四川理工学院毕业设计（论文）
驱动控制装置（H桥驱动）的设计与制作具有一定实用价值，对国家提出的节能减排也具有积极意义。
本文对直流电机驱动控制装置（H桥驱动）的设计与制作，采用分立元件搭建H桥驱动电路，PWM调速信号由单片机提供，信号与H桥驱动电路之间采用光电耦合器隔离，电机的驱动运转控制由PLC编程实现。
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第二章 直流电机驱动控制概述
第二章 直流电机驱动控制概述
直流电机调速方法通常有机械的、电气的、液压的、气动的几种，仅就机械与电气调速方法而言，也可采用电气与机械配合的方法来实现速度的调节。电气调速有许多优点，如可简化机械变速机构，提高传动效率，操作简单，易于获得无极调速，便于实现远距离控制和自动控制，因此在生产机械中广泛采用电气方法调速。
由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。所以，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。在我国许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动的场合，仍然广泛采用直流调速系统。而且，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。
2.1直流电机的工作原理
根据电磁学基本知识可知，载流导体在磁场中要受到电磁力的作用。如果导体在磁场中的长度l，其中流过的电流为i，导体所在处的磁通密度为B，那末导体受到的电磁力的值为式（2-1）
F?Bli (2-1)
如图2-1中N、S极下各根导体所受电磁力的方向，如图中箭头所示。电磁力对转轴形成顺时针方向的转矩，驱动转子而使其旋转。由于每个磁极下元件中电流方向不变，故此转矩方向恒定，称为直流电动机的电磁转矩。如果直流电动机轴上带有负载，它便输出机械能，可见直流电动机是一种将电能够转化成机械能的电气装置。
直流电动机是可逆的，他根据不同的外界条件而处于不同的运行状态。当外力作用使其旋转，驶入机械能时，电机处于发电机状态，输出电能；当在电刷两端施加电压输入电能时，电机处于电动机状态，带动负载旋转输出机械能。
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NFFS
图2-1 直流电动机工作原理图
2.2直流电机的调速特性
根据直流电机的结构分析可得到等效的模型，包括电枢绕组及其等效的电阻等。直流电动机的转速n和其它参数的关系可用下式来表示：
n?UN?INRa (2-2)
Ce?(2-2)式中：UN是电枢电压，IN是电枢电流，Ra是电枢回路总电阻，Ce是电势常数，Φ是励磁磁通。
Ce?PN (2-3) 60a(2-3)式中：p-磁极对数，N是导体数，a是电枢支路数。
Ce??K (2-4)
(2-4)式中：当电机型号确定后，CeΦ为常数，故式式(2-1)改为
n?UN?INRa (2-5)
K在中小功率直流电机中，电枢回路电阻非常小，式(2-5)中INRa项可省略不计，由此可见，当改变电枢电压时，转速n随之改变，达到直流电机的调速的目的。改变直流电机电枢电压，可通过PWM控制的降压斩波器进行斩波调压。
2.3直流电机的几种调速方法
根据直流电机的基本原理，由感应电势、电磁转矩以及机械特性方程式可知，直流电动机的调速方法有三种：
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第二章 直流电机驱动控制概述
（1）调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。量可调直流电源。
（2）改变电动机主磁通
。改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进
变化时间
变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容
行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。遇到的时间常数同
变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。
。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简
（3）改变电枢回路电阻
单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。
改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合起来使用。
调节电枢供电电压或者改变励磁磁通，都需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种：
（1）旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。
（2）静止可控整流器（简称V-M系统）。用静止的可控整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流装置，产生可调的直流电压。
（3）直流斩波器（脉宽调制变换器）。用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。
旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流，由发电机给需要调速的直流电动机供电，调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速。改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变，所以G-M系统的可逆运行是很容易实现的。该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。且技术落后，因此搁置不用。
2.3.1 静止可控整流器（简称V-M系统）
V-M系统是当今直流调速系统的主要形式。它可以是单相、三相或更多相数，半波、
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全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。V-M系统的缺点是晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。它的另一个缺点是运行条件要求高，维护运行麻烦。最后，当系统处于低速运行时，系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。
图2-2 晶闸管－电动机调速系统原理框图（V-M系统）
直流斩波器又称直流调压器，是利用开关器件来实现通断控制，将直流电源电压断续加到负载上，通过通、断时间的变化来改变负载上的直流电压平均值，将固定电压的直流电源变成平均值可调的直流电源，亦称直流－直流变换器。它具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点，现广泛应用于地铁、电力机车、城市无轨电车以及电瓶搬运车等电力牵引设备的变速拖动中。
图2-3为直流斩波器的原理电路和输出电压波型，图中VT代表开关器件。当开关VT接通时，电源电压U。加到电动机上；当VT断开时，直流电源与电动机断开，电动机电枢端电压为零。如此反复，得电枢端电压波形如图2-3（b）所示。
图2-3 直流斩波器原理电路及输出电压波型
（a）原理图 （b）电压波型
采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里晶闸管不受相位控制，而是工作在开关状态。当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。脉冲宽度
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