直流电机调速电路的设计

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直流电机调速电路的设计

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摘要

将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域，利用半导体开关器件组成各种电力变换电路实现电能的变换和控制，构成了一门完整的学科，被国际电工委员会命名为电力电子学或称为电力电子技术，他是一门综合了电子技术，控制技术和电力技术的新兴交叉学科。直流电机是电机的主要类型之一。一台直流电机即可作为发电机使用，也可作为电动机使用，用作直流发电机可以得到直流电源，而作为直流电动机，由于其具有良好的调速性能，在许多调速性能要求较高的场合，仍得到广泛使用。直流电动机是人类最早发明和应用的有一种电机。直流电动机是将直流电转换为的旋转机械。他与交流电动机相比，虽然直流电动机因为结构复杂，维护困难，价格比较贵等缺点制约了它的发展，应用不如交流电动机广泛。但由于直流电动机有优良的启动，调速和制动性能，因此在工业领域中仍占有一席之地。

关键词电力电子技术；直流电动机；机械能

ABSTRACT

Will the electronic technology and control technology into the traditional power technology, using semiconductor switching parts of all kinds of power transformation of electric power circuit implementation transformation and control, constitute a complete discipline, be door to the international electrotechnical commission named power electronics or called power electronic technology, he is a comprehensive electronic technology, control technology and the emerging interdisciplinary power technology. Dc motor is one of the main types of the motor. A dc motor as a generator can use, also can use as a motor, used as dc generators can get dc power, and as a dc motor, since it has good performance of speed adjustment, in many speed performa, is still widely used. Dc motor is the earliest human invention and application of a kind of motor. Current motor is converted to dc of rotating machine. He compared with ac motor, although dc motor for the complex structure, maintenance difficulties, price is more expensive shortcomings constrains its development, the application as ac motor widely. But because of dc motor with fine start, speed and braking performance, so in industry still has a place. Key words power electronic technology; dc motor; mechanical energy

目录

1 绪论 (5)

1.1概述 (5)

1.2直流电动机的基本理论 (5)

1.2.1 直流电动机的工作原理 (5)

1.2.2 直流电动机的调速 (6)

1.3直流脉宽调速系统 (8)

1.3.1 概述 (8)

1.3.2 直流脉宽调速系统的工作原理 (8)

2 系统设计方案 (10)

2.1直流电动机调速电路 (10)

2.1.1主要设计特点 (10)

2.2.2 布线图 (10)

2.1.3 注意事项 (11)

3 元器件介绍 (12)

3.1 SG2731 (12)

3.1.1 SG2731结构及原理 (12)

3.1.2 SG2731引脚及功能 (13)

3.1.3 SG2731典型应用(电路参数见表3) (14)

3.2 三极管C4466 和 A1693 (15)

4 直流电动机调速电路的测试 (15)

4.1直流电动机调速电路的测试 (15)

4.1.1 测试步骤 (15)

4.1.2 测试结果 (16)

5 实验总结 (17)

6参考文献 (18)

7 致谢 (18)

1 绪论

1.1概述

直流电机是电机的主要类型之一。一台直流电机即可作为发电机使用，也可

作为电动机使用，用作直流发电机可以得到直流电源，而作为直流电动机，由于其具有良好的调速性能，在许多调速性能要求较高的场合，仍得到广泛使用。直流电动机是人类最早发明和应用的有一种电机。直流电动机是将直流电转换为机械能的旋转机械。他与交流电动机相比，虽然直流电动机因为结构复杂，维护困难，价格比较贵等缺点制约了它的发展，应用不如交流电动机广泛。但由于直流电动机有优良的启动，调速和制动性能，因此在工业领域中仍占有一席之地。

1.2直流电动机的基本理论

1.2.1 直流电动机的工作原理

固定部分有磁铁，这里称作主磁极；固定部分还有电刷。转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕组。

要使电枢受到一个方向不变的

电磁转矩，关键在于：当线圈边在

不同极性的磁极下，如何将流过线

圈中的电流方向及时地加以变换，

即进行所谓“换向”。为此必须增

添一个叫做换向器的装置，换向器

图1 直流电动机的工作原理

配合电刷可保证每个极下线圈边中

电流始终是一个方向，就可以使电

动机能连续的旋转,这就是直流电动机的工作原理

直流电动机的工作原理归结如下：

将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流流过。电机内部有磁场存在。

载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力f的作用，f=Bli.所有导体产生的电磁力作用于转子，使转子以n(转|\分)旋转，以便拖动机械负载

