洛阳理工学院毕业设计（论文） 第1章 系统整体设计
1.1 直流调速系统
方案一：串电阻调速系统。
方案二：静止可控整流器。简称V-M系统。 方案三：脉宽调速系统。
旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流，由发电机给需要调速的直流电动机供电，调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速。改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变，所以G-M系统的可逆运行是很容易实现的。该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点，且技术落后，因此搁置不用。
V-M系统是当今直流调速系统的主要形式。它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。V-M系统的缺点是晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。它的另一个缺点是运行条件要求高，维护运行麻烦。最后，当系统处于低速运行时，系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。
采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里晶闸管不受相位控制，而是工作在开关状态。当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称PWM。脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。
与V-M系统相比，PWM调速系统有下列优点：
（1）由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达1：10000左右。由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流下，电动机的损耗和发热都比较小。
（2）同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。
（3）由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。 根据以上综合比较，以及本设计中受控电机的容量和直流电机调速的发展方向，本设计采用了H型单极型可逆PWM变换器进行调速。
脉宽调速系统的主电路采用制式变换简称PWM变换器器脉宽调。
脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现，但是驱动能力有限。为顺利实现电动小汽车的前行与倒车，本设计采用了可逆PWM变换器。可逆PWM变换器主电路的结构式有H型、T型等类型。我们在设计中采用了常用的双极式H型变换器，它是由4个三极电力晶体管和4个续流二极管组成的。
1.2 检测系统
检测系统主要实现光电检测，即利用各种传感器对电动车的避障、位置、行车状
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洛阳理工学院毕业设计（论文） 态进行测量。
1、及光线检行车起始、终点测：
本系统采用反射式红外线光电传感器用于检测路面的起始、终点（2cm宽的黑线），玩具车底盘上沿黑线放置一套，以适应起始的记数开始和终点的停车的需要。利用超声波传感器检测障碍。光线跟踪，采用光敏三极管接收灯泡发出的光线，当感受到光线照射时，其c-e间的阻值下降，检测电路输出高电平，经LM393电压比较器和74LS14施密特触发器整形后送单片机控制。
本系统共设计两个光电三极管，分别放置在电动车车头的左、右两个方向，用来控制电动车的行走方向，当左侧光电管受到光照时，单片机控制转向电机向左转；当右侧光电管受到光照时，单片机控制转向电机向右转；当左、右两侧光电管都受到光照时，单片机控制直行。见图1-1 电动车的方向检测电路。
