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。
直流电动机双极性驱动可逆PWM控制系统
双极性驱动则是指在一个PWM周期里，作为在电枢两端的脉冲电压是正负交替的。
双极性驱动电路有两种，一种称为T型，它由两个开关管组成，采用正负电源，相当于两个不可逆控制系统的组合。但由于T型双极性驱动中的开关管要承受较高的反向电压，因此只用在低压小功率直流电动机驱动。
另一种称为H型。
H型双极性驱动
一、显示接口模块
方案一：液晶显示器也是一种常用的显示器件。它的优点是功耗低，寿命长，本身无老化问题，显示信息量大（可以显示字母和数字），在显示字符上没有限制。但价格高，接口电路较为复杂。其只在一些（袖珍型）设备上作为显示之用。
方案二：数码管（LED）是一种简单而常用的显示器件，通常用来指示机器的状态和其他信息。它的优点是价格低，寿命长，对电流，电压的要求低及容易实现电路的接口等；而有其亮度较低，温度依赖性较大等缺点。但在其系统中只作为简单的显示，且从价格等方面考虑。采用方案二来设计电路。
1．电动机控制电路模块
H桥电动机驱动电路的工作原理：
A：当单片机的脚输出高电平，而脚输出低电平时，通过光电耦合器后仍然输出为高电平，使Q4管导通，此时Q1也处于导通状态，但Q2管的基极的电位被强行拉低，Q2管处于截止状态。由于单片机的脚输出低电平，
Q8处于截止状态，而此时Q7因为Q5的截止而处于导通状态，从而使电动机形成回路，电机正常工作。
B：同理可得，当脚输出低电平，而脚输出高电平时，三极管的状态与上述
相反，电机同样处于正常工作状态。
C：当脚和同时为高电平或低电平，由于Q4与Q8和Q3与Q7的工作状态相同，同时处于导通或截止，使电机两断电位相同，无法使电机形成闭和回路，电机不工作，着就是所谓本设计所提及的刹车状态。
由于电路中在驱动功率管的发射极各添加了一个小电感，目的是为了使电机驱动电压更加稳定，得到较为平滑的驱动电压，从而增加了刹车时动作的准确性，减少电机的在起动和停止的瞬间产生过大的电压对功率管的冲击，导致功率管的损坏。同时也提高了电机的刹车控制可靠性和准确性，不至于因惯性而导致控制上产生较大的误差。
该桥的优点是电路的原理简单、易控制、功耗低带负载能力强、刹车的精度很高而且价格低廉。在驱动电路的控制信号输入断采用了光电隔离技术，减小H桥电机驱动电路对单片机的干扰，实现模拟电路与数字电路的隔离。在单片机的配合下，通过PWM调节脉宽的方法，实现了对驱动电机的轻松调速，通过键盘的配置可以对体的参数进行修改，可以使电机适应各种不同的工作状态，而实现智能控制的目的。正因为采取了PWM该技术，使我们完成基本要求的过程变得简单易行。
在电路中所采取的功率管为中功率管，其中将驱动功率管设计为灵活替换方式，可以根据实际驱动电路的需要，从而调整功率管的型号而不用另行更改电路，就可以满足电路控制的要求
三、软件模块部分
在速度控制方面，一般是能通过改变加在电机两端的电压来实现的，可以是连续改变（加直流电压），也可以是断续改变（加脉冲电压）。为了简单用，我们采用了脉宽调速，脉宽的变化可以通过硬件或软件来实现。
方案一硬件实现是通过改变振荡电路中RC参数来调整充放电时间。若
用硬件电路来实现，在稳定性方面得不到保证。
方案三用软件的作法是通过设置高电平及低电平的保持时间来达到PWM的脉宽调制目的。
就比较而言，软件调整量化指标更高、调整更可靠、更方便、更准确。因此在设计时，常考虑方案二。
脉冲频率对电机转机也有影响，脉冲频率高连续性好，但带负载能力差，频率低则反之。经实验发现，脉冲频率在15━20HZ效果最佳。在本设计中采用了20HZ进行设计。
脉冲调速实质上是调节加在电机两端的平均功率，通过计算可发现电机的速度与脉宽成正比。
软件编程的考虑是设置脉宽这个变量。在，的输出控制信号来产生20HZ可调脉宽方波。
直流电动机的工作原理：在电枢线圈中通入直流电流，电枢在磁场中旋转，换向器和电枢一起旋转。电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由线圈边ab，cd流入，使线圈边只要处于N极下，其中通过电流的方向总是从电刷A流入的方向，在S极下，电流总是从电刷B流出的方向。由此保证了每个磁极线圈边中的电流始终是一个方向，使电动机连续旋转。 直流发电机的工作原理：把电枢线圈感应产生的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用， 使之从电刷端引出时为直流电动势。 直流电机的结构：定子（主磁极，换向极，机座，端盖，电刷装置）作用：产生磁场 转子（电枢铁心，电枢绕组，换向器，轴，风扇） 主要是电枢，作用：产生电磁转矩和感应电动势 可逆原理：同一台电机，既能做电动机运行，又能做发电机运行的原理，称为可逆原理。 直流电机的励磁方式：4种，串励，并励，他励，复励。 直流电机的空载磁场：直流电机不带负载时运行的状态称为空载运行。空载运行时电枢电流为零或近似为零，所以空载磁场是指主磁极励磁磁动势单独产生的励磁磁场。电枢磁动势：由电枢电流所建立的磁动势. 电枢反应：电枢磁动势对励磁磁动势所产生的气隙磁场的影响，称为电枢反应。 电枢反应影响电动机转速，发电机端电压。 电枢反应的作用：1负载时气隙磁场发生了畸变。2呈去磁作用。 改变电动机转向的方法：1改变电枢两端电压极性。2互换励磁绕组极性。 电机圆周在几何上分成360度，这个角度成为机械角度或空间角度。 