直流电动机基本理论知识

1、直流电动机的基本结构直流电机的结构是多种多样的，但任何 直流电机都包括定子部分和转子部分，这两 部分间存在着一定大小的气隙，使电机中电 路和磁场发生相对运动。直流电机定子部分 主要由 主磁极、电刷装置和换向极等组成， 转子部分主要由电枢绕组、换向器和转轴等 构成。结构图如图2-1。图2-1直流电机结构图电刷；2-磁辄；3-永久磁钢；4-极靴；5-电枢绕组；6-内磁辄仁定子部分(1)主磁极：其作用是产生磁场。通常用厚1-1.5mm的低碳钢片叠装而成。在磁极铁心上绕有励磁绕组，整 个磁极利用螺杆固定在磁辄上。(2)换向极：其作用是改善换向，使电机运行时电刷下不产生有害的火花。换向极也是由铁心及绕组

2、组成， 换向极绕组与电枢绕组串联。(3)机座：机座分磁辄和底脚两部分。磁辄的作用是固定主磁极和换向 极，是磁路的一部分。底脚起支撑和 固定整台电机的作用。机座一般式用 铸钢铁制造或钢板焊接而成。2转子部分(1 )电枢铁心：电枢铁心是磁路的一 部分，表面开槽以嵌放电枢绕组，为 减少铁耗，采用0. 35-0. 5mm厚的涂有 绝缘漆的硅钢片叠压而成，固定在转 子支架或转轴上。(2)电枢绕组：电枢绕组由许多按一 定规则连接起来的线圈组成，是通过 电流和产生电动势的关键性部件。线 圈用带绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成。嵌放在电枢铁心表面的槽内 直流电机采用双层绕组，每槽内的线 圈边分上、下两层，上下层

3、之间及线 圈于铁心之间都是要可靠绝缘。槽口 用槽契压紧，再用钢丝或玻璃丝带扎 紧，大 型电机中，绕组伸出槽外的端接部分应扎紧 在支架上。直流电动机的工作原电动机是一种把电能转变为机械能的机械。它的基本原理是利用带 电导体和磁场间的相互作用而把电 能变为机械能。电动机 结构主要包括两部分：转子和定子。转子为 电动机 的旋转部分，由转轴座组成，导体绕 组的排列方式决定电动机的类型及 其特性。绝大多数的电动机都须作连续的转运 动的电磁力形成一种方向不 变的转矩，才能 构成电动机。两磁极 间装着一个可以转动的 铁质圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线 圈。当 线圈中通入直流电流时，线圈边上支 到电磁力，

4、根据左手定则确定力的方 向，这 对电磁力形成了作用于电枢 的一个电磁转 矩，转矩的方向是逆时针方向。若电枢转动， 线圈两边的位 置互换，而线圈中通过的还是直流电 流，则所产生的电磁转矩的方向却变 为顺时针方向了，因此电枢受到一种 方向交 变的电磁转矩。这种交变的电 磁转矩只能使 电枢来回摇摆，而不能 使电枢连续转动。显然，要使电枢受 到一个方向不变的电磁转矩，关键在 于，当线圈边在不同极性的磁极下,如何将流过线圈中的电流方向及时地加以变换，即进行所谓 为“换向此必须增添一个叫做换向器的装置, 换向器由互相绝缘的铜质换向片构相接成，装在轴上，也和电枢绝缘，且和 电枢一起旋转。换向器又与两个固定

5、不动的由石墨制成的电刷 A、 B 触。装了这种换向器以后，若将直流 电压加于电刷端，直流电流经电刷流过电枢上的线圈，则产生电磁转矩,电枢在电磁转矩的作用下就旋转起 来。电枢一经转动，由于换向器配合 电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由 线圈边ab和cd流入，使线圈 边只要处于N极下，其中通过电流的方向总是由电刷A流 入的方向，而在S极下时，总是从电刷B流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电 流始终是一个方向。这样的结构，就 可 使电动机能连续地旋转。这就是直流电机的 工作原理。开环系统被控量优点：简单缺点：对扰动没有抑制能力闭环控制系统负反馈：构成按偏差调节的闭环系统反映了控制量与被控制

