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24V直流电机控制器

直流电机控制回路,要如期控制电机运转,首先要了解直流电机的工作原理,本节将直流电机运行的基本方程式列出来[2]。
我们知道直流电机的感应电动势可表示为
      (6-1)
 为机械角速度。当电机稳定运行的时候,电源电压等于电机的感应电动势和电枢电路电压,设 为电枢电路的电阻,U为电源电压,则有
                     (6-2)
将 代入(6-2),得到转速为
                   (6-3)
对并励电动机而言,若不计电枢反应的去磁作用,可以认为 是一个与 无关的常数,当负载增加的时候,电动机输出功率P增加,则输入功率 增大,因为端电压U恒定,所以电枢电流 增加,电枢回路中的电阻压降 增大,使电动机转速下降,从(6-3)我们可以推导出电流与转速的关系式
                (6-4)
    从(6-4)我们可以看出,当电机堵转的时候,由于此时转速n=0,所以 加。
本课题中电机的目标是拉动25kg的重物,需要的转矩为
                  (6-5)
其中m为重物质量,g为重力加速度,d为电机轴到外围半径。将m=25kg,g=10N/kg,d=0.03m代入(6-5)得到 =7.5NM.这是需要的转矩。
下面我们来看我们的电机的参数,看能否满足这一转矩。电机铭牌上写
 , , ,可以估算出额定转矩。
 ,代入数字得T=10.7NM,完全符合要求。
6.2 电机控制回路硬件设计
图6-1给出电机控制回路的系统框图。

         



 反馈电流

 图6-1 电机控制回路系统框图
市电经过变压器降压或者电池逆变产生24V交流电,经过整流电路变为直流电,经过由LM2576构成的降压电路输出24V直流电给电机工作,电机拉动卷帘上升,在电机工作过程中,始终对电机工作电流进行检测,若大于设置值,则电路切换状态,使电机工作电压稳定在2.7V左右,正好拉动卷帘,减小功耗。图6-2给出论文设计的电机控制回路硬件电路图。
 
图6-2 电机控制回路原理图
通过合理选择电路参数,使该电路根据系统需要实现电机正转,堵转,反转的准确控制。
6.2 .1电机正转
第一次安装挡烟垂壁或者火灾险情排除后,需要将挡烟垂壁从底部拉升到顶部,此时电机正转。交流24V经过四个二极管组成的全桥整流电路,二极管 D101和D104组成一对桥臂,二极管D102和D103组成另一对桥臂,在交流电压的正半周,D101和D104导通,在交流电压的负半周,D102和D103导通,经过整流电路后的最大电压为交流电压有效值的 倍,电路的电压平均值为[13]
           (6-6)
U经过整流桥后经过电容滤波,经过LM2576T,转成直流电,LM2576T是开关型降压稳压器,能提供3A驱动负载能力,有优异的线性和负载调整能力,可以根据外围电路调整输出电压,经过LM2576T后经过电感L1,电感储存能量,二极管D7起续流作用,当LM2576关断的时候,电感、D7和负载形成一个回路,续流。电感和二极管有效的滤除尖峰电压,看原理图右下角,直流电压经过一个NPN型三极管Q1,三极管的基极和发射极之间使用稳压二极管ZD1,这个二极管的作用是将三极管基极电压稳定在24V,三极管基极和发射极之间电压是0.7V,所以得到继电器RY1的IN1电压和比较器LM393N的电源电压为23.3V,继电器RY1在上电时刻就跳变,引脚5和7连接在一起,7脚是连接到24V,引脚6和8连接在一起,电机串联电阻R19在24V下工作,当系统刚上电时,由于电机运转的电流比较小,IN+比IN-要小,所以OUT1、OUT2均为低电平,所以R8和R9之间点的电压为0 。LM2576的参考电压为1.23V。通过调整滑线变阻器VR1的阻值,使电机的工作电压稳定在24V。
设定划线变阻器VR1的阻值为X,则
    (6-7)
解方程得X=1.93K。在实际应用中,由于温度等因素影响,X的值会略有变化,具体数字以现场测试为准。
6.2.2 电机堵转
当挡烟垂壁拉升到顶部的时候,垂壁被挡住,此时电机堵转,R19阻值0.1欧姆,该电阻用于采集电机工作电流,具体采集过程如下。
市电经过整流后,输出正电压,称这电压为V1,三极管Q1导通,V1经过电阻R3,二极管D2到地,电阻R4和R5分压后接入到LM393N的第一路比较器。整个电压大约0.254V,因为二极管D2两端电压控制在0.7V,这是由二极管的特性决定的,R4阻值3.3K,R5阻值2K,参考电压
                     (6-8)
代入数值得 =0.254V。
电机堵转的时候,根据公式(6-3)我们得知,当转速n=0的时候,此时的电流I是最大的。R19将会随时采集这个电流,R19端采集到的电压经过R15和R10分压后如果大于0.254,则OUT1输出高电平,OUT1电压大于R7左端电压,由于二极管D1的单向导电性,R7这条支路断开,此时电机工作电压为:
              (6-9)
将X=1.93K代入上式。得出电机工作电压为12V。
电机维持12V工作电压只是一个暂态过程。由于OUT1为高电平,电容C13在24V电源、电阻R11的充电作用下迅速超过12V,图6-3给出电容充电电路,下面计算电容C13的充电时间。
 
