【正文】 本設(shè)計(jì)中受控電機(jī)的容量和直流電機(jī)調(diào)速的發(fā)展方向，本設(shè)計(jì)采用了 H型單極型可逆 PWM 變換器進(jìn)行調(diào)速。 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用制式變換 簡(jiǎn)稱(chēng) PWM變換器 器 脈寬調(diào) 。 脈寬調(diào)速也可通過(guò)單片機(jī)控制繼電器的閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是驅(qū)動(dòng)能力有限。為順利實(shí)現(xiàn)電動(dòng)小汽車(chē)的前行與倒車(chē) ，本設(shè)計(jì)采用了可逆 PWM 變換器?？赡?PWM 變換器主電路的結(jié)構(gòu)式有 H型、 T型等類(lèi)型。我們?cè)谠O(shè)計(jì)中采用了常用的雙極式 H 型變換器，它是由 4個(gè)三極電力晶體管和 4個(gè)續(xù)流二極管組成的。 檢測(cè)系統(tǒng) 檢測(cè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)光電檢測(cè)，即利用各種傳感器對(duì)電動(dòng)車(chē)的避障、位置、行車(chē)狀洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 態(tài)進(jìn)行測(cè)量。 及光線檢 行車(chē)起始、終點(diǎn)測(cè)： 本系統(tǒng)采用反射式紅外線光電傳感器用于檢測(cè)路面的起始、終點(diǎn)（ 2cm 寬的黑線），玩具車(chē)底盤(pán)上沿黑線放置一套，以適應(yīng)起始的記數(shù)開(kāi)始和終點(diǎn)的停車(chē)的需要。利用超聲波傳感器檢測(cè)障礙。光線跟蹤，采用光敏三極管接收燈泡 發(fā)出的光線，當(dāng)感受到光線照射時(shí)，其 ce間的阻值下降，檢測(cè)電路輸出高電平，經(jīng) LM393 電壓比較器和 74LS14 施密特觸發(fā)器整形后送單片機(jī)控制。 本系統(tǒng)共設(shè)計(jì)兩個(gè)光電三極管，分別放置在電動(dòng)車(chē)車(chē)頭的左、右兩個(gè)方向，用來(lái)控制電動(dòng)車(chē)的行走方向，當(dāng)左側(cè)光電管受到光照時(shí)，單片機(jī)控制轉(zhuǎn)向電機(jī)向左轉(zhuǎn)；當(dāng)右側(cè)光電管受到光照時(shí)，單片機(jī)控制轉(zhuǎn)向電機(jī)向右轉(zhuǎn)；當(dāng)左、右兩側(cè)光電管都受到光照時(shí)，單片機(jī)控制直行。見(jiàn)圖 11 電動(dòng)車(chē)的方向檢測(cè)電路。 行車(chē)方向檢測(cè)電路采用反射接收原理配置了一對(duì)紅外線發(fā)射、接收傳感器。該電路包括一個(gè)紅外發(fā)光二極 管、一個(gè)紅外光敏三極管及其上拉電阻。紅外發(fā)光二極管發(fā)射一定強(qiáng)度的紅外線照射物體，紅外光敏三極管在接收到反射回來(lái)的紅外線后導(dǎo)通，發(fā)出一個(gè)電平跳變信號(hào)。 此套紅外光電傳感器固定在底盤(pán)前沿，貼近地面。正常行駛時(shí)，發(fā)射管發(fā)射紅外光照射地面，光線經(jīng)白紙反射后被接收管接收，輸出高電平信號(hào)；電動(dòng)車(chē)經(jīng)過(guò)黑線時(shí)，發(fā)射端發(fā)射的光線被黑線吸收，接收端接收不到反射光線，傳感器輸出低電平信號(hào)后送 80C51 單片機(jī)處理，判斷執(zhí)行哪一種預(yù)先編制的程序來(lái)控制玩具車(chē)的行駛狀態(tài)。前進(jìn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪直流電機(jī)正轉(zhuǎn) ,進(jìn)入減速區(qū)時(shí) ,由單片機(jī)控制進(jìn)行 PWM 變 頻調(diào)速 ,通過(guò)軟件改變脈沖調(diào)寬波形的占空比 ,實(shí)現(xiàn)調(diào)速。最后經(jīng)反接制動(dòng)實(shí)現(xiàn)停車(chē)。前行與倒車(chē)控制電路的核心是橋式電路和繼電器。電橋上設(shè)置有兩組開(kāi)關(guān)，一組常閉，另一組常開(kāi)。 