1.2.2 直流电动机的调速

改变直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示

式中 Ua——电枢供电电压（V）；

Ia ——电枢电流（A）；

Ф——励磁磁通（Wb）；

Ra——电枢回路总电阻（Ω）；

CE——电势系数，，p为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数。

由式1可以看出，式中Ua、Ra、Ф三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机有三种基本调速方法：(1)改变电枢回路总电阻Ra；；(2)改变电枢供电电压Ua；(3)改变励磁磁通Ф。

1. 改变电枢回路电阻调速

各种直流电动机都可以通过改变电枢回路电阻来调速，当负载一定时，随着串入的外接电阻Rw的增大，电枢回路总电阻R=(Ra+Rw)增大，电动机转速就降低。其机械特性如图1(b)所示。Rw的改变可用接触器或主令开关切换来实现。

这种调速方法为有级调速，调速比一般约为2：1左右，转速变化率大，轻载下很难得到低速，效率低，故现在已极少采用。

调速性能如下：

（1）调速方向是往下调。

（2）调速的平滑性取决于调速变阻器的调节方式。

（3）调速的稳定性差。因为电阻增大后，机械特性硬度降低，静差率增大。

（4）调速的经济性差，因为初期投资虽然不大，但损耗增加，运行效率低。

（5）调速范围不大，因为低速时静差率的限制。

（6）调速时的允许负载为恒转矩负载。

2. 改变电枢电压调速

连续改变电枢供电电压，可以使直流电动机在很宽的范围内实现无级调速。降低电枢电压时，电动机机械特性平行下移。负载不变时，交点也下移，速度也随之改变。

优点：调速后，转速稳定性不变、无级、平滑、损耗小。

缺点：只能下调，且专门设备，成本大。（可控硅调压调速系统）下面分别介绍

这两种调速系统。

3. 改变励磁电流调速

当电枢电压恒定时，改变电动机的励磁电流也能实现调速。由式（1）可看出，电动机的转速与磁通Ф（也就是励磁电流）成反比，即当磁通减小时，转速n升高；反之，则n降低。与此同时，由于电动机的转矩Te是磁通Ф和电枢电流Ia的乘积（即Te=CTФIa），电枢电流不变时，随着磁通Ф的减小，其转速升高，转矩也会相应地减小。所以，在这种调速方法中，随着电动机磁通Ф的减小，其转矩升高，转矩也会相应地降低。在额定电压和额定电流下，不同转速时，电动机始终可以输出额定功率，因此这种调速方法称为恒功率调速。

这种调速方法的调速性能如下：

（1）调速方向是往上调，因为励磁电流不能超过其额定值，因此只能减小励磁电流，从而使磁通减小，转速上升。

（2）调速的平滑性好，只要均匀的调励磁电流的大小便可以实现无能调速转速增加，静差率不变。

（3）调速的稳定性好，虽然励磁电流减小时，机械特性硬度下降，但因理想空载转速增加，静差率不变。

（4）调速的经济性较好，因为它是在功率较小的励磁电路内控制励磁电流的，功率损耗小，运行费用低。但基本采用电压可调的直流电源供电，则需增加初期投入。

（5）调速的范围因为受机械强度、电枢电压的去磁作用和换向能力的限制，最高转速和换向能力的限制，最高转速一般只能达到额定转速的1-2倍，所以调速范围不大。

（6）调速时的允许负载为恒功率负载

1.3直流脉宽调速系统

1.3.1 概述

直流脉宽调速系统是由脉宽调制变换器(简称PWM变换器)对直流电动机电枢供电的自动调速系统。脉宽调制变换器是把脉冲宽度进行调制的一种直流斩波

器，其基本原理已在电力电子技术中阐述。自从全控式电力电子器件问世以来，应用于实践的脉宽调速系统，以它的线路简单，谐波少，损耗小，效率高和静、动态性能好等优势，引发了直流调速领域的一场革命。将直流PWM调速推广到一般工业应用中取代晶闸管相控式整流器调速有着广阔的前景。只是由于器件的发展，同时带来交流变压变频调速的更快速发展，使得直流PWM调速还没有来得及完全占领市场，几乎是刚刚兴起，就变成了传统领域。不过，在一些仍需要使用直流电动机的场合，例如电动叉车、城市无轨电车、地铁机车等，直流PWM调速仍有用武之地。

