电机拖动综合性实验设计浅析

王伟++杜瑞文

摘 要：本文重点阐述了电机拖动综合性实验的设计，实验台由实验台控制面板、三相变压器、直流电源控制屏、直流表、交流表以及灯箱负载六大部分组成。在结构上采用人体工程学原理进行设计，降低了实验台的整体高度，实验台操作面板呈小角度倾斜放置，更方便使用者操作。

关键词：电机拖动；实验设计；人体工程学

电力拖动装置由电动机及其自动控制装置组成，自动控制装置通过对电动机起动、制动的控制，对电动机转速调节的控制，对电动机转矩的控制以及对某些物理参量按一定规律变化的控制等，可实现对机械设备的自动化控制。采用电力拖动不但可以把人们从繁重的体力劳动中解放出来，还可以把人们从繁杂的信息处理事务中解脱出来，并能改善机械设备的控制性能，提高产品质量和劳动生产率。

一、电力拖动分类

按电动机供电电流制式的不同，有直流电力拖动和交流电力拖动两种。早期的生产机械如通用机床、风机、泵等不要求调速或调速要求不高，以电磁式电器组成的简单交、直流电力拖动即可以满足。随着工业技术的发展，对电力拖动的静态与动态控制性能都有了较高的要求，具有反馈控制的直流电力拖动以其优越的性能曾一度占据了可调速与可逆电力拖动的绝大部分应用场合。自20年代以来，可调速直流电力拖动较多采用的是直流发电机–电动机系统，并以电机扩大机、磁放大器作为其控制元件。电力电子器件发明后，以电子元件控制、由可控整流器供电的直流电力拖动系统逐渐取代了直流发电机-电动机系统，并发展到采用数字电路控制的电力拖动系统。这种电力拖动系统具有精密调速和动态响应快等性能。这种以弱电控制强电的技术是现代电力拖动的重要特征和趋势。交流电动机没有机械式整流子，结构简单、使用可靠，有良好的节能效果，在功率和转速极限方面都比直流电动机高；但由于交流电力拖动控制性能没有直流电力拖动好，所以70年代以前未能在高性能电力拖动中获得广泛应用。随着电力电子器件的发展，自动控制技术的进步，出现了如晶闸管的串级调速、电力电子开关器件组成的变频调速等交流电力拖动系统，使交流电力拖动已能在控制性能方面与直流电力拖动相抗衡和媲美，并已在较大的应用范围内取代了直流电力拖动。

二、电机调速实验设计

（一）实验硬件设计

调速控制方法调速采用PWM脉宽调制，通过产生矩形波，改变输出电压占空比，改变直流并励电动机的电枢电压，达到了调速的目的。增加一个+5V和+15V电源，220V电源经过桥式整流和电容虑波后，经过7805和7815的稳压后，稳定输出+5V和+15V电源。计霍尔开关集成电路中的信号放大器将霍尔元件产生的幅值随磁场强度变化的霍尔电压UH放大后再经信号变换器、驱动器进行整形、放大后输出幅值相等、频率变化的方波信号。通过对H桥电机驱动电路产生的驱动信号进行功率放大，并把此信号加到并励电机的电柏绕组上，驱动并励电机运行，通过励磁绕组的改变达到调速目的。除此之外，通过霍尔传感器测速电路代替传统的测速电机，节约了实验成本。相比较原来的直流并励电动机调速实验，这个实验线路可以完成各种调速方式.通过单片机编程可以很方便地控制电机的开关，同时能方便地控制PWM波的占空比，在一定的范围内任意的调速，相比较传统的调速方法，调速范围得到大大提升，调速的值可以实现预置。

（二）实验软件设计

先对系统进行初始化，然后通过对按键的查询，找到相应的模式进行相应的处理，最后完成对并励电动机的调速。选择铭牌数据如下的直流并励电机进行调速实验：额定电压220V，额定电流1.1A，额定功率185W，额定转速1600r/min，额定励磁电流小于0.16A，对并励电机的两种调速方法进行了测试。通过改变占空比从而改变电枢端电压调速方法可以连续平滑的无级调速，机械特性硬，对于轻载与重载具有明显的调速效果。但转速只能从额定转速往下调，初投资大，维护要求高，而改变励磁电流调速在恒转矩负载时，因磁通减小，导致电枢电流I0增大，电机效率降低，而且长时间运行会导致电机发热，故弱磁调速适合恒功率场合，弱磁调速可以连续平滑调速，改变励磁电流控制方便，但转速只能从额定转速往上调，最高转速受机械强度与换向能力的限制。

三、实验结果分析

根据实验数据，计算出各项的变比，然后取其平均值作为变压器的变比。

根据空载实验数据作空载特性曲线并计算激磁参数，绘出空载特性曲线U0=f（I0），P0=f（U0），cosφ0=f（U0）。

式中

从空载特性曲线查出对应于U0=UN时的I0和P0值，并由下式求取激磁参数。

绘出短路特性曲线UK=f（IK），PK=f（IK），cosK=f（IK）。

式中

综上所述，直流电动机在使用时一定要保证励磁回路连接可靠，绝不能断开。一旦励磁电流If =0，则电机主磁通将迅速下降至剩磁磁通，若此时电动机负载较轻，电动机的转速将迅速上升，造成“飞车”；若电动机的负载为重载，则电动机的电磁转矩将小于负载转矩， 使电机转速减小，但电枢电流将飞速增大，超过电动机允许的最大电流值，引起电枢绕组因大电流过热而烧毁。

参考文献：

[1]杨靖.用单片机控制的直流电机调速系统[J].机床电器，2014.

[2]谢家兴.单片机直流电机调速系统的设计[J].软件导刊，2014.