导体切割磁场，经过N，S一对磁极，因而一对磁极占有的空间是360度 直流电机的3种调速方法:1改变电枢电压调速，2电枢回路串电阻调速，3改变励磁调速。 并励直流发电机的自励条件：1电机磁路中有剩磁 2励磁绕组并联到电枢两端 3励磁回路的总电阻小于临界点组 换向:元件内电流方向改变的过程。 变压器的分类：电力变压器，特种变压器. 变压器的主要部件：铁心，绕组，油箱。铁心和绕组装配组成器身。 变压器的特性指标：变压器二次侧的电压变化，变压器的效率 三相异步电动机的工作原理：就是通过一种旋转磁场与由这种旋转磁场借助于感应作用在转 子绕组内所感生的电流互相作用，以产生电磁转矩来实现拖动作用。 旋转磁场：一种极性不和大小不变，以一定转速旋转的磁场。 三相异步电动机的结构：定子（定子铁心，定子绕组，机座，端盖，风扇） 转子（转子铁心，转子绕组，转轴，气隙） 机械角度：电机圆周在几何上分成360度，机械角度总是360度。 电角度=P×机械角度=p×360 p:极对数
7.1 晶闸管—直流电动机调速系统 采用晶闸管可控整流电路给直流电动机供电，通过移相触发，改变直流电动机电枢电压，实现直流电动机的速度调节。这种晶闸管—直流电动机调速系统是电力驱动中的一种重要方式，更是可控整流电路的主要用途之一。可以图7-1所示三相半波晶闸管—直流电动机调速系统为例，说明其工作过程和系统特性。 直流电动机是一种反电势负载，晶闸管整流电路对反电势负载供电时，电流容易出现断续现象。如果调速系统开环运行，电流断续时机械特性将很软，无法负载；如果闭环控制，断流时会使控制系统参数失调，电机发生振荡。为此，常在直流电机电枢回路内串接平波电抗器Ld，以使电流Id尽可能连续。这样，晶闸管—直流电动机调速系统的运行分析及机械特性，必须按电流连续与否分别讨论。 8.1.1 电流连续时 如果平波电抗器Ld电感量足够大，晶闸管整流器输出电流连续，此时晶闸管—直流电动机系统可按直流等值电路来分析，如图7-2所示。图中，左半部代表电流连续时晶闸管整流器的等效电路，右半部为直流电动机的等效电路。由于电流连续，晶闸管整流器可等效为一个直流电源Ud与内阻的串联，Ud为输出整流电压平均值 （7-1） 式中U为电源相压有效值，为移相触发角。
电流连续情况下，晶闸管有换流重迭现象，产生出换流重迭压降，相当于整流电源内串有一个虚拟电阻，其中LB为换流电感。再考虑交流电源（整流变压器）的等效内电阻Ro，则整流电源内阻应为，如图所示。 电流连续时直流电动机可简单地等效为为反电势E与电枢及平波电抗器的电阻总和Ra 串联，而平波电抗器电感Ld在直流等效电路中是得不到反映的。 这样，根据图7-2等效电路，可以列写出电压平衡方程式为 （7-2） 式中，Ce为直流电机电势常数，φ为直流电机每极磁通。求出电机转速为 （7-3） 可以看出，在电枢电流连续的情况下，当整流器移相触发角固定时，电动机转速随 负载电流Id的增加而下降，下降斜率为。当角改变时，随着空载转速点no的变化，机械特性为一组斜率相同的平行线。 但是在一定的平波电抗器电感Ld下，当电流减小到一定程度时，Ld中储能将不足以维持电流连续，电流将出现断续现象，此时直流电动机机械特性会发生很大变化，不再是直线，图7-3中以虚线表示。这部分的机械特性要采用电流断续时的运行分析来确定。 二、电流断续时
永磁无刷直流电动机的基本工作原理 无刷直流电动机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。 1. 电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。 无刷直流电动机的原理简图如图一所示： 永磁无刷直流电动机的基本工作原理 主电路是一个典型的电压型交-直-交电路，逆变器提供等幅等频5-26KHZ调制波的对称交变矩形波。 永磁体N-S交替交换，使位置传感器产生相位差120°的U、V、W方波，结合正/反转信号产生有效的六状态编码信号：101、100、110、010、011、001，通过逻辑组件处理产生T1-T4导通、T1-T6导通、T3-T6导通、T3-T2导通、T5-T2导通、T5-T4导通，也就是说将直流母线电压依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，这样转子每转过一对N-S极，T1-T6功率管即按固定组合成六种状态的依次导通。每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动60°电角度，转子跟随定子磁场转动相当于60°电角度空间位置，转子在新位置上，使位置传感器U、V、W按约定产生一组新编码，新的编码又改变了功率管的导通组合，使定子绕组产生的磁场轴再前进60°电角度，如此循环，无刷直流电动机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。正因为无刷直流电动机的换向是自身产生的，而不是由逆变器强制换向的，所以也称作自控式同步电动机。 2. 无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，所以不论转子的起始位置处在何处，电动机在启动瞬间就会产生足够大的启动转矩，因此转子上不需另设启动绕组。 由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直，在铁芯不饱和的情况下，产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比，这正是他励直流电动机的电流-转矩特性。 电动机的转矩正比于绕组平均电流： Tm=KtIav （N·m） 电动机两相绕组反电势的差正比于电动机的角速度： ELL=Keω （V） 所以电动机绕组中的平均电流为： Iav=（Vm-ELL）/2Ra （A） 其中，Vm=δ·VDC是加在电动机线间电压平均值，VDC是直流母线电压，δ是调制波的占空比，Ra为每相绕组电阻。由此可以得到直流电动机的电磁转矩： Tm=δ·（VDC·Kt/2Ra）-Kt·（Keω/2Ra） Kt、Ke是电动机的结构常数，ω为电动机的角速度（rad/s），所以，在一定的ω时，改变占空比δ，就可以线性地改变电动机的电磁转矩，得到与他励直流电动机电枢电压控制相同的控制特性和机械特性。