6、量相互间的控制量：ud = K (ug-ub)偏差信号：ug-ub按偏差调节：n T - ub T ( ug-ub) ud j f nJ硬磁盘中的磁头位置控制系统磁盘转轴和预期磁头位磁头位置传感器（磁头和索引磁道）火电厂电能生产综合控制系统锅炉汽轮机控制理论的发展:（工业控制理论）单输入单输出系1 经典控制理论050年代形成统（SIS0 ） 目标：反馈控制系统的镇定基本方法：传递函数，频率法,PID调节器（频域） 2 现代控制理论多输入多输出系6070年代形成统（MIM0 ）空间技术，计算机技术目标：最优控制基本方法：状态方程（时域）单闭环直流调速系统开环系统具有设备简单、调试方便的 特点，应

7、用于对 转速的稳定性要求不 高的系统中。对于速度稳定性要求较高的场合，如调速范 围广、静差率低等，应采用闭 环控制系统。闭环 控制系统是在开环系统的基础上，引入反馈 环节构成的调速系统。反馈就是将系用善回Ti近一八统输出 量的一部分或者全部，通过某一环节送回到输入端，并 图2 1闭环控制系统的方框图和输入信号 进行比较的过程，这个环节就是反馈 环节。闭环控制系统的方框图如图21所示。图中。表示比较器 （或者称为比较 环节），它将输入信号与反馈信号进行 比较，其差值即为偏差信号，它是控 制器的输入信号，控制器根据偏差信 号的大小改变输出量，控制被控制对 象，使输出量的变化控制在很小的范 围内。为

8、了实现转速负反馈的控制，提 高系统的稳定性和可靠性.在调速系 统中，应用了比例 调节器、比例积分调节器等。1.比例调节器如图22所示，只要输入量改变，输出量 也随之改变。其动态响应速度 较快，而且输 出量和输入量之间成线性关系。改变反馈电 阻R1就可以改变调节器的放大倍数。输出量Uo和输入量Ui的关系是输入和输出的关系曲线如图23所小0图2-2比例调节器原理图2.比例积分调节器图2T比例隔节器输入一输出特性曲线比例积分调节器的原理图如图24所示，其输出量分为两个部分， 一是比例部分，二是积分部分。当输入阶跃电压信号 时，刚开始电容两端电压为o,只有 比例部分起作用，调节器的放大倍数最大。随着电

9、容两端 电压的增加，比例部分的作用逐渐减 小。在调节过程 中，输出电压呈线性增加，直至运算放大器达到饱和为止。输出量为u 惫U+志Uo输入一输出特性如图2一 5所示。在运算放大器达到饱和状态以后，若减 小运算放大器的输出量，运算放大器首先要退出饱和，这样会影响系统的动态性能。图2 4比例积分调节器原理图图2 -5比例积分遢节器输入一输出特性3 带输出限幅的比例积分电路如图26所示，由和RPI构成正的限幅电路，限幅值通过调节RPI的触点来现；V2和RP2构成负的限幅电路，限幅值 通过调节RP2的触点来实现。R*密26带限幅的比例积分调节器当运算放大器输出电压低于限幅值时，限幅电路不起作用，当放大

10、 器输出电压大于限幅 值时，输出电压不变，为限幅值。当 输入为0时，输出量保持不变。当输 入不为零时，电容两端的电压会不断增加,直到运算放大器达到饱和为止。积分作用最明显的特点是：只要存在输入量的偏差，积分作用就一直 存在，直至运算专 大器饱和为止。利用这个 特性，在调 速系统中，可以引入负反馈.实 现无静差的调速。在元静差调速系统中，就 应用了带限幅的 比例积分调节器。一、转速负反馈直流调速系统转速负反馈直流调速系统的原理框图如图 2 7所示。TG为与直流电动机同轴的测速发电机，产生与电动机转速 N成正比的电压信号U,经过可调电阻RP2分压后产生反馈电压UFn,与给定电压 UG 起送到运算放

