摘要：介紹自帶動(dòng)力靶車的電力拖動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)對(duì)交流拖動(dòng)和直流拖動(dòng)的論證和比較，確定采用直流拖動(dòng)方案。考慮到具體要求和環(huán)境的影響，給出了自帶動(dòng)力靶車設(shè)計(jì)中計(jì)算直流電機(jī)功率的實(shí)用方法。對(duì)設(shè)計(jì)中必需的電壓反饋電路、阻容吸收回路及電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)回路進(jìn)行了詳盡介紹和分析。
關(guān)鍵詞：脈寬調(diào)制 直流電機(jī) 電源 反饋

Application of DC Motor Drive into the Setting-force Target-vehicle
WangLinli Liu Lijun

Abstract：This paper introduced the design of the electric traction system of the setting force target vehicle detailedly ，DC drving was to adopted drag the target vehicle after comparing the difference between AC driving and DC dragging．Considering the effect to the concrete request and adverse circumstance at the same time，the methods of calculating DC motor power was put forward．We also introduced and analyzed the voltage feedback circuit，capacitance—resistance absorb circuit and electric motor energy consumption braking circuit in detail．
Keywords：PW M DC motor Power supply Feedback
1 問(wèn)題的提出
為了配合靶場(chǎng)實(shí)彈射擊訓(xùn)練的需要，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)發(fā)了幾種遙控靶車。近年來(lái)，為適應(yīng)部隊(duì)現(xiàn)代化訓(xùn)練要求，已有一些靶場(chǎng)裝備了由卷?yè)P(yáng)機(jī)拖動(dòng)靶架在軌道上往復(fù)運(yùn)行裝置或軌道式運(yùn)動(dòng)靶車，但這類靶車以直流或交流電為動(dòng)力源，需軌道和動(dòng)力線，配套設(shè)施多，維護(hù)保養(yǎng)復(fù)雜，在多塵的現(xiàn)場(chǎng)由于接觸不良而造成失控、速度調(diào)節(jié)精度差，且需操作人員在目標(biāo)區(qū)靶房操縱，不安全因素突出。本設(shè)計(jì)采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的自帶動(dòng)力靶車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便易用。靶車速度可調(diào)、設(shè)置簡(jiǎn)便、自帶動(dòng)力、無(wú)需軌道，不依賴場(chǎng)地設(shè)施，不需要保障人員在目標(biāo)區(qū)操控，從而解決了長(zhǎng)期困擾部隊(duì)實(shí)彈射擊訓(xùn)練時(shí)的人員安全問(wèn)題。從經(jīng)濟(jì)效益分析，不需要修建隱蔽部，也不需要架設(shè)動(dòng)力線，效益顯著。
2 電力拖動(dòng)方案
在電力拖動(dòng)方案中，有交流拖動(dòng)和直流拖動(dòng)。長(zhǎng)期以來(lái)，由于直流電機(jī)具有良好的起動(dòng)性能，且能在寬廣的范圍內(nèi)平滑而經(jīng)濟(jì)的調(diào)速、起動(dòng)、制動(dòng)和正反轉(zhuǎn)等，因此被廣泛應(yīng)用于起動(dòng)和調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機(jī)械上。直流傳動(dòng)系統(tǒng)—直在變速傳動(dòng)領(lǐng)域占統(tǒng)治地位。在進(jìn)行自帶動(dòng)力靶車設(shè)計(jì)中，根據(jù)“既要優(yōu)化，又要繼承”的原則，沿用了這套成熟的方案，采用進(jìn)口高性能汽油發(fā)電機(jī)為車體內(nèi)電動(dòng)機(jī)及電氣控制系統(tǒng)提供電源，電壓220VAC；采用直流電動(dòng)機(jī)為靶車提供動(dòng)力；采用接觸器換向，直流調(diào)速器調(diào)節(jié)直流電機(jī)速度的方式實(shí)現(xiàn)了電力拖動(dòng)問(wèn)題。
本設(shè)計(jì)對(duì)靶車的重量有嚴(yán)格的要求（500kg～600kg），電動(dòng)機(jī)的功率過(guò)大必定會(huì)增加車體的總重量，使得控制車體的快速起動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)以及變速增加了障礙；功率過(guò)小，則不能拖動(dòng)系統(tǒng)正常運(yùn)行，因而選用電動(dòng)機(jī)的功率為5．5kVA。
由于系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)性能要求較高，而直流調(diào)速裝置恰能很好地滿足系統(tǒng)的這一要求，所以選用直流調(diào)速裝置，并配以10kVA單相交流發(fā)電機(jī)提供電源。可控硅調(diào)速控制器是目前應(yīng)用相當(dāng)普遍的晶閘管～電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速裝置。根據(jù)部隊(duì)提出的實(shí)際的射擊狀況和射擊要求，加上減速機(jī)，可以把目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度控制在0km／h～25km／h，并可以連續(xù)調(diào)節(jié)。
本設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)經(jīng)常要正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行，為了盡量縮短起動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程的時(shí)間，在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，希望充分利用電機(jī)的允許過(guò)載能力，最好在過(guò)渡過(guò)程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為最大允許值，使靶車盡可能用最大的加速度起動(dòng)；到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來(lái)，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。直流調(diào)速系統(tǒng)仍采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，電流環(huán)（內(nèi)環(huán)）仍采用傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器以提高系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)快速性和限流的必要性，電壓環(huán)（外環(huán)）以提高其魯棒性，二者之間實(shí)行串級(jí)連接。這樣就構(gòu)成了電壓、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。
3 可控硅直流調(diào)速器
本設(shè)計(jì)使用了可控硅直流調(diào)速器，它是由可控整流橋構(gòu)成主回路，由集成電路及觸發(fā)專用電路等組成給定積分、速度調(diào)節(jié)、故障保護(hù)及觸發(fā)脈沖電路，組裝在同一單元內(nèi)的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置。
可控硅信號(hào)觸發(fā)單元采用進(jìn)口的芯片，包括型號(hào)為TCA785的鋸齒波集成移相觸發(fā)器、ULN2004七重達(dá)林頓反相驅(qū)動(dòng)器、或邏輯門和KCB472／104B的可控硅觸發(fā)變壓器芯片。其中TCA785為第三代晶閘管單片移相觸發(fā)器，對(duì)過(guò)零點(diǎn)識(shí)別更可靠、輸出脈沖整齊度更好，移相范圍更寬，其輸出脈沖寬度可手動(dòng)調(diào)節(jié)。另外，可控硅觸發(fā)變壓器接在可控硅設(shè)備控制觸發(fā)單元與可控硅控制極之間，一方面?zhèn)鬟f觸發(fā)脈沖，另一方面對(duì)強(qiáng)弱電之間起到了可靠的隔離作用，對(duì)設(shè)備起到了保護(hù)的作用。直流調(diào)速器的上板是控制、調(diào)節(jié)單元。包含了給定積分電路、速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、電流斷續(xù)補(bǔ)償、邏輯電路、故障綜合及保護(hù)電路，以及用于張力控制的限幅調(diào)節(jié)電路。直流調(diào)速器的下板是電源及觸發(fā)單元。由控制電源變壓器及三端集成穩(wěn)壓器組成控制電源，它們提供了控制系統(tǒng)所需的+24V整流電源，以及±15V,壓電源，變壓器同時(shí)提供了同步信號(hào)；由集成電路及脈沖變壓器組成移相脈沖行程及輸出電路。
可控硅調(diào)速器主要使用了原裝進(jìn)口的SKKT57／16E集成可控硅模塊（參數(shù)：55A、1600V）和大功率的快速二極管集成模塊，將可控硅模塊和二極管模塊組合成單相橋式半控整流電路，整流后的直流電源提供給直流電機(jī)工作用，這時(shí)如果調(diào)節(jié)可控硅的觸發(fā)角，即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)電樞電壓的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的速度調(diào)節(jié)，其電路原理圖如圖1。

