直流电机的基本原理及控制方法解析
永磁式换向器直流电机，是应用很广泛的一种。只要在它上面加适当电压。电机就转动。图1是这种电机的符号和简化等效电路。
图1 电机的符号和简化等效电路
直流电机工作原理
这种电机由定子、转子、换向器(又称整流子)、电刷等组成，定子用作产生磁场。转于是在定子磁场作用下，得到转矩而旋转起来。换向器及时改变了电流方向，使转子能连续旋转下去。也就是说，直流电压加在电刷上，经换向器加到转子线圈，流过电流而产生磁场，这磁场与定子的固定磁场作用，转子被强迫转动起来。当它转动时，由于磁场的相互作用，也将产生反电动势，它的大小正比于转子的速度，方向和所加的直流电压相反。图1(b)给出了等效电路。Rw代表转子绕组的总电阻，E代表与速度相关的反电动势。
永磁式换流器电机的特点
·当电机负载固定时，电机转速正比于所加的电源电压。
·当电机直流电源固定时，电机的工作电流正比于转予负载的大小。
·加于电机的有效电压，等于外加直流电压减去反电动势。因此当用固定电压驱动电机时，电机的速度趋向于自稳定。因为负载增加时，转子有慢下来的倾向，于是反电动势减少，而使有效电压增加，反过来又将使转子有快起来的倾向，所以总的效果使速度稳定。
·当转子静止时，反电动势为零，电机电流最大。其最大值等于V／Rw(这儿V是电源电压)。最大·电流出现在刚起动的条件。
·转子转动的方向，可由电机上所加电压的极性来控制。
·体积小，重量轻。起动转矩大。
由于具备上述的那些特点，所以在医疗器械、小型机床、电子仪器、计算机、气象探空仪、探矿测井、电动工具、家用电器及电子玩具等各个方面，都得到广泛的应用。
对这种永磁式电机的控制，主要有电机的起停控制、方向控制、可变速度控制和速度的稳定控制。
1、电机的起／停控制
电机的起／停控制，最简单最原始的方法是在电机与电源之间，加一机械开关。或者用继电器的触点控制。大家都比较熟悉，故不举例。
现在比较流行的方法，是用开关晶体管来代替机械开关，无触点、无火花干扰，速度快。电路如图2(a)所示。当输入端为低电平时，开关晶体管Q1截止，电机无电流而处于停止状态。如果输入端为高电平时，Q1饱和导通，电机中有电流，因此电机起动运转。图中二极管D1和D2是保护二极管，防止反电动势损坏晶体管。电容C1是消除射频干扰而外加的。R1基极限流电阻，限制Q1的基极电流。在6V电源时，基极电流不超过52mA。在这种情况下，Q1提供电机的最大电流为1A左右。
图2 晶体管控制直流电机启停
图2(a)的电路，因基极电流需外部驱动电路。如果再增加一级缓冲放大，如图2(b)的电路，驱动电流减少到2mA。R3限制Q1的基极电流到安全值。其他元件作用与(a)图中相同。
2、电机的方向控制
永磁式换流器电机的转动方向，可以用改变电源极性的方法，使电机反转。如果用正、负双极性电源，可用一个单刀进行转换，如图3(a)所示。因为电机的电流直接通过开关，容易烧坏开关接点。所以可以改用功率开关晶体管来代替机械开关，就可以克服上述缺点。电路如图3(b)所示。
图3 直流电机方向控制
电路工作原理：当开关SW1置于“正转”位时，Q1和Q3的基极加上偏流；Q2和Q4的偏置电路被断开。所以Q1和Q3导通，Q2和Q4截止。电流从V＋→Q3发射极→Q3集电极→电机正端→电机负端→地形成回路，此时电机正转。同理，如果SW1置于“反转’位置时，Q2和Q4得到偏流而导通；01和Q3截止。电流从电源地端→电机负端→电机正端→Q4集电极→Q4发射极→电源负端形成回路，故电机电源与上述情况相反，因此电机反转。而SW1置于断时，电机停止转动。
图3(b)电路中SW1要转接正、负电源。在接口电路的应用中，用电子开关来代替SW1就比较困难。为了克服这个缺点，可用图3(c)的电路加以改进。图3(c)中的SW1就很容易用电子开关来代替。在这个电路中，SW1置于“正转”位置时，Q1和Q3导通，Q2和Q4截止。SW1置于“反转”位置时，Q2和Q4导通，Q1和Q3截止。
3、单极性电源的方向控制
如果电源为单极性，那么控制方向的开关就要双刀三掷。如图4(a)所示。不过用晶体管连接为桥式电路，也是最基本和最通用的形式。电路如图4(b)所示。
图4 直流电机在单极性电源下的方向控制
从电路中可以看出，当SW1置于“正转”位置时，Q1和Q4导通，Q2和Q3截止。当SW1置于“反转”位置时，Q2和Q3导通，Q1和Q4截止。二极管D1—D4是保护电路，防止电机反电动势可能损坏晶体管。
