機械專業(yè)電動機控制綜合實驗的設(shè)計與開發(fā)

紀仁杰，劉永紅，李小朋

（中國石油大學（華東）機電工程學院，山東 青島 266580）

電動機是把電能轉(zhuǎn)換成機械能的設(shè)備，為各種機械設(shè)備提供動力，因而在機械、冶金、石油、煤炭、化學、航空、交通等各行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，是機械專業(yè)的學生所必須掌握和熟練使用的一種設(shè)備［1－3］。由于課程設(shè)置的原因，目前大多數(shù)機械專業(yè)學生對電動機的認識僅停留在理論上，缺乏感性的認識和實際的動手訓練，不利于其畢業(yè)后工作的開展?；诖?，利用實驗室現(xiàn)有機械加工設(shè)備作為被控對象，以機械加工設(shè)備中常用的交流電動機和直流電動機的啟動、制動、調(diào)速及其伺服控制為研究對象，開發(fā)出了電動機控制綜合實驗。

1 交流電動機的起動、制動、正反轉(zhuǎn)控制、短路及過載保護實驗

圖1為所設(shè)計交流電動機的基本控制電路，圖2為所搭建的交流電動機的基本控制電路照片，表1為交流電動機基本控制電路中所用的電器元件的名稱、型號及用途等。

圖1 交流電動機的基本控制電路圖

圖2 交流電動機的基本控制電路照片

表1 交流電動機基本控制電路中所用的電器元件

圖1中交流電動機控制線路的工作原理如下：

采用該電路進行實驗可以使學生觀察并熟練掌握接觸器、時間繼電器、斷路器、熱繼電器、空氣開關(guān)、按鈕等的動作過程、結(jié)構(gòu)特點；互鎖控制的動作過程；過載時熱繼電器的跳閘斷電保護過程；以及短路時斷路器的跳閘斷電保護過程。此外，學生通過搭接該電路可以鍛煉他們的實際動手能力，弄清電氣原理圖中的電器元件符號與實物的對應(yīng)關(guān)系，進一步使學生掌握上述各電器元件的工作原理、基礎(chǔ)知識，以及機床電氣基本控制電路的基本理論和知識。

2 直流電動機的調(diào)速及伺服控制實驗

直流調(diào)速系統(tǒng)雖然需要變流設(shè)備，系統(tǒng)復雜，投資也比較大，但其具有很好的調(diào)速性能。隨著機床切削速度的提高，調(diào)速范圍的擴大，直流調(diào)速系統(tǒng)在大型車床、龍門刨床、鏜床、精密磨床等機床中得到了廣泛應(yīng)用［4－7］。本文中的直流電動機調(diào)速電路是采用脈寬調(diào)制技術(shù)（pulse width modulation，PWM）而設(shè)計的，它利用一定頻率的三角波或鋸齒波，把模擬控制電壓分割成與三角波同頻率的矩形波，通過控制矩形波的占空比來改變直流電動機的輸入電壓以實現(xiàn)調(diào)速的。該方法具有抗干擾能力強、效率高等優(yōu)點［8－12］。

該電路主要包括電源電路和控制電路兩大部分。電源電路一方面為比較運算放大器集成塊LM324提供±15V的穩(wěn)壓直流電源；另一方面為直流電動機提供直流電源；控制電路主要包括三角波發(fā)生電路、比較電路和功率放大電路3部分。

2.1 電源電路

所設(shè)計的電源電路如圖3所示，該電路主要由變壓器、整流橋、電容、三端穩(wěn)壓集成塊、熔斷器、電阻和發(fā)光二極管等組成。變壓器的輸入端接220V交流電、輸出端有雙18V和220V電壓輸出，雙18 V的電壓輸出端分別與±15V直流電壓整流橋的輸入端相連，2個整流橋的輸出端接濾波電容，經(jīng)整流濾波后的直流電分別被送入三端穩(wěn)壓塊7815和7915的輸入端，在三端穩(wěn)壓塊的輸出端得到穩(wěn)定的±15V，以供給集成塊LM324之用，發(fā)光二極管用于顯示電源模塊工作的狀態(tài)。220V電壓輸出端經(jīng)熔斷器后與直流電動機供電的整流橋輸入端相連，該整流橋的輸出電壓經(jīng)濾波后可形成直流電機所需的驅(qū)動電壓。

圖3 電源的電路原理圖

2.2 控制電路

所設(shè)計的控制電路如圖4所示，控制電路主要包括三角波發(fā)生電路、比較電路和功放電路三部分。三角波發(fā)生電路主要由集成塊LM324、電阻和電容等組成，在該電路中運放UT1：1為同相輸入過零滯回比較器，用以產(chǎn)生方波，運放UT1：2為反相積分器，兩級運放之間由電阻RT3構(gòu)成正反饋，形成自激振蕩。通過調(diào)節(jié)積分電阻RT3和電容CT1，可改變?nèi)遣ê头讲ǖ念l率；改變電阻RT2／RT1的比例，會同時影響三角波的幅值和頻率。三角波發(fā)生電路的計算機仿真波形如圖5所示。

圖4 控制電路原理圖

圖5 三角波發(fā)生電路的仿真波形

比較電路主要由LM324組成，該比較器反相輸入端接比較電壓、同向輸入端接三角波，其輸出端為PWM脈寬調(diào)制后的方波。功放電路主要由電容、電阻、穩(wěn)壓管和VMOS管等組成，其脈寬調(diào)制后的計算機仿真波形如圖6所示。

圖6 PWM脈寬調(diào)制后的仿真波形

圖7為所研制的直流電動機控制系統(tǒng)的控制柜照片，圖8為機床與控制柜的連接照片。

圖7 直流電動機控制系統(tǒng)的控制柜照片

3 結(jié)束語

圖8 機床與控制柜的連接照片

通過電動機控制綜合實驗，幫助學生認識和熟悉常用的交流電動機和直流電動機的啟動、制動、調(diào)速及其伺服控制，學生學習了接觸器、時間繼電器、斷路器、熱繼電器、空氣開關(guān)、按鈕等的動作過程、結(jié)構(gòu)特點；互鎖控制的動作過程；過載時熱繼電器的跳閘斷電保護過程；以及短路時斷路器的跳閘斷電保護過程，此外，學生對三角波發(fā)生電路、比較電路和功率放大電路等電路知識以及集成塊LM324、MOS管、三端穩(wěn)壓塊等常用的電子元器件也進行了學習和掌握，有效地提高了學生機電結(jié)合的動手和工程應(yīng)用能力，為他們走上工作崗位打下了堅實的基礎(chǔ)。

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