直流电机调速电路的设计与调试
摘 要：采用BT33为核心的过零触发电路作为直流伺服电机调速功率放大电路的驱动模块，该模块采用光耦合隔离技术，具有结构简单，稳定性好，驱动能力强，功耗低的特点，但它只能在触发信号的控制下在通过自举升压在高压侧产生栅极驱动电压，驱动电压驱动双向可控硅BTA12通过控制触发脉冲的触发角的大小，从而实现对直流电机的调速控制。
关键字：光电隔离；直流电机；调速电路；电机控制；可控硅；过零触发
1 引言
因工作需要，开发了一款可以应用于工业现场的能可靠控制24V或者110V小功率直流电机的调压电路以用于驱动24Ｖ或者110V直流电机。本人使用光电隔离，双向可控硅等元件制作的直流电机控制器，该装置结构简单，输出功率大，经过多次实验反复调试工作安全可靠，而且使用单层板即可实现，制作成本低。
2直流电机调速电路特点
自制电路命名为STGJ2009，该电路的原理图如图1：
图1 STGJ2009型直流电机调速电路原理图
该电路最大的特点，与传统的直流电机直接使用改变串联电阻大小的方式进行调速比较，传统的调速方式在电机处于低速时候把大量的电能浪费在电阻上面，不符合节能环保的要求。而使用该电路是通过控制可控硅BTA12的开通时间，来控制输出的直流脉冲的个数来对直流电机进行调速，使用该方法不仅节能环保而且得到理想的调速特性而且也避免了使用单向晶闸管调压电路的复杂繁琐，从成本上看，使用单向晶闸管调速电路需要两个单向晶闸管，而市面上两个同等耐压等级 12A的晶闸管的价格高于单个12A双向晶闸管的价格。而且控制和保护环节也更多。所以采用双向晶闸管构成直流调压电路也更为简单，另外由于采用了光耦合隔离器件隔离了驱动脉冲信号发生电路和主电路，防止了误触发，提高了电路的可靠性[1]- [3]。
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3工作原理
该电路分主要为两个部分：一是驱动双向晶闸管的驱动电路即控制脉冲发生的电路，该电路位于原理图的上半部分；二是直接驱动直流电机的主电路，它位于原理图的下半部分；两个部分通过一个光耦器件隔离开来，这样就保证了驱动电路在工业现场可以不受其他瞬时电流脉冲的影响而产生误触发，大大提高了该电路的调速的可靠程度。
3.1触发脉冲发生电路
该电路位于原理图的上半部分，位于光耦之前，通过D1~D4这4个整流二极管把交流变为直流，并且通过R1降压和D5稳压得到12V左右直流电压，这作为后面以BT33F为主和RV1、R2、C2、R3和R9构成的脉冲发生电路，其基本原理是通过RV1调节经R2往小电容C2充电电流的大小，当C2充满到达放电时，触发BT33F在b2脚（即与C3连接的管脚）产生被放大的电脉冲，之后C2因为放电电位下降，需要再经过充电电流的充电才能再次放电。触发BT33F产生电脉冲。所以如果充电电流越大，则C2充电满的时间间隔越短，同一个时间内输出的电脉冲也越多，所以电脉冲的输出是通过RV1调整对C2的充电电流的大小来控制的，当RV1调整为100K时，充电电流最小，晶闸管开通角度后移，驱动电压最低（大概是输入额定电压10%左右）电机转速最慢，当RV1调整为0欧姆时候，充电电流最大，输出脉冲最多（即每相首脉冲前移最多），使到晶闸管开启角度不断前移到大概30°左右，脉冲最密集的时候控制双向晶闸管输出的电压也达到最大大概是输入额定电压值的96%左右 [4]- [5]。
3.2 驱动电机的主电路
通过电桥DQ1把输入的交流（交流24V或110V）电转化为直流电（24V或110V）；直流电作为直流电机的电源，当双向可控硅接收到来自光耦的控制信号就会触发导通，当信号消失则关断。为防止驱动双向晶闸管的电流过大损坏双向晶闸管，经光耦送来的脉冲信号需要经过R6和1N4148进
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行保护。如果Ｖ２端输入的是２４Ｖ交流电，则把ＳＷ打到R8的位置（如果V2输入的是110V交流电则把SW打到R7位置），经大电阻降压确保提供12Ｖ左右的交流电源，再通过整流二极管D9、12V稳压管D7和稳压电容C5进行滤波为驱动双向晶闸管提供12V直流电源再使用RV2调整驱动脉冲的电流大小，确保输出驱动电脉冲正好能驱动该晶闸管。
注意：在双向晶闸管两侧要并联5W左右的大功率电阻RW1和耐压400V左右的电容C6作为双向晶闸管的保护环节。
4 元件选择
为确保该电路可以长时间连续稳定带动直流电机运行，该电路在主要器件的选用上要注意一下，例如主电路的电桥，最好选用带散热结构的8A左右的整流桥，因为根据如果该电路用于长时间带直流电机等负载最好留有一定的余量，整流桥的额定电流最好是额定工作电流的两倍。另外主要的功率器件双向晶闸管BTA12额定电流最大能通过12A，为确保直流电机连续稳定工作，也应留有一定余量，根据经验公式，取其标称值的2/3左右。所以该电路可以用于带动功率在880瓦及以下的直流电机连续运行。
5 电路调试
该电路在调试时，先调试触发电路，使用示波器观察触发电路产生的波形，RV1起调时脉冲波形下如图2和图3所示
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当RV1调到电阻最小（也即脉冲最密集时候），示波器显示如图4和图5，
此时输出电压为额定电压的96%左右。接着调试主电路，主电路主要通过电阻RV2调节驱动电脉冲的电流的，它的大小决定了触发脉冲电流的大小，最好调整到合适的范围。一开始可以把RV1和RV2调到中间，此时，电路多数是关断的，接着逐步把RV2逐渐调小，电路会在这个过程开通，然后再有缓慢地增大，如果继续调小RV2调小还不能提高输出电压，那说明电流正好够用了，不必再调小RV2了。
最终电路的实物图6如下，图中，电路板正中亮点的位置为光耦，本电路采用4N25或者普通四脚光耦，本电路左侧为触发电路，右侧为主电路。
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图6直流电机调速板STGJ2009
6小结
小结：该电路由于采用了光耦器件进行隔离，确保了主电路与触发电路各自独立运作，互不干扰。经过现场测试，该电路符合在工业现场长时间稳定应用的要求；而且一次调试即可以长期运行基本免维护。该电路采用相控原理，通过控制触发角大小（晶闸管触发角的范围从30°到160°左右）控制输出电压的大小，不仅输出电压连续可调，也使电源得到有效利用，符合国家现在提倡的节能环保的要求。而且采用单层板就可以制作，造价低廉，对于广大的需要小型直流调速控制装置的工厂企业来说，具有广阔的应用前景。
参考文献：
[1]陈伯时．电力驱动自动控制系统．机械工业出版社
[2]张国峰 张维．实用稳压电源150例．人民邮电出版社
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[3] 周渊深 交直流调速系统与MATLAB仿真，北京 中国电力出版社，2007：135-150
[4] 王承缘 现代电机控制技术 北京 机械工业出版社2009（1）
[5]陈宗涛 电机实验技术教程 上海 东南大学出版社 2008（1）
[6]安毓英 光电子技术 北京 电子工业出版社（2）2007
1 刘迪吉．航空电机学．jE京：航空工业出版社，1992．
2 张世铭等．直流调速系统．武汉：华中理工大学出版社，1989．
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