行车方向检测电路采用反射接收原理配置了一对红外线发射、接收传感器。该电路包括一个红外发光二极管、一个红外光敏三极管及其上拉电阻。红外发光二极管发射一定强度的红外线照射物体，红外光敏三极管在接收到反射回来的红外线后导通，发出一个电平跳变信号。
此套红外光电传感器固定在底盘前沿，贴近地面。正常行驶时，发射管发射红外光照射地面，光线经白纸反射后被接收管接收，输出高电平信号；电动车经过黑线时，发射端发射的光线被黑线吸收，接收端接收不到反射光线，传感器输出低电平信号后送80C51单片机处理，判断执行哪一种预先编制的程序来控制玩具车的行驶状态。前进时，驱动轮直流电机正转,进入减速区时,由单片机控制进行PWM变频调速,通过软件改变脉冲调宽波形的占空比,实现调速。最后经反接制动实现停车。前行与倒车控制电路的核心是桥式电路和继电器。电桥上设置有两组开关，一组常闭，另一组常开。
图1-1 电动车的方向检测电路
电桥一端接电源，另一端接了一个三极管。三极管导通时，电桥通过三极管接地，电机电枢中有电流通过；三极管截止时，电桥浮空，电机电枢中没有电流通过。系统通过电桥的输出端为转向电机供电。通过对继电器开闭的控制即可控制电机的开断和
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洛阳理工学院毕业设计（论文） 转速方向进而达到控制玩具车前行与倒车的目的，实现随动控制系统的纠偏功能。如图1-2 前行与倒车控制电路所示。
图1-2前行与倒车控制电路
2、 直流电机的基本工作原理：
直流发电机的工作原理是基于电磁感应原理，在磁感应强度为B的磁场中，一根长度为L的导体以匀速V作垂直切割磁力线的运动时，则在导体中产生感应电动势，其值的大小按法拉第定律来计算
e=BLV
直流发电机的工作原理模型，是一对在空间固定不变的磁极，abcd是安装在可以转动的圆柱体上的一个线圈，线圈两端分别接到两个相互绝缘的半圆型铜环1和2上，换向片分别与固定不动的电刷A和B保持滑动接触，这样，旋转着的线圈可以通过换向片﹑电刷与外电路接通。
当原动机托着电枢以一定的速度在磁场中逆时针旋转时，根据电磁感应原理，线圈边ab和cd切割磁力线产生感应电动势，其方向用右手定则确定。假设线圈ab边处于N极下，产生的感应电动势从b指向a；线圈的cd边处于S极下，产生的感应电动势从d指向c。从整个线圈来看，电动势的方向为d→c→b→a;反之，当ab边转到S极下，cd边转到N极下时，每个边的感应电动势方向都要随之改变，于是，整个线圈的感应电动势方向变为a→b→c→d。所以线圈的感应电动势是交变的。假设磁场在电枢圆周上按正弦规律分布，B=Bsin&,则
e=BLVsin&
表明线圈中的感应电动势按正弦规律变化。
那么如何在电刷上得到直流电动势呢？这就要靠换向器的作用了。当线圈的ab边处于N极下，电动势的方向从b向a引到电刷A，所以电刷A的极性为正。当线圈转过180°，线圈ab边与cd边互换位置，使cd边处于N极下时，于是cd边与电刷
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洛阳理工学院毕业设计（论文） A接触，其电动势的方向是从c向d引到电刷A，电刷A的极性仍为正。同理可分析出电刷B的极性为负。进一步观察可以发现，电刷A总是与旋转到N极下的导体接触，所以电刷A总是正极性。而电刷B总是与旋转到S极下的导体接触，所以电刷B总是负极性，故在电刷A﹑B之间正弦上半波形的直流电动势。
直流电动机的基本工作原理
直流电动机的工作原理是基于电磁力定律的。若磁场B与导体互相垂直，且导体中通以电流i，则作用于载流导体上电磁力f为：
f=Bli
直流电动机的工作原理模型。电刷A﹑B两端加直流电压U，若电流从电源的正极流出，经过电刷A与换向片1而流入电动势线圈，电流方向为a→b→c→d，然后再经过换向片2与电刷B流回电源的负极。根据电磁力定律，线圈边ab与cd在磁场中分别受到电磁力的作用，其方向可用左手定则确定，当线圈ab转到S极面下，cd转到N极面下时，流经线圈的电流方向必须改变，这样导体受到的电磁力方向才能不变，从而保持电动机沿着一个固定的方向旋转。
如何才能是导体中的电流方向改变呢？这个任务将由换向器来完成。原来电刷A通过换向片1与经过N极面下的导体ab相连，现有电刷A通过换向片2与经过N极面下的导体cd相连，现在电刷B通过换向片1与经过S极面下的导体ab相连。线圈中的电流方向改为d→c→b→a ,用左手定则判断电磁力和电磁转矩的方向未变，电枢仍逆时针方向旋转。
