《物理化学简明教程》第四版相关练习题及答案

书书书 2004年第2期……………………………………………………………………………………………… ! 驱动控制"#$%&’()*’+"*,…… # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # 基 于 L M ▍▍▍ # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # 的 直 流 电 动 机 调 速 器 设 计 收稿日期:2003-03-05 基于LM324的直流电动机调速器设计 胡俊达 （湖南工程学院，湖南湘潭，411101） TheDesignofDCMotorSpeedControllerBasedonLM324 HUJun-da （HunanEngineeringUniversity，Xiangtan411101，China） 摘 要:介绍了一种基于LM324集成四运放的直流电动 机调速器的设计方法,给出了详细的电路原理图及说明。所 设计的调速器中设置了软起动、电压负反馈、电流正反馈、过 电流截止保护、微分校正电路等环节,并采用了简单而有效的 脉冲封锁和失磁保护技术。 关键词:直流电动机;调速器;集成运算放大器;LM324 中图分类号:TM33 文献标识码:A 文章编号:1004-7018(2004)02-0031-02 Abstract:ThedesignofDCMotorspeedcontrollerbased onLM324isintroducedhere,andtheprinciplediagramand descripationofitsdetailedcircuitisprovided.Thecomponents ofsoft-start,voltagenegativefeedback,currentpositivefeed- back,overcurrentprotection,differentialcorrectingcircuitare setinit.Anup-to-date,singleandefficientpulse-lockand magnetism-lossprotectiontechnologyareadopted. Keywords:DCmotor;speedcontrolller;integratedopera- tionalamplifier;LM324 1引 言 大多数食品、药物、生化产品、轻化产品生产企业在 生产过程中需要使用能调速的小容量直流电动机进行搅 拌、离心分离等生产工艺。本文采用LM324集成电路设 计了一种小型化、低成本的直流电动机调速系统。应用 于上述生产场合性能稳定,达到了提高产品质量的目的。 2基本工作原理 为降低成本和适应生产工艺的要求,调速器主电路 采用晶闸管单相桥式半控整流电路,励磁电源采用单相 桥式不可控整流电路。在控制方面,设计中放弃了转速 负反馈环节,采用电压负反馈加上电路正反馈的控制方 式。由一块LM324中的四个运算放大器来实现软起动、 电压负反馈、电流正反馈、过电路截止保护、励磁电源失 磁保护等功能,工作原理框图如图1所示。 图1 工作原理框图 3电路设计 D20～D23组成单相桥式半控整流电路,由 D16、D17、 D20、D21组成励磁电源,LM324集成电路四个运算放大器 U1A、U1B、U1C、U1D分别完成触发脉冲形成、放大,控制电 压合成,触发脉冲封锁,电压负反馈调节,电流正反馈调 节,励磁电源失磁保护等功能。调速器电路原理图如图2 所示。 3.1软起动电路 当开关K打开时(K打开时调速器起动),三极管Q10 截止,由 W5 给出的给定控制电压通过Q11对C8 充电,使 给定控制电压信号按积分曲线由0上升到原给定值,起 到了软起动缓冲作用。当开关 K 闭合时,电源电压+ 12V由R45、R46分压加到 Q10的基极,Q10饱和导通,把给 定输出信号拉到“0”。同时+12V通过R47、R48分压加入 Q9 基极,Q9 饱和导通,把 G点电压,拉到“0”电位,实现 快速停机。 3.2电压负反馈与微分校正电路 LM324的运算放大器 U1C设计成比例控制调节器, 由R34引入电压负反馈电压Ufv,通过R15加入D点,而由 W5 给出的给定控制电压Ugd通过R14加入D点,故在D 点:ΔU=Ufv-Ugd。ΔU 通过 U1C放大从 G点输出加到 U1A,控制触发脉冲的移相。电容C7 和电阻R16组成微分 校正电路,以改善调速控制系统的动态特性、稳定性和快 速性。 