直流電機控制電路專輯(永磁式換向器電機)

直流電機控制電路專輯

永磁式換向器電機的工作原理     

      永磁式換向器直流電機，是應用很廣泛的一種。只要在它上面加適當電壓。電機就轉動。圖9是這種電機的符號和簡化等效電路。
 

　　工作原理

 　　這種電機由定子、轉子、換向器(又稱整流子)、電刷等組成，定子用作產生磁場。轉於是在定子磁場作用下，得到轉矩而旋轉起來。換向器及時改變了電流方向，使轉子能連續旋轉下去。也就是說，直流電壓加在電刷上，經換向器加到轉子線圈，流過電流而產生磁場，這磁場與定子的固定磁場作用，轉子被強迫轉動起來。當它轉動時，由於磁場的相互作用，也將產生反電動勢，它的大小正比於轉子的速度，方向和所加的直流電壓相反。圖9(b)給出了等效電路。Rw代錶轉子繞組的總電阻，E代表與速度相關的反電動勢。
　　永磁式換流器電機的特點
　　·當電機負載固定時，電機轉速正比於所加的電源電壓。
　　·當電機直流電源固定時，電機的工作電流正比於轉予負載的大小。

　　·加於電機的有效電壓，等於外加直流電壓減去反電動勢。因此當用固定電壓驅動電機時，電機的速度趨向於自穩定。因為負載增加時，轉子有慢下來的傾向，於是反電動勢減少，而使有效電壓增加，反過來又將使轉子有快起來的傾向，所以總的效果使速度穩定。
　　·當轉子靜止時，反電動勢為零，電機電流最大。其最大值等於V／Rw(這兒V是電源電壓)。最大·電流出現在剛起動的條件。
　　·轉子轉動的方向，可由電機上所加電壓的極性來控制。
　　·體積小，重量輕。起動轉矩大。
　　由於具備上述的那些特點，所以在醫療器械、小型機床、電子儀器、計算機、氣象探空儀、探礦測井、電動工具、家用電器及電子玩具等各個方面，都得到廣泛的應用。
　　對這種永磁式電機的控制，主要有電機的起停控制、方向控制、可變速度控制和速度的穩定控制。
　　1、電機的起／停控制
　　電機的起／停控制，最簡單最原始的方法是在電機與電源之間，加一機械開關。或者用繼電器的觸點控制。大家都比較熟悉，故不舉例。
　　現在比較流行的方法，是用開關晶體管來代替機械開關，無觸點、無火花干擾，速度快。電路如圖10(a)所示。當輸入端為低電平時，開關晶體管Q1截止，電機無電流而處於停止狀態。如果輸入端為高電平時，Q1飽和導通，電機中有電流，因此電機起動運轉。圖中二極體D1和D2是保護二極體，防止反電動勢損壞晶體管。電容C1是消除射頻干擾而外加的。R1基極限流電阻，限制Q1的基極電流。在6V電源時，基極電流不超過52mA。在這種情況下，Q1提供電機的最大電流為1A左右。
 

　　圖10(a)的電路，因基極電流需外部驅動電路。如果再增加一級緩衝放大，如圖10(b)的電路，驅動電流減少到2mA。R3限制Q1的基極電流到安全值。其他元件作用與(a)圖中相同。

2、電機的方向控制
　　水磁式換流器電機的轉動方向，可以用改變電源極性的方法，使電機反轉。如果用正、負雙極性電源，可用一個單刀進行轉換，如圖11(a)所示。因為電機的電流直接通過開關，容易燒壞開關接點。所以可以改用功率開關晶體管來代替機械開關，就可以克服上述缺點。電路如圖11(b)所示。
 

　　電路工作原理：當開關SW1置於“正轉”位時，Q1和Q3的基極加上偏流；Q2和Q4的偏置電路被斷開。所以Q1和Q3導通，Q2和Q4截止。電流從V ＋→Q3發射極→Q3集電極→電機正端→電機負端→地形成迴路，此時電機正轉。同理，如果SW1置於“反轉’位置時，Q2和Q4得到偏流而導通；01和 Q3截止。電流從電源地端→電機負端→電機正端→Q4集電極→Q4發射極→電源負端形成迴路，故電機電源與上述情況相反，因此電機反轉。而SW1置於斷時，電機停止轉動。
　　圖11(b)電路中SW1要轉接正、負電源。在介面電路的應用中，用電子開關來代替SW1就比較困難。為了克服這個缺點，可用圖11(c)的電路加以改進。圖11(c)中的SW1就很容易用電子開關來代替。在這個電路中，SW1置於“正轉”位置時，Q1和Q3導通，Q2和 Q4截止。SW1置於“反轉”位置時，Q2和Q4導通，Q1和Q3截止。
　　3、單極性電源的方向控制
　　如果電源為單極性，那麼控制方向的開關就要雙刀三擲。如圖12(a)所示。不過用晶體管連接為橋式電路，也是最基本和最通用的形式。電路如圖12(b)所示。
 

