直流电机控制电路设计36页PPT

电刷
换向器
直流电源(-)电刷换向器线圈工作原理
电刷
由左手定则，通电线
+
F N
I
圈在磁场的作用下， U
将受到力的作用，使
F I
线圈逆时针旋转。
–
S
换向片
图1-2 电枢线圈旋转方向示意图
电刷与电源固定联接，线圈无论怎样转动，总是上半边的电 流向里，下半边的电流向外。电刷压在换向片上。
基本结构
图1-3 直流电机剖面图
作用：整流或逆变的作用 构成：由许多具有鸽尾形的换向片叠成
直流电机的额定值
PN ：电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机输出功率。 对电动机而言，指轴上的输出机械功率。
U N ：额定状态下，电枢出线端电压。 IN ：电机在额定电压下运行，输出功率为额定功率时，电机
的线电流。 nN ：额定状态下运行时转子转速。
a) 电枢反应增磁
b) 电枢反应去磁
图2-3 电刷不在几何中性线上时，电枢磁动势的直轴分量
三、直流电动机基本方程
电压平衡方程
U E Ia Ra
E Cen
U ：外加电压 Ra: 绕组电阻
Ra
+
+
Ia
U
ME
–
–
图3-1 稳态运行时直流电机电路图
以上两公式反映的概念：
(1)电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想改变 E， 只能改变 或 n。
工作特性
转矩特性：Te f (P2 )
Te
T0
T2
T0
P2
：转子机械角速度
转矩特性基本呈线性关系；实
际上，P2 增大时，转速略有下 降，故曲线将略微向上弯曲。

Ts max
1 mf
(1-13)
式中 f — 交流电流频率（Hz）； m — 一周内整流电压的脉冲波数。
Ts 值的选取
在一般情况下，可取其统计平均值 Ts = Tsmax /2， 并认为是常数。
也可按最严重的情况考虑，取Ts = Tsmax 。
各种整流电路的失控时间（f =50Hz）
整流电路形式 单相半波
图1-15 晶闸管触发与整流装置动态结构框图
1.3 直流脉宽调速系统的主要问题
自从全控型电力电子器件问世以后， 就出现了采用脉冲宽度调制（PWM）的高 频开关控制方式形成的脉宽调制变换器直流电动机调速系统，简称直流脉宽调 速系统，即直流PWM调速系统。
1.3.1 PWM变换器的工作状态和电压、 电流波形
ud0为整流电压理 想空载瞬时值 。
R
+
Id
ud0
_
L
+
E
_
图1-7 V-M系统主电路的等效电路图
• 瞬时电压平衡方程
ud0
E
id R
L
did dt
式中
E — 电动机反电动势（V）；
id — 整流电流瞬时值（A）； L — 主电路总电感（H）；
R — 主电路等效电阻（）， R = Rrec + Ra + RL。
进行直流调速系统分析或设计时，须 事先求出这个环节的放大系数和传递函 数。
• 晶闸管触发和整流装置的放大系数的计算
晶闸管触发和整流 装置的放大系数
Ks
U d U c
(1-12)
如果不可能实测特性，
只好根据装置的参数
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
估算。
图1-13 晶闸管触发与整流装置的输 入-输出特性和的测定

