机械专业电动机控制综合实验的设计与开发

纪仁杰，刘永红，李小朋

（中国石油大学（华东）机电工程学院，山东 青岛 266580）

电动机是把电能转换成机械能的设备，为各种机械设备提供动力，因而在机械、冶金、石油、煤炭、化学、航空、交通等各行业中得到了广泛的应用，是机械专业的学生所必须掌握和熟练使用的一种设备［1－3］。由于课程设置的原因，目前大多数机械专业学生对电动机的认识仅停留在理论上，缺乏感性的认识和实际的动手训练，不利于其毕业后工作的开展。基于此，利用实验室现有机械加工设备作为被控对象，以机械加工设备中常用的交流电动机和直流电动机的启动、制动、调速及其伺服控制为研究对象，开发出了电动机控制综合实验。

1 交流电动机的起动、制动、正反转控制、短路及过载保护实验

图1为所设计交流电动机的基本控制电路，图2为所搭建的交流电动机的基本控制电路照片，表1为交流电动机基本控制电路中所用的电器元件的名称、型号及用途等。

图1 交流电动机的基本控制电路图

图2 交流电动机的基本控制电路照片

表1 交流电动机基本控制电路中所用的电器元件

图1中交流电动机控制线路的工作原理如下：

采用该电路进行实验可以使学生观察并熟练掌握接触器、时间继电器、断路器、热继电器、空气开关、按钮等的动作过程、结构特点；互锁控制的动作过程；过载时热继电器的跳闸断电保护过程；以及短路时断路器的跳闸断电保护过程。此外，学生通过搭接该电路可以锻炼他们的实际动手能力，弄清电气原理图中的电器元件符号与实物的对应关系，进一步使学生掌握上述各电器元件的工作原理、基础知识，以及机床电气基本控制电路的基本理论和知识。

2 直流电动机的调速及伺服控制实验

直流调速系统虽然需要变流设备，系统复杂，投资也比较大，但其具有很好的调速性能。随着机床切削速度的提高，调速范围的扩大，直流调速系统在大型车床、龙门刨床、镗床、精密磨床等机床中得到了广泛应用［4－7］。本文中的直流电动机调速电路是采用脉宽调制技术（pulse width modulation，PWM）而设计的，它利用一定频率的三角波或锯齿波，把模拟控制电压分割成与三角波同频率的矩形波，通过控制矩形波的占空比来改变直流电动机的输入电压以实现调速的。该方法具有抗干扰能力强、效率高等优点［8－12］。

该电路主要包括电源电路和控制电路两大部分。电源电路一方面为比较运算放大器集成块LM324提供±15V的稳压直流电源；另一方面为直流电动机提供直流电源；控制电路主要包括三角波发生电路、比较电路和功率放大电路3部分。

2.1 电源电路

所设计的电源电路如图3所示，该电路主要由变压器、整流桥、电容、三端稳压集成块、熔断器、电阻和发光二极管等组成。变压器的输入端接220V交流电、输出端有双18V和220V电压输出，双18 V的电压输出端分别与±15V直流电压整流桥的输入端相连，2个整流桥的输出端接滤波电容，经整流滤波后的直流电分别被送入三端稳压块7815和7915的输入端，在三端稳压块的输出端得到稳定的±15V，以供给集成块LM324之用，发光二极管用于显示电源模块工作的状态。220V电压输出端经熔断器后与直流电动机供电的整流桥输入端相连，该整流桥的输出电压经滤波后可形成直流电机所需的驱动电压。

图3 电源的电路原理图

2.2 控制电路

所设计的控制电路如图4所示，控制电路主要包括三角波发生电路、比较电路和功放电路三部分。三角波发生电路主要由集成块LM324、电阻和电容等组成，在该电路中运放UT1：1为同相输入过零滞回比较器，用以产生方波，运放UT1：2为反相积分器，两级运放之间由电阻RT3构成正反馈，形成自激振荡。通过调节积分电阻RT3和电容CT1，可改变三角波和方波的频率；改变电阻RT2／RT1的比例，会同时影响三角波的幅值和频率。三角波发生电路的计算机仿真波形如图5所示。

图4 控制电路原理图

图5 三角波发生电路的仿真波形

比较电路主要由LM324组成，该比较器反相输入端接比较电压、同向输入端接三角波，其输出端为PWM脉宽调制后的方波。功放电路主要由电容、电阻、稳压管和VMOS管等组成，其脉宽调制后的计算机仿真波形如图6所示。

图6 PWM脉宽调制后的仿真波形

图7为所研制的直流电动机控制系统的控制柜照片，图8为机床与控制柜的连接照片。

图7 直流电动机控制系统的控制柜照片

3 结束语

图8 机床与控制柜的连接照片

通过电动机控制综合实验，帮助学生认识和熟悉常用的交流电动机和直流电动机的启动、制动、调速及其伺服控制，学生学习了接触器、时间继电器、断路器、热继电器、空气开关、按钮等的动作过程、结构特点；互锁控制的动作过程；过载时热继电器的跳闸断电保护过程；以及短路时断路器的跳闸断电保护过程，此外，学生对三角波发生电路、比较电路和功率放大电路等电路知识以及集成块LM324、MOS管、三端稳压块等常用的电子元器件也进行了学习和掌握，有效地提高了学生机电结合的动手和工程应用能力，为他们走上工作岗位打下了坚实的基础。

（References）

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