《电力拖动技术课程设计》报告书 直流电动机调速设计 专业：电气自动化 学生姓名： 班级： 09电气自动化大专 指导老师： 提交日期： 2012 年 3 月
前言 在电机的发展史上，直流电动机有着光辉的历史和经历，皮克西、西门子、格拉姆、爱迪生、戈登等世界上著名的科学家都为直流电机的发展和生存作出了极其巨大的贡献，这些直流电机的鼻祖中尤其是以发明擅长的发明大王爱迪生却只对直流电机感兴趣，现而今直流电机仍然成为人类生存和发展极其重要的一部分，因而有必要说明对直流电机的研究很有必要。 早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。 直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工效率。
一概述 随着电力电子器件的发展，大功率变流技术前进到一个以弱电为控制，强电为输出的新时代。直流电机调速系统由于它在技术性能与经济指标上具有优越性，实施技术上也比较成熟，因此在冶金、机械、矿山、铁道、纺织、化工、造纸及发电设备等行业都得到了广泛的应用，已成为工业自动控制领域一个及其重要的组成部分。一般工业生产中大量应用各种交直流电动机。直流电动机有良好的调速性能，三相交流桥式全控整流是目前在各种整流电路中应用最为广泛的电力电子电路，在运用到在直流电机调速时可以采用这种电路。 三相交流桥式全空整流最初用途是传动控制，但目前应用的新领域是各种直流电源设计。前者是三相交流桥式全控整流电路的传统领域，后者则是它当前和未来发展的新领域。而高频、大功率、高可靠性开关电源是当今电源变换技术发展的重要方向之一。 从我国的实际情况来看很好地采用三相桥式全控整流给直流电机调速仍然有很广泛的应用市场。这对改善我国科技现状水平，提高经济效益将起着重要作用，所以研究三相桥是全控整流直流调速系统有着深远的意义，它不仅能够大大改善各种机车的调速系统，为其提高安全、快速、低损耗的调速装置，在解决目前国际各国所面临的能源无谓的消耗起到立竿见影的效果。
二设计的总体思路 2.1 直流电动机的调速方法 采用改变电动机端电压调速的方法。当额定励磁保持不变，理想空载转速 n随U减小而减小，各特性线斜率不变，由此可实 现额定转速以下大范围平滑调速，并且在整个调速范围内机械特性硬度不变。变电压调速要有可调的直流电源，根据供电电源的种类分两种情况：一是采用可控变流装置，将交流电转变为可调的直流电。二是采用直流斩波器，在具有恒定直流供电电源的地方，实现脉冲调压调速由于工矿企业中大多为交流电源，因此前一种情况应用最广。 晶闸管变流装置输出的直流脉动电压 U加在电抗器L和电动 d 机电枢两端，L起滤波作用以及保持电流连续。改变晶闸管触发电 U，就可改变触发脉冲的控制角。，从而改变输路的移相控制电压 g U的大小，实现平滑的调压调速。 出平均电压 d 2.2 调速系统的确定 双闭环调速
综述 直流电机是人类最早发明的和应用的一种电机。与交流电机相比，直流电机因结构复杂、维护困难、价格较贵等缺点制约了它的发展，应用不如交流电机广发。但由于直流电动机具有优良的起动、调速和制动性能，因此在工业领域中仍占有一席之地。随着电力电子技术的发展，直流发电机虽有可能被可控整流电源取代的趋势，但从供电的质量和可靠性来看，直流发电机仍具有一定的优势，因此在某些场合，例如化学工业中的电镀、电解等设备，直流电焊机和某些大型同步电机的励磁电源仍然使用直流发电机作为供电电源。 直流电动机主要分为四类:1他励直流电动机，2并励直流电动机，3串励直流电动机，4复励直流电动机。本文对他励直流电动机的调速进行设计，主要介绍了他励直流电动机的调速原理以及调速方法。
1 直流电动机调速原理 1.1直流电动机的定义 输入为直流电能的旋转电动机，称为直流电动机，它是能实现直流电能向机械能转换的电动机。 1.2直流电动机的基本结构 直流电机由定子和转子两部分组成，其间有一定的气隙。其构造的主要特点是具有一个带换向器的电枢。直流电机的定子由机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和刷架等部件组成。其中主磁极是产生直流电机气隙磁场的主要部件，由永磁体或带有直流励磁绕组的叠片铁心构成。直流电机的转子则由电枢、换向器（又称整流子）和转轴等部件构成。其中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。电枢铁心由硅钢片叠成，在其外圆处均匀分布着齿槽，电枢绕组则嵌置于这些槽中。换向器是一种机械整流部件。由换向片叠成圆筒形后，以金属夹件或塑料成型为一个整体。各换向片间互相绝缘。换向器质量对运行可靠性有很大影响。 图1-1直流电动机的基本结构 1—直流电机总图；2—后端盖；3—通风器；4—定子总图；5—转子（电枢）总图；6—电刷装置；7—前端盖。 