直流電動機微型實驗平臺設計

顧 波，魏 偉，張 磊

（沈陽科技學院 信息與控制工程系，遼寧 沈陽 110000）

0 引 言

為實現“十三五”規劃中以應用型人才的能力培養與素質教育為核心的教育模式，各大高校轉變了辦學理念，突出“應用型”定位特色，培養大學生的動手實踐、科技創新及學科交叉的綜合性學習能力[1]。因此，自主研制實驗平臺是提高教師與學生科研水平的一種新途徑，在促進教改的同時，將實踐、創新和綜合性能力結合，解決部分發展中高校由于經費緊張而出現實驗設備缺失的問題。另外，教材中以公式推導或特性曲線的形式得到了固定的結論，并以實驗的形式驗證結論，便于更深入掌握相關知識[2]。

1 直流電動機微型實驗平臺

依托高校人才培養方案中電氣工程及其自動化專業課程《電機與拖動基礎》的教學計劃，設計了具有經濟、安全、實用、可搬移、可開發的和高成效“直流電動機微型實驗平臺”，從一定角度替代了傳統電機實驗設備，彌補了因體積過大不易搬運、用電量大、操作危險性高、不易維修和實驗教育經費成本高的問題。該實驗平臺建設基礎經費一套300元，以12 V微型直流電動機為研究對象建立實驗項目，模擬并驗證電樞串電阻調速、調壓調速和反接制動的實驗現象。

2 實驗項目原理

2.1 電樞串電阻調速

直流電動機電樞串電阻RΩ時的轉速人為機械特性表達式為[3]：

由于電動機的電壓及磁通保持額定值不變，故人為機械特性是一組過理想空載點n0的直線，斜率β的絕對值則隨串聯電阻RΩ的增大而加大，特性曲線如圖1所示。

圖1 電樞串電阻調速人為機械特性

2.2 調壓調速

直流電動機調壓調速時的人為機械特性表達式[4-5]為：

可見，在其他參數不變時改變電源電壓，電動機的速度也相應變化；電壓U增大時，轉速n增加；電壓U減小時，轉速n低，但斜率保持不變。

2.3 反接制動

電樞反接制動的方法是在制動時電源反接，并在電樞電路中串入制動電阻Rz。此時，由于電樞反接，電源電壓U為負，電流Ia為負，T也為負，而n為正，T與n反向，故為制動狀態。反接制動時的機械特性表示為：

3 實驗平臺設計

直流電動機微型實驗平臺采用輸入為220 V、輸出為12 V的直流穩壓電源供電。考慮經濟性和實用性，在設計上該平臺使用2個12 V微型電動機實現4個實驗環節，即電樞串電阻和PWM調壓調速共用1#電動機，反接制動共用2#電動機，且在電樞串電阻，反接制動環節中均串入滑動變阻器。既方便調試，又可從不同基數上觀察和驗證實驗結論，更深層次掌握電動機的機械特性和各參數之間的關系。實驗平臺電路設計圖如圖2所示。

3.1 制動實驗環節設計

在此回路中仍可通過滑動變阻器調節轉速，在不同轉速下，其反接制動時間也不同。實驗時需注意：電動和反接制動按鈕不要同時按下，避免使電機發生電動和制動同時運行的情況。

3.2 調速實驗環節

電樞串電阻調速（總開關4控制）是在電源與電機之間串聯一臺100 W、50 Ω的滑動變阻器，通過調節阻值改變電機轉速。轉速數值可通過數碼顯示屏讀取。

4 實驗測試方式及結論驗證

4.1 電樞串電阻調速

已知額定電壓UN=12 V，測得額定電流IN=0.52 A，額定轉速nN=7 500 r/min，電樞電阻Ra=6.2 Ω，通過直流電機轉速表達式：

得到CeΦN=1.18×10-3，并根據電樞串電阻表達式式（7）計算轉速值。

4.2 調壓調速

接入12 V直流穩壓源，閉合總開關3和PWM直流調速器，2#電機開始工作，通過調速器旋轉鈕調節電壓（電壓值可在電壓顯示屏上觀測，亦可使用萬用表測量），可在霍爾測速儀裝置的顯示屏上觀測到不同電壓下的不同轉速，同時記錄電流值，并根據電壓調速表達式式（8）計算出轉速值。

4.3 反接制動

接入12 V直流穩壓源，閉合總開關2并按下電動按鈕，1#電機電動運行，調節變阻器使轉速穩定到某個數值，反接制動時按下反接制動按鈕，這時反向接入6 V制動電源，1#電機轉速迅速下降，直至降為0。此時，立即松開制動按鈕，否則電機將進入反轉電動運行狀態。

圖2 直流電動機微型實驗平臺電路圖

5 結 論

在建立實驗平臺的過程既聯系了《電路》《電工技術》和《單片機技術》等相關課程的應用，又鍛練了學生的動手操作能力。同時，該平臺可作教學課堂演示，提高了學生上課的興趣，達到了一臺多用的教學效果。