图6-3 电容充电电路
图6-3为典型的电容一阶零状态响应。充电电压为
                        (6-10)
当 =11.99V的时,得到充电时间为3.3s。
C13充电到12V的时候,IN2+端端电压高于IN2-端电压,OUT2输出高电平,由于LM393的输出电流最高为80uA,所以将输出电压钳位在1V。此时电机稳定的工作电压为
       (6-11)
这个工作电压,既能保证电机有足够的转矩,确保25公斤重的挡烟垂壁不会掉落,又能很好的控制电流。虽然电机工作电压降低后,电流会下降,但是OUT2的输出电压将IN1+端电压钳位在大约0.5V,所以继电器OUT1端持续输出高电平,输出电压一直保持在2.7V。控制电机的电流对于挡烟垂壁系统的正常工作非常关键,电机控制的卷帘常年悬挂在电机两端,由前面介绍的电机基本工作原理可知,当卷帘上升到电机顶部时,电机堵转,此时电流将大大增加,为了避免电机堵转时产生大电流损坏电机,论文采取控制电机两端电压的办法,达到减小堵转电流,保护电机的目的,同时又要确保电机电压不能太小,否则会导致卷帘下落。如果要求电机运转的电流变小,除了降低工作电压外,还可以通过增大采样电阻R19,这样通过稍小一点的电流,比较器LM393就会产生动作,也可更改电阻R3和R4,使比较器LM393的参考点电压降低或者升高。
6.2.3 电机反转
当图6-2中开关S2断开时,挡烟垂壁在重力作用下急速下降,此时在电机两端形成一个很大反向电压。电机本身相当于一个电源,为了避免垂壁快速下落过程所产生的反向电压损坏电路中的元器件,本课题中采用NPN型三极管和稳压管1N4752对反向电压进行控制,当电机反向转动时,M-端电压高于M+端,M-经过二极管D6,电阻R1,稳压二极管ZD2(1N4752),ZD2将自身电压稳定在33V,PNP三极管Q2的发射极和基极之间的电压稳定在5V,当电机在重力作用下快速下落过程中,电机两端的电压都将控制在33V以内,所以电机刚开始快速下落时,反转电压持续增加,当增加到高于33V时,电流从M-经过二极管D6,R1,ZD2流向M+,电阻R1上的压降促使PNP三极管Q2发射极电压高于基极,Q2导通,于是电机M-和M+之间的压降仅为D6的电压,于是电机速度下降,速度下降,电压降低,ZD2关断,于是Q2也关断,Q2关断又造成M-和M+压降增加,ZD2又导通,于是Q2又导通,如此循环下去,这也是一种三极管的PWM控制形式,保证了下降速度的恒定,很好的解决了垂壁下落速度过快的问题,有效的保护了电路中各个元器件。

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