1.3直流电动机的工作原理 直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应产生的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。 电刷上不加直流电压，用原动机拖动电枢使之逆时针方向恒速转动，线圈两边就分别切割不同极性磁极下的磁力线，而在其中感应产生电动势，电动势方向按右手定则确定。这种电磁情况表示在图上。由于电枢连续地旋转，，因此，必须使载流导体在磁场中所受到线圈边ab和cd交替地切割N极和S极下的磁力线，虽然每个线圈边和整个线圈中的感应电动势的方向是交变的．线圈内的感应电动势是一种交变电动势，而在电刷A，B端的电动势却为直流电动势(说得确切一些，是一种方向不变的脉振电动势)。因为，电枢在转
概述 (2) 1 设计任务与分析 (3) 1.1 任务要求 (3) 1.2 任务分析 (3) 2方案选择及论证 (4) 2.1 三相可控整流电路的选择 (4) 2.2 触发电路的选择 (4) 2.3 电力电子器件的缓冲电路 (5) 2.4 电力电子器件的保护电路 (5) 3主电路设计 (7) 3.1 整流变压器计算 (7) 3.1.1 U2的计算 (7) 3.1.2一次侧和二次侧相电流I1和I2的计算 (8) 3.1.3变压器的容量计算 (8) 3.2 晶闸管元件的参数计算 (9) 3.2.1晶闸管的额定电压 (9) 3.2.2晶闸管的额定电流 (9) 3.3 电力电子电路保护环节 (10) 3.3.1交流侧过电压保护 (10) 3.3.2直流侧过电压保护 (11) 3.3.3晶闸管两端的过电压保护 (11) 3.3.4过电流保护 (11) 4触发电路设计 (11) 4.1 触发电路主电路设计 (11) 4.2 触发电路的直流电源 (13) 5电气原理图 (14) 小结与体会 (15) 参考文献 (16) 附录 (16)
直流电动机具有良好的起动和制动性能，广泛应用于机械、纺织、冶金、化工、轻工等工业系统。随着电力电子技术的发展，晶闸管在直流电动机的调速系统中得到广泛应用。晶闸管直流电动机调速系统，可实现电动机的无级调速，具有调节范围宽，控制精度高，使用寿命长、成本低等优点。正确掌握晶闸管直流电动机调速系统的设计方法，对系统的可靠运行及应用有重大意义。 本设计以晶闸管直流电动机调速装置为主，介绍了系统的各个部件的组成及主要器件的参数计算。调速装置以可控整流电路作为直流电源，把交流电变换成大小可调的单一方向直流电。通过改变触发电路所提供的触发脉冲送出的早晚来改变直流电压的平均值。 关键词：可控整流晶闸管触发电路保护电路
7.2.2 直流电动机工作原理与结构 图7-4 直流电动机模型 图7-4是一个最简单的直流电动机模型。在一对静止的磁极N和S之间，装设一个可以绕Z-Z'轴而转动的圆柱形铁芯，在它上面装有矩形的线圈abcd。这个转动的部分通常叫做电枢。线圈的两端a和d分别接到叫做换向片的两个半圆形铜环1和2上。换向片1和2之间是彼此绝缘的，它们和电枢装在同一根轴上，可随电枢一起转动。A和B是两个固定不动的碳质电刷，它们和换向片之间是滑动接触的。来自直流电源的电流就是通过电刷和换向片流到电枢的线圈里。
图7-5 换向器在直流电机中的作用 当电刷A和B分别与直流电源的正极和负极接通时，电流从电刷A流入，而从电刷B流出。这时线圈中的电流方向是从a流向b，再从c流向d。我们知道，载流导体在磁场中要受到电磁力，其方向由左手定则来决定。当电枢在图7-5（a）所示的位置时，线圈ab边的电流从a流向b，用表示，cd边的电流从c流向d，用⊙表示。根据左手定则可以判断出，ab边受力的方向是从右向左，而cd边受力的方向是从左向右。这样，在电枢上就产生了反时针方向的转矩，因此电枢就将沿着反时针方向转动起来。 当电枢转到使线圈的ab边从N极下面进入S极，而cd边从S极下面进入N极时，与线圈a端联接的换向片1跟电刷B接触，而与线圈d端联接的换向片2跟电刷A接触，如图7-5（b）所示。这样，线圈内的电流方向变为从d流向c，再从b流向a，从而保持在N极下面的导体中的电流方向不变。因此转矩的方向也不改变，电枢仍然按照原来的反时针方向继续旋转。由此可以看出，换向片和电刷在直流电机中起着改换电枢线圈中电流方向的作用。
[直流电动机和异步电动机 的调速原理及特性分析] 姓名： 学号：26 院系：11级机械系三班 通讯： 导师：
一．直流电动机的调速原理及特性分析 直流电动机具有良好的起动制动性能，宜于在较大范围内平滑调速"长期以来，在电动机调速领域中，直流调速方法一直占主要地位"与交流电动机相比，直流电动机有良好的调速性能，它的调速范围较广；调速连续平滑；经济性好，设备投资较少，调速损耗较小，经济指标高；调速方法简便，工作可靠. 流伺服电动机是满足伺服系统要求的直流电动机，分为有刷DC伺服和无刷DC伺服。在传统有刷DC伺服中，整流子和电刷一起起着回转开关的作用，随着功率半导体器件技术的发展，霍尔元件和大功率晶体管代替了整流子和碳刷的作用，就产生了无刷DC伺服。与普通电动机相比，DC伺服具有工作精度高，调速性能好，带负载能力强，响应速度快，稳定可靠等特点。虽然其工作原理与普通直流电动机基本相同，但为了减小体积和提高散热，DC伺服电动机通常采用永久磁铁励磁。 直流伺服电动机主要有如下基本特点： U保持不变时，电动机的转速n随电磁转矩M变1、机械特性：在输入的电枢电压α 化而线形变化的规律，称直流电动机的机械特性。机械特性的关系可用下式表示； U——电枢电压 式中：α R——电枢电阻 α φ——磁通 M—电动机输出的电磁转矩 机械特性曲线如图1-1所示。 M称为堵转转矩。斜率K表示电磁转矩变化引起图中，0n为理想空载转速，d 转速变化的程度。K越大，电磁转矩变化引起转速变化越大，电动机的机械特性越软；K越小，电磁转矩变化引起转速变化越小，电动机的机械特性越硬。
