基于LM324的直流电动机调速器设计

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

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。

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。



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U_1A、U_1B、U_1C、U_1D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。

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。

电压负反馈与微分校正电路
LM324的运算放大器U_1C设计成比例控制调节器，由R₃₄引入电压负反馈电压U_fV，通过R₁₅加入D点，而由W5给出的给定控制电压U_gd通过R₁₄加入D点，故在D点：ΔU= U_fV- U_gD。ΔU通过U_1C放大从G点输出加到U_1A，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。

同步信号、脉冲的形成、放大与输出电路
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U_1D、U_1A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U_1D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I_Q1C对C₅恒流充电，电容两端的电压为：


其充电斜率为I_Q1C/C₅，恒流充电电流I_Q1C≈U_DD/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



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。



脉冲的形成与移相
E点同步电压锯齿波信号加在U_1A的反相输入端，而由G点输入的偏差控制信号ΔU加在U_1A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。


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R_LB2取样，其电压信号u_px为负电压，加在运算放大器U_IC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，U_IC的输出亦越大(正值)，即反馈电压信号的加入，提高了U_IC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。

过电流截止保护电路
从X点取出的电流反馈信号u_X通过电阻R₃₅加在运算放大器U_IB的反相输入端，并与经W₃整定的过电流整定电压V_CC相比较，整定的过电流值与反馈电流值求和。其结果是：当U_IB⑤脚输入电压小于或等于0时，且U_IB⑥脚输入为0时(当负载电流未过流时，u_X+V_CC将使⑥脚电压为0)，则U_1B⑦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U_2A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，U_1B⑥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。

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。L_B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。

结束语

基于LM324的直流电动机调速器经多次试验，各参数经反复计算和调整，所能达到的技术性能指标如下：



　　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。