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永磁式换向器 直流电机调速器,正反转切换器,正反转调速器,电

作者:志成时间:2012-07-30 15:50来源:哈尔滨汇丰电子 浏览: LOGING....

永磁式换向器 直流电机调速器,正反转切换器,正反转调速器,电机调速器,直流电机正反切换

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9是这种电机的符号和简化等效电路。
  工作原理

永磁式换向器直流电机的设计应用


   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9(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10(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。
 

永磁式换向器直流电机的设计应用
  图10(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10(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
  水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11(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11(b)所示。
 
  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。

永磁式换向器直流电机的设计应用
  图11(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11(c)的电路加以改进。图11(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12(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12(b)所示。
 
  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。

永磁式换向器直流电机的设计应用
  图12(c)为图12(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。
   图12(b)的电路,需要大的驱动电流。如果需要更灵敏的控制电路,可以采用图13(a)的方案。在这个电路中,A、B、C和D的四个输入端,只需要几毫安的驱动电流。这个电路也可以像图13(b)那样,用人工进行控制。图中用CMOS集成电路CD4052B,作双刀四路双向开关。逻辑电平“0”或逻辑电平“1”加到A或B的输入端。正转/反转,起动/
停止是相互独立的。这个电路也具有“飞轮效应”。图13(a)和图]3(c)的电路工作的逻辑真值表如表4列出。
  4、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14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。
  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15所示。
永磁式换向器直流电机的设计应用


  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

永磁式换向器直流电机的设计应用
 
  图16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)
  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

永磁式换向器直流电机的设计应用
   图17是典型的铁路轨道清洁机的电路原理图。电源部份与图16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17叙述其工作原理。
  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18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。
  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。
 

永磁式换向器直流电机的设计应用
  图19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20所示。它可用作宽范围速度可变的场合,例如12V微型电钻。
  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。

永磁式换向器直流电机的设计应用
  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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