1.3.2 直流脉宽调速系统的工作原理

直流PWM调速系统主回路由二极管整流桥、滤波电容、缓冲电阻、斩波功率绝缘场效应管MOSFET及续流二极管组成,如图2所示。整流电路因系统输出功率大小不同而异,小功率输入电源多用单相220V,整流电路为单相桥式整流桥;功率较大的,一般用三相380 V电源,整流电路为三相桥式全波整流电路。整流电路输出的整流电压是脉动的直流电压,必须加以滤波。该系统的直流斩波器采用PWM控制方式,实现DC-DC变换,要求直流电源是电压源。所以一般采用电容滤波中间直流电路除起滤波作用外,还必须在整流电路与逆变器之间起去耦作用,以消除相互干扰。由于储能电容大,有必要在整流桥的输出端与储能电容之间接一限流电抗器或限流电阻器以限制因接入电源时电容两端电压为零而产生的电流冲击,但在正常工作时如将此限流电阻器一直接在电路中,将引起附加损耗和直流电压的不稳定。因此,只在接上电源的最初短时间内限流电阻器投入,而后由延时动作的触头将其短路。

图2 控制系统结构图

该直流脉宽调速的控制系统包括速度调节器、电流调节器、PWM调制器、驱

动器、电流隔离检测器、电压隔离检测器、电流正反馈补偿部分,如图1所示，

在电机运行的现场安装测速发电机不太容易,另一方面,即使安装了测速发电机,

反馈信号的处理及信号线的引入也会带来不便,所以在该调速系统中采用电压反

馈来代替速度反馈,由于直流电机电枢内阻的存在,电机的电枢电势不等于电枢

电压2直流电动机的电势平衡方程为:

因此,电压信号并不是准确的转速信号,它们之间存在一定的差别,且随着负载增大,电枢电流增大,误差也增大,也就是说电压闭环不能补偿电机电枢压降所造成的转速降落,从而并不能真正代替转闭环而实现转速无静差调节。为此,在系统电压环增加电流正反馈来补偿电机电枢绕组压降所引起的转速降落,如图1所示。为了使系统静差尽量小,又能使系统稳定且机械特性不上翘,需选择适当的电流正反馈补偿比例以使电压能正确反映电机转速。对于直流电动机,根据电势平衡方程,可以得到电机电势或转速与电压、电流之间的关系,即、

