1 问题的提出

　　为了配合靶场实弹射击训练的需要，国内外已经开发了几种遥控靶车。近年来，为适应部队现代化训练要求，已有一些靶场装备了由卷扬机拖动靶架在轨道上往复运行装置或轨道式运动靶车，但这类靶车以直流或交流电为动力源，需轨道和动力线，配套设施多，维护保养复杂，在多尘的现场由于接触不良而造成失控、速度调节精度差，且需操作人员在目标区靶房操纵，不安全因素突出。本设计采用直流电机驱动控制的自带动力靶车结构简单，方便易用。靶车速度可调、设置简便、自带动力、无需轨道，不依赖场地设施，不需要保障人员在目标区操控，从而解决了长期困扰部队实弹射击训练时的人员安全问题。

　　2 电力拖动方案

　　在电力拖动方案中，有交流拖动和直流拖动。长期以来，由于直流电机具有良好的起动性能，且能在宽广的范围内平滑而经济的调速、起动、制动和正反转等，因此被广泛应用于起动和调速要求较高的生产机械上。将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。直流电动机和发电机工作原理示意图可以看到，直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。进行自带动力靶车设计中，根据“既要优化，又要继承”的原则，沿用了这套成熟的方案，采用进口高性能汽油发电机为车体内电动机及电气控制系统提供电源，电压220VAC；采用直流电动机为靶车提供动力；采用接触器换向，直流调速器调节直流电机速度的方式实现了电力拖动问题。

　　本设计对靶车的重量有严格的要求（500kg～600kg），电动机的功率过大必定会增加车体的总重量，使得控制车体的快速起动、制动、正反转以及变速增加了障碍；功率过小，则不能拖动系统正常运行，因而选用电动机的功率为5.5kVA。

　　由于系统对动态性能要求较高，而直流调速装置恰能很好地满足系统的这一要求，所以选用直流调速装置，并配以10kVA单相交流发电机提供电源。可控硅调速控制器是目前应用相当普遍的晶闸管～电动机直流调速装置。根据部队提出的实际的射击状况和射击要求，加上减速机，可以把目标的运动速度控制在0km／h～25km／h，并可以连续调节。晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅；1957年美国通用电器公司开发出世界上款晶闸管产品，并于1958年将其商业化；晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极； 晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。

　　本设计中，系统经常要正、反转运行，为了尽量缩短起动和制动过程的时间，在电机电流（转矩）受限的条件下，希望充分利用电机的允许过载能力，在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许值，使靶车尽可能用的加速度起动；到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载平衡，从而转入稳态运行。直流调速系统仍采用双闭环结构，电流环（内环）仍采用传统的PI调节器以提高系统响应时快速性和限流的必要性，电压环（外环）以提高其鲁棒性，二者之间实行串级连接。

　　3 可控硅直流调速器

　　本设计使用了可控硅直流调速器，直流调速器是一种电机调速装置，包括电机直流调速器，脉宽直流调速器，可控硅直流调速器等。一般为模块式直流电机调速器，集电源、控制、驱动电路于一体，采用立体结构布局，控制电路采用微功耗元件，用光电耦合器实现电流、电压的隔离变换，电路的比例常数、积分常数和微分常数用PID适配器调整。该调速器体积小、重量轻，可单独使用也可直接安装在直流电机上构成一体化直流调速电机，可具有调速器所应有的一切功能。它是由可控整流桥构成主回路，由集成电路及触发专用电路等组成给定积分、速度调节、故障保护及触发脉冲电路，组装在同一单元内的直流电动机调速装置。

　　可控硅信号触发单元采用进口的芯片，包括型号为TCA785的锯齿波集成移相触发器、ULN2004七重达林顿反相驱动器、或逻辑门和KCB472／104B的可控硅触发变压器芯片。其中TCA785为第三代晶闸管单片移相触发器，对过零点识别更可靠、输出脉冲整齐度更好，移相范围更宽，其输出脉冲宽度可手动调节。另外，可控硅触发变压器接在可控硅设备控制触发单元与可控硅控制极之间，一方面传递触发脉冲，另一方面对强弱电之间起到了可靠的隔离作用，对设备起到了保护的作用。直流调速器的上板是控制、调节单元。由控制电源变压器及三端集成稳压器组成控制电源，它们提供了控制系统所需的+24V整流电源，以及±15V,压电源，变压器同时提供了同步信号；由集成电路及脉冲变压器组成移相脉冲行程及输出电路。

　　可控硅调速器主要使用了原装进口的SKKT57／16E集成可控硅模块（参数：55A、1600V）和大功率的快速二极管集成模块，将可控硅模块和二极管模块组合成单相桥式半控整流电路，整流后的直流电源提供给直流电机工作用，这时如果调节可控硅的触发角，即可实现电机电枢电压的调节，从而实现直流电机的速度调节，其电路原理图如图1。

　　二极管模块在这里充当了逻辑门和续流二极管的双重作用，压敏电阻和阻容吸收电路可以实现可控硅的过电压保护，二极管又称晶体二极管，简称二极管（diode）；它只往一个方向传送电流的电子零件。它是一种具有1个零件号接合的2个端子的器件，具有按照外加电压的方向，使电流流动或不流动的性质。晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。其原理可以参考电力电子技术的相关教材，这里不再详述。