二極管模塊在這里充當(dāng)了邏輯門和續(xù)流二極管的雙重作用，壓敏電阻和阻容吸收電路可以實(shí)現(xiàn)可控硅的過(guò)電壓保護(hù)，其原理可以參考電力電子技術(shù)的相關(guān)教材，這里不再詳述。
直流調(diào)速器第一次開(kāi)機(jī)接電時(shí)，必須仔細(xì)檢查外部接線是否正確，內(nèi)部短接線是否與預(yù)定的工作狀態(tài)相一致。
內(nèi)部短接線的檢查：
本直流調(diào)速器的控制電源與主電源同時(shí)供電，其相序相同。控制電源提供控制電路的常用電源標(biāo)準(zhǔn)，主電源提供直流電機(jī)工作電源。另外，勵(lì)磁電源通過(guò)全橋整流把AC 220V電源轉(zhuǎn)變成DC 22O、供給直流電機(jī)作為恒定的勵(lì)磁電源，其相序和控制電源以及主電源的相序一致。當(dāng)確認(rèn)供電電源以及外部接線、內(nèi)部短接線正確無(wú)誤后．就可以開(kāi)機(jī)并調(diào)試了。
直流調(diào)速器的調(diào)試按下列步驟進(jìn)行：
（1）斷開(kāi)電機(jī)電樞回路，接通控制電源及主電源，檢查±15V、±10V和+24V是否正常。由給定電位器給出正給定，檢測(cè)給定端子上的電壓應(yīng)當(dāng)在0V～10V之間可調(diào)，然后將給定端子上的電壓調(diào)為0V。
（2）切斷控制電源及主電源，恢復(fù)電機(jī)電樞回路接線，接通勵(lì)磁電源、主電源，緩慢調(diào)節(jié)給定電位器，電機(jī)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。注意此處的電位器就是速度的控制信號(hào)給定，手動(dòng)操作只需要調(diào)節(jié)這個(gè)10K的電阻就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度變化。自動(dòng)時(shí)，可以不用這個(gè)電位器，利用單片機(jī)的DA轉(zhuǎn)換功能直接給出0V-10V的速度控制電壓信號(hào)就可以了，這個(gè)就是單片機(jī)調(diào)速的接口。
（3）檢查反饋極性及電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向：若反饋極性相反，交換反饋信號(hào)兩線接頭；若電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向相反，交換電機(jī)電樞的兩接線及反饋信號(hào)兩線接頭。
（4）調(diào)整給定電壓，使電機(jī)轉(zhuǎn)速緩慢上升到額定值。此時(shí)的給定電壓應(yīng)為10V，否則調(diào)整電位器，使系統(tǒng)滿足；當(dāng)給定10V時(shí)，轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值。
4 電動(dòng)機(jī)的功率計(jì)算
靶車帶動(dòng)靶運(yùn)動(dòng)要抵抗外力，包括風(fēng)力、車體重、摩擦力等，還要有加速度，考慮這些因素，根據(jù)項(xiàng)目提出的速度要求，首先計(jì)算出拖動(dòng)力，然后計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的功率和電流，再根據(jù)電動(dòng)機(jī)的功率和電流選擇發(fā)電機(jī)的型號(hào)。按給定，靶車重量為500kg，靶車速度要求是7km／h-25．5km／h或1．94m／s-6．94m／s，靶車行進(jìn)的摩擦系數(shù)取0．1，靶車行進(jìn)的最大加速度為2m／s ，通過(guò)這些已知條件可以計(jì)算出最大推動(dòng)力，式（1）是最大推動(dòng)力的計(jì)算式，進(jìn)而計(jì)算出最大功率，式（2）列出了最大功率的計(jì)算式。
F=ma+mkv+500×2+500×0.1×6.94=1347N （1）
Pm=FV=1347×6.94=9348.18W （2）
最大功率是額定功率的1．5倍，所以理想的額定功率為6．23kW。而由于發(fā)電機(jī)過(guò)載能力較小，實(shí)際選定的額定功率是5．5kW。此時(shí)的最大負(fù)載時(shí)電機(jī)過(guò)載系數(shù)稍大，但可以滿足要求。
5 電壓反饋
在本系統(tǒng)的調(diào)速電路中，使用測(cè)速反饋和電樞電壓反饋的區(qū)別主要有2點(diǎn)：其一是調(diào)速比，采用直流測(cè)速電機(jī)反饋可以控制調(diào)速比在l：100，而使用電樞電壓反饋卻只可以達(dá)到1：50；其二，采用直流測(cè)速電機(jī)可以有0．3％的控制精度，而采用電樞電壓反饋卻只能做到2％。
如果為了寬范圍、高精度的電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，那么采用直流測(cè)速電機(jī)反饋無(wú)疑是一個(gè)好的方案，但如果對(duì)調(diào)速范圍和轉(zhuǎn)速精度要求不是非常嚴(yán)格的情況下，采用電樞電壓反饋將是一個(gè)簡(jiǎn)單、方便的措施。在本設(shè)計(jì)中，為了省卻測(cè)速電機(jī)，并節(jié)約系統(tǒng)空間和減輕重量，采用了簡(jiǎn)單易用的電樞電壓反饋。考慮到正、反轉(zhuǎn)的要求，根據(jù)2個(gè)接觸器切換設(shè)計(jì)的反饋接線圖如圖2。接觸器1在主拖動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)接入速度反饋電壓；接觸器2在主拖動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)接入速度反饋電壓。