从上式可以看出,电流正反馈补偿可以完全补偿电枢压降所造成的转速降落,

则带电流补偿控制的电压负反馈与转速负反馈调速系统静特性方程[4]完全相当,

即电动势负反馈。也就是说利用电压负反馈和电流正反馈补偿代替转速反馈完全

可以实现无测速机的直流电机调速系统,并具有转速闭环系统的良好调速性能。

2 系统设计方案

2.1直流电动机调速电路

2.1.1主要设计特点

1.较宽的电压工作范围，可以单极性电源工作，也可以双极性电源工作，但

电压控制在 3.5V~12V，-3.5V~-12V范围内变化是，驱动输出极电源电压在

2.5V~24V, -2.5V~-24V范围内变化时均可正常工作。

2. 较强的负载能力：双通道双向脉宽调至输出，每通到最大输出电流为

100mA，可直接驱动继电器、微型直流电机和小功率晶体管单项桥式逆变器等。

3. 宽频带的工作范围：其输出频率可在5~350kHz范围内任意调节。

4. 带有脉冲封锁端，便于进行非正常情况下的保护。

本实验所需元件如下表

表1

2.2.2 布线图

图3直流电动机控制电路布线图

2.1.3 注意事项

1. 该布线图存在错误，芯片管脚4，5应直接相连，100K电阻应接在管脚3，5之间。

2. 在焊接电路时，要特别注意三极管C4466和A1693的极性问题，千万不能接反。

3. 要注意虚焊，短接问题。

3 元器件介绍

本章主要介绍SG2731 ,三极管C4466和A1693的外观、参数及简单应用。

3.1 SG2731

SG2731是SILICON GENERAL公司生产直流电动机PWM控制单片集成电路,它以输入误差信号幅值和极性控制输出两路脉冲调节信号,控制H桥输出;电机驱动电压能在较大的范围内进行调整;可实现直流电动机的4象限控制,可用于精确位置伺服控制和速度控制;可以通过外部电路实现过流保护。其应用电路简单,控制方便,系统成本低,可广泛适用于有、无位置反馈直流电机驱动系统中。

3.1.1 SG2731结构及原理

SG2731是一种高性能直流电机驱动芯片,内部有三角波发生器、误差电压放大器、脉宽调制器、PWM补偿电路、H桥驱动电路和瞬间保护电路等, 如图3所示。三角波发生器由两个电压比较器、一个RS触发器、一个双向500μA恒流源和外接定时器电容组成。正基准电压V△+和负基准电压V△-由外部从2和7引脚接入,决定了三角波的幅值电压。在正常情况下,正负基准电压相等,三角波形对称。

图4 SG2731内部结构图

由于决定三角波斜率的定时电容充电和放电是以500μA恒流源进行的,所以三角波的两个斜坡完全对称。从而得到三角波的振荡周期计算公式:

误差放大器:它是一个有内补偿的低输出阻抗运算放大器，其输入和输出端由引脚引出，在应用中可以根据需要采用反馈补偿技术，以控制比环系统的增益特性。

PWM调制器:从RS触发其输出的三角波信号与误差放大器输出的误差电压相加，衰减1/ 2，在两个比较器与门槛电压-VT和+VT进行比较，从而得到两路PWM 信号，控制两个半桥的输出OUTPUT A (13引脚)和输出OUTPUT B (12引脚)。门槛电压从1和8脚输入。

脉宽调制可分为有死区和无死区2种工作方式,以无死区的工作方式为例,这两种工作方式的选择是通过+VT和V△+的比较来决定的,当+VT>V△+时为有死区的工作方式。当误差电压为零时,三角波与门槛电压没有交叉,输出A和B保持低电平。当误差电压足够大时,三角波向上平移与门槛电压周期性相交,输出OUTPUT A有PWM输出。此脉冲占空比与误差电压成正比关系,直到100%占空比。同样在负误差电压下,输出OUTPUT B被调制,如图4所示。如果为无死区工作方

式,输出OUTPUT A 和输出OUTPUT B 出现两列相互差为180°的激励脉冲,有利于消除系统的机械死区。

图5 SG2731有死区工作方式调制波形

2路输出驱动级为推挽结构半桥驱动,输出和吸入电流为100mA,最大值为200mA,4个二极管起续流的作用。采用非饱和、准补偿技术,输入级为高压施密特触发器电路,正反馈加速了开关时间。

3.1.2 SG2731引脚及功能

表2说明SG2731引脚定义,性能指标为：

工作电压范围:±3.5~±18V

电机工作电压范围:7.0~44V

误差运算放大器范围:-3~+3V

工作温度范围:-25~85℃

输出可连续电流:200mA

表2 SG2731引脚说明

图5 SG2731的管脚排列

3.1.3 SG2731典型应用(电路参数见表3)

如图7所示为由SG2731、外部功率放大电路、速度反馈电路、速度及内部设置给定电路构成的直流电动机伺服系统。系统控制电源为±15V,驱动级电源±32V,驱动电机为小功率直流永磁电动机。外接H桥功率管开关电路,以扩大输出电流。电动机经轴带动测速发电机,经过滤波、分压处理得到反馈信号,从3脚引入,构成速度控制系统。位置指令电压信号可利用电位器得到,从4引脚输入。三角波峰值电压和门槛电压由5个电阻分压得到。

表3 典型应用外围电路参数

图7 典型应用电路图

3.2 三极管C4466 和 A1693

C4466参数为Vcbo=120V,Vceo=80V.Ico=6A,Pc=60W.