　　直流调速器次开机接电时，必须仔细检查外部接线是否正确，内部短接线是否与预定的工作状态相一致。

　　内部短接线的检查：

　　本直流调速器的控制电源与主电源同时供电，其相序相同。调速器工作原理：是通过改变输出方波的占空比使负载上的平均电流功率从0-100%变化、从而改变负载、灯光亮度/电机速度。利用脉宽调制（PWM）方式、实现调光/调速、它的优点是电源的能量功率、能得到充分利用、电路的效率高。例如：当输出为50%的方波时，脉宽调制（PWM）电路输出能量功率也为50%，即几乎所有的能量都转换给负载。而采用常见的电阻降压调速时，要使负载获得电源50%的功率，电源必须提供71%以上的输出功率，这其中21%消耗在电阻的压降及热耗上。大布部分能量在电阻上被消耗掉了、剩下才是输出的能量、转换效率非常低。控制电源提供控制电路的常用电源标准，主电源提供直流电机工作电源。另外，励磁电源通过全桥整流把AC 220V电源转变成DC 22O、供给直流电机作为恒定的励磁电源，其相序和控制电源以及主电源的相序一致。当确认供电电源以及外部接线、内部短接线正确无误后。就可以开机并调试了。

　　直流调速器的调试按下列步骤进行：

　　（1）断开电机电枢回路，接通控制电源及主电源，检查±15V、±10V和+24V是否正常。由给定电位器给出正给定，检测给定端子上的电压应当在0V～10V之间可调，然后将给定端子上的电压调为0V。

　　（2）切断控制电源及主电源，恢复电机电枢回路接线，接通励磁电源、主电源，缓慢调节给定电位器，电机开始旋转。注意此处的电位器就是速度的控制信号给定，手动操作只需要调节这个10K的电阻就可以实现电机速度变化。自动时，可以不用这个电位器，利用单片机的DA转换功能直接给出0V-10V的速度控制电压信号就可以了，这个就是单片机调速的接口。

　　（3）检查反馈极性及电机的旋转方向：若反馈极性相反，交换反馈信号两线接头；若电机的旋转方向相反，交换电机电枢的两接线及反馈信号两线接头。

　　（4）调整给定电压，使电机转速缓慢上升到额定值。此时的给定电压应为10V，否则调整电位器，使系统满足；当给定10V时，转速达到额定值。

　　4 电动机的功率计算

　　靶车带动靶运动要抵抗外力，包括风力、车体重、摩擦力等，还要有加速度，考虑这些因素，根据项目提出的速度要求，首先计算出拖动力，然后计算出电动机的功率和电流，再根据电动机的功率和电流选择发电机的型号。按给定，靶车重量为500kg，靶车速度要求是7km／h-25.5km／h或1.94m／s-6.94m／s，靶车行进的摩擦系数取0.1，靶车行进的加速度为2m／s ，通过这些已知条件可以计算出推动力，式（1）是推动力的计算式，进而计算出功率，式（2）列出了功率的计算式。

　　F=ma+mkv+500×2+500×0.1×6.94=1347N （1）

　　Pm=FV=1347×6.94=9348.18W （2）

　　功率是额定功率的1.5倍，所以理想的额定功率为6.23kW。而由于发电机过载能力较小，实际选定的额定功率是5.5kW。此时的负载时电机过载系数稍大，但可以满足要求。

　　5 电压反馈

　　在本系统的调速电路中，使用测速反馈和电枢电压反馈的区别主要有2点：其一是调速比，采用直流测速电机反馈可以控制调速比在l：100，而使用电枢电压反馈却只可以达到1：50；其二，采用直流测速电机可以有0.3％的控制精度，而采用电枢电压反馈却只能做到2％。

　　如果为了宽范围、高精度的电机转速调节，那么采用直流测速电机反馈无疑是一个好的方案，但如果对调速范围和转速精度要求不是非常严格的情况下，采用电枢电压反馈将是一个简单、方便的措施。在本设计中，为了省却测速电机，并节约系统空间和减轻重量，采用了简单易用的电枢电压反馈。考虑到正、反转的要求，根据2个接触器切换设计的反馈接线图如图2。接触器1在主拖动电机正转时接入速度反馈电压；接触器2在主拖动电机反转时接入速度反馈电压。

　　反馈是通过改变晶闸管导通角的大小，调节输出电压。将给定电压与反馈电压比较，差值决定导通角大小，差值大，导通角大；差值小，导通角小。

　　6 阻容吸收回路及电动机能耗制动回路

　　直流电动机一般都加阻容吸收回路。如果不加保护措施，当电路分断时感应电压会在接触器的触头问产生火花，损害触头，使触头不能可靠吸合。直流电动机就是将直流电能转换成机械能的电机。直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。

　　为了电动机快速停转，必须给电动机并联一个大功率的电阻，当电机停转瞬间，电阻接入电机回路，电机线圈释放反电势，电阻加以消耗，从而起到能耗制动的作用。电动机能耗制动和阻容

　　保护电路的接线原理图如图3所示。

　　7 结论

　　从测试结果看，这种直流电机驱动系统具有驱动平稳、测速精度高等优点。靶车的无级调速通过可控硅直流调速器实现，实际使用中，曾因使用不当，导致调速器损坏。通过设置相应合适的保护电路，合理设置了过电流报警和保护以后，经反复试验，运行良好！