　　從電路中可以看出，當SW1置於“正轉”位置時，Q1和Q4導通，Q2和Q3截止。當SW1置於“反轉”位置時，Q2和Q3導通，Q1和Q4截止。二極體D1—D4是保護電路，防止電機反電動勢可能損壞晶體管。
　　圖12(c)為圖12(b)的改進電路。它使SW1隻控制正轉／反轉，而SW2隻控制電機的起停。用簡圖指出了電路中的關鍵點。Q1或Q2總有一個是接通的，Q3或Q4是起通／斷作用。當電路被斷開時，電機電流經Q1—D2或Q2—D1環路迅速減少，這是所謂的“飛輪效應”。如果SW2用脈衝調製的電子開關代替的話，就是需要這種“飛輪效應”。電機的速度可用脈寬控制。這種技術在本文後面將敘述。
 　　圖12(b)的電路，需要大的驅動電流。如果需要更靈敏的控制電路，可以採用圖13(a)的方案。在這個電路中，A、B、C和D的四個輸入端，只需要幾毫安的驅動電流。這個電路也可以像圖13(b)那樣，用人工進行控制。圖中用CMOS集成電路CD4052B，作雙刀四路雙向開關。邏輯電平“0”或邏輯電平“1”加到A或B的輸入端。正轉／反轉，起動／
停止是相互獨立的。這個電路也具有“飛輪效應”。圖13(a)和圖]3(c)的電路工作的邏輯真值表如表4列出。
 
　　4、電機的速度控制
　　直流電機的轉速與所加的電壓有效值成正比。圖14是12V直流電機的可變電壓速度控制。圖中Q1和Q2是複合管射極跟隨器，電機的直流電壓可從0V變到12v。這種電路的特點是：在中速和高速時，速度的控制和自動調節的性能很好。但是低速和慢啟動特性比較差。
　　用開關方式或脈寬調製，可以獲得非常好的速度控制性能。電路圖如15所示。
 
 

　　圖中IC1作為50Hz的無穩多諧振蕩器，它產生一個矩形波輸出，占空比可變從20比1到1比20，由RV1進行調節。這個波形經過Q1和Q2送到電機，電機上的電壓有效值是隨RV1的調節而變化的(總的周期是50HZ)。不過電機上所加上的電壓，是具有峰值電壓為12V的功率脈衝。因此在整個調速範圍內；性能都非常好。即使在很低的速度，轉矩也很大。速度控制的程度，正比於所加電壓的有效值。
　　5、模型火車速度控制器
 
 
　　圖16所示的電路是具有自動短路保護的模型火車速度控制器。電源用12V，最大輸出電流為1.5A。如果軌道上出現短路時，控制單元上張有短路探測器和保護電路，自動將輸出電流限制在100mA(有效值)
　　這個電路的工作原理如下：
　　交流電源經變壓器T1降壓后，經BR1進行全波橋式整流，得到一個未濾波的直流電壓。通過一個串聯的單向可控硅(SCR1)與方向控制開關SW3，將整流電壓加在電機上。
　　在整流輸出直流的每個開始的半周，可控硅(SCR)是斷開的。直流電壓經R4和ZD1穩壓后，加到雙基極二極體(UJT)Q1及相關的定時電路C1和 RV1上。當C1上的電壓超過UJT發射極的門限值時，觸發可控硅，使SCR1飽和導通。而另一半周期SCR1關斷複位。電機的電源是經SCR1陰極、 R2和R3、SW3而得到。未經濾波原整流后的頻率為電源頻率的二倍。電機通電時間的長短，受電位器RV1控制。所以模型火車的速度能在很寬的範圍內變化。
　　還要提醒一下，輸出電流流過了並聯電
阻R2 和R3，電阻上的電壓正比於電流。該電壓經過一個峰值檢波電路D1和C2，檢波后妁直流電壓饋送到Q2的基極。當輸出電流的峰值超過1.5A或輸出短路時，由於C2的電壓儲能作用，使R8和R9的分壓、正好能使Q2導通，將Q1的定時電路短路，停止幾個半周不觸發SCR1。如果出現短路情況，由電路內部電阻限流在幾安的峰值電流，每15個半周觸發一次SCR1，使輸出電流的有效值限制在100mA，這就保護了電路的安全。