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系统框图
一个典型的 DSP 最小 系统如图所示，包括 DSP芯片、 电 源电路 、 复位电路、 时钟电路及 JATG电路 J TA G接口电路。考虑 到与 PC 通信的需要， 最小系统一般还需增添 串口通信电路。
复位
DSP TMS320F2812
时钟电路
电源电路
串口通信
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无位置传感器控制系统总体结构
图中所示为所设计的无位置 传感器控制系统总体结构。 其中，经限幅电路输出的三 个反电动势信号经过过零比 较器，输入到控制器中，由 控制器判断出过零点，进过 DSP内部控制算法后输出6路 PWM信号给三相逆变桥，对 无刷直流电机进行换相和调 速，从而可以进行相应的换 相控制。
论文框架
1 研究背景和意义 2 研究内容 3 设计主要内容
4 总结
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研究背景和意义
一个多世纪以来，电机作为电能量转换装置，其应用范围 已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活中。电机的主要 类型有同步电机、异步电机与直流电机三种。直流电机具有运行 效率高和调速性能好等诸多优点，因此被广泛应用于各种调速系 统中，但传统的有刷直流电机均以机械换相方法进行换相，存在 相对的机械摩擦，因此带来噪声、火花、无线电干扰及寿命等致 命弱点，从而大大地限制了它的应用范围。而相比有刷直流电机， 无刷直流电机的结构是以电力电子电路取代传统有刷直流电机的 电刷，故其既具有有刷直流电机运行效率高、运行性能好等优点， 又具有交流电机运行结构简单、运行可靠、维护方便等优点。目 前，随着半导体技术的快速进步与永磁材料的新发现，高性能、 低成本的永磁无刷直流电机已成为调速领域的领军力量，它具有 巨大的开发潜质和广阔的应用前景。
如图所示，为6路PWM信号脉冲驱动 电 路 。 该 电 路 有 一 块 IR2130 芯 片 所 组 成 ， IR2130 工 作 时 ， 从 脉 冲 形 成 部分输出的6路脉冲信号，经3个输入 信号处理器，按真值表处理后，变为 6路输出脉冲，其对应的驱动3路低电 压侧功率MOS管的信号，经3路输出 驱动器放大后，直接送往被驱动功率 MOS器件的栅源级。而另外3路高压 侧 驱 动 信 号 H1~H3 先 经 集 成 于 IR2130内部的3个脉冲处理和电平移 位器中的自举电路进行电位变换，变 为3路电位悬浮的驱动脉冲，再经过 对应的3路输出锁存器锁存，并经严 格的驱动脉冲欠压与否检测后，送到 输出驱动器进行功率放大，最后才被 加到驱动的功率MOS期间的栅源极。 这6路脉冲输出后，就可以加载到 IGBT模块进行三相电路换相操作。

额定电磁转矩为
TN95n P 5 N N 09535 100 3 040 .4 1N •m
节目录
电路与电工技术
何谓直流电机的铭 牌数据？其中的额 定功率，是电功率 还是机械功率？ 节目录
在直流电动机中，电枢所 加电压已是直流，为什么还 要加装换向器？如果直流电 机没有换向器，还能转动吗？
直流电机的定子都 包含哪几部分？各 部分作用如何？
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电路与电工技术
一台Z252型直流电动机，已知其铭牌数据为： PN=13kW，UN=220V，ηN=0.86，nN=3000r/min。试 求该直流电动机的P1N，IN和TN。
根据已知铭牌数据，可求得额定输入功率为
P1NPN N
1315.1kW 0.86
额定电流为 INUP N NN2123 1 00.8 3 066.87A
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电路与电工技术
6.1 直流电动机的结构原理
直流电机是电机的主要类型之一。近年来，与电力电子 装置结合而具有直流电机性能的电机不断涌现，使直流电 机大有被取代的趋势。尽管如此，直流电机仍有一定的理 论意义和实用价值。
1. 直流电机的结构组成
节目录
电路与电工技术 直流电机结构组成图
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电路与电工技术
直流电机的转子都 包含哪几部分？各 部分作用如何？
电路与电工技术
6.2 直流电动机的基本工作原理
1. 直流电动机的基本工作原理
直流电动机的工作原理也是
建立在电磁力和电磁感应的基
A
础上。图中N和S为直流电机的
一对定子磁极；电枢绕组用一
个单匝线圈来表示；线圈的两 个引出端分别联在两个换向片
I
B
上，换向片上压着电刷A和B。 _ U +

