直流电动机控制电路的设计.docx
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直流电动机控制电路的设计
第一章绪论
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
图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380V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·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。
第二章系统设计方案
2.1直流电动机控制电路
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。
第三章元器件介绍
本章主要介绍SG2731,三极管C4466和A1693的外观、参数及简单应用。
3.1SG2731
SG2731是SILICONGENERAL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。
3.1.1SG2731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4SG2731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OUTPUTA（13引脚）和输出OUTPUTB（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OUTPUTA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OUTPUTB被调制,如图4所示。
如果为无死区工作方式,输出OUTPUTA和输出OUTPUTB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5SG2731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。
图5SG2731的管脚排列
3.1.2SG2731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2SG2731引脚说明
3.1.3SG2731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．
第四章直流电动机控制电路的测试
4.1直流电动机控制电路的测试
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；
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
第五章实验总结
一周的实训很快结束了，虽然在此期间遇到了不少问题，但是我最终完成了任务，并且学到了不少知识。
通过这次实训，不仅我的动手能力得到了训练，而且通过动手加深了对知识的理解。
本次实训的主要内容是直流电动机控制电路的设计。
在焊接电路前一天，我们主要是了解该电路的工作原理，并熟悉各元器件在电路中的作用。
本次实训要求我们自主设计线路的走向并焊接电板，由于设计的电路比较复杂，因此在焊接电路时遇到了不少问题。
对于元件位置摆放的恰当与否，直接关系到电路板的美观与走线是否容易。
焊接这块电路板花费了我一天的时间，即使如此，我的电路板也不好看，挺遗憾的。
看着别人焊接的电路板如此美观，只能羡慕了。
也许我也想能够细心、耐心、多动手的话，也可以把电板的质量再提高一点。
起初，我们是按照资料上的电路图设计的，这样并无法得出数据，经过老师指出了此图的错误，并加以纠正才得到正确的结果，这就说明了不能单纯的依靠书籍与资料，它们也是有错误的，必须要经过实践的检验，毕竟，实践是检验真理的唯一标准。
有付出就一定有回报，这次实训让我充分地认识到了这一点。
通过实训，我对电动机控制电路有了更近一步的了解，与此相关的一些知识也得到了复习。
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。
参考文献
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中国电力出版社，2006
2李宏.电力电子设备用器件与集成电路应用指南.北京：
机械工业出版社，2001
3谢宗武,吴红星.电机控制集成电路的选用第十五讲直流电动机PWM控制器SG2731的应用[J].微电机.2001年05期
4陈伯时.电力拖动自控控制系统.北京:
机械工业出版社,1992
5高美霞,吴振奎,魏毅立,王小芹.直流PWM调速系统研究[J].包头钢铁学院学报,2000,（04）.
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