3.3同步信号、脉冲的形成、放大与输出电路 3.3.1同步电压锯齿波信号的形成 调速器的同步信号、脉冲形成、放大与输出电路由运 算放大器U1D、U1A及外围元件组成。取自全波整流桥D1 ～D4 的输出电压uA,作为同步信号经 D6、D7 限幅输入 U1D的反相输入端,经B点输出矩形波,该矩形波经 Q1、 R6 对C5 充电,此电路的实质是恒流源(Q1、R6)对C5 充 电,当Q1 导通期间,恒流源电路IQ1C对C5 恒流充电,电 容两端的电压为: uc5 = 1C5$iQICdt=IQICC2t 其充电斜率为IQ1C/C5,恒流充电电流IQ1C% UDD R6 。由于 R6 的数值设计得较小(51Ω),所以充电很快完成。当C 点电压变为-0.7V时,Q1截止,C5通过R7放电,由于 13 …… ! 驱动控制"#$%&’()*’+"*, 2004年第2期………………………………………………………………………………………………… # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # 基 于 L M ▍▍▍ # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # 的 直 流 电 动 机 调 速 器 设 计 图2 电路原理图 R7 数值较大(18kΩ),放电时间(矩形波负值时间)大大地 大于充电时间,从而在电容C5 两端形成了同步电压锯齿 波信号,其波形如图3所示。 图3 同步电压锯齿波信号波形 3.3.2脉冲的形成与移相 E点同步电压锯齿波信号加在U1A的反相输入端,而 由G点输入的偏差控制信号ΔU 加在U1A的同相输入端, 其波形如图4所示。当锯齿波电压值高于ΔU 电压值时, F点输出为低电平。在F点形成的输出脉冲信号经电容 C6 耦合,晶体管Q3 和Q4 放大,二极管D12、D24、D25整形, 输出给晶闸管D22、D23的门极,以此来触发晶闸管,控制 晶闸管的导通与关断。调节ΔU 的大小即可调整ΔU 与 锯齿波信号的交点,从而调节了晶闸管触发脉冲的相位。 图4 脉冲的形成与移相 3.4电流正反馈电路 为了提高直流电动机 M 的机械特性硬度,该调速器 中的设计应用了电流正反馈电路。P点是整流主电路的 正极,而又是控制回路的参考点。电流反馈信号通过 RLB2取样,其电压信号upx为负电压,加在运算放大器 UIC 的反相输入端,负载电流越大,其反馈电压的数值(绝对 值)越大,UIC的输出亦越大(正值),即反馈电压信号的加 入,提高了UIC的输出值,其结果是使锯齿波信号与 ΔU 的交点(向上)前移,晶闸管触发脉冲(触发角)前移,调速 器的整流输出电压升高,系统调速机械特性得到提高。 3.5过电流截止保护电路 从X点取出的电流反馈信号ux 通过电阻R35加在运 算放大器UIB的反相输入端,并与经 W3 整定的过电流整 定电压VCC相比较,整定的过电流值与反馈电流值求和。 其结果是:当UIB⑤脚输入电压小于或等于0时,且 UIB⑥ 脚输入为0时(当负载电流未过流时,ux+VCC将使⑥脚电 压为0),则U1B⑦脚输出为0。当⑥脚大于0时,则⑦脚 输出为-5V,此时,D10因反偏而截止。在未失磁的情况 下,光电耦合器U2A导通,有信号输出,晶体管Q6 导通,Y 点为低电位,晶体管 Q5 因无基流而截止,对ΔU 控制电 压不产生任何影响。 当负载电流增大,反馈电流信号增大并超过整定值 时,U1B⑥脚电压值大小0,⑦脚输出变为+12V,使Q5 饱 和导通,把G点拉到低电位,封锁了触发脉冲的输出。 3.6失磁保护电路 在调速器中为了防止因励磁绕组失磁,设计了失磁 保护电路。LB 为直流电动机 M的激磁绕组,交流电压经 二极管D20、D21、D16、D17整流,供给激磁电源。一旦励磁 回路发生失磁或断路现象,则光电耦合器截止,无输出信 号,晶体管 Q6 因无基流而截止,Y点为高电位,晶体管 Q5 饱和导通同样将G点电位拉到低电位,封锁了触发脉 冲的输出。 4结束语 基于LM324的直流电动机调速器 (下转第36页) 23 …… ! 驱动控制"#$%&’()*’+"*, 2004年第2期………………………………………………………………………………………………… # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # 电 动 汽 车 感 应 电 机 驱 动 系 统 矢 量 控 制 的 双 C P U # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # 实 现 图6 仿真与试验结果 电机输出功率、电机及其控制器效率、控制器效率和电机 效率曲线。 