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1、第九章 连续信号控制电路 连续信号控制电路 n将交流信号连续变换成直流信号，或者 将直流信号连续变换成交流信号来达到 控制的目的，实现这种控制的电路称为 连续信号控制电路。 n在实际应用中，连续信号控制电路主要 是指直流电动机调速、交流电动机调速 和功率电源控制中的导电角控制电路、 脉宽调制控制电路、变频控制电路和电 源程控电路等。 第一节 导电角控制逆变器 第二节 脉宽调制（PWM）控制电路 n一、脉宽调制控制电路的工作原理 n二、典型脉宽调制电路 n三、PWM功率转换电路 n (一) 简单的不可逆PWM控制电路 n (二) 制动不可逆PWM控制电路 n (三) H型双极式可逆PWM控制电路
2、 n (四) T型双极式可逆PWM控制电路 n四、同步式与异步式脉宽调制控制电路 第一节 脉宽调制（PWM）控制电路 n一、脉宽调制控制电路的工作原理 n二、典型脉宽调制电路 n三、PWM功率转换电路 n四、同步式与异步式脉宽调制控制电路 一、脉宽调制控制电路的工作原理 + + N - R2 R3 RP R1 RL UP u0 uk Ub EC UL V VD 图9-8 PWM控制电路原理 图9-9 锯齿波脉宽调制波形图 a)b)c) ttt tt ttt O O O O O t O O O O TTT uPuPuP ub ubub uP+uk+u 0 uP+uk+u 0 uP+uk+u 0
3、式中 ukm控制信号uk的最大值。 图9-10 PWM控制负载的波形图 t t 2T 2TT TT+ T+ O O uL uL UL UL E E 二、典型脉宽调制电路 n脉宽（脉冲宽度）调制器是一个自动的电压-脉 宽变换器(亦称V/W电路)。对它的基本要求是 死区要小，调宽脉冲的前后沿的斜率要大，也 就是比较器的灵敏度要足够高。 n在设计脉宽调制器的实际电路时，应使其简单 、可靠，且不受外界干扰。比较器的灵敏度与 系统的控制模式、实际控制系统的具体要求等 有关，应综合考虑，否则在整个系统的线路处 理上会带来一定困难。同时还需考虑与功率转 换电路的耦合问题。 典型电路 n (一) 锯齿波脉宽调
4、制器 n (二)三角波脉宽调制器 n (三)数字式脉宽调制器 (一) 锯齿波脉宽调制器 5 1V 2 6 TR TH NE555 4 R 7 ct 8 V + N - + R1 Ec R2 R3 R4 R5 RP R7 R6 R8 R9 C1 C2 C3 u0 uk ub 图9-11 锯齿波脉冲宽度调制器 (二) 三角波脉宽调制器 + - N1 + N2 - + + R3 R1 R2 C RP R5 R6 R7 R9 R8 R10 R13 R11 R14 R12 R15 R16 R17 R18 VS1 VS2 VD1 VD2 b a V1 V2 V3 V4 V5 uk +Ec uo1 -Ec
5、uo2 uP R4 图9-12 三角波脉宽调制器电路 +1.2V -1.2V t t t t t tt t t O O O O O O O O O uo1uo1uo1 uo2uo2 uo2 uk-uPuk-uPuk-uP uk uk 图9-13 单极性脉宽调制器输出波形 a) uk=0 b) uk0 c) ukB n回路2 ub1为负 VD2导通ia:A-B n制动状态 n回路3 ub1为负 V2导通 ia :B-A n回路4 ub1为正 VD1导通 ia :B-A (三) H型双极式可逆PWM控制电路 n它由四个大功率晶体管和四个续流二极管组成 。四个大功率管分为两组，V1和V4为一组，V2