绕电枢一周， 所有元件互相串联构成一闭合回路。
电路图
结合电刷的放置， 得到该瞬时的电路图
每个极下的元件组成一条支路。 即单迭绕 组的并联支路数正好等于电机的极数。
这是单迭绕组的重要特点之一。
单迭绕组的特点
• 元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上。 • 并联支路数等于磁极数， 2a=2p; • 整个电枢绕组的闭合回路中， 感应电动势的总和为零，
电枢绕组
换向极
电刷装置 换向器
风扇 转轴
轴承
二、直流电机的工作原理
磁场定义
直流电机的物理模型
1 直流发电机的工作原理
（1）、换流过程
b
Aa
c
d
B
b
a
A
c
Bd
电势正方向：abcd B+,A-
电势正方向：电势正方向： dcba
B+,A-
c
Ad
b
a
B
（2）直流发电机运行时的几点结论
1. 电枢线圈内电势、电流方向是交流电； 2. 电刷间为直流电势。线圈中感应电势与电流方向一
2-2 柴油发电机型号和规格的选择
三、容量计算的原则：
1.柴油发电机的额定容量所供负荷的计算容量
2.柴油发电机的允许起动容量电动机有效起动容
量
柴油发电机额定容量(Sfe) ------主力发电功率(铭牌数据)
所供负荷的计算容量(SJ) ------发电机可能提供负荷的计算容量
柴油发电机允许起动容量(Sfq) ------发电机出口压降达20%时的允许起动容量(铭
转矩方向电：势方向：dcba 电势方向：
c
d
b
a
（2）直流电动机运行时的几点结论

图所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运 转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电 流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。
H桥驱动电路原理
要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如， 如下图所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经 Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电 流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极 管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机 按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。
直流电动机应用
• 录音机、录像机、电动剃须刀、电动玩具、电动 自行车等
• 控制内容：直流电动机启动、暂停或转速、旋转 方向等
• 驱动电路构成：直流电源、开关、调速装置等 • 直流电机工作原理不讲，自己看书
电机的种类
电机是一种将电能转换成机械能的装置，在各个领域都有 广泛的应用。电机有多种不同的类型，常见电机分类如下：
直流电动机的调速方法
• 1、变电枢电压调速。这种方法具有启动力矩大，阻尼效 果好，响应速度快，线性度好等优点，应用较多。
• 2、变磁通调速。实际上是改变励磁磁场的大小，对于励 磁电机来说，改变励磁电压可以进行变磁通调速。这种调 速方式调速范围小，而且会使电机的机械特性变软，一般 只作为变电枢电压调速的辅助方式。
H桥驱动芯片-L298
L298是著名的SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱 动电路，具有两套H桥电路。L298内置两个H桥，每个桥 提供1A的额定工作电流，和最大3A的峰值电流。它能驱动 的马达不超过可乐罐大小。
伺服电机
电动机
控制电机
步进电机 力矩电机 无刷直流电机

外，对大、中容量的电动机不能直接起 动。
• ⒉降压起动
• 起动瞬间，把加于电枢两端的电源电压 降低，以减少起动电流Ist的起动方法。 为了获得足够的起动转矩Tst，普通将起 动电流限制在〔2~2.5〕IN以内。
• 因此，在起动时，把电源电压降低到
• U=〔2~2.5〕 IN ×Ra。
• 随着转速的上升，电枢电势Ea逐渐加大， 电枢电流Ia相应减小。此时，再将电源电 压不断升高。
• Δn=〔Ra+R〕T/ 〔 KE KTΦ2 〕为转速降。
• 上式为机械特性的普通方程。从该式可看 出：
• 当磁通Φ为常数时，机械特性是一条随着 T的添加 n 略有下降的直线。
• 电机空载运转时，机械负载转矩为零， 但作用于电动机轴上的空载转矩不为零 而应为T0，将T0带入，可得到电机的实 践空载转速为：
• ⒊效率特性：当U=UN、If=IfN时， • η=f〔Ia〕的关系曲线——效率特性
• 电动机总损耗PΣ中，可以分为不变损耗 和可变损耗两部分。
• 不变损耗Pm + PFe =Po
• 可变损耗Pcua与Ia的平方成正比
• 所以：当Ia从零开场添加时，效率η逐渐 添加，但当Ia添加到一定程度后，效率η 又逐渐减小。直流电动机的效率约在 0.75~0.94之间。
• ⒊ 电枢回路串电阻起动 • 电枢回路串电阻R，起动电流为：
• 为了坚持起动过程的平稳性，希望串入 电阻平滑调理，普通采用分段切除的方 法。
• ㈡ 他励直流电动机的调速特性 • ⒈调速方法 • 他励直流电动机的电枢电路电压平衡方
• ③特性斜率为βN=Ra/〔 KE KTΦN2 〕， 由于Ra很小，因此βN较小。阐明他励直 流电机的固有机械特性较硬。