11、大器的反向输入端，比较后产生偏 差电压 Un,经过比例运算器的运算 后产生 控制电压Uct,用以控制触发电 路的触发 角.从而控制可控整流电路的输出电压，最终对电动机的转速进行调节。Rl 3 ?转速负反馈直流调速系统框图二、转速负反馈调速系统的稳定特性在图27中，给定电压电位器RPI由稳 压电源供电，RP2为调整反馈系数而设置。测 速发电机电势常数CN,测速发电机输出电压 US与电动 机转速N成正比，US=CNNo假设系 统在电流连续段工作，各环节输入输出呈线性 关系，忽略直流电源的内电阻，即可得到系统 各环节的输入量和输出量的静态关系。电压比较环节ZUo =Un Ufn（在连接时要保证反馈电

12、压Ufn。的极性与给定电压极性相反）比例放大环节Uct=KP Un晶闸管整流与触发装置UDO=KSuCTt=KsKP AUn转速检测环节Ufn=KFUGn=KfCnN=aN晶闸管一电动机系统开环机械特性为月一一CT 一以上各式中Kp比例运放的放大系数：Ks晶闸管整流与触发装置 的电压放大系数；a 转速反馈系数，V/r.Min-1 :R 电枢电路总电阻。根据以上关系，可以得到系统的静态结构图如图2-8所示。2乌一:峪曲 *4局上建上1仁一Ub 图28转速负反馈调速系统静态结构图一 I dR （Ul 曲）二一看 1G令K二KpKsa/CE也就相当于在结构 图中将反馈 线断开，即可得到从调节器输入直

13、到测速反 馈输出的各环节 放大系数之积，则KpKM R _17 CeCI+K） CJ1+KF三、闭环系统稳定转速的过程在Ug不变的前提下，影响电动 机转速的因素很多，如：电源电压的 变化，励磁电流的 变化，调节放大器放大倍数的漂移， 环境温度的变化引起电阻值的变化,这些变化篓称为“扰动” O所有这些变化都能被测速装置检测出来，再经过反馈控制作用，减小它们对稳态转速的影响。如图29所示，扰动输入的作用点不同，对系统的影响程度也不 同，而转速反馈能抑制或减小被包围 在反馈环内作用在控制系统主通道 上的扰动.这是开环系统无法实现的，它也是 闭环系统最突出的特征。号变化电源破动同一 I励踪变化 ， 丁

14、电阻幽上玄一舞量箭岀）* 一十图斯9自动调速系统的给定和扰动作用现以交流电源电压波动为例，定性说 明闭环 系统对扰动作用的抑制过程。当交流电压U下降时：5 + U ill 4 一门 $ -+U 氏 * n f L7 通整个调节过程使得转速相对稳定地维持在原值附近。转速闭环系统，只能抑制被反馈环包围 的加在系统前向通道上的扰动作用，而 对诸如给 定电源、检测元件或检测装置 中的扰 动是无能为力的。所以对测速电 动机 选择及安装时必须 特别注意，应 确保反馈检测元件的精度，这对闭环系 统的稳速精度至关重要，起决定性的作 用。1零速封锁环节 （DZS）零速封锁环节的作用是保汪电动机在停车状态下不会爬

15、行，当转速给定电压 Ug和速度反馈电压UfN时为零，封锁各调节器。零速封锁环节首先将模拟电压通过LM324转换成电平信号（LM324的管脚排列如图210所示）,其继电特性可使电平信号相对稳定.提高抗F扰能力。门电路 及延时电 路、驱动电路在零速封锁环 节输出为0时封 锁；在零速圭寸锁环节 输出一15V时可以开始 工作图2-1所示为零速封锁环节（DZS）电 路图。+ 15VUs. I k+ 15 GXD图2- 11零速封锁环节（DZS）电路图2速度调节（ASR）15V70.5W VSTJVT1Us. Ik速度调节器。ASR）的功能是对给定、反馈两个量进行加法、减法、比例、积分、微分等运算。如图2

16、 12所而，运算放大器LM741的反馈电路中接了及电容 C3, 构成了比例分电路C3可外接电容，电容的大小可以根据需要选择).动态比例放大倍数由RPo调节而RP4可对各参数的阻容比例进行调节，不用时，将RP4停在最大电阻处，在电动机空载电流主其主同路不串接电感时，会出现电流断续.可适当调节 RP4, 提高电容比例。RPI、PP2为正负限福调节， 限制输出的电压，因此也可限制下一环节的输入电压的最大值。在应用有静差调速环节时，将C3短接， 使得该调节器变成比例调节器oR4640kflC3,RP3 00|MOSF T-P1 厂1+15VRP1速度给定茅b R42用I （UcQL 5VukflTCI