6、 和V3为另一组。在基极驱动信号ub1=ub4， ub2=ub3=-ub1的作用下，同一组中的两个晶体管 同时导通或同时关断，两组晶体管之间交替地 轮流导通和截止，其工作时的输出电压和电流 波形如图9-17b所示。 n 图中的1、2、3和4是指电流的回路。由于允 许电流反向，所以双极式工作时电枢电流始终 是连续的。 ub1,ub4 4 1 1 -E 2 2 1 1 t t t t t O O O O O ub2,ub3 T E ia uAB ia 3 ub2 ub4 4 M 2 V1 V3 V4 V2 VD3 VD2 VD1 VD4 ub1 ub3 E ia AB 13 （重载） （轻载） 4
7、 图9-17 H型双极式PWM控制电路及其波形 a） 电路原理图 b） 电压电流波形 (四) T型双极式可逆PWM控制电路 图9-18 T型双极式PWM控制电路 VD2 +E M 3 2 4 1 V2 V1 VD1 AB ub1 ub2 -E 四、同步式与异步式脉宽调制控制电路 n定义：调制控制中，若载波信号 为等腰三角波，基准信号采用正 弦波，则称为正弦波脉宽调制， 简称SPWM。 图9-19 单极性正弦波脉宽调制 a) b) UAB 倒相器 正弦波基准 信号振荡器 三角波 振荡器 半波整 流电路 比较器 V1 M 半波整 流电路 比较器 V2 V3 V4 E C AB uP uc-uc E
8、 -ucuc uP u O O -E t t n单极性: n指载波信号与基准信号始终保持同极性 的关系，即正弦波处于正半周时，载波 信号在正值范围内变化，产生正的调制 脉冲列。而正弦波处于负半周时，产生 负的调制脉冲列。 n采用正弦波调制后的输出电压脉冲UAB具 有以下特点：在半个周期内，两边的脉 冲宽度小，中间的脉冲宽度大，各脉冲 的宽度基本上按正弦分布。它比单极性 直流脉宽调制的输出电压波形更接近于 正弦。 n定义载波频率fp与调制波频率fk之比为载 波比N，即N=fp/fk。用三角波up幅值Upm 与正弦波uk幅值Ukm之比m=Upm/Ukm表示 调节脉冲宽度的能力，m愈大，uk幅值就
9、愈小，则等高不等宽脉冲宽度变窄，输 出电压减小。根据载波比的变化与否可 分为同步式调制控制与异步式调制控制 。 （一）同步式调制控制 n在同步式调制控制方式中，N为常数，即变频 时控制电路的三角载波频率与正弦调制波的频 率要同步变化，从而保持脉宽调制信号波形数 和相位不变。如果取N等于3的倍数，则同步 调制控制能保证逆变器输出波形的正、负半波 始终保持对称，对于三相逆变器能严格保证三 相输出波形间具有互差120的对称关系。 n但是，当输出频率很低时，由于相邻两脉冲间 的间距增大，谐波会显著增加，使负载电动机 产生较大的脉动转矩和较强的噪声，这是同步 式调制控制方式的主要缺点。 （二）异步式调制
10、控制 n 当三角载波信号频率一定时，若只改变 正弦波基准信号的频率，即让载波比N不 为常数，同样可以改变输出电压的频率 ，这样正、负半周的脉冲数和相位在不 同的输出频率下，就不完全对称，把这 种控制方式称为异步式脉宽调制控制方 式。 n由于正、负半周输出脉冲不对称，会出现偶次 的高次谐波，但是在低频输出时，每周内所包 含的脉冲数增多，相应地可减少负载电动机的 转矩脉动，改善了低频工作的特性。在改善低 频工作的同时，异步式调制不会失去同步式调 制的优点，即在半个周期内，各脉冲的宽度基 本上按正弦分布。 n但当载波比随着输出频率的降低而连续变化时 ，使逆变器输出电压的波形及其相位都发生变 化，很难
