浅谈直流电机调速系统的设计

浅谈直流电机调速系统的设计
摘要：本文主要论述直流电机调速系统的设计，分析了其原理、线路设计、控制电路的组成及各参数计算，并提出相关的技术措施。

关键词：电动机;线路设计;晶闸管;单片机
abstract: this paper mainly discusses the design of dc motor speed control system, analyzes its principle, circuit design, control circuit and composition of the parameters calculation, and puts forward related technical measures.
keywords: motor; circuit design; thyristor; single-chip microcomputer
中图分类号：s611文献标识码：a 文章编号：
0引言
随着社会的不断进步，电器设备的发展，直流电机广泛用于各行业和民用的设备、仪器调速当中。

电力拖动是机械设备中的一个部分，其主要有三部分组成：电动机、自动控制设备、传动机构。

其中，自动控制设备指控制电动机转速的控制电气或控制电器组成的控制设备，本系统就属于这样的控制系统。

以前用滑差直流电机、调压稳压电源、模拟信号可控硅调速等，常常有调速不均匀、线路可靠性差、功耗大、调节范围小、调试困难等诸多问题，尤其是功率较大，百瓦以上的调速电路问题更大。

用单片机对本系统实现高效智能化的控制，不仅解决了上面的问题，还增加了速度数显、速度数字设置、精确稳速、定时运行和定时正反转、数据保存等功能。

1系统工作原理
如图一所示，由交流电取的相位信号，为过交流电零点的窄脉冲，送入 cpu 中断。

调速输出端取电压信号通过 a/d 送入 cpu 的i/o 口。

cpu取得相位信号和速度检测信号，通过比较、计算后直接输出移相脉宽调制信号，控制驱动的输出，从而调整直流电机的速度。

图（一）系统原理框图
2主电路设计
直流电机包括电枢电路和励磁电路。

电枢电路的设计规定采用220v单相50hz的工频交流电源做为直流电机的供电电源，电机工作时电枢电压需在10～200v之间连续可调，采用半控桥式整流电路对220v/50hz的工频单相交流电进行可控整流，通过改变可控硅控制角，来改变可控整流电路的输出电压，从而实现改变电机的转速。

励磁电路的设计，直流电机的励磁线圈需要200v左右的交流电产生励磁，所以励磁电路采用不可控桥式整流电路，为其励磁绕组供电。

3控制电路设计
（1）同步信号产生电路
因为可控直流电路是通过控制可控硅的导通角来调节电枢电压的，所以要确定控制角的零点，每次从过零点开始记时，记时到时后，输出一个脉冲，来控制可控硅导通。

由于采用单片机作为控制系统，所以可以利用单片机的外中断
（intx）作为控制角的零点起始点。

通过同步变压器获得同步信号，利用电压比较器来确定零点位置。

因为51系列单片机外中断需由下降沿触发，所以要将比较器输出的零点上升沿信号转换成下降沿信号。

这可利用74ls123单稳态触发器具有上升沿或下降沿均能触发的功能，用比较器输出的方波上升沿和下降沿分别触发两个
74ls123，在各自的q输出端均得到一个定宽的正脉冲信号，再利用两输入或非门把正脉冲信号转成负脉冲信号，形成单片机外中断需要的下降沿触发信号。

（2）转速和定时时间给定电路
通过旋转式电位器给定电机转速和定时时间并将该量值显示出来。

由于单片机接收的是数字信号，而电位器输出的是模拟信号，因此需用a/d转换器转换。

因为设计要求转换精度是12位二进制数输出，所以可用ad574a作为采样电路的核心芯片，采用中断方式读取转换结果，转换结果信号（ec）经两输入或非门把正脉冲信号转成负脉冲信号送8051的外中断0口。