图1-1直流伺服电机机械特性曲线 在直流伺服系统中，希望电动机的机械特性硬一些。当负载发生变化时引起的转速变化小，有利于提高直流电机的速度稳定性和运动精度。且由式（1.1）可知，K 与电枢电阻αR 成正比，电枢回路中串入的电阻或功率放大器的输出电阻增大，会使直流电机特性变软，功耗增大。 2、调节特性：直流电机在一定的电磁转矩M （或负载转矩）下，电机的稳定转速n 随电枢的控制电压 α U 变化而线性变化的规律为直流电机的调节特性。调节特性 的关系可用下式表示： )()(102ααα αααφ φφφU U K C MR U C M C C R C U n m e m e e -=-=-= （1.2） 式中：αU ——电枢电压 αR ——电枢电阻 e C ——电势系数， α 60NP C e = （ 电枢绕组支路数磁极对数 电枢绕组系数??= 60e C ） φ——磁通 m C ——力矩系数， πα 2NP C e = M —电动机输出的电磁转矩 调节特性曲线如图1-2所示。 图中，0αU 为启动电压，为电动机处于待转动而没转动的临界状态的控制电压。 0αU 与电磁转矩(负载转矩)成正比。M 越大，0αU 越大。电动机启动时，在0～0 αU 范围内，电动机不转，该区域称为电动机的死区。斜率K 表示转速n 随电枢的控制电压 α U 变化而变化的快慢程度。其值与负载无关，仅决定于电动机本身的结构
直流电动机的电气调速方法 直流电动机的电气调速方法下的调速性能及其应用。关键卸电机调违方法性能化较基本调速方法电机的电磁转炬和转速是表征电机运斤状态的主要物理量直流他励电机的电磁转矩和转速。 在恒负载转矩始下，若改变电枢回路所串联电阻化，改变电枢两端电压，或改变磁通，都可改变直流电机的机械特性，达到调速的目的。 因此，人为的改变电机的运行参数而实现的调速方法有：电枢回路串联电阻调速；改变电枢电压调速；减弱通调速这种人为的改变电机的运斤参数而得到的机械特性称人工机械特化电枢回路串联电阻调速持电源电压和磁通H为额定值不变，控制触点。 接通或断开可得到定负载转矩下电机的不同转速，电枢回路串接不同电阻下的空载转速。保持不变，而负载时的转速降将随电枢串联电阻的增加而大，电机的转速随电枢回路串联电阻的加而减小。 由于电枢电阻为恒值旧而电机的转速只能在额定转速下调整，电机的机械特性变软，在负载转炬变化时，转速降落较大，保持磁通为额定值，电枢回路不串入电阻，通过改变调压装置改变电枢电压，使其在额定电压凹下变化，其调速特性改变电枢电压的人工机械特性为条平行于自然机械特性的直线。随着电枢电压下降电机的空载转速降低，负载时的转速降保持不变，电机转速随电枢电压降低而下降。由
于电枢电压只能在额定电压化判下变化，因此改变电枢电压调速只能在额定转速下调整，电机的机械特性硬，在负载转矩变化时，转速降落较小。 以上两种调速方法在拖动恒转矩负载，稳定在不同转速下运行时，在采用电枢回路串入电阻调速或改变电枢电调速时，力辉电动机的负载能力具有恒转矩特化改变域通调速于额定磁通下，磁路系统已接近饱和，因此改变磁通只能在额定磁通巧下减小。在某负载转矩化下，保持电枢电压为额定电压化，电枢回路不串入电阻，调整励磁电阻况使励磁电流减小，从而减小磁通。随着磁通的减小，电机的空载转速将加内，电机的转速将随着磁通的减弱而增加内内减弱磁通调速只能得到高于额定转速的转速，且电机的机械特性变软，在负载转矩变化时，转速降落较大采用弱磁调速方法时，若拖动恒转炬负载，电动机运行于不同转速下的电枢电流。 调速的相对稳定性调速的相对稳定性亦称静差率，是衡量调速精度的指示它是指负载转矩变化时，转速变化的程度，其定义为：电动机由理想空载到额定负载时转速降落n.与理想空载转速《之比的百分数，常用来表示式中心电动机的额定转速。越小调速的相对稳定性越好，越大调速的相对稳定性就越差。电动机受负载变化所引起的转速降。系统的相对稳定性就越好，调速的精度就越高；电动机的理想空载转速。越低，义就越大，系统的相对稳定性就越差，调速的精度就越低。
摘要 随着工业的不断发展，电动机的需求会越来越大，电动机的应用越来越广泛，电动机的操作系统是一个非常庞大而复杂的系统，它不仅为现代化工业、家庭生活和办公自动化等一系列应用提供基本操作平台，而且能提供多种应用服务，使人们的生活质量有了大幅度的提高，摆脱了人力劳作的模式。而电动机主要应用于工业生产的自动化操作中是电动机的主要应用之一，因此本课程设计课题将主要以在工业中电动机调速方法的应用过程可能用到的各种技术及实施方案为设计方向，为工业生产提供理论依据和实践指导。 关键词：他励直流电动机；调速；机械特性
目录 1 引言 (1) 2 直流电动机 (1) 2.1 直流电动机的介绍 (1) 2.2 直流电动机的分类 (1) 3 他励直流电动机 (2) 3.1 他励直流电动机的基本工作原理 (2) 3.2 他励直流电动机的机械特性 (3) 4 他励直流电动机的调速 (5) 4.1 调速的基本概念 (5) 4.2 调速的指标 (5) 4.3 调速的方式 (7) 4.3.1 电枢串电阻调速 (7) 4.3.2 改变电枢电源电压调速 (7) 4.3.3改变励磁电流调速 (8) 5实例分析 (9) 6结论 (11) 参考文献 (12) 致谢 (13)