17、Cl L0.47P-F3膽b ms图2 21电压负反馈调速系统原理图在这里，作为反馈检测元件的只是一 个起分压作用的电位器，当然比测速 发动机要简单许多。电压反馈信号Uu=W, Y称作电压反馈系数。图2一 22所示为电压负反馈调速系统静态结构图，它和转速负反馈系统结构图不同的地方在于负反馈信号的取出处。电压负反馈取自于电枢电压 Ud,为了在结构图中 把Ud显示出来，需把电阻R分成两个部分，即R一 Rrce+Ra式中Rrce晶闸管整流装置的内阻（含平波电抗器电阻）；Ra电动机电枢电阻。因而这些关系都反映在结构图上。Udo=ldRrce=Ud Ud= I dRa=E图2电正负反馈调速系统推态结构图

18、电压负反馈的调速系统静态特性方.KpKQj；一 R 今丿，一Ej=CUcom 时，二极管导通，电流负反馈信号ui即可加到放大器上去；当IdRsw Ucom 一时，二极管截止，Uf即消失。显然，在这一线路中，截止电流Ider二Ucom/Rso图230b中利用稳压二极管VTS的击穿电压Ubr,作为比较电压，线路要简单得多，但是不能平滑调节截止电流值。图2一 30中的两种电流截止负反馈环节，由于在电枢回路串了电阻Ro ,会影响系统的静特性，增加转速降。在小容量的调速系统中应 用比较普遍，但对于大容量的电动机则应米用直流电流互感器的电流截止负反馈环节，如图231所示。图2-31克流用感器电流截止负反馈

19、环号+一枣放大硏UVSTZfs图 一 30电流截止负反愦环节C30 220111750VI 11ppqni/owaVkW5 为 IN4007在图231中，RP301上得到与电枢电流成比例的电压，Uab= I d , RaB ,贝 U ucb= Uab Rbc/，T1七 ldcr时，输出为正；当IcKIdcr,时，输出为零。这是一非线性环节，将它画在方框中，再和系统的其他部分连接起来，即得带电流截止负反馈的闭环调速系统稳态结构图如图233所示。其中Ufi表示电流负反馈信号电压，Un表示转速负反馈信号电压，Ug为速度给定电压。图2-33电流截止负反馈的闭环系统的桧态结构图由图233可以得到系统的两

20、段特性方程式:当Id wider时，电流反馈环 被截止，_ KPK,Ue/?A QI + K) Cc(l + K)当I dm Ider时，电流负反馈起作用，此时：Cl I + K)C(l+K)将上述两式在一张图中画成的静特性,如图234所示。从图中可以看出，noA1WpxI 口 /kr Zttd JiJ-34电流截至负反馈特性曲线这一段是电流负反馈截止时的电压负反馈特性曲线，较硬。而 AB段为电流负反馈起作用的电流电压负反 馈特性曲线，较软。这样的两段式静态特性常常称为下垂特性(或者称为挖土机特性)这是因为当挖土机在施工中碰到坚 硬的东西时，电路中的电流增加电 流负反馈投入工作，使电动机转速迅

21、 速下降，电流下降速度提高，其大小 接近堵转电流，其静态特生就是这 种情况。双闭环直流调速系统前一单元讨论了由PI调节器组成的单闭环直流调速系统，它虽然能保证系统的动态稳定性，又可以消除静差，但单环系统 在充分利用电动机过载能力的条件 下，获得快速动态响应的同时对扰动的抑制能力较差，使 其在应用时受到一定限制。为了使系 统在启、制动的动态过程中，在最大电流约束条件下， 获得直流电动机最佳速度调节过程，根据自 控原理的提 示，对那些希望获得最佳控制的 物理量也实行负反馈控制。转速、电流双闭 环直流调速系统也可以较好地提高动态稳定 性，因 此，可以对电动机的转速及电枢电流 都进行负反馈。1。转速、