圖 11 電動(dòng)車(chē)的方向檢測(cè)電路 電橋一端接電源，另一端接了一個(gè)三極管。三極管導(dǎo)通時(shí)，電橋通過(guò)三極管接地，電機(jī)電樞中有電流通過(guò)；三極管截止時(shí)，電橋浮空，電機(jī)電樞中沒(méi)有電流通過(guò)。系統(tǒng)通過(guò)電橋的輸出端為轉(zhuǎn)向電機(jī)供電。通過(guò)對(duì)繼電器開(kāi)閉的控制即可控制電機(jī)的開(kāi)斷和洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 轉(zhuǎn)速方向進(jìn)而達(dá)到控制玩具車(chē)前行與倒車(chē)的目的，實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)控制系統(tǒng)的糾偏功能。如圖 12 前 行與倒車(chē)控制電路所示。 圖 12前行與倒車(chē)控制電路 直流電機(jī)的基本工作原理 ： 直流發(fā)電機(jī)的工作原理是基于電磁感應(yīng)原理，在磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B的磁場(chǎng)中，一根長(zhǎng)度為 L 的導(dǎo)體以勻速 V作 垂直切割磁力線的運(yùn)動(dòng)時(shí)，則在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其值的大小按法拉第定律來(lái)計(jì)算 e=BLV 直流發(fā)電機(jī)的工作原理模型，是一對(duì)在空間固定不變的磁極， abcd 是安裝在可以轉(zhuǎn)動(dòng)的圓柱體上的一個(gè)線圈，線圈兩端分別接到兩個(gè)相互絕緣的半圓型銅環(huán) 1 和 2上，換向片分別與固定不動(dòng)的電刷 A和 B保持滑動(dòng) 接觸，這樣，旋轉(zhuǎn)著的線圈可以通過(guò)換向片﹑電刷與外電路接通。 當(dāng)原動(dòng)機(jī)托著電樞以一定的速度在磁場(chǎng)中逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，線圈邊 ab和 cd切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其方向用右手定則確定。假設(shè)線圈 ab邊處于 N 極下，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)從 b 指向 a；線圈的 cd 邊處于 S 極下，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)從 d指向 c。從整個(gè)線圈來(lái)看，電動(dòng)勢(shì)的方向?yàn)?d→ c→ b→ a。反之，當(dāng) ab 邊轉(zhuǎn)到 S 極下， cd 邊轉(zhuǎn)到 N 極下時(shí)，每個(gè)邊的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向都要隨之改變，于是，整個(gè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向變?yōu)?a→ b→ c→ d。所以線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是交變的。假設(shè)磁 場(chǎng)在電樞圓周上按正弦規(guī)律分布， B=Bsinamp。,則 e=BLVsinamp。 表明線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)按正弦規(guī)律變化。 那么如何在電刷上得到直流電動(dòng)勢(shì)呢？這就要靠換向器的作用了。當(dāng)線圈的 ab邊處于 N 極下，電動(dòng)勢(shì)的方向從 b向 a引到電刷 A，所以電刷 A的極性為正。當(dāng)線圈轉(zhuǎn)過(guò) 180176。，線圈 ab 邊與 cd 邊互換位置，使 cd 邊處于 N極下時(shí)，于是 cd 邊與電刷洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 A接觸，其電動(dòng)勢(shì)的方向是從 c向 d引到電刷 A，電刷 A 的極性仍為正。同理可分析出電刷 B 的極性為負(fù)。