1 引言 现代工业中，有大量的生产机械，要求能改变工作速度。例如金属切削机床，由于加工工件的材料和精度要求不同，速度也就不同。又如轧钢机，当轧制不同品种和不同厚度的钢材时，也必须采用不同的最佳速度。所谓调速就是在一定的负载下，根据生产的需要人为地改变电动机的转速。这是生产机械经常提出的要求。调速性能的好坏往往影响到生产机械的工作效率和产品质量。所以直流电动机的调速在生产工作中起着至关重要的作用。 2 直流电动机 2.1 直流电动机的介绍 直流电动机是人类最早发明和应用的一种电机。直流电动机以其结构复杂、价格较贵、体积较大、维护较难而使得其应用受到了影响。随着交流电动机变频调速系统的发展，在不少应用领域中已为交流电动所取代。但是直流电动机又以起动转矩大、转速性能好、自动控制方便而著称，因此，在工业等应用领域中仍占有一席之地。在四种直流电动机中，他励直流电动机应用最广泛。 2.2 直流电动机的分类 根据直流电动机的励磁方式，可以将其分为以下几种类型。 1、他励直流电动机 励磁绕组与电枢绕组采用两个电源供电，各有了各的电源开关，没有直接的电源联系，如图2-1（a）所示，电枢电流Ia由电枢端电压U决定，而励磁电流I f由励磁绕组端电压 U1决定。 2、并励直流电动机 励磁绕组和电枢绕组并联，采用同一个电源U供电，由一个开关控制，如图2-1（b）所示。其特点是励磁绕组的电压即为电枢电压，电源电流为电枢电流Ia与励磁电流I f之和。为了降低损耗，并励直流电动机的励磁电流一般较小，约为电枢电流的5%；为保证足够的磁通，励磁绕组一般导线较细，匝数多，电阻大。 3、串励直流电动机 励磁绕组与电枢绕组串联之后，外接一个直流电源，由一个开关控制，如图2-1（c）所示。其特点是励磁电流I f与电枢电流Ia相同，这个电流一般较大，所以串励直流电动机的励磁绕组导线较粗，匝数少，电阻小。 4、复励直流电动机 这种电动机中既有串励又有并励，一部分励磁绕组与电枢绕组串联，另一部分励磁绕组再与电枢绕组并联，如图2-1（d）所示。其特点是电动机的主磁通由这两个励磁绕组共
题目直流小电机测速系统 一．题目要求 设计题目：直流小电动机调速系统 描述：采用单片机、uln2003为主要器件，设计直流电机调速系统，实现电机速度开环可调。 具体要求：1、电机速度分30r/m、60r/m、100r/m共3档； 2、通过按选择速度； 3、检测并显示各档速度。 实验器件： 实验板、STC89C52、直流电机、晶振（12MHz）、电容（30pFⅹ2、10uFⅹ2）、）uln2003、小按键、按键（4个）、、数码管、以及 电阻等 二．组分工
摘要 在电气时代的今天，电动机在工农业生产与人们日常生活中都起着十分重要的作用。直流电机作为最常见的一种电机，具有非常优秀的线性机械特性、较宽的调速围、良好的起动性以及简单的控制电路等优点，因此在社会的各个领域中都得到了十分广泛的应用。 本文设计了直流电机测速系统的基本方案，阐述了该系统的基本结构、工作原理、运行特性及其设计方法。本系统采用PWM 测量电动机的转速，用MCS-51单片机对直流电机的转速进行控制。本设计主要研究直流电机的控制和测量方法，从而对电机的控制精度、响应速度以及节约能源等都具有重要意义。 ·关键词：直流电机单片机 PWM 转速控制 硬件部分 1.时钟电路 系统采用12M晶振与两个30pF电容组成震荡电路，接STC89C52的XTAL1与XTAL2引脚
2.按键电路 三个按键分别控制电机的不同转速，采用开环控制方法 3.电机控制与驱动部分 电机的运行通过PWM波控制。PWM波通过STC89C52的P2.4口输出。
显示部分 采用4位共阳极数码管实现转速显示。数码管的位选端1~4分别接STC89C52的P2.0~P2.3管脚。 完整仿真电路图
无刷直流电动机简介和基本工作原理 无刷直流电动机简介和基本工作原理 无刷直流电动机简介 直流无刷电机 :又称“无换向器电机交一直一交系统”或“直交系统” 。是将交流电源整流后变成直流， 再由逆变器转换成 频率可调的交流电,但是,注意此处逆变器是工作在直流斩波方式。 无刷直流电动机Brushless Direct Current Motor ,BLDC,采用方波自控式永磁同步电机,以霍尔传感器取代碳刷换向器,以钕铁硼作为转子的永磁材料;产品性能超越传统直流电机的所有优点,同时又解决了直流电机碳刷滑环的缺点,数字式控 制,是当今最理想的调速电机。 无刷直流电动机具有上述的三高特性,非常适合使用在24小时连续运转的产业机械及空调冷冻主机、风机水泵、空气压缩机负载;低速高转矩及高频繁正反转不发热的特性，更适合应用于机床工作母机及牵引电机的驱动;其稳速运转精度比直流有刷电机更高,比矢量控制或直接转矩控制速度闭环的变频驱动还要高,性能价格比更好,是现代化调速驱动的最佳 选择。 基本工作原理 无刷直流电动机由同步电动机和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。同步电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。而转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速 度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等 无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，所以不论转子的起始
