2018年9月25日第35卷第9期
Telecom Power Technology
Ｓｅｐ． ２５，２０１８，Ｖｏｌ． ３５ Ｎｏ． ９
ｄｏｉ：１０．１９３９９／ｊ．ｃｎｋｉ．ｔｐｔ．２０１８．０９．１１９运营探讨
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）
摘要：《电机与拖动基础》课程使学生通过分析计算和实验方法等来掌握电机的人为机械特性。但是，常规的实验室设备需要十几万元。因此，利用低经费自主研制设计了直流电动机微型实验平台。该平台可演示直流电动机电枢串电阻调速、调压调速和反接制动散组验证性实验项目，为《电机与拖动基础》课程提供了经济、安全、实用的实验设备和教学辅助仪器，同时充分体现了“十三五”规划中要求培养应用型人才的教学目的。
关键词：微型实验平台；直流电动机；教学仪器；应用型人才
Design of Micro-experimental Platform for DC Motor
GU Bo，WEI Wei，ZHANG Lei
（Shenyang Science and Technology Institute，Department of Information and Control Engineering，Shenyang 110000，China）Abstract：The basic course of Motor and Drive should enable students to master the mechanical characteristics of the motor through analysis，calculation and experimental methods. But conventional laboratory equipment costs more than a hundred thousand yuan. In this paper，a miniature experiment platform for DC motor is designed and developed with low cost. The platform can demonstrate four groups of confirmatory experiment items，such as DC motor armature series resistance speed regulation，voltage regulation and speed regulation，energy consumption braking and reverse braking. It provides economic，safe and practical experimental equipment and teaching aids for the course of Electric Machine and Drive. It also fully realizes the teaching aim of cultivating applied talents in the 13th Five-Year Plan.
Key words：micro-experimental platform；DC motor；teaching instruments；applied talent
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]。
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]：
n=[UN-Ia(Ra+RΩ)]/CeΦN （1）
2
n=UN/CeΦ-(Ra+RΩ)T/CeCTΦN （2）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。
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。
收稿日期：2018-06-09基金项目：“中青年科技创新领军人才及团队项目”（20150519023JH）。作者简介：顾 波（1985-），女，汉族，吉林吉林人，硕士研究生，讲师，主要研究方向为电力电子与电力传动、智能控制。
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：
n=(U-INRa)/CeΦN （3）
2
n=U/(CeΦN-Ra)T/CeCTΦN （4）
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
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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：
n=-n0-(Ra+Rz)T/CeCTΦ2N （5）
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：
nN=(UN-INRa)/CeΦN （6）
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。
n=[UN-Ia(Ra+RΩ)]/CeΦN （7）
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。
n=(U-IaRa)/CeΦN （8）
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。
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
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。参考文献：
[1] 夏有为.一流实验室是建设一流大学的保证（续）——
访江苏师范大学副校长郑元林教授[J].实验室研究与探
[2] [3]
[4] [5]
索，2017，36（11）：1-3.
陈宜建，杨全会，张素琴.自制实验平台的应用[J].实验室研究与探索，2017，36（2）：276-278.
张运楚，姜爱民，徐红东，等.高校实验教学中创新教育现状与对策[J].实验室研究与探索，2016，35（2）：224-228.
徐 宁，王 玫.创新意识驱动下实验教学模式转型的实践[J].实验室研究与探索，2016，35（2）：220-223.赵春青，陆文利，王庆佶，等.自制实践教学器具培养学生创新能力[J].实验技术与管理，2017，34（10）：15-17.
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