关键词：直流电动机；PWM控制技术；晶闸管；调速
一、直流电动机的结构和基本原理
直流电动机由定子和转子两部分构成，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。对于一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分（定子）上装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁芯。定子与转子之间有一气隙。在电枢铁芯上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间也互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。
直流电机如果去掉原动机，并给两个电刷加上直流电源，则会有直流电流从一个电刷A流入，经过线圈从另一个电刷 B 流出，根据电磁力定律，载流导体受到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。如果转子转到电刷 A 和换向片2接触时，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，从电刷 B 流出。此时载流导体受到电磁力作用，方向同样由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。
二、直流电机的调速原理
直流电机转速n的表达式为：n =，式中：U-电枢端电压；I-电枢电流；R-电枢电路总电阻；Φ-每极磁通量；K-与电机结构有关的常数。由上式可知，直流电机转速n的控制方法有三种：(1)调节电枢电压U。改变电枢电压从而改变转速，属恒转矩调速方法，动态响应快，适用于要求大范围无级平滑调速的系统；(2)改变电机主磁通中只能减弱磁通，使电动机从额定转速向上变速，属恒功率调速方法，动态响应较慢，虽能无级平滑调速，但调速范围小；(3)改变电枢电路电阻R在电动机电枢外串电阻进行调速，只能有级调速，平滑性差、机械特性软、效率低。
三、PWM调速
3.1 PWM调速原理
PWM(脉冲宽度调制)是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的 电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM 可以应用在许多方面，比如:电机 调速、温度控制、压力控制等等。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来 接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直 流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转 速。也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。
图3.1 占空比示意图
如图3.1所示：设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D= t1/T，则电机的平均速度为Va =Vmax*D，其中Va指的是电机的平均速度；Vmax 是指电机在全通电时的最大速度；D=t1/T是指占空比。由上面的公式可知，当我们改变占空比D= t1/T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。严格来说，平均速度Vd 与占空比D 并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。但Vd与占空比D并不是完全线性关系（图中实线），当系统允许时，可以将其近似地看成线性关系（图中虚线）。因此也就可以看成电机电枢电压Ua与占空比D成正比，改变占空比的大小即可控制电机的速度。
由以上叙述可知：电机的转速与电机电枢电压成比例，而电机电枢电压与控制波形的占空比成正比，因此电机的速度与占空比成比例，占空比越大，电机转得越快，当占空比α＝1时，电机转速最大。
3.2 PWM调速电路
由达林顿管组成的H型PWM电路是用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定， 并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围。
3.3 控制电路
LMD18200和SG3525为电路核心芯片，SG3525为脉宽调制控制器，LMD18200为电机双向驱动芯片。电路设计原理如下所示：
（1）PWM 信号的产生：PWM信号由SG3525芯片产生，脉冲的频率由该芯片的5、6脚所接电容C3和电阻R3参数决定；调节可调电阻P2可以得到 1.16kHz ～ 35.1kHz 范围内的PWM信号；调节可调电阻P1可以使占空比在10％～100％范围内变化，有效的控制电机的运转速度。（2）电机驱动电压的产生：(a) 后级电机驱动芯片使用 LMD18200，但SG3525最大的驱动电流为400mA，不能满足3A电流的驱动要求，因此将SG3525输出引脚11和14分别连接到地。(b)反馈R1接VREF端将芯片内OC三极管输出转变为TTL电平输出。(c)LMD18200具有过热自动保护功能，在温度达到170℃ 时，芯片自动断电，当温度达到145℃ 时。芯片通过第 9 脚输出过热信号，因未使用其他判断电路或单片机，此引脚输出信号无用，通过R4直接拉到高电平。(d)滑片开关 S1 接到LMD18200的3脚DIR 端控制电机运转方向。(e)芯片4脚为强制停机信号输入端，高电平有效，因不存在外围控制电路，直接将其接地。
小结：
直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统领域中得到了广泛的应用。随着生产技术的发展，对直流电气传动在起制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面都提出了更高的要求，这就要求大量使用直流调速系统。因此人们对直流调速系统的研究将会更深一步。
参考文献
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论文作者:张芯瑜, 谢佳维, 祝梓豪, 冉倩
论文发表刊物:《科技中国》2017年7期
论文发表时间:2017/10/11
标签：电枢论文; 电机论文; 电刷论文; 直流电动机论文; 直流电机论文; 转速论文; 电压论文; 《科技中国》2017年7期论文;