摘要 本次课程设计直流电机可逆调速系统利用的是双闭环调速系统，因其具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动系统中得到了广泛的应用。直流双闭环调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 分别调节转速和电流。本文对直流双闭环调速系统的设计进行了分析，对直流双闭环调速系统的原理进行了一些说明，介绍了其主电路、检测电路的设计，介绍了电流调节器和转速调节器的设计以及系统中一些参数的计算。 关键词：双闭环，可逆调速，参数计算，调速器。
目录 1. 设计概述 (1) 1.1 设计意义及要求 (1) 1.2 方案分析 (1) 1.2.1 可逆调速方案 (1) 1.2.2 控制方案的选择 (2) 2.系统组成及原理 (4) 3.1设计主电路图 (7) 3.2系统主电路设计 (8) 3.3 保护电路设计 (8) 3.3.1 过电压保护设计 (8) 3.3.2 过电流保护设计 (9) 3.4 转速、电流调节器的设计 (9) 3.4.1电流调节器 (10) 3.4.2 转速调节器 (10) 3.5 检测电路设计 (11) 3.5.1 电流检测电路 (11) 3.5.2 转速检测电路 (11) 3.6 触发电路设计 (12) 4. 主要参数计算 (14) 4.1 变压器参数计算 (14) 4.2 电抗器参数计算 (14) 4.3 晶闸管参数 (14) 5设计心得 (15) 6参考文献 (16)
直流电动机可逆调速系统设计 1.设计概述 1.1设计意义及要求 直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内实现平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础，所以应该首先掌握直流拖动控制系统。本次设计最终的要求是能够是电机工作在电动和制动状态，并且能够对电机进行调速，通过一定的设计，对整个电路的各个器件参数进行一定的计算，由此得到各个器件的性质特性。 1.2 方案分析 1.2.1 可逆调速方案 使电机能够四象限运行的方法有很多，可以改变直流电机电枢两端电压的方向，可以改变直流电机励磁电流的方向等等，即电枢电压反接法和电枢励磁反接法。 电枢励磁反接方法需要的晶闸管功率小，适用于被控电机容量很小的情况，励磁电路中需要串接很大的电感，调速时，电机响应速度较慢，且需要设计很复杂的电路，故在设计中不采用这种方式。 电枢电压反接法可以应用在电机容量很的情况下，且控制电路相对简单，电枢反接反向过程很快，在实际应用中常常采用，本设计中采用该方法。 电枢电压反接电路可以采用两组晶闸管反并联的方式，两组晶闸管分别由不同的驱动电路驱动，可以做到互不干扰。 图1-1 两组晶闸管反并联示意图
直流电动机调速课程 设计
电机与拖动课程设计报告 （2014—2015学年第二学期） 题目直流电动机调速系统设计 系别信息与控制系 专业电气工程及其自动化 班级 1103 学号 311101423 姓名周军 指导教师顾波 完成时间 评定成绩
目录 第一章直流电动机....................................................... - 0 - 第二章直流电动机的结构与工作原理....................................... - 1 - 2.1 直流电动机的结构................................................ - 1 - 2.2 直流电动机的工作原理............................................ - 2 - 第三章他励直流电动机的调速............................................. - 3 - 3.1电机调速指标.................................................... - 4 - 3.2 电枢串电阻调速.................................................. - 6 - 3.3改变电枢电源电压调速............................................ - 7 - 3.4弱磁调速........................................................ - 8 - 第四章课程设计内容.................................................... - 10 - 4.1 采用电枢串电阻调速............................................. - 10 - 4.2 采用电枢电压调速............................................... - 11 - 4.3 采用改变励磁电流调速........................................... - 11 - 结论................................................................... - 12 - 设计体会............................................................... - 13 - 参考文献............................................................... - 15 -