　　6、自動軌道清潔機
 　　圖17是典型的鐵路軌道清潔機的電路原理圖。電源部份與圖16的整流部份相同。有了自動軌道清潔機，就可以保持模型火車與軌道之間有良好的電接觸。因為車輪與軌道之間，容易被臟物或氧化造成接觸障礙。這個問題的解決是經過一個高頻高壓小功率的信號發生器，把控制信號送至軌道，如果道軌上存在污物或氧化的危害時，將使其信號中斷，高壓發生器便工作。結合圖17敘述其工作原理。
　　電路的振蕩頻率大約為100KHz，由變壓器T1的電感與C2的容量而定。C4是抵銷不希望的軌道效應的分佈電容。在T1的次級，峰值電壓有幾佰伏，但為高阻抗。如果負載是低阻抗時，振蕩器就停止振蕩不產生高壓。
　　變壓器T1次級用粗漆包銅線繞制，通過火車控制信號送到道軌。當火車電機與道軌的電接觸為低阻抗時，振蕩停止。只有火車的控制信號送到軌道。然而，如果接觸被污物中斷，車輪與道軌的接觸變成高阻抗；這時高壓發生器迅速工作。建立起良好的電接觸。排除了中斷的障礙。當軌道清潔機有效時，T1次級的氖燈的亮度指示軌道的接觸損失。R6限制振蕩器只有很小的振蕩電壓送到火車的控制端。
 

7．電機速度控制及穩定
　　電機速度穩定器，意味著控制電路的電壓和電機的負載儘管在很大的範圍內變化，電機的轉速也能穩定不變。圖18是一種簡便的電機速度控制器和穩速電路。這個電路的特點是：不管電壓和溫度怎樣變，加在電機上的電壓都恆定不變，所以速度穩定。
　　電路中317K為三端可調穩壓器，當加上適當的散熱器時，輸出電流可達1.5A，並且317K穩壓集成電路內具有短路和過載保護。對於圖中的元件標值，輸入電壓從1.25V～13.75V變化。為了確保電壓的穩定，輸入電壓至少要比要求的輸出電壓大3V以上。
 
 

　　圖19所示電路為通用電機穩速器電路。這種電路應用範圍很廣。例如盒式錄音機。它能自動補償電池電壓和電機負載的變化。
　　電機的電流受串聯晶體管Ql的控制，而Q1的電流又受晶體管Q2的控制。如果電機的額定電壓為6V，其他元件如圖中標值，可獲得100mA的電機電流。值得一提的是：Q2發射極的電壓比電機電壓低1.2v左右。D1、D2、和R3上面的電壓之和等於電機上的電壓。Q2的基極偏壓，取自Q1的集電極。由 R4、RV1和R5分壓提供。
　　由於某種因素電源電壓下降，有使電機電壓減小的趨勢。這將引起Q2發射極電壓的降低Q2基極電壓也跟著降低，這又會引起Q2和Q1的集電極電流減小，其結果導致Q1集電極電位上升，這就自動補償電源電壓的降低。達到了穩速的目的。如果電源電壓上升，原理與上述相同，不過變化方向相反而已。
　　D1和D2二極體起溫度補償作用。電機速度控制可由RV1調節。
 　　高性能可變速度穩定器電路如圖20所示。它可用作寬範圍速度可變的場合，例如12V微型電鑽。
　　圖中電機的電源是經過317K三端穩壓器集成電路輸出。電機的電流經R5和RV2取樣，把部份電壓送到IC2和Q1組成的同相直流放大器。Q1發射極電壓正比於電機負載電流。
　　317K穩壓器的輸入電壓，通常為1.25～13.75V。在電路中，三端穩壓器的輸出電壓等於本身的輸出電壓再加上Q1發射極上的電壓。因此，當電機負載增加時，電路輸出電壓將自動上升，增加電機的驅動能力，保持電機速度不變。為了保持有負載與無負載時，電機的速度相同。首先調節RVl使電機的轉速為最大轉速的三分之一。然後調節RV2到額定轉速。