直流电动机微型实验平台设计

顾 波，魏 伟，张 磊

（沈阳科技学院 信息与控制工程系，辽宁 沈阳 110000）

0 引 言

为实现“十三五”规划中以应用型人才的能力培养与素质教育为核心的教育模式，各大高校转变了办学理念，突出“应用型”定位特色，培养大学生的动手实践、科技创新及学科交叉的综合性学习能力[1]。因此，自主研制实验平台是提高教师与学生科研水平的一种新途径，在促进教改的同时，将实践、创新和综合性能力结合，解决部分发展中高校由于经费紧张而出现实验设备缺失的问题。另外，教材中以公式推导或特性曲线的形式得到了固定的结论，并以实验的形式验证结论，便于更深入掌握相关知识[2]。

1 直流电动机微型实验平台

依托高校人才培养方案中电气工程及其自动化专业课程《电机与拖动基础》的教学计划，设计了具有经济、安全、实用、可搬移、可开发的和高成效“直流电动机微型实验平台”，从一定角度替代了传统电机实验设备，弥补了因体积过大不易搬运、用电量大、操作危险性高、不易维修和实验教育经费成本高的问题。该实验平台建设基础经费一套300元，以12 V微型直流电动机为研究对象建立实验项目，模拟并验证电枢串电阻调速、调压调速和反接制动的实验现象。

2 实验项目原理

2.1 电枢串电阻调速

直流电动机电枢串电阻RΩ时的转速人为机械特性表达式为[3]：

由于电动机的电压及磁通保持额定值不变，故人为机械特性是一组过理想空载点n0的直线，斜率β的绝对值则随串联电阻RΩ的增大而加大，特性曲线如图1所示。

图1 电枢串电阻调速人为机械特性

2.2 调压调速

直流电动机调压调速时的人为机械特性表达式[4-5]为：

可见，在其他参数不变时改变电源电压，电动机的速度也相应变化；电压U增大时，转速n增加；电压U减小时，转速n低，但斜率保持不变。

2.3 反接制动

电枢反接制动的方法是在制动时电源反接，并在电枢电路中串入制动电阻Rz。此时，由于电枢反接，电源电压U为负，电流Ia为负，T也为负，而n为正，T与n反向，故为制动状态。反接制动时的机械特性表示为：

3 实验平台设计

直流电动机微型实验平台采用输入为220 V、输出为12 V的直流稳压电源供电。考虑经济性和实用性，在设计上该平台使用2个12 V微型电动机实现4个实验环节，即电枢串电阻和PWM调压调速共用1#电动机，反接制动共用2#电动机，且在电枢串电阻，反接制动环节中均串入滑动变阻器。既方便调试，又可从不同基数上观察和验证实验结论，更深层次掌握电动机的机械特性和各参数之间的关系。实验平台电路设计图如图2所示。

3.1 制动实验环节设计

在此回路中仍可通过滑动变阻器调节转速，在不同转速下，其反接制动时间也不同。实验时需注意：电动和反接制动按钮不要同时按下，避免使电机发生电动和制动同时运行的情况。

3.2 调速实验环节

电枢串电阻调速（总开关4控制）是在电源与电机之间串联一台100 W、50 Ω的滑动变阻器，通过调节阻值改变电机转速。转速数值可通过数码显示屏读取。

4 实验测试方式及结论验证

4.1 电枢串电阻调速

已知额定电压UN=12 V，测得额定电流IN=0.52 A，额定转速nN=7 500 r/min，电枢电阻Ra=6.2 Ω，通过直流电机转速表达式：

得到CeΦN=1.18×10-3，并根据电枢串电阻表达式式（7）计算转速值。

4.2 调压调速

接入12 V直流稳压源，闭合总开关3和PWM直流调速器，2#电机开始工作，通过调速器旋转钮调节电压（电压值可在电压显示屏上观测，亦可使用万用表测量），可在霍尔测速仪装置的显示屏上观测到不同电压下的不同转速，同时记录电流值，并根据电压调速表达式式（8）计算出转速值。

4.3 反接制动

接入12 V直流稳压源，闭合总开关2并按下电动按钮，1#电机电动运行，调节变阻器使转速稳定到某个数值，反接制动时按下反接制动按钮，这时反向接入6 V制动电源，1#电机转速迅速下降，直至降为0。此时，立即松开制动按钮，否则电机将进入反转电动运行状态。

图2 直流电动机微型实验平台电路图

5 结 论

在建立实验平台的过程既联系了《电路》《电工技术》和《单片机技术》等相关课程的应用，又锻练了学生的动手操作能力。同时，该平台可作教学课堂演示，提高了学生上课的兴趣，达到了一台多用的教学效果。