图4(c)为图4(b)的改进电路。它使SW1只控制正转／反转，而SW2只控制电机的起停。用简图指出了电路中的关键点。Q1或Q2总有一个是接通的，Q3或Q4是起通／断作用。当电路被断开时，电机电流经Q1—D2或Q2—D1环路迅速减少，这是所谓的“飞轮效应”。如果SW2用脉冲调制的电子开关代替的话，就是需要这种“飞轮效应”。电机的速度可用脉宽控制。这种技术在本文后面将叙述。
4、直流电机的速度控制
直流电机的转速与所加的电压有效值成正比。图5A是12V直流电机的可变电压速度控制。图中Q1和Q2是复合管射极跟随器，电机的直流电压可从0V变到12v。这种电路的特点是：在中速和高速时，速度的控制和自动调节的性能很好。但是低速和慢启动特性比较差。
图5 直流电机的速度控制
用开关方式或脉宽调制，可以获得非常好的速度控制性能。电路图如5B所示。
图中IC1作为50Hz的无稳多谐振荡器，它产生一个矩形波输出，占空比可变从20比1到1比20，由RV1进行调节。这个波形经过Q1和Q2送到电机，电机上的电压有效值是随RV1的调节而变化的(总的周期是50HZ)。不过电机上所加上的电压，是具有峰值电压为12V的功率脉冲。因此在整个调速范围内；性能都非常好。即使在很低的速度，转矩也很大。速度控制的程度，正比于所加电压的有效值。
5、模型火车速度控制器
图6所示的电路是具有自动短路保护的模型火车速度控制器。电源用12V，最大输出电流为1.5A。如果轨道上出现短路时，控制单元上张有短路探测器和保护电路，自动将输出电流限制在100mA(有效值)
图6 具有自动短路保护的模型火车速度控制器
这个电路的工作原理如下：
交流电源经变压器T1降压后，经BR1进行全波桥式整流，得到一个未滤波的直流电压。通过一个串联的单向可控硅(SCR1)与方向控制开关SW3，将整流电压加在电机上。
在整流输出直流的每个开始的半周，可控硅(SCR)是断开的。直流电压经R4和ZD1稳压后，加到双基极二极管(UJT)Q1及相关的定时电路C1和RV1上。当C1上的电压超过UJT发射极的门限值时，触发可控硅，使SCR1饱和导通。而另一半周期SCR1关断复位。电机的电源是经SCR1阴极、R2和R3、SW3而得到。未经滤波原整流后的频率为电源频率的二倍。电机通电时间的长短，受电位器RV1控制。所以模型火车的速度能在很宽的范围内变化。
还要提醒一下，输出电流流过了并联电阻R2和R3，电阻上的电压正比于电流。该电压经过一个峰值检波电路D1和C2，检波后妁直流电压馈送到Q2的基极。当输出电流的峰值超过1.5A或输出短路时， 由于C2的电压储能作用，使R8和R9的分压、正好能使Q2导通，将Q1的定时电路短路，停止几个半周不触发SCR1。如果出现短路情况，由电路内部电阻限流在几安的峰值电流，每15个半周触发一次SCR1，使输出电流的有效值限制在100mA，这就保护了电路的安全。
6、自动轨道清洁机
图7是典型的铁路轨道清洁机的电路原理图。电源部份与图6的整流部份相同。有了自动轨道清洁机，就可以保持模型火车与轨道之间有良好的电接触。因为车轮与轨道之间，容易被脏物或氧化造成接触障碍。这个问题的解决是经过一个高频高压小功率的信号发生器，把控制信号送至轨道，如果道轨上存在污物或氧化的危害时，将使其信号中断，高压发生器便工作。结合图7叙述其工作原理。
图7 铁路轨道清洁机的电路原理图
电路的振荡频率大约为100KHz，由变压器T1的电感与C2的容量而定。C4是抵销不希望的轨道效应的分布电容。在T1的次级，峰值电压有几佰伏，但为高阻抗。如果负载是低阻抗时，振荡器就停止振荡不产生高压。
变压器T1次级用粗漆包铜线绕制，通过火车控制信号送到道轨。当火车电机与道轨的电接触为低阻抗时，振荡停止。只有火车的控制信号送到轨道。然而，如果接触被污物中断，车轮与道轨的接触变成高阻抗；这时高压发生器迅速工作。建立起良好的电接触。排除了中断的障碍。当轨道清洁机有效时，T1次级的氖灯的亮度指示轨道的接触损失。R6限制振荡器只有很小的振荡电压送到火车的控制端。
7．电机速度控制及稳定
电机速度稳定器，意味着控制电路的电压和电机的负载尽管在很大的范围内变化，电机的转速也能稳定不变。图8A是一种简便的电机速度控制器和稳速电路。这个电路的特点是：不管电压和温度怎样变，加在电机上的电压都恒定不变，所以速度稳定。