22、电流双闭环直流调速系统的应用采用PI调节器的单闭环直流调速系 统，既保证了动态稳定性又实现了无静差， 解决了动、静态之间的矛 盾。然而仅靠电流 截止环节来限制启动和升速时的冲击电流，性能不能人 满意，为充分利用电动机的过载能 力，加快启动过程，专门设置一个电 流调节器，构成电流转速双闭环调速 系统，实现在最大电枢电流约束下的 转速过渡过程的最快“最优控制。例如龙门刨床、可逆轧钢机那样经常 正反转运行的调速系统中，尽量缩短 启、制动过程的时间，是提高生产率 的重要因素。为此，在电动机最大电 流（转矩）受限的条件下，希望充分利 用动机的允许过载能力，最好是在过 渡过程中，始终保持电流（转矩）为允许

23、的最大值，使电力拖动系统尽可能 用最大的加速度启动，到达稳态转速 后，又让电流立即降低下来，使电动 机的转矩马上与负载转矩相平衡，从而转入稳态运 行。为了实现在允许条件下最快的启动，关 键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流 过程，按照反馈控制规律，采用电流负 反馈就 可以使电动机在启动时保持 恒定电流的过程。 问题是希望在启动过程中只有电流负 反馈，而 不能让它和转速负反馈同时 加到一个调节器 的输 入端。到达稳态转速后，又希望只要 转速负 反馈，不再靠电流负反馈发挥主要的作用。怎样 才能实现呢 ?双闭环直流调速系统正是用来解决这个问题的。在双闭环直流调速 系统中，若将转速反馈和电流反馈信

24、号同时引入一个调节器的输入端，则 两种反馈量会互相牵制，不可能获得 理想效果。因此在系统中设置了两个调节器，分别控制转速和电流，并且将两个调节器串级连接。转速负反馈 的闭环在外面，称外环；电流负反馈的闭环在里面，称内环。双闭环直流 调速系统原理图如图3一 1所示。图中，ASR为速度调节器、ACR为电流调节器。两调节器作用互相配合,!1!相辅相成。为了使转速、电流双闭环直流调速系统 具有良好的静、动态性能，电 流、转速两个 调节器一般采用PI调节器，且均采用负反 馈。考虑触发装置的控制电压为正电压.运算放 大詣又具有倒相作用，图中标出了相应信号的实际极性。速度调节器的输入为转速给定信号 Uo和转

25、速反馈信号u如，比较后的偏差信号 Un=Un Ufno速度调节器的输出作为电流给定信号Ui,与电流反馈信号比较后得偏差信号 Ui= Ui Ufi o其电流调节器的输出信号Uct 为触发移相电路的控制信号。速度调节器 ASR的输出限幅电压值Ui决定了电流调节器ACR的给定电流的最大值，该值完全取决于电动机的过载能力和系统对最大速度的需要。电流调节器ACR输出正限幅值(+Uctm)则表示触发装置最小控制 角a (am i n o )限制或对晶闸官装直输出 电压最大值的限制。2.转速、电流双闭环直流调速系统的组成由图3 1可知，该系统由转速 给定、速度反馈装置、电流反馈装置、速度调节器、电流调节器、

26、触发电路、 可控整流电路、 电动机一发动机机组组成。速度调节器和电流调节器采用PI调节，在稳态时输入偏差信号为 零，即给定信号与反 馈信号的差值为零，属无静差调节。速度调节器 ASR原理图如图 3 2所7J o速度调节器的输入信号为速度给定Ug与转速反馈电压 差.输出电压U。作为电Ufn的偏流调节器的给定信号。通过转速反馈，使得系统的转速稳定，无静差。电动机的转速跟随给定电压的变化而变化；对负载的变化 起抗扰作用；同时系统在刚刚开始工 作的一段时间内，输出电压U。达到限幅值，从而使系 统在最大启动电流的情况下启动。电流调节器ACR原理图如图33所示。电流调节器ACR的工作原理和速度调节器SR基

27、本相同。在工作时，零速封锁的信号来自于零速封锁环节的输出信号。其输入的两个信号 一个来自于速度调节器的输出信号Ui,另外一个来自于电流反馈信号。电流调节器的给定信号是速度调节器的输出信号ui,电流环的反馈信号来自于交流电流互感器的输出(41,42,43),如图1 9所示，它们经过整流电路整流，取出部分信号作 为电流反馈信号 Ufi o速度调节器的 输出信号U与电流反馈信号飒的偏差 通过PIR4640k nRP420k HC3T 外接iRB200DRig I MPIN400?q 11 WiV乘S圭生才WiI+15VRP1 SJkfIVI izszoonVI%!815图32速度倜节斋ASR原理图电