進(jìn)一步觀察可以發(fā)現(xiàn)，電刷 A總是與旋轉(zhuǎn)到 N極下的導(dǎo)體 接觸，所以電刷 A總是正極性。而電刷 B 總是與旋轉(zhuǎn)到 S極下的導(dǎo)體接觸，所以電刷 B 總是負(fù)極性，故在電刷 A﹑ B 之間 正弦上半波形的直流電動(dòng)勢(shì)。 直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理 直流電動(dòng)機(jī)的工作原理是基于電磁力定律的。若磁場(chǎng) B與導(dǎo)體互相垂直，且導(dǎo)體中通以電流 i，則作用于載流導(dǎo)體上電磁力 f為 ： f=Bli 直流電動(dòng)機(jī)的工作原理模型。電刷 A﹑ B兩端加直流電壓 U，若電流從電源的正極流出，經(jīng)過(guò)電刷 A 與換向片 1 而流入電動(dòng)勢(shì)線圈，電流方向?yàn)?a→ b→ c→ d，然后再經(jīng)過(guò)換向片 2 與電刷 B 流回電源的負(fù)極 。根據(jù)電磁力定律，線圈邊 ab 與 cd在磁場(chǎng)中分別受到電磁力的作用，其方向可用左手定則確定，當(dāng)線圈 ab 轉(zhuǎn)到 S 極面下， cd 轉(zhuǎn)到 N 極面下時(shí)，流經(jīng)線圈的電流方向必須改變，這樣導(dǎo)體受到的電磁力方向才能不變，從而保持電動(dòng)機(jī)沿著一個(gè)固定的方向旋轉(zhuǎn)。 如何才能是導(dǎo)體中的電流方向改變呢？這個(gè)任務(wù)將由換向器來(lái)完成。原來(lái)電刷 A通過(guò)換向片 1與經(jīng)過(guò) N極面下的導(dǎo)體 ab相連， 現(xiàn)有電刷 A通過(guò)換向片 2與經(jīng)過(guò) N極面下的導(dǎo)體 cd 相連，現(xiàn)在電刷 B 通過(guò)換向片 1 與經(jīng)過(guò) S 極面下的導(dǎo)體 ab相連。線圈中的電流方向改為 d→ c→ b→ a ,用左手定則判斷電磁力和電 磁轉(zhuǎn)矩的方向未變，電樞仍逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。 綜上所述可知，不論是直流發(fā)電機(jī)還是直流電動(dòng)機(jī)，換向器可以使正電刷 A 始終與經(jīng)過(guò) N 極面下的導(dǎo)體相連，負(fù)電刷 B 始終與經(jīng)過(guò) S 極面下的導(dǎo)體 相連，故電刷之間的電壓是直流電，而線圈內(nèi)部的電流則是交變的 。通過(guò)換向器和電刷的作用，把直流發(fā)電機(jī)線圈中的交變電動(dòng)勢(shì)整流成電刷的方向不變的直流電動(dòng)勢(shì)；把直流電動(dòng)機(jī)電刷的直流電流變成線圈內(nèi)的交變電流，以確保電動(dòng)機(jī)沿恒定方向旋轉(zhuǎn)。 檢測(cè)放大器方案： 方案一：使用普通單級(jí)比例放大電路。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、價(jià)格低廉。但是也存在著許多不足 。如抗干擾能力差、共模抑制比低等。 方案二：采用差動(dòng)放大電路。選擇優(yōu)質(zhì)元件構(gòu)成比例放大電路，雖然可以達(dá)到一定的精度，但有時(shí)仍不能滿足某些特殊要求。例如，在測(cè)量本設(shè)計(jì)中的光電檢測(cè)信號(hào)時(shí)需要把檢測(cè)過(guò)來(lái)的電平信號(hào)放大并濾除干擾，而且要求對(duì)共模干擾信號(hào)具有相當(dāng)強(qiáng)的抑制能力。這種情況下須采用差動(dòng)放大電路，并應(yīng)設(shè)法減小溫漂。但在實(shí)際操作中，往往滿足了高共模抑制比的要求，卻使運(yùn)算放大器輸出飽和；為獲得單片機(jī)能識(shí)別的TTL電平卻又無(wú)法抑制共模干擾。 方案三：電壓比較器方案。電壓比較器的功能是比較兩個(gè)電壓的大小，例如將一個(gè)信 號(hào)電壓 Ui 和一個(gè)參考電壓 Ur 進(jìn)行比較，在 UiUr 和 UiUr 兩種不同情況下，電壓比較器輸出兩個(gè)不同的電平，即高電平和低電平。而 Ui 變化經(jīng)過(guò) Ur 時(shí)，比較器的輸出將從一個(gè)電壓跳變到另一個(gè)電平。 比較器有各種不同的類(lèi)型。