11、保持三相输出间的对称关系，因而引 起电动机工作的不平稳。 n 一、120导电角控制逆变器 n 二、180导电角控制逆变器 第二节 导电角控制逆变器 逆变是整流的逆变换，就是把直流电变成交流 电，常用于交流电动机的调速系统和不间断电 流装置中。在交流电动机的调速系统中，需要 用导电角控制电路来控制逆变器晶闸管或功率 晶体管的开关顺序和导通时间。 晶闸管或功率晶体管在一个变化周期中导通时 间对应的相位角称为导通角或导电角， 一、120导电角控制逆变器 M VD3 A B C EA C1A VD1VD5V5V3V1 V4VD4V6VD6V2VD2 图9-1 晶体管三相桥式逆变器 V1V6为大功率晶体
12、管 VD1VD6为续流二极管 b) a) 断通 断 通断 V1 断通 120 断 断 通 通 断通 通 通 断 断 断 通 断 断 断 通 通 t t t t t t t t t O O O O O O O O V4 V3 V6 V5 V2 240480360600 O UC UB UA -E/2 E/2 E/2 E/2 -E/2 -E/2 c) t t t E/2 O O O UA-B UC-A UB-C E E E -E -E/2 -E -E/2 E/2 -E -E/2 E/2 图9-2 120导通型逆变器输出电压波形 a) 晶体管开关V1V6的通断状态 b) 输出相电压 c) 输出线电压
13、 图9-3 120导电角控制电路原理图 Ub5Ub4Ub1Ub3Ub2Ub6 DDQ S D1 DQQD S D2 S D3 DQ D4 S QDQ R D5 R D6 光电耦合驱动电路 START LD Ub 1 1 111100011110001111 111001110011100111 二、180导电角控制逆变器 图9-4 晶闸管三相桥式逆变器 V10V4 V7V1VD1 V12V6VD6V8V2VD2 M V3V9VD3V11V5VD5 E IA IC CA LA A LB CB B LC CC C1 VD4 C n180导通型逆变器正常工作的必要条件是可靠 地换流。即每一相上、下桥
14、臂主晶闸管交换导 通时，必须经过短暂的全关断状态，以避免上 、下两个主晶闸管同时导通的情况。根据180 导通型开关状态的工作顺序，让微处理机通过 一个并口周期输出开关状态值，驱动晶闸管导 通或关断，即可让逆变器工作。 n由于逆变器的输入是直流，一般晶闸管不能通 过控制门极电压将它关断换流，因此必须采用 强迫换流的方法。 图9-5 180 导通 型逆 变器 输出 电压 波形 a) b) 断 21345 通 断 断通 通 断 5 断 通 通 7810911 通 断 断 1122 34 t t t t t t t t t O O O O O O O O O V1 V4 V6 V3 V2 V5 6 U
15、A UB UC -E/3 E/3 -E/3 -E/3 E/3 E/3 2E/3 2E/3 2E/3 -2E/3 -2E/3 断 通 通 断通 通 -2E/3 t O UA-BE -E c) t t O O UC-A UB-CE -E -E E 图9-7 换流过程波形图 iVD1, Im 相负载电流 A ic iV1 iV1 IAiVD4 t t t t3 t3 t3 t4 t4t2 t2 t1 t1 t0 t0 iVD1 ic IA Im-IA IA O O O 第一节 导电角控制逆变器 第二节 脉宽调制（PWM）控制电路 n一、脉宽调制控制电路的工作原理 n二、典型脉宽调制电路 n三、PWM功率转换电路 n (一) 简单的不可逆PWM控制电路 n (二) 制动不可逆PWM控制电路 n (三) H型双极式可逆PWM控制电路 n (四) T型双极式可逆PWM控制电路 n四、同步式与异步式脉宽调制控制电路 将变压与变频分开完成，即在把交流电整流为直流电 的同时改变直流电压的幅值，而后将直流电压逆变 为交流电时改变交流电频率的变压变频控制方式称 为PAM调速。 将变压与变频集中于逆变器一起完成，即交流电整流 为直流电时电压恒定，然后由逆变器既完成变频又 完成变压的