a/d转换器必须有稳定的参考电压才能保证转换精确，所以采用精密稳压器制作电路。

该电路由两处应用：一处是ad574a的输入采样电压，另一处是供ad574a 的参考电压。

可采用精密稳压器lm336-2.5v作为精密稳压器件。

（3）显示电路直流电机在工作时要显示它的给定转速和定时时间，这就需要有显示电路，采用五位数码管显示。

（4）触发电路单片机的i/o口可以形成低电平窄脉冲，该脉冲可用于控制可控硅导通。

由于电机是感性负载，需要采用宽脉冲
触发，所以需要把这个窄低电平脉冲变换成定宽脉冲。

可以采用74123来实现，74123输出的正宽脉冲因其电压和电流均不能满足触发可控硅的要求，所以可用一个三极管作为驱动元件，使其输出满足电压和电流的要求。

为了解决控制电路和主电路不能共地的问题，可以用脉冲变压器加以解决。

在脉冲变压器的原边需要串一个续流二极管，来保护三极管。

在脉冲变压器的副边需要加上保护二极管起到过流保护和防止回流，以保护可控硅。

（5）定时输出电路本系统有定时功能，采用软件实现此功能时，由单片机控制晶闸管的导通和关断。

因此可以用t1口做为此信号的控制口。

4 控制电路的组成
控制电路有多种，本系统采用单片机作控制电路。

即先由单片机进行采集再进行a/d转换，然后在通过给定同步信号，使单片机送出脉冲来控制可控电路触发，触发电路触发后，驱动电动机转动，再有测速发电机带回实际转速给单片机，让单片机根据实际转速和给定转速进行一系列的比较、执行操作，以达到控制α角大小，近而来改变电枢电压的大小，最终达到调节电动机转速的目的。

用单片机驱动显示电路。

5各环节参数计算
(1) 给定同步信号由于主电路的可控整流部分的触发信号必须与其工作信号保持同步，即保证主电路的工作信号在每次过零点时都能保证产生同步信号。

采用电压比较器lm339构成过零比较，把
电源信号进行整形转换成方拨信号。

同步信号是要求过零点就要发中断请求给单片机。

又单片机仅接收下降沿触发中断请求，所以要把上升沿转化成下降沿选用74123芯片。

比较器lm339采用朔封，功率为570mw。

(2) 模拟给定信号部分电压稳定后经限流电阻后为达到电压固定，选用了稳压管lm336来固定电压。

lm336输入的电流为1.1ma，由此电位器选为300欧姆。

功率为1.5w。

再通过改变电位器滑动触头来给定模拟输入量。

(3) 触发电路触发脉冲是由单片机p1.0提供的，此脉冲为尖脉冲，不能可靠触发。

因此，要把尖脉冲变成定宽脉冲，为完成这一功能，选用了双滞清零可重触发单稳触发器74123。

故74123的短路电流最大值为10ma，而晶闸管门极电流为10~100ma，取40ma。

故要有功率放大电路，但为了实现触发器和晶闸管主电路的隔离作用，触发电路往往通过脉冲变压器将触发脉冲加到晶闸管的控制极上。

(4) 反馈电路单片机出发可控硅之后使电机转动，选择同轴测速电机来检测此时的转速，又通过负载输出电压来送给单片机使其达到反馈目的。

由于单片机接受数字量，要用a/d转换器再接入单片机。

关于a/d转换器选择以下有介绍，现在只说明测速反馈部分。

对于小功率直流系统，应选取以信号输出为主的产品。

因为只需要输出电压在0~5伏便可。

故选择输出电压为24伏，达到8000r/min，负载电阻10千伏的永磁式直流测速发电机。

6结束语
总之，利用晶闸管半导体变流技术，把交流电源变成直流电源，并通过单片机来控制晶闸管控制角α的大小来控制直流电压的大小，以此来实现直流电机的调速，这就是以晶闸管为主电路，单片机为控制电路的直流调速系统。

参考文献
[1]《晶闸管直流传动》机械工业出版社
[2]《新编电气工程师实用手册》中国水利水电出版社
张泽生。