28、流给定EI 电流反愦R17CAf 10kH-RU*ci1 0.47jxFRISC9Tl希V5ttM05FET-P2-4= +15 小 3MS_ 2 TC2 lt.47ffcFV3N4007 本RJ42k fI n4IN4007 在RFUWR82OOXHm/ i JknRP21 5kC2000图33电流调节楣ACR原理图运算后的输出信号Uct作为触发电路的控制信号，调节整流电路的控制角。当负载发生变 化及电网电压波动引起的 电流变化得到有效的抑制；在启动时保证电 动机获得最大的启动电流；在转速调节的过 程中，使电 流跟随其给定电压的变化；当电 动机恢复正常 O图3-4双闭环直击调速系统启动时的转

29、速和电流的波形3.双闭环系统的启动过程分析前面已经指出，设置双闭环的一个重要目的就是要 获得快速的启动过程，下面进行简单的分析。双闭环直流调速系统启动时的转速和电流的波形如图3一 4所示。启动过程分为三个阶段：第工阶段：o-t1,是电流上升的阶段。突加给定电压Ug后，通过两个调节器的控制作用，使 Uctx Ids Udoo 都上升，当Idmldl后，电动机开始转动。由于机电惯性的作 用，转速的增长不会很快，因而速度 调节器ASR的输入 偏差电压A Un=Ug Un数值较大, 其输出很快达到限幅 值U ,强迫电流 Id迅速上升。当 IdIdm时，电流调节器的作用使Id不再迅猛增长,标志着这阶段的

30、结束。在这一阶段中，ASR由不饱和很快到饱和，而ACR 般应该不饱和，以保证电流环的调节作 用。第n阶段：t1-t2是恒流升速阶段。从电流升到最大值Idm开始.到转速升到给定值（即静特性上的no）为止，属于恒流升速 阶段，是启动过程中的主要阶段：在 这个阶段中，速度调节器 ASR 直是 饱和的，输出限幅值 Ui,因为没有转 速反馈电压。相当于开环状态，电流 调节器系统表现为在恒值电流给定 的作用下的电流调节系统.基本保持Id恒定，因而电动机得到转速的加速度恒定,转速呈线性增长,如图3 4所示：在此阶段.由于电动机的反电 动势也呈线性增长，对调节系统来说，这个反电动势就是一个扰动量.为了克服这个

31、扰动，Udo和Uct也要按线性变化，才能保持Id的恒 定。在设计时.要每证电动机在启动 时，电流调节器没有进入饱和状态，同时 整流装置的输出电压要有一定的余 地。12以后是转速调节阶段。在这阶段开始时，转速已经达到给定值，转速调节器的给定与反馈电压相平衡，输入偏差为零，但其输出却由于氟分作用还维持在限幅值，所以电动机仍在最 大电流下加速，必然使转速超调。转 速超调以后.ASR输入端出现负的偏差电压，使它退出饱和状态，其输出 电压（即ACR的给专电压Ui）立即从 限幅值降下来主电流Id也因此下降。但是，由于Id仍大于负载电流Idl.在一段时间内，转速仍继续上升。到ld=ldl时，电磁力矩和负载转

32、矩相等.转速 n达到峰值 （t=t3时）。此 后电动机在负载的作用下减速，与此相应，电流Id也出现一小段小于Idl的 过 程，直到稳态。在最后的转速调节阶段内， 速度调节器ASR和电流调节器ACR都不饱 和，同时起调节作用。由于转速调节在外 环，因此起主导作用，而电流调节的作用则001是力图使，。尽快地跟随ASR的输出量。图3-5双闭环几流调速系统安装原理圈电阻希35OW002其他环节的线路已经在前面进行了安装。 按照双闭环系统的原理框图，各各个环节连接起来，以便下一步的调试。1. 各环节调试(各环节原理图略 )(1) 触发电路的调试：三相触发电路Y105原理图如图1 一 13所示：用 示波器观察触发脉冲是否正常，观察三相锯齿波斜率是否一致，观察6个触发脉冲.应使其间隔均匀，相互间隔为60 o22