系统在比原来低的转速下重新稳定运行。
图3-2机械特性
调速方法的调速性能如下：
1）调速方向是往下调。
（Ra+Rr）增大所以n就下降，（Ra+Rr）与n成反比。
2）调速的平滑性取决于调速变阻器的调节方式。
如能均匀的调节变阻器的电阻值，可实现无级调速。
不过，一般调速电阻多为分级调节。
故为有级调速。
3）调速的稳定性差，因为Ra增加后，机械特性硬度降低，静差率δ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，因受低速时静差率的限制。
6）调速时的允许负载为恒转矩负载。
因为调速时的Φ基本不变，满载电流即额定电流IaN一定，因此，各种转速下也许输出的转矩相同，为恒转矩调速。
总之，这种调速方法缺点甚多，调速的经济性很差、调速方法简单，控制设备不复杂、一般用于串励或复励直流电动机拖动的电车、炼钢车间的浇铸吊车等生产机械。
2、改变电枢电压调速
他励直流电动机的电枢回路不串联电阻，用一可调的直流电源向电枢供电，最高电压不应超过额定电压。
励磁绕组由另一电源供电，保持励磁磁通为额定值。
电枢电压不同时，电动机拖动负载将运行于不同的转速上，机械特性如图3-3可以看出，当电枢电压为额定值时，电动机和负载的机械特性的交点为A，转速为n；电压降到U1后，交点为A1，转速为n1；电压为U2，交点为A2，转速为n2。
电枢电压越低，转速也越低。
同样，改变电枢电压调速方法的调速范围也只能在额定转速与零转速之间调节。
图3-3改变电枢电压调速机械特性
改变电枢电压调速平滑性好，如果能均匀的调节变阻器的电阻值即可实现无级调速，调速效率高，调速范围大；转速稳定性较串电阻调速好；所需的可调压电源设备投资较高，但运行费用少。
总之，这种调速方法在直流电力拖动系统中被广泛应用。
3、改变励磁电流调速
改变励磁电流的多少便可改变磁通的多少，从而达到调速的目的。
保持他励直流电动机电枢电源电压不变，电枢回路也不串接电阻，在电动机拖动负载转矩不很大（小于额定转矩）时，减少直流电动机的励磁磁通，可使电动机转速升高。
他励直流电动机带恒转矩负载时弱磁调速，如图3-5所示。
<
<
图3-4改变励磁电流调速
从图中可以看出，当励磁磁通为额定值ΦN时，电动机和负载的机械特性的交点a，转速为n；励磁磁通减少为Φ1时，理想空载转速增大，同时机械特性斜率也变大，交点为c，转速为n1。
弱磁调速的范围是在额定转速与电动机所允许最高转速之间进行调速，至于电动机所允许最高转速值时受换向也机械强度所限制，一般约1.2nN左右，特殊设计的调速电动机，可达到3nN或更高。
弱磁调速的优点时设备简单，调节方便，运行斜率也较高，适用于恒功率负载。
缺点时励磁过弱时，机械特性的斜率大，转速稳定性差，拖动恒转矩负载时，可能会使电枢电流过大。
在实际电力拖动系统中，可以将几种调速方法结合，这样可以得到较宽的调速范围，电动机可以在调速范围之内的任何转速上运行，而且调速时损耗较小，运行效率较高，能很好地满足各种生产机械对调速的要求。
应用:
不经常逆转的重型机床。
六、直流电机H桥驱动电路
H桥功率驱动电路可应用于步进电机、交流电机及直流电机等的驱动。
一、H桥驱动电路
所谓H桥驱动电路是为直流电机而设计的一种常见电路，它主要实现直流电机的正反向驱动，其典型电路形式如下：
从图中可以看出，其形状类似于字母“H”，而作为负载的直流电机是像“桥”一样架在上面的，所以称之为“H桥驱动”。
4个开关所在位置就称为“桥臂”。
从电路中不难看出，假设开关A、D接通，电机为正向转动，则开关B、C接通时，直流电机将反向转动。
从而实现了电机的正反向驱动。
借助这4个开关还可以产生电机的另外2个工作状态：
A）刹车——将B、D开关（或A、C）接通，则电机惯性转动产生的电势将被短路，形成阻碍运动的反电势，形成“刹车”作用。
B）惰行——4个开关全部断开，则电机惯性所产生的电势将无法形成电路，从而也就不会产生阻碍运动的反电势，电机将惯性转动较长时间。
以上只是从原理上描述了H桥驱动，而实际应用中很少用开关构成桥臂，通常使用晶体管，因为控制更为方便，速度寿命都长于有接点的开关（继电器）。
细分下来，晶体管有双极性和MOS管之分，而集成电路（例如L298）只是将它们集成而已，其实质还是这两种晶体管，只是为了设计、使用方便、可靠而做成了一块电路。
双极性晶体管构成的H桥：
MOS管构成的H桥：
二、使能控制和方向逻辑
驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。
如果三极管TA和TB同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。
此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管。
基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。
图4.15所示就是基于这种考虑的改进电路，它在基本H桥电路的基础上增加了4个与门和2个非门。
4个与门同一个“使能”导通信号相接，这样，用这一个信号就能控制整个电路的开关。
而2个非门通过提供一种方向输人，可以保证任何时候在H桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。
（图4.15所示不是一个完整的电路图。
）
图4.15具有使能控制和方向逻辑的H桥电路
采用以上方法，电机的运转就只需要用三个信号控制：
两个方向信号和一个使能信号。
如果DIR－L信号为0，DIR－R信号为1，并且使能信号是1，那么三极管Q1和Q4导通，电流从左至右流经电机（如图4.16所示）；如果DIR－L信号变为1，而DIR－R信号变为0，那么Q2和Q3将导通，电流则反向流过电机。
图4.16使能信号与方向信号的使用
实际使用的时候，用分立元件制作H桥是很麻烦的，现在市面上有很多封装好的H桥集成电路，接上电源、电机和控制信号就可以使用了，在额定的电压和电流内使用非常方便可靠。
比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。
分立元件的H桥驱动电路图
集成电路L298驱动电路图
电动机PWM驱动模块的电路设计与实现具体电路见上图。