對(duì)它的要求是：鑒別要準(zhǔn)確，反應(yīng)要靈敏，動(dòng)作要迅速，抗干擾能力要強(qiáng)，還應(yīng)有一定的保護(hù)措施，以防止因過(guò)電壓或過(guò)電流而造成器件損壞。 比較器的特點(diǎn)： 電壓比較簡(jiǎn)稱(chēng) 器 是一種常用的集成電路。它可用于報(bào)警器電路、自動(dòng)控制電路、洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 測(cè)量技術(shù)，也可用于 V/F 變換電路、 A/D 變換電路、高速采樣電路、 電源 電壓監(jiān)測(cè)電路、振蕩器及壓控振蕩器電路、過(guò)零檢測(cè)電路等。本文主要介紹其基本概念、工作原理及典型工作電路，并介紹一些常用的電壓比較器。 什么是電壓比較器 簡(jiǎn)單地說(shuō)， 電壓比較器是對(duì)兩個(gè)模擬電壓比較其大小，并判斷出其中哪一個(gè)電壓高， 在要求不高時(shí)可采用通用運(yùn)放來(lái)作比較器電路 。 這里順便要指出的是，比較器電路本身也有技術(shù)指標(biāo)要求，如精度、響應(yīng)速度、傳播延遲時(shí)間、靈敏度 等，大部分參數(shù)與運(yùn)放的參數(shù)相同。 ⑴ 工作在開(kāi)環(huán)或正反饋狀態(tài)。放大、運(yùn)算電路為了實(shí)現(xiàn)性能穩(wěn)定并滿足 一定的精度要求，這些電路中的運(yùn)放均引入了深度負(fù)反饋；而為了提高比較器的反應(yīng)速度和靈敏度，它所采用的運(yùn)放不但沒(méi)有引入負(fù)反饋，有時(shí)甚至還加正反饋。因此比較器的性能分析方法與放大、運(yùn)算電路是不同的。 ⑵ 非線性。由于比較器中運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)或正反饋狀態(tài)，它的兩個(gè)輸入端之間的電位差與開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)的乘積通常超過(guò)最大輸出電壓，使其內(nèi)部某些管子進(jìn)入飽和區(qū)或截止 區(qū)，因此在絕大多數(shù)情況下輸出與輸入不成線性關(guān)系，即在放大、運(yùn)算等電路中常用的計(jì)算方法對(duì)于比較器不再適用。 ⑶ 開(kāi)關(guān)特性。比較器的輸出通常只有高電平和低電平兩種穩(wěn)定狀態(tài)，因此它相當(dāng)與一個(gè)受輸入信號(hào)控制的開(kāi)關(guān)，當(dāng)輸入電壓經(jīng)過(guò)閾值時(shí)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，使輸出從一個(gè)電平跳變到另一個(gè)電平。由于比較器的輸入信號(hào)是模擬量，而它的輸出電平是離散的，因此電壓比較器可作為模擬電路與數(shù)字電路之間的過(guò)渡電路。 由于比較器的上述特點(diǎn)，在分析時(shí) 不能象對(duì)待放大電路那樣去計(jì)算 放大倍數(shù)， 應(yīng)當(dāng)著重抓住比較器的輸出從一個(gè)電 平跳變到另一個(gè)電平的臨界條件所對(duì)應(yīng)的輸入電壓值（閾值）來(lái)分析輸入量與輸出量之間的關(guān)系。 如果在比較器的輸入端加理想階躍信號(hào)，那么在理想情況下比較器的輸出也應(yīng)當(dāng)是理想的階躍電壓，而且沒(méi)有延遲。但實(shí)際集成運(yùn)放的最大轉(zhuǎn)換速率總是有限的，因此比較器輸出電壓的跳變不可能是理想的階躍信號(hào)。電壓比較器的輸出從低電平變?yōu)楦唠娖剿毜臅r(shí)間稱(chēng)為響應(yīng)時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間越短，響應(yīng)速度越快。 減小比較器響應(yīng)時(shí)間的主要方法有： (1) 盡可能使輸入信號(hào)接近理想情況，使它在閾值附近的變化接近理想階躍 且幅度足夠大。 (2) 選用集成電壓比較 器。 (3) 如果選用集成運(yùn)放構(gòu)成比較器，為了提高響應(yīng)速度可以加限幅措施，以避免集成運(yùn)放內(nèi)部的管子進(jìn)入深飽和區(qū)。具體措施多為在集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端并聯(lián)二極管。