5结 论 (1)从以上的试验与仿真可以得出,基于双CPU的感 应电机矢量控制系统具有良好的动态特性,具有较宽的调 速范围和恒转矩区域,电机及其控制系统效率高等优点, 能够实现低速恒转矩和高速恒功率的控制(图6c、d),满足 电动汽车动力性能要求。 (2)从试验结果图6e、f、g可以看出,转矩较低和较高 时,电机与控制器的效率较低,在额定转矩,效率较高。电 机在低速和高速运行时,效率较低;额定转速运行,效率较 高。因此在具体整车设计时,采用机电一体化设计,尽量 让电机在效率较高的工作区运行,以节约常用宝贵的能 源。 (3)基于双CPU的感应电机矢量控制系统在电动汽 车上的应用是可行的,但具体的控制特性仅在试验台架上 试验是不够的,还需在电动汽车上实车试验获得,并不断 完善。 参考文献 [1] HAToliyat,M Rahman,M Ehsan.Electricmachinesinelectric andhybridvehicleapplications[C].inProc.1995Int.Conf.Pow- erElectronics,Seoul,Korea. [2] XXu,RdeDoncker,DNovotny.Astatorfluxorientedinduction machinedrive[C].IEEEPESC'88Conf.Rec.,1988:870～875 [3] XXu,DNovotny.Implementationofdirectstatorfluxorientation controlonaversatileDSPbasedsystem[J].IEEETrans.Ind. Applicat.,1991,27:694～700 [4] N Mutoh,SKanerko,TMiyazakietal.Atorquecontrollersuit- ableforelectricvehicles[J].IEEETrans.Ind.Electron.,Feb. 1997,44:54～63 [5] H Hashimoto,YOhno,SKonodoetal.Torquecontrolofinduc- tionmotorusingpredictiveobserver[C].IEEEPESC89.Conf. Rec.,1989:271～274 [6] 程夕明.车辆电传动控制系统研究[D].北京理工大学博士学位论 文 ,2001 作者简介:翟丽(1973-),女,博士生,研究方向电动汽车交流电机 驱动系统。 孙逢春(1958-)男,教授,博士生导师。 为进一步提高本刊的编辑质量,请您对此文在读 者服务卡上圈上数字代码: 有价值,请圈25;没有价值,请圈26。 (上接第32页)经多次试验,各参数经反复计算和调整, 所能达到的技术性能指标如下: 输出单相电压:AC220V 最大输出电压:DC190V 最大输出电流:DC5A 励磁电压:DC190V 最大励磁电流:DC1A 调速范围:D=10 调速精度+10% 超 调 量+10% 采用四运放LM324集成电路研制的小容量直流电 动机调速器,体积小,造价低廉,且具有调整方便,性能稳 定,电磁兼容性好,安装方便等特点,不但适用于工厂现 场进行技术改造,也适应于食品、药物、生化机械厂家配 套使用;调速器稍加改进即可用于中型直流电动机,因 此,在中小型直流电动机的领域有着广阔的推广价值与 应用前景。 参考文献 [1] 李铁才.电机控制技术[M].黑龙江:哈尔滨工业大学出版社,2000 [2] 寸建会.工业控制应用[M].北京:电子工业出版社,1996 [3] 廖晓钟.电气传动与调速系统[M].北京:中国电力出版社,1998 [4] 赵宗艾.药物制剂机械[M].北京:化学工业出版社,1998 [5] 胡俊达.毕业设计指导(电气类专业适用)[M].北京:机械工业 出版社,1996 [6] 胡俊达.电子电气设备工艺学[M].湖南:湖南科学技术出版社,1998 作者简介:胡俊达,男,副教授,主要从事工业过程自动化、智能控 制的设计与开发工作。 为进一步提高本刊的编辑质量,请您对此文在读 者服务卡上圈上数字代码: 有价值,请圈23;没有价值,请圈24。 (上接第9页) [4] 彭亦胥.交流换向器电动机几何中性线的确定[J].微特电机, 1989,(2) 作者简介:彭亦胥(1961-),男,高级讲师,从事小功率电动机设 计与制造技术的教学和研究。 为进一步提高本刊的编辑质量,请您对此文在读 者服务卡上圈上数字代码: 有价值,请圈5;没有价值,请圈6。 63