节电动机转速的目的。

2 硬件电路设计及描述

2.1 555振荡电路

555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。所以本次课程设计使用由555芯片组成多谐振荡电路来控制电机转速。

电路接通电源的瞬间，由于电容C来不及充电，Vc=0V，输出Vo为高电平。同时，集电极输出端（7脚）对地断开，电源VCC对电容C1充电，电路进入暂稳态，此后，电路周而复始地产生周期性的输出脉冲。多谐振荡器两个暂稳态的维持时间取决于RC充、放电回路的参数。暂稳态Ⅰ的维持时间，即输出Vo的正向脉冲宽度T1≈0.7(R1+R2)C；暂稳态Ⅱ的维持时间，即输出Vo的负向脉冲宽度T2≈0.7R2C。

因此，振荡周期T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C，振荡频率f=1/T。正向脉冲宽度T1与振荡周期T之比称矩形波的占空比D，由上述条件可得D=（R1+R2）/（R1+2R2），若使R2>>R1，则D≈1/2，即输出信号的正负向脉冲宽度相等的矩形波（方波）。

图1 555振荡电路

图2 电路生成的矩形方波

2.2 L298N芯片电路

L298N是专用驱动集成电路，属于H桥集成电路，其逻辑框图如图二所示。其输出电流为2A，最高电流4A，最高工作电压50V，可以驱动感性负载，如大功率直流电机，步进电机，电磁阀等，特别是其输入端还可以与单片机直接相联，从而方便的受单片机控制。当驱动直流电机时，可以直接控制微型电机，并可以实现微型电机的正转与反转。因此我们可以通过控制其输入端的逻辑电平来实现对电机的正转和反转。L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，在本课程设计，我们只需要用它来驱动一个二相电机即可。

图3 L298N芯片逻辑构造

　　L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VCC，在此次设计中9脚VCC是逻辑供电电压，可接4.5~7V的电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围为+2.5~46V。输出电流最大可达2A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298N可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本次课程设计我们只驱动一台微型电机，将微型电机两个接口分别与OUT1、OUT2连接起来。5，7脚接输入控制电平，通过调节开关来控制电机的正反转。1脚SENSA，15脚SENSB接控制使能端，控制电机的停转。

2.3 转动方向与速度控制电路

通过控制5、7脚的开关来控制输入电平从而达到控制电机正反转的效果。当5脚接入低电平，7脚在接入高电平时，电机通电正转；5脚接入高电平，7脚接入低电平时电机通电反转。

当调节555振荡电路的电位器时，可以改变555振荡电路的充电时间常数，从而改变输出高电平、低电平的占空比，便可调节微型电机的转速。

图4 转动方向控制电路

图5 转动速度控制电路

3 理论分析与计算过程

3.1 理论分析

经过电路图仿真，可以通过控制两个开关来控制5、7脚的输入电平从而达到控制电机正反转的效果，并且通过调节555振荡电路的电位器来控制电机的转速。整个电路能达到设计所需要的对直流电机进行速度、方向控制，通过对电路进行调整能够控制微型直流电机的转速和转动方向。

图6 电路图仿真

3.2 计算过程

脉宽调制计算：

用555定时器组成的多谐振荡器，接通电源后，电容C被充电，当Vc上升到三分之二时，使Vo为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C通过R4和T放电，Vc下降。当Ⅴc下降到三分之一Vc时，Vo翻转为高电平。电容C放电所需时间为:

Tpl=R2CIn2≈0.7R2C

当放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R2向电容C充电，Vc由三分之一Vcc上升到三分之二Vcc所需的时间为:

tph=（R1+R2）Cln2≈0.7（R1+R2）C

当Vc上升到三分之二Ⅴc时，电路又翻转到低电平。如此周而复始，于是，在输出端就输出了一个周期性矩形波。周期为:

T=Tpl+tph

输出振荡频率

F=1/tph+tpl≈1.43/(Ra+Rb)C

输出波形占空比

q（%）=Ra/（Ra+Rb）×100%

4 实物调试结果

经过第一次调试，发现电机能够正常运转，通过控制按键也能够调整电机转动方向。但断电后检查重新连接电源线检查时，发现电机转速异常缓慢，考虑到线路连接较为混乱，且焊接过程中存在线路连接不稳的情况，推断是存在虚焊问题。

检查焊点情况，发现555芯片底座引脚与导线之间连接不够稳固，将焊点重新焊接稳固，再次调试。

调试后发现，电机能够正常运转，且能够通过调节电位器改变电机转速，但通过开关却无法控制微型电机运转方向。

推断可能为虚焊问题或元器件损坏问题，测量输出电流，发现输出电流达到了3A，存在严重的短路情况，立即断电保护元器件。首先测试555芯片和L298N芯片，发现两个芯片均能正常使用，不存在烧坏问题；再测量稳压二极管，二极管通断正常未坏；再测量电容，数值也是正常，于是推断仍然是电路虚焊，导致电路存在严重的短路现象。重新焊接所有连接情况不佳，连接混乱处，并整理导线，避免出现误接情况。经过调试，发现微型电机能够正常运转，且能够通过调整电位器调整转速，也能够通过调整两个输入口高低电平来控制微型电机转动方向。但调整电位器不能在一个比较大的范围内控制微型电机转速，微型电机转速变化小，经过多次调整，仍然无法解决此问题，推测是电路元器件数值选择不当使得调节范围过小。

图7 调试后电路正面

参考文献

[1] 康华光.电子技术基础（模拟部分）(第六版).[M]北京：高等教育出版社2006

[2] 曹卫锋，耿盛涛.模拟及数字电子技术实验教程（第二版）[M].北京：北京航空航天大学出版社2014

[3] 邱关源.电路（第五版）[M].北京：高等教育出版社2008

[4] 阎石.数字电子技术基础（第五版）[M]. 北京：高等教育出版社2013

附录

表1 元器件清单表

图8 电路图

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基于L298N的微型直流电机的控制课程设计报告

1 绪论

2 硬件电路设计及描述

3 理论分析与计算过程

4 实物调试结果

参考文献

[1] 康华光.电子技术基础（模拟部分）(第六版).[M]北京：高等教育出版社2006

[2] 曹卫锋，耿盛涛.模拟及数字电子技术实验教程（第二版）[M].北京：北京航空航天大学出版社2014

[3] 邱关源.电路（第五版）[M].北京：高等教育出版社2008

[4] 阎石.数字电子技术基础（第五版）[M]. 北京：高等教育出版社2013

附录

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[1] 康华光.电子技术基础（模拟部分）(第六版).[M]北京：高等教育出版社2006

[2] 曹卫锋， 耿盛涛.模拟及数字电子技术实验教程（第二版）[M].北京：北京航空航天大学出版社2014

[3] 邱关源.电路（第五版）[M].北京：高等教育出版社2008

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