本电路采用的是基于PWM原理的H型桥式驱动电路。
七、PWM控制的基本原理
理论基础：
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。
冲量指窄
脉冲的面积。
效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。
低频段非常接近，仅在
高频段略有差异。
面积等效原理：
分别将如图6-1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图
6-2a所示其输出电流i（t）对不同窄脉冲时的响应波形如图6-2b所示。
从波形可以看出，在i（t）的上升段，i（t）的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。
脉冲越窄，各响应波形的差异也越小。
如果周期性地施加上述脉冲，则响应i（t）也是周期性的。
用傅里叶级数分解后将可看出，各i（t）在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。
用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。
SPWM波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的波形。
要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。
等幅PWM波和不等幅PWM波：
由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波，如直流斩波电路及本章主要介绍的PWM逆变电路，PWM整流电路。
输入电源是交流，得到不等幅PWM波，与讲述的斩控式交流调压电路，矩阵式变频电路。
基于面积等效原理，本质是相同的。
八、直流电动机调速系统的设计
直流电机的调试功能仿真如下图：
正转时，电机正转，数码管最高位显示“三”,其它三位先所给定频率，如下图：
5、减速分5档，波形如下
1.直流电动机
电机型号：
Z2-31,直流电动机的额Pn=1.5KM;Un=220V;In=8.74A;Nn=1500r/min；电机的飞轮转矩0.085。
1.计算电机转速为1000rpm和500rpm时PWM波占空比；
2.分析PWM调制技术在调压控制中的原理和应用？
内容解析:
采用电枢电压调速
由上题可知：
Pn=1.5KM;Un=220V;In=8.74A;Nn=1500r/min；
=1.3Ω
Φ=0.092
Φ=0.878
=52.72Nm
电枢电压减小后
=（
+
）T/
=1.3×25.04/（0.0762×0.728）=20.04Nm
=n+
=（1000+780.9）r/min=1956r/min
由此求得
=
Φ
=0.0879×1956=180.00V
3.直流电动机的PWM调压调速原理
直流电动机转速N的表达式为：
N=U-IR/Kφ
由上式可得，直流电动机的转速控制方法可分为两类：
调节励磁磁通的励磁控制方法和调节电枢电压的电枢控制方法。
其中励磁控制方法在低速时受磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。
现在，大多数应用场合都使用电枢控制方法。
对电动机的驱动离不开半导体功率器件。
在对直流电动机电枢电压的控制和驱动中，对半导体器件的使用上又可分为两种方式：
线性放大驱动方式和开关驱动方式。
线性放大驱动方式是使半导体功率器件工作在线性区。
这种方式的优点是：
控制原理简单，输出波动小，线性好，对邻近电路干扰小；但是功率器件在线性区工作时由于产生热量会消耗大部分电功率，效率和散热问题严重，因此这种方式只用于微小功率直流电动机的驱动。
绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。
开关驱动方式是使半导体器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，实现调速。
在PWM调速时，占空比α是一个重要参数。
以下3种方法都可以改变占空比的值。
（1）定宽调频法
这种方法是保持t1不变，只改变t2，这样使周期T（或频率）也随之改变。
（2）调频调宽法
这种方法是保持t2不变，只改变t1，这样使周期T（或频率）也随之改变。
（3）定频调宽法
这种方法是使周期T（或频率）保持不变，而同时改变t1和t2。
前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此这两种方法用得很少。
目前，在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。
八、心得体会
熟练了直流电机的机械特性和电气特性；掌握直流电动机拖动负载顺利启动的方法；学习了直流电动机调速和正反转控制方法；根据直流电动机铭牌数据完成启动和调速控制系统设计。
电机与拖动课程设计终于圆满结束，在老师的细心指导下和同学们的共同努力中，我们顺利地完成了课程设计.在这次设计过程中，我深刻地体会到了科学的严谨，必须要有一个正确的态度去面对设计，努力地为了完成各种参数的设定而实验，积极地与同学们交流，在配合下完成设计的意识.通过整个课程设计，使我对直流电动机的串电阻起动可以说是“刻骨铭心”，不仅让我深刻地了解到前人在科学研究上态度和方法，而且也让我懂得任何的创新和发现都不是一时一刻可以得到的，必须具有深厚的知识功底，敏锐的洞察力才能告破事情的真相，从根本上理解它，应用它。
通过这次课程设计，我感觉这种设计很好地锻炼了我们的团队合作精神和对知识的应用能力，从本质上为我们揭示了基础理论科学。
使我的各方面的能力得到了充分的锻炼。
参考文献
[1]《电机与拖动》唐介主编高等教育出版社2003年出版
[2]《电机与拖动基础》刘起新主编中国电力出版社2005年出版
[3]《电机学》李海发主编科学出版社2001年出版
[4]《电机与拖动》周绍英主编中央广播电视大学出版社1995年出版
[5]《电机理论与运行》汤蕴谬主编水利电力出版社2005年出版
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