综上所述可知，不论是直流发电机还是直流电动机，换向器可以使正电刷A始终与经过N极面下的导体相连，负电刷B始终与经过S极面下的导体相连，故电刷之间的电压是直流电，而线圈内部的电流则是交变的。通过换向器和电刷的作用，把直流发电机线圈中的交变电动势整流成电刷的方向不变的直流电动势；把直流电动机电刷的直流电流变成线圈内的交变电流，以确保电动机沿恒定方向旋转。
3、 检测放大器方案： 方案一：使用普通单级比例放大电路。其特点是结构简单、调试方便、价格低廉。但是也存在着许多不足。如抗干扰能力差、共模抑制比低等。
方案二：采用差动放大电路。选择优质元件构成比例放大电路，虽然可以达到一定的精度，但有时仍不能满足某些特殊要求。例如，在测量本设计中的光电检测信号时需要把检测过来的电平信号放大并滤除干扰，而且要求对共模干扰信号具有相当强的抑制能力。这种情况下须采用差动放大电路，并应设法减小温漂。但在实际操作中，往往满足了高共模抑制比的要求，却使运算放大器输出饱和；为获得单片机能识别的TTL电平却又无法抑制共模干扰。
方案三：电压比较器方案。电压比较器的功能是比较两个电压的大小，例如将一个信号电压Ui和一个参考电压Ur进行比较，在Ui>Ur和Ui 比较器有各种不同的类型。对它的要求是：鉴别要准确，反应要灵敏，动作要迅速，抗干扰能力要强，还应有一定的保护措施，以防止因过电压或过电流而造成器件损坏。 4、 比较器的特点： 电压比较简称器是一种常用的集成电路。它可用于报警器电路、自动控制电路、 6 洛阳理工学院毕业设计（论文） 测量技术，也可用于V/F变换电路、A/D变换电路、高速采样电路、电源电压监测电路、振荡器及压控振荡器电路、过零检测电路等。本文主要介绍其基本概念、工作原理及典型工作电路，并介绍一些常用的电压比较器。 什么是电压比较器 简单地说， 电压比较器是对两个模拟电压比较其大小，并判断出其中哪一个电压高，在要求不高时可采用通用运放来作比较器电路。 这里顺便要指出的是，比较器电路本身也有技术指标要求，如精度、响应速度、传播延迟时间、灵敏度等，大部分参数与运放的参数相同。 ⑴ 工作在开环或正反馈状态。放大、运算电路为了实现性能稳定并满足 一定的精度要求，这些电路中的运放均引入了深度负反馈；而为了提高比较器的反应速度和灵敏度，它所采用的运放不但没有引入负反馈，有时甚至还加正反馈。因此比较器的性能分析方法与放大、运算电路是不同的。 ⑵ 非线性。由于比较器中运放处于开环或正反馈状态，它的两个输入端之间的电位差与开环电压放大倍数的乘积通常超过最大输出电压，使其内部某些管子进入饱和区或截止区，因此在绝大多数情况下输出与输入不成线性关系，即在放大、运算等电路中常用的计算方法对于比较器不再适用。 ⑶ 开关特性。比较器的输出通常只有高电平和低电平两种稳定状态，因此它相当与一个受输入信号控制的开关，当输入电压经过阈值时开关动作，使输出从一个电平跳变到另一个电平。由于比较器的输入信号是模拟量，而它的输出电平是离散的，因此电压比较器可作为模拟电路与数字电路之间的过渡电路。 由于比较器的上述特点，在分析时不能象对待放大电路那样去计算放大倍数，应当着重抓住比较器的输出从一个电平跳变到另一个电平的临界条件所对应的输入电压值（阈值）来分析输入量与输出量之间的关系。 如果在比较器的输入端加理想阶跃信号，那么在理想情况下比较器的输出也应当是理想的阶跃电压，而且没有延迟。但实际集成运放的最大转换速率总是有限的，因此比较器输出电压的跳变不可能是理想的阶跃信号。电压比较器的输出从低电平变为高电平所须的时间称为响应时间。响应时间越短，响应速度越快。 减小比较器响应时间的主要方法有： (1) 尽可能使输入信号接近理想情况，使它在阈值附近的变化接近理想阶跃 且幅度足够大。 (2) 选用集成电压比较器。 (3) 如果选用集成运放构成比较器，为了提高响应速度可以加限幅措施，以避免集成运放内部的管子进入深饱和区。具体措施多为在集成运放的两个输入端并联二极管。如图1-3电压比较器电路所示： 图1-3电压比较器电路 在本设计中，光电传感器只输出一种高低电平信号且伴有外界杂波干扰，所以我则比较器输出就会反复的从一个电平跳到另一个电平们尝试采用了一种滞回比较 7