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。 直流电动机双极性驱动可逆PWM控制系统 双极性驱动则是指在一个PWM周期里，作为在电枢两端的脉冲电压是正负交替的。 双极性驱动电路有两种，一种称为T型，它由两个开关管组成，采用正负电源，相当于两个不可逆控制系统的组合。但由于T型双极性驱动中的开关管要承受较高的反向电压，因此只用在低压小功率直流电动机驱动。 另一种称为H型。 H型双极性驱动 一、显示接口模块 方案一：液晶显示器也是一种常用的显示器件。它的优点是功耗低，寿命长，本身无老化问题，显示信息量大（可以显示字母和数字），在显示字符上没有限制。但价格高，接口电路较为复杂。其只在一些（袖珍型）设备上作为显示之用。
1.改变电枢回路电阻调速 当负载一定时，随着串入的外接电阻R的增大，电枢回路总电阻增大，电动机转速就降低。 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。 3.采用晶闸管变流器供电的调速方法 变电枢电压调速是直流电机调速系统中应用最广的一种调速方法。 4.采用大功率半导体器件的直流电动机脉宽调速方法 我比较喜欢这种调速方法。 5.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。 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，转速升高；反之，则降低。由于电动机的转矩是磁通和电枢电流的乘积，电枢电流不变时，随着磁通的减小，其转速升高，转矩也会相应地减小。典型恒功率调速。 2. 从调整的部位来讲有： 1.调整电枢电流。
2.调整励磁电流。 从调整电流的方式来讲有： 1.电阻调速。 2.斩波调速。 常用的有：磁场消弱，磁极减对，电枢串联电阻降压。 直流电动机分为有换向器和无换向器两大类。直流电动机调速系统最早采用恒定直流电压给直流电动机供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行、设备制造方便、价格低廉；但缺点是效率低、机械特性软，不能得到较宽和平滑的调速性能。该法只适用在一些小功率且调速范围要求不大的场合。30年代末期，发电机-电动机系统的出现才使调速性能优异的直流电动机得到广泛应用。这种控制方法可获得较宽的调速范围、较小的转速变化率和平滑的调速性能。但此方法的主要缺点是系统重量大、占地多、效率低及维修困难。近年来，随着电力电子技术的迅速发展，由晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统已取代了发电机-电动机调速系统，它的调速性能也远远地超过了发电机-电动机调速系统。特别是大规模集成电路技术以及计算
直流电动机调速 在直流传动系统中，人为地或自动地改变电动机的转速以满足工作机械不同转速地要求，称之为调速。可以通过改变电动机的参数或外加电压等方法，来改变电动机的机械特性，从而改变电动机的稳定转速。 电动机的转速由操作工给定，不能自动纠正转速偏差的方式称为开环控制。在很多情况下，希望转速稳定，即转速不随负载及电网电压等外界扰动而变化，此时电动机的转速应能自动调节，为此构成的调速系统称为闭环系统。 一、电动机调速的分类及静态指标 1、 直流电动机调速的分类 1） 无级调速和有级调速： a ） 无级调速：又称连续调速，是指电动机的转速可以平滑地调节。其特点为 转速变化均匀，适应性强而且容易实现调速自动化，因此在工业装置中被广泛采用。 b ） 有级调速：又称间断调速或分级调速。它的转速只有有限的几级，调速范 围有限且不易实现调速自动化。 2） 向上调速和向下调速（调速的方向性）： 电动机未作调速时的固有转速，通常即为电动机额定负载时的额定转速，也称为基本转速或基速。一般在基速方向提高转速的调速称为向上调速，例如直流电动机改变磁通进行调速，其调速极限受电动机的机械强度和换向条件限制。在基速方向降低转速的调速称为向下调速，例如直流电动机改变电枢电压进行调速，调速的极限即最低转速主要受转速稳定性的限制。 3） 恒转矩调速和恒功率调速： a) 恒转矩调速：有很大一部分工作机械，其负载性质属于恒转矩类型，即在调速过程中不同的稳定速度下，电动机的转矩为常数。如果选择的调速方法能使=I ∝T 常数，则在恒转矩负载下，电机不论在高速和低速下运行，其发热情况是一样的，这就使电动机容量能被合理而充分地利用。这种调速方法称为恒转矩调速。例如，当磁通一定时调节电枢电压或电枢回路电阻的方法，就属于恒转矩调速方法。 b)恒功率调速：具有恒功率特性的负载，是指在调速过程中负载功率P L ＝常数， 负载转矩T L =n a 1 。对于直流电动机，当电枢电压一定时减弱磁通的调速方法就属于此种类型。用恒功率调速方法去带动恒转矩性质的负载是不合理的，在高速时电机将会过载。 因此，对恒功率负载，应尽量采用恒功率调速方法；而对恒转矩负载，应尽量采用 恒转矩调速方法。这样，电机容量才会得到充分利用。 2、 直流电动机调速的静态指标 1） 调速范围： 生产机械要求电动机能提供的最高转速n max 和最低转速n min 之比叫做调速范围，通常用D 表示，即 min max n n D =