C4466 和 A1693是配对管，参数一样，只是一个是ＰＮＰ型，一个是ＮＰＮ型．

4 直流电动机调速电路的测试

4.1直流电动机调速电路的测试

4.1.1 测试步骤

1）在连接电源前，先将各个管脚之间的电阻值检查一下，防止有短路或断路情况存在；

图9 C4466和A1693的封装

图8 A1693外观及图形符号

2）检查完之后，接上±12V的电源，在检查一下各管脚对地的电压值是否相符；

3）确定电路焊接没有问题后，在A、B两点间接上小型直流电动机，调节电位器，观察电动机的转速及方向的变化情况；

4）连接示波器，观察6号引脚、12或13引脚对地的波形，并记录下来。

4.1.2 测试结果

1）调节电位器，电压随之变化，电动机的转速也相应改变，即电压与转速成正比变化；

2）6号引脚对地的波形是三角波，如下图所示：

图 10 引脚6对地波形

3）13号引脚是脉冲调制，形成一个方波，如图所示：

图11 引脚13对地波形

实验总结

在学习知识的同时，我也了解到自己的不足，动手能力有待提高，不能只了

解书本知识而不重视实践能力。学校为我们提供实践的机会，我们就应该认真的对待，通过实践提高自己的能力。实践过程中要求我们做事要有耐心，要细致地对待每一件事，这些在我们的日常生活中也是很重要的。经过这次的电力电子技术课程设计，,我个人得到了不少的收获,一方面加深了我对课本理论的认识,另一方面也提高了实验操作能力。现在我总结了以下的体会和经验。这次的设计跟我们以前做的设计不同，因为我觉得这次我是真真正正的自己亲自去完成。所以是我觉得这次实验最宝贵，最深刻的。就是实验的过程全是我们学生自己动手来完成的，这样，我们就必须要弄懂实验的原理。在这里我深深体会到哲学上理论对实践的指导作用：弄懂实验原理，而且体会到了实验的操作能力是靠自己亲自动手，亲自开动脑筋，亲自去请教别人才能得到提高的。我们做实验绝对不能人云亦云，要有自己的看法，这样我们就要有充分的准备，若是做了也不知道是个什么实验，那么做了也是白做。通过这次设计加深了我对这门课程的了解，也加深了对这门课程的设计。以前总是觉得理论结合不了实际，但通过这次设计使我认识到了理论结合实际的重要性。但由于我知识的限制，设计还有很多不足之处，希望老师指出并教导。通过对电路图的研究，也增强了我们的思考能力。课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。很感激学校给了我们这次动手实践的机会，让我们学生有了一个共同学习，增长见识，开拓视野的机会。也感谢陈老师对我们无私忘我的指导，我会以这次课程设计作为对自己的激励，继续学习。

参考文献

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[2]．王兆安、黄俊．电力电子技术（第4版）．机械工业出版社，2000

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[4]．莫正康．电力电子技术应用（第3版）．机械工业出版社，2000

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[7]．刘祖润、胡俊达．毕业设计指导．机械工业出版社，1995

[8]．刘星平．电力电子技术及电力拖动自动控制系统．机械工业出版社1999

致谢

感谢我的老师肖文英老师，她严谨细致、一丝不苟的作风一直是我学习中的榜样；她循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。在学习中,

老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范是我终生学习的楷模，老师们的高深精湛的造诣与严谨求实的治学精神，将永远激励着我。这一年中还得到众多老师的关心支持和帮助。在此，谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意！

另外，感谢校方给予我这样一次机会，能够独立地完成一个课程设计，并在这个过程当中，给予我们各种方便，使我们在这学期快要结课的时候，能够将学到的只是应用到实践中，增强了我们实践操作和动手应用能力，提高了独立思考的能力。

感谢所有任课老师和所有同学在这三年来给自己的指导和帮助，是他们教会了我专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的谢意。

感谢我的室友们，从遥远的家来到这个陌生的城市里，是你们和我共同维系着彼此之间兄弟般的感情，维系着寝室那份家的融洽。在此，我还要感谢和我在一起同学门，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。特别感谢我的师弟高翔同学，他对本课题做了不少工作，给予我不少的帮助。