浅谈简易的直流电动机起动控制电路设计

【摘 要】文章通过对于直流电动机起动控制电路的工作原理进行论述，并针对永磁直流电动机的特点，设计了一种简单实用的起动控制电路，并在该控制电路上扩展了调速等功能。

【关键词】永磁直流电动机；起动控制电路；调压调速；扩展功能

直流电动机因体积小、效率高、用铜量少、结构简单和运行可靠等优点而在家用电器、办公机械、医疗器械、精密机床、汽车和计算机设备以及电动玩具等方面都得到了广泛应用。在电动玩具类产品中，微型直流电动机的驱动控制电路通常都是全压直接起动，这样容易导致电机起动困难或在使用短时间内就烧坏了绕组及电刷的问题。本文介绍了一种经济实用的起动控制电路，并在该控制电路上扩展了调速等功能。

一、直流电动机起动控制电路的工作原理

1．起动过程。在图1中，当起动/停止（ON/OFF）控制端为高电平时，Q3、Q2相继导通并饱和，Q1也随之导通并处于接近饱和状态，加到直流电动机M上的电压较高，大约为（VCC-1）V左右（取Q1的发射结电压为0.7V、Q2的饱和压降为0.3V、忽略R5上的压降），当电机在较高电压（较大电流）的驱动下进入起动阶段，在电机起动期间Q4处于截至状态，起动控制电压通过R2对C1充电，随着充电的进行，Q4的基极电位逐渐升高，当Q4的基极电位升高到一定的程度（一般在0.6V以上）时，Q4开始导通并逐渐进入饱和状态，稳压二极管D1开始工作（反向击穿），Q1的基极被嵌位于3.9V左右，Q1从饱和边缘回到放大状态，电机起动过程结束并进入运行状态，在起动过程中加在电机上的电压一直处在较高状态，这就可实现高电压起动。运行过程是通过Q4的饱和和D1的稳压使Q1的基极被嵌位来维持的，在运行状态时加到电机上的电压为（VD1+0.3-0.7）V左右，VD1为稳压二极管D1两端的击穿电压，如果图1中的VCC为6V就可实现5V起动、3.2V运行，那么即可实现低电压运行。由此可见小功率直流电动机对起动的要求是高电压起动，低电压运行。

图1 单向运行直流电动机起动控制电路

2．起动时间。R2C1值的大小决定了起动过程的时间长短，可以认为(1 －e■)V1=0.7V时Q4饱和，此时起动过程结束，V1为起动控制电压，当V1为5V时可计算出起动时间为0.15R2C1，由此看出R2C1越大则起动过程越长。起动时间长短的设置一般主要由所采用的电机和所驱动负载的特性决定，当电机和驱动负载的惯性较大时，则起动时间要设置稍长一些，当起动时的阻力主要是静摩擦力时则起动时间要设置相对短一些，本电路是用来控制一个由6V低档铁氧体永磁直流电动机驱动的塑料齿轮变速箱，静摩擦力是主要起动阻力，故起动时间设置较短，约为39m/s。

3．起动转矩。起动转矩（起动电流）主要取决于R5和电源电压Vcc，起动电流Iq=■，其中β1为Q1的电流放大系数，RM是电机的内阻,Ce为电机结构常数，Фn为每极磁通，Ce为电机结构常数，其机械特性较全压直接起动的硬；VD决定了运行转矩（运行电流），运行电流Ia=■，运行时的机械特性跟全压直接起动的一样。从公式Iq=■可以看出，R5越小，Iq越大，但R5太小会导致流过D1的电流过大，D1可能被烧坏，R5太大会导致Iq小，甚至D1不能被击穿而无法进入运行状态。R5大小需要满足的条件：Iq≥NIa（N应根据电机和负载特性来选取），在直流电动机起动开始瞬间，给它加上电源电压U，由于转子的惯性，一开始转速为0，其反动势En=CeΦn=0，当N=1时，从中解的R5≤■，同时要使■稍大于D1的稳压电流。

二、起动运行控制电路的三种功能扩展

1．分级调速单向运行起动控制电路如图2。此电路通过改变稳压二极管的稳压值来改变电机上的运行电压实现调速。

图2 分级调速的单向运行起动控制电路

2．无极调速单向运行起动控制电路如图3，该电路中Q4工作在放大状态，通过改变Q4的集电极电位稳压来实现调速。

图3 无级调速的单向运行起动控制电路

3．双向运行的起动控制电路如图4，和前几种起动控制电路比较起来，这种双向运行的起动控制电路起动控制起来更加快速和灵活，同时实现了双向运行的特点。

图4 双向运行直流电动机起动控制电路

三、结语

目前，直流电动机的市场应用反应良好，具有很广阔的市场前景。在本文中设计的起动控制电路具有结构精巧、性能优越、起动性能好等优点，适用于需要调速的小功率机械作直流驱动。

参 考 文 献

[1]刘敏．永磁直流电动机CAD[D]．广州：广东工业大学．2008（5）

[2]魏静微．小功率永磁直流电动机设计研究[J]．哈尔滨理工大学学报．2003，8（4）：51～54

[3]雷学堂．直流电动机起动控制电路设计[J]．微特电机．2007（11）：42～44