機械專業電動機控制綜合實驗的設計與開發

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）

電動機是把電能轉換成機械能的設備，為各種機械設備提供動力，因而在機械、冶金、石油、煤炭、化學、航空、交通等各行業中得到了廣泛的應用，是機械專業的學生所必須掌握和熟練使用的一種設備［1－3］。由于課程設置的原因，目前大多數機械專業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，不利于其畢業后工作的開展。基于此，利用實驗室現有機械加工設備作為被控對象，以機械加工設備中常用的交流電動機和直流電動機的啟動、制動、調速及其伺服控制為研究對象，開發出了電動機控制綜合實驗。

1 交流電動機的起動、制動、正反轉控制、短路及過載保護實驗

圖1為所設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、按鈕等的動作過程、結構特點；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關系，進一步使學生掌握上述各電器元件的工作原理、基礎知識，以及機床電氣基本控制電路的基本理論和知識。

2 直流電動機的調速及伺服控制實驗

直流調速系統雖然需要變流設備，系統復雜，投資也比較大，但其具有很好的調速性能。隨著機床切削速度的提高，調速范圍的擴大，直流調速系統在大型車床、龍門刨床、鏜床、精密磨床等機床中得到了廣泛應用［4－7］。本文中的直流電動機調速電路是采用脈寬調制技術（pulse width modulation，PWM）而設計的，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調速的。該方法具有抗干擾能力強、效率高等優點［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、三端穩壓集成塊、熔斷器、電阻和發光二極管等組成。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，經整流濾波后的直流電分別被送入三端穩壓塊7815和7915的輸入端，在三端穩壓塊的輸出端得到穩定的±15V，以供給集成塊LM324之用，發光二極管用于顯示電源模塊工作的狀態。220V電壓輸出端經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濾波后可形成直流電機所需的驅動電壓。

圖3 電源的電路原理圖

2.2 控制電路

所設計的控制電路如圖4所示，控制電路主要包括三角波發生電路、比較電路和功放電路三部分。三角波發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，用以產生方波，運放UT1：2為反相積分器，兩級運放之間由電阻RT3構成正反饋，形成自激振蕩。通過調節積分電阻RT3和電容CT1，可改變三角波和方波的頻率；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脈寬調制后的方波。功放電路主要由電容、電阻、穩壓管和VMOS管等組成，其脈寬調制后的計算機仿真波形如圖6所示。

圖6 PWM脈寬調制后的仿真波形

圖7為所研制的直流電動機控制系統的控制柜照片，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的控制柜照片

3 結束語

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、按鈕等的動作過程、結構特點；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合的動手和工程應用能力，為他們走上工作崗位打下了堅實的基礎。

（References）

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