图8 直流电机速度控制及稳定
电路中317K为三端可调稳压器，当加上适当的散热器时，输出电流可达1.5A，并且317K稳压集成电路内具有短路和过载保护。对于图中的元件标值，输入电压从1.25V～13.75V变化。为了确保电压的稳定，输入电压至少要比要求的输出电压大3V以上。
图8B所示电路为通用电机稳速器电路。这种电路应用范围很广。例如盒式录音机。它能自动补偿电池电压和电机负载的变化。
电机的电流受串联晶体管Ql的控制，而Q1的电流又受晶体管Q2的控制。如果电机的额定电压为6V，其他元件如图中标值，可获得100mA的电机电流。值得一提的是：Q2发射极的电压比电机电压低1.2v左右。D1、D2、和R3上面的电压之和等于电机上的电压。Q2的基极偏压，取自Q1的集电极。由R4、RV1和R5分压提供。
由于某种因素电源电压下降，有使电机电压减小的趋势。这将引起Q2发射极电压的降低Q2基极电压也跟着降低，这又会引起Q2和Q1的集电极电流减小，其结果导致Q1集电极电位上升，这就自动补偿电源电压的降低。达到了稳速的目的。如果电源电压上升，原理与上述相同，不过变化方向相反而已。
D1和D2二极管起温度补偿作用。电机速度控制可由RV1调节。
高性能可变速度稳定器电路如图9所示。它可用作宽范围速度可变的场合，例如12V微型电钻。
图9 高性能可变速度稳定器电路
图中电机的电源是经过317K三端稳压器集成电路输出。电机的电流经R5和RV2取样，把部份电压送到IC2和Q1组成的同相直流放大器。Q1发射极电压正比于电机负载电流。
317K稳压器的输入电压，通常为1.25～13.75V。在电路中，三端稳压器的输出电压等于本身的输出电压再加上Q1发射极上的电压。因此，当电机负载增加时，电路输出电压将自动上升，增加电机的驱动能力，保持电机速度不变。为了保持有负载与无负载时，电机的速度相同。首先调节RVl使电机的转速为最大转速的三分之一。然后调节RV2到额定转速。
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直流电机控制方式和操作办法
直流电机控制方式和操作办法
直流电机与交流电机一样，也有两种运行方式:电动运行和制动运行。如果再以正、反转来分的话，则分为正转运行、正转制动运行和反转运行、反转制动运行四种运行方式。如果以坐标形式来表示的话，则称为电机的四象限运行坐标，当电机正向运行时，其机械特性是一条横跨1、2、4象限的直线。其中1象限为电动运行状态，电磁转矩方向与旋转方向相同，第2、4象限为制动运行状态，在此状态内是产生一个与转向方向相反的阻力矩，以使拖动系统迅速停车或限制转速的升高。制动状态下转矩的方向与转速的方向相反，此时电机从轴上吸收机械能并转化为电能消耗于电枢回路电路或回馈于电源。第3象限为反向电动运行。 当电磁转矩TM与转速n同方向，TM是拖动负载运动的，所以电机运行曲线处于1、3象限，1象限为电机正向运行，3象限为电机反向运行;当TM与转速n的方向相反时，表示电机机处于制动运行方式，其机械特性曲线在坐标的2、4象限内，2象限内为电机正向制动，包含能耗制动过程(OA线段)、电源反接制动过程(-TMB线段)和正向回馈制动过程(-n0C)线段;处于第四象限时为电机反向制动，也包含能耗制动过程(OD线段)、倒拉反接制动过程(TME线段)和反向回馈过程(-n0F线段)。
直流电机调速有三种方法:(1)改变电区电压U:由额定电压向下调低，转速也由额定转速向下调低，调速范围大。(2)改变磁通量Φ(即改变ke):改变激磁回路的电阻可改变Φ。由于激磁回路电感大，电气时间常数大，调速快速性差，转速只能由额定转速向上调高。(3)在电枢回路中串联调节电阻。转速只能调低，铜耗大，不经济。 直流电机的启动、停止和制动控制:
直流电机从接入电源开始，电枢由静止开始转动到额定转速的过程，称为启动过程。要求启动时间短、启动转矩大、启动电流小。启动的要求是矛盾的，比如，用逐渐提升供电电压实施软起动，来降低起动电流，但启动时间又会加长;加大启动转矩，又势必增大的启动电流等。因而要根据实际应用和配置情况，对启动问题综合考虑。
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