如圖 13電壓比較器電路所示： 圖 13電壓比較器電路 在本設(shè)計(jì)中，光電傳感器只輸出一種高低電平信號(hào)且伴有外界雜波干擾，所以我則比較器輸出就會(huì)反復(fù)的從一個(gè)電平跳到另一個(gè)電平們嘗試采用了一種滯回比較洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 器。 簡(jiǎn)單電壓比較器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且靈敏度高，但它的抗干擾能力差，也就是說(shuō)如果輸入信號(hào)因受干擾在閾值附近變化。如果用這樣的輸出電壓現(xiàn)象。這種情況，通常是不允 許的。而滯回比較器則解決了這個(gè)問(wèn)題。滯回 控制電機(jī)或繼電器，將出現(xiàn)頻繁動(dòng)作或起停 比較器有兩個(gè)數(shù)值不同的閾值，當(dāng)輸入信號(hào)因受干擾或其他原因發(fā)生變化時(shí)，只要變化量不超過(guò)兩個(gè)閾值之差，滯回比較器的輸出電壓就不會(huì)來(lái)回變化。所以抗干擾能力強(qiáng)。但是，滯回比較器畢竟是模擬器件，溫度的漂移是它無(wú)法消除的。 方案四：施密特觸發(fā)器。 綜合考慮系統(tǒng)的各項(xiàng)性能，最后我們決定采用數(shù)字器件 —— 施密特觸發(fā)器。 施密特觸發(fā)器是雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的變形，它有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，觸發(fā)方式為電平觸發(fā)，只要外加觸發(fā)信號(hào)的幅值增加到足夠大，它就從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn) 到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。施密特觸發(fā)器具有與滯回比較器相類(lèi)似的滯回特性，但施密特觸發(fā)器的抗干擾能力比滯回比較器更強(qiáng)。 5．行車(chē)距離檢測(cè) ： 由于紅外檢測(cè)具有反應(yīng)速度快、定位精度高，可靠性強(qiáng)以及可見(jiàn)光傳感器所不能比擬的優(yōu)點(diǎn)，故采用紅外光電碼盤(pán)測(cè)速方案。具體電路同圖 14行車(chē)距離檢測(cè)電路所示： 圖 14行車(chē)距離檢測(cè)電路 紅外測(cè)距儀由測(cè)距輪，遮光盤(pán)，紅外光電耦合器及凹槽型支架組成的。測(cè)長(zhǎng)輪的周長(zhǎng)為記數(shù)的單位，最好取有效值為單一的數(shù)值（如本設(shè)計(jì)中采用 米），精度根據(jù)電動(dòng)車(chē)控制的需要確定。測(cè)距輪安裝 在車(chē)輪上，這樣能使記數(shù)值準(zhǔn)確一些。 遮光盤(pán)有一缺口，盤(pán)下方的凹形物為槽型光電耦合器，其兩端高出部分的里面分別裝有紅外發(fā)射管和紅外接收管。遮光盤(pán)在凹槽中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，缺口進(jìn)入凹槽時(shí)，紅外線可以通過(guò)，缺口離開(kāi)凹槽紅外線被阻擋。由此可見(jiàn)，測(cè)距輪每轉(zhuǎn)一周，紅外光接收管均能接收到一個(gè)脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)整形器后送入計(jì)數(shù)器或直接送入單片機(jī)中。 為實(shí)現(xiàn)可逆記數(shù)功能，我們?cè)跍y(cè)距儀中并列放置了兩個(gè)槽型光電耦合器，遮光盤(pán)先后通過(guò)凹槽可產(chǎn)生兩個(gè)脈沖信號(hào)。根據(jù)兩個(gè)脈沖信號(hào)發(fā)生的先后順序與兩個(gè)光電耦合器的位置關(guān)系，即可計(jì)算出玩具車(chē)的行駛方向（前進(jìn) 或后退）。 遮光盤(pán)及槽型光電耦合器均安裝在不透光的盒子里，以避免外界光線的干擾，使電路不能正常工作。 測(cè)距原理：將光柵安裝在電機(jī)軸上，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光柵也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)安裝在光柵