反饋是通過(guò)改變晶閘管導(dǎo)通角的大小，調(diào)節(jié)輸出電壓。將給定電壓與反饋電壓比較，差值決定導(dǎo)通角大小，差值大，導(dǎo)通角大；差值小，導(dǎo)通角小。
6 阻容吸收回路及電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)回路
直流電動(dòng)機(jī)一般都加阻容吸收回路。如果不加保護(hù)措施，當(dāng)電路分?jǐn)鄷r(shí)感應(yīng)電壓會(huì)在接觸器的觸頭問(wèn)產(chǎn)生火花，損害觸頭，使觸頭不能可靠吸合。
為了電動(dòng)機(jī)快速停轉(zhuǎn)，必須給電動(dòng)機(jī)并聯(lián)一個(gè)大功率的電阻，當(dāng)電機(jī)停轉(zhuǎn)瞬間，電阻接入電機(jī)回路，電機(jī)線圈釋放反電勢(shì)，電阻加以消耗，從而起到能耗制動(dòng)的作用。電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)和阻容
保護(hù)電路的接線原理圖如圖3所示。

7 結(jié)論
從測(cè)試結(jié)果看，這種直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有驅(qū)動(dòng)平穩(wěn)、測(cè)速精度高等優(yōu)點(diǎn)。靶車的無(wú)級(jí)調(diào)速通過(guò)可控硅直流調(diào)速器實(shí)現(xiàn)，實(shí)際使用中，曾因使用不當(dāng)，導(dǎo)致調(diào)速器損壞。通過(guò)設(shè)置相應(yīng)合適的保護(hù)電路，合理設(shè)置了過(guò)電流報(bào)警和保護(hù)以后，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，運(yùn)行良好!
參 考 文 獻(xiàn)
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