直流电机调速控制
1、直流电动机基本控制原理简介 2、直流调速控制线路原理简介 3、直流电动机自动调速控制线路的改造。
一个还须研讨的导 向课题
直流电机调速控制
直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构 复杂，维修也不便，但由于它的调速性能较好和 起动转矩较大，因此，对调速要求较高的生产机 械或者需要较大起动转矩的生产机械往往采用直 流电动机驱动。
直流电机调速控制
①电压负反馈和给定电压反极性串联，为提高电路性能， 建议用比例调节器代替原来的放大和比较节。
②系统供电电源稳定性差、输出电流小、电源降压电阻 功耗大，抗干扰性能差，建议对电源电路进行改进。
③电路中脉冲变压器作为主、控电路隔离变压器，建议 改用光电耦合器，用来减小脉冲信号的失真和脉冲波 引起的铁损。
只能向下调。
(2)机械特性较硬，并且电压降低后硬度不 变，稳定性好。
3、 改变磁通调速
保持电枢电压U不变，改变励磁电流If (调Rf)以
改变磁通 。
采用减少励磁电流(减弱磁通)的方法调速, 即
Rf If n 改变时的机械特性如图。
改变磁通调速的方法：
n0'' n n0' n0
减小磁通，n只能上调。 O
直流电机调速控制
1、设计电原理图、分析工作原理，确保电路的可行性。 2、先查找相关元器件的技术参数，后确定改造用元器件参数。 3、对改进后电路进行实际安装、调试和试运行，实际测量数据、波形 并记录。 4、试运行成功后再对系统电路进行改造。
光电光电耦合器
参考教材 电子技术基础 维修电工 电机与变压器 半导体变流技术 电力电子技术 元器件手册 上网
励磁电压 励磁电流 调速范围 静差率
单相180V 直流1A 直流180V s<1电机调速控制

3
机电一体化设计
结合机械、电子、信息等多学科知识，进行直流 电动机的优化设计，实现高效、紧凑、可靠的设 计目标。
THANKS
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电动车与新能源汽车
随着电动车和新能源汽车的普及，直流电动机作为动力源将得到 更广泛的应用。
智能家居与家电
直流电动机在智能家居和家电领域的应用将不断拓展，如智能吸 尘器、电动窗帘等。
直流电动机的创新研究
1 2
新材料与新工艺
研究新型材料和制造工艺，提高直流电动机的性 能和可靠性。
控制策略优化
研究先进的控制算法和策略，提高直流电动机的 响应速度和稳定性。
电机学ppt课件-直 流电动机
目录
• 直流电动机简介 • 直流电动机的特性 • 直流电动机的控制 • 直流电动机的常见故障与维护 • 直流电动机的发展趋势与展望
01
CATALOGUE
直流电动机简介
直流电动机的基本结构
定子
固定部分，包括主磁极和换向器。
转子
旋转部分，由导电的电枢绕组和铁芯组成。
换向器
大。
转矩与磁通关系
02
在一定范围内，转矩与磁通成正比。但当磁通增加到一定程度
时，转矩增加趋缓。
转矩与转速关系
03
在一定转速范围内，转矩与转速成反比。转速越高，转矩越小
。
直流电动机的机械特性
机械特性方程
直流电动机的机械特性方 程表示了电动机的转速、 转矩和电源电压之间的关 系。
固有机械特性
固有机械特性是指在一定 励磁电流和电枢电压下的 机械特性。
当电机发生缺相故障时，自动切断电源，防 止电机因缺相而损坏。
04
CATALOGUE

