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永磁式换向器电机的工作原理及电路

2011-10-31 08:36 [自动控制] 来源于:电路图之家
导读:永磁式换向器直流电机,是应用很广泛的一种。只要在它上面加适当电压。电机就转动。图9是这种电机的符号?#22270;?#21270;等效电路。 工作原理 这种电机由定子、转子、换向器(又称整流子)、电刷等组成,定子用作产生磁

永磁式换向器直流电机,是应用很广泛的一种。只要在它上面加适当电压。电机就转动。图9是这种电机的符号?#22270;?#21270;等效电路。
  工作原理


  这种电机由定子、转子、换向器(又称整流子)、电刷等组成,定子用作产生磁场。转于是在定子磁场作用下,得到转矩而旋转起?#30784;?#25442;向器及时改变了电流方向,使转子能连续旋转下去。也就是说,直流电压加在电刷上,经换向器加到转子线圈,流过电流而产生磁场,这磁场与定子的固定磁场作用,转子被强迫转动起?#30784;?#24403;它转动时,由于磁场的相互作用,也将产生反电动势,它的大小正比于转子的速度,方向和所加的直流电压相?#30784;?#22270;9(b)给出了等效电路。Rw代表转子绕组的总电阻,E代表与速度相关的反电动势。

  永磁式换流器电机的特点

  ·当电机负载固定时,电机转速正比于所加的电源电压。

  ·当电机直流电源固定时,电机的工作电流正比于转予负载的大小。  ·加于电机的有效电压,等于外加直流电压减去反电动势。因此当用固定电压驱动电机时,电机的速度趋向于自稳定。因为负载增加时,转子有慢下来的倾向,于是反电动势减少,而使有效电压增加,反过来又将使转子有快起来的倾向,所以总的效果使速度稳定。

  ·当转子静止时,反电动势为零,电机电流最大。其最大值等于V/Rw(这儿V是电源电压)。最大·电流出现在刚起动的条件。

  ·转子转动的方向,可由电机上所加电压的极性来控制。

  ·体积小,重量轻。起动转矩大。

  由于具备上述的那些特点,所以在医疗器械、小型机床、电子仪器、计算机、气象探空仪、探矿测井、电动工具、家用电器及电子玩具等各个方面,都得到广泛的应用。

  对这种永磁式电机的控制,主要有电机的起停控制、方向控制、可变速度控制和速度的稳定控制。

  1、电机的起/停控制

  电机的起/停控制,最简单最原始的方法是在电机与电源之间,加?#25442;?#26800;开关。或者用继电器的触点控制。大家都比较熟悉,故不举例。

  现在比较流行的方法,是用开关晶体管来代替机械开关,无触点、无火花干扰,速度快。电路如图10(a)所示。当输入端为低电平时,开关晶体管Q1截止,电机无电流而处于停止状态。如果输入端为高电平时,Q1饱和导通,电机中有电流,因此电机起动运转。图中二极管D1和D2是保护二极管,防止反电动势损坏晶体管。电容C1是消除射频干扰而外加的。R1基极限流电阻,限制Q1的基极电流。在6V电源时,基极电流不超过52mA。在这种情况下,Q1提供电机的最大电流为1A左右。

  图10(a)的电路,因基极电流需外部驱动电路。如果再增加一级缓冲放大,如图10(b)的电路,驱动电流减少到2mA。R3限制Q1的基极电流到安全值。其他元件作用与(a)图中相同。

  2、电机的方向控制

  水磁式换流器电机的转动方向,可以用改变电源极性的方法,使电机反转。如果用正、负双极性电源,可用一个单刀进行转换,如图11(a)所示。因为电机的电流直接通过开关,容易烧坏开关接点。所以可以改用功率开关晶体管来代替机械开关,就可以克服上述缺点。电路如图11(b)所示。

  电路工作原理:当开关SW1置于“正转”位时,Q1和Q3的基极加上偏流;Q2和Q4的偏置电路被断开。所以Q1和Q3导通,Q2和Q4截止。电流从V+→Q3发射极→Q3集电极→电机正端→电机负端→地形成回路,此时电机正转。同理,如果SW1置于“反转’位置时,Q2和Q4得到偏流而导通;01和Q3截止。电流从电源地端→电机负端→电机正端→Q4集电极→Q4发射极→电源负端形成回路,故电机电源与上述情况相反,因此电机反转。而SW1置于断时,电机停止转动。

  图11(b)电路中SW1要转接正、负电?#30784;?#22312;接口电路的应用中,用电子开关来代替SW1就比较困难。为了克服这个缺点,可用图11(c)的电路加以改进。图11(c)中的SW1就很容易用电子开关来代替。在这个电路中,SW1置于“正转”位置时,Q1和Q3导通,Q2和Q4截止。SW1置于“反转”位置时,Q2和Q4导通,Q1和Q3截止。

  3、单极性电源的方向控制

  如果电源为单极性,那么控制方向的开关就要双?#24230;?#25527;。如图12(a)所示。不过用晶体管连接为桥式电路,也是最基本和最通用的形式。电路如图12(b)所示。

  从电路中可以看出,当SW1置于“正转”位置时,Q1和Q4导通,Q2和Q3截止。当SW1置于“反转”位置时,Q2和Q3导通,Q1和Q4截止。二极管D1—D4是保护电路,防止电机反电动势可能损坏晶体管。

  图12(c)为图12(b)的改进电路。它使SW1只控制正转/反转,而SW2只控制电机的起停。用简图指出了电路中的关键点。Q1或Q2总有一个是接通的,Q3或Q4是起通/断作用。当电路被断开时,电机电流经Q1—D2或Q2—D1环路迅速减少,这是所谓的“飞轮效应”。如果SW2用脉冲调制的电子开关代替的话,就是需要这种“飞轮效应”。电机的速度可用脉宽控制。这种技术在本文后面将叙述。


  图12(b)的电路,需要大的驱动电流。如果需要更灵敏的控制电路,可以采用图13(a)的方案。在这个电路中,A、B、C和D的四个输入端,只需要?#36127;?#23433;的驱动电流。这个电路也可以像图13(b)那样,用人工进行控制。图中用CMOS集成电路CCD4052B,作双?#31471;?#36335;双向开关。逻辑电平“0”或逻辑电平“1”加到A或B的输入端。正转/反转,起动/停止是相互独立的。这个电路也具有“飞轮效应”。图13(a)和图]3(c)的电路工作的逻辑真?#24403;?#22914;表4列出。

  4、电机的速度控制

  直流电机的转速与所加的电压有效值成正比。图14是12V直流电机的可变电压速度控制。图中Q1和Q2是复合管射极跟随器,电机的直流电压可从0V变到12v。这种电路的特点是:在中速和高速时,速度的控制和自动调节的性能很好。但是低速和慢启动特性比较差。

  用开关方式或脉宽调制,可以获得非常好的速度控制性能。电路图如15所示。

  图中IC1作为50Hz的无稳多谐振荡器,它产生一个矩形波输出,占空比可变从20比1到1比20,由RV1进?#26800;?#33410;。这个波形经过Q1和Q2送到电机,电机上的电压有效值是随RV1的调节而变化的(总的周期是50HZ)。不过电机上所加上的电压,是具有峰值电压为12V的功率脉冲。因此在整个调速范围内;性能都非常好。即使在很低的速度,转矩也很大。速度控制的程度,正比于所加电压的有效值。

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