电机振动或噪声过大
常见问题 诊断方法 修复措施
电机振动或噪声过大可能是由于机械松动、转子不平衡 、轴承损坏等原因所致。
诊断电机振动或噪声过大的方法包括观察法、听觉法、 触摸法等，通过这些方法可以初步判断故障原因。
针对不同的故障原因，采取相应的修复措施，如紧固松 动部位、重新平衡转子或更换轴承等，以消除振动或噪 声。
05
直流电机常见故障与维护
电刷与换向器磨损
正常磨损 磨损原因 维护建议
电刷和换向器在电机运行过程中会发生正常磨损，这是 由于电流通过电刷与换向器接触产生摩擦所致。
电刷与换向器的磨损主要与电流大小、电刷压力、换向 器表面粗糙度以及电机运行环境有关。
为减缓电刷与换向器的磨损，应定期检查电刷和换向器 的磨损情况，保持适当的电刷压力和换向器表面粗糙度 ，并确保电机运行环境良好。
铁芯通常由硅钢片叠 压而成，以减小磁阻 和减少能量损失。
转子
转子是直流电机的旋转部分， 通常由铁芯和绕组组成。
铁芯同样由硅钢片叠压而成， 以减小磁阻和减少能量损失。
绕组则通常由绝缘导线绕制而 成，以产生磁场。
换向器
换向器是直流电机的重要部件之一，主要作用是将电刷上的直流电流转换为绕组上 的交流电流，以实现电流方向的改变。
电机过热或冒烟
01
严重故障
02
电机过热可能是由于负载过大、通风不良、轴承损坏等原 因所致，冒烟则可能是由于电机内部短路或严重过载引起 。
03
预防措施
04
为预防电机过热或冒烟，应定期检查电机运行状况，确保 通风良好，避免超载运行，并定期更换轴承等易损件。
05
处理方法
06
一旦发现电机过热或冒烟，应立即停机检查，找出故障原 因并排除，同时对电机进行全面检修和保养。

KT2
KV
KM KM1 KM2 KM3 KM4 KM5
I＞ KA
QF L+ L-
KM
KM1
KM2
M
KV AC 前１
０
后１
KM1 KM2
KM1 KM2
KA1
KA1
KA2
电动机正转:
KA2
AC手柄置前 位
KT2
置,KM,KM1 线圈得电动作, 电动机串联电 阻起动
R2
R1 KT1
RB
KM5 KM4 KM3
KM2 R1
KT2
KT1 KT2
KT1 KM1
KM2 KM3
2.自动启动控制线路
QF L+
L
KM1
M
合上电源开关QF
KM1
SB2 SB1
KM1
KM3 R2
KM2 R1
KT2
KT1 KT2
KT1 KM1
KM2 KM3
2.自动启动控制线路
QF L+
L
KM1
M
按下SB1 KM1线圈得电
SB2
KM1 SB1
KV
KM KM1 KM2 KM3 KM4 KM5
I＞ KA
KM1
KM3 R2
KM2 R1
KT2
KT1 KT2
KT1 KM1
KM2 KM3
2.自动启动控制线路
QF L+
L
KM1
M
KT1经过整定时间 KT1动断触头延时闭合
KM1
SB2 SB1
KM1
KM3 R2
KM2 R1
KT2
KT1 KT2
KT1 KM1
KM2 KM3