《8第八章PWM直流脉宽调速系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《8第八章PWM直流脉宽调速系统（42页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第8章 PWM直流脉宽调速系统 8 1 直流脉宽调制电路的工作原理 8 2 脉宽调速系统的控制电路 8 3 PWM直流调速装置的系统分析 8 4 由PWM集成芯片组成的直流脉宽调速系统实 例 8 1 1 不可逆 无制动力PWM变换器 不可逆PWM变换器就是直流斩波器 其原理如图8 2所示 它采 用了全控式的电力晶体管 开关频率可达数十千赫 直流电压US由 不可控整流电源提供 采用大电容滤波 二极管VD在晶体管VT关断 时为电枢回路提供释放电感储能的续流回路 大功率晶体管VT的基极由脉宽可调的脉冲电压ub驱动 当ub为正 时 VT饱和导通 电源电压Us 通过VT的集电极回路加到电动机电枢 两端
2、当ub为负时 VT截止 电动机电枢两端无外加电压 电枢的 磁场能量经二极管VD释放 续流 电动机电枢两端得到的电压UAB 为脉冲波 8 1 直流脉宽调制电路的工作原理 下一页 返回 其平均电压为 式中 ton T为一个周期T中 大功率晶体管导通时间的比 率 称为负载电压系数或占空比 的变化范围在0 1之间 一般情 况下周期T固定不变 当调节ton 使ton 在0 T范围内变化时 则电 动机电枢端电压Ud在0 Us 之间变化 而且始终为正 因此 电动 机只能单方向旋转 为不可逆调速系统 这种调节方法也称为定频 调宽法 图8 3所示为稳态时电动机电枢的脉冲端电压ud 电枢电压平 均值Ud 电动机反
3、电势E和电枢电流id的波形 8 1 直流脉宽调制电路的工作原理 下一页 返回上一页 由于晶体管开关频率较高 利用二极管VD的续流作用 电枢电 流Id是连续的 而且脉动幅值不是很大 对转速和反电势的影响都 很小 为突出主要问题 可忽略不计 即认为转速和反电势为恒值 8 1 2 不可逆 有制动力PWM变换器 图8 2所示的简单不可逆电路中 电流id不能反向 因此不能 产生制动作用 只能作单象限运行 需要制动时 必须具有反向电 流一id的通路 因此应该设置控制反向通路的第二个功率晶体管 如图8 4 a 所示 这种电路组成的PWM传动系统可在一 二两个象 限运行 8 1 直流脉宽调制电路的工作原理 下
4、一页 返回上一页 此时 功率晶体管 VT1 和VT2的驱动电压大小相等 方向相反 即UG1 UG2 当电机在电动状态下运行时 平均电压应为正 值 一个周期内分两段变化 在0 t TON 期间 TON为VT1导通时间 UG1 为正 VT1饱和导 通 UG2为负 VT2截止 此时 电源电压US加到电枢两端 电流id沿 图中的回路1流通 在TON t T期间 UG1 UG2 都变极性 VT1截止 但由于电 流i d沿回路2经二极管VD2 续流 在VD2 两端产生的压降 其极性如 图8 4 a 所示 给VT2施加反压 VT2并不导通 因此 实际上是VT1 VD2交替导通 VT2而始终不通 8 1 直流
5、脉宽调制电路的工作原理 下一页 返回上一页 其电压和电流波形如图8 4 b 所示 波形和图8 3的情况一样 如果在电动运行中要降低转速 则应该先减小控制电压 使UG1 的正脉冲变窄 负脉变宽 从而使平均电枢电压Ud降低 但由于惯 性的作用 转速和反电动势还来不及立即变化 造成反电动势E Ud的局面 这时VT2就在电机制动中发挥作用 现在分析处于制动状态的工作情况 在TON t T期间 UG2变正 VT2导通 产生的反向电流 id沿回路3通过VT2流通 产生能耗制 动 直到t T为止 在T t T TON 也就是0 t TON 期间 VT2 截止 id沿回路4通过VD1续流 对电源回馈制动 8
6、1 直流脉宽调制电路的工作原理 下一页 返回上一页 同时在VD1上的压降使VT1不能导通 在制动过程中VT2和VD1轮流 导通 而VT1始终截止 电压和电流波形如图8 4 c 所示 反向电 流的制动作用使电机转速下降 直到新的稳态 最后应该指出 当直流电源采用半导体整流装置时 在回馈制 动阶段电能不可能通过它回送电网 只能向滤波电容C充电 从而造 成瞬间的电压升高 称 泵升电压 如果回馈能量大 泵升电压 太高 将危及功率开关器件和整流二极管 必须采取措施加以限制 8 1 直流脉宽调制电路的工作原理 下一页 返回上一页 8 1 3 可逆PWM变换器 为了克服不可逆变换器的缺点 提高调速范围 使电
7、动机在四 个象限中运行 可采用可逆PWM变换器 可逆PWM变换器在控制方式 上可分双极式 单极式和受限单极式三种 1 双极式PWM变换器 双极式PWM变换器主电路的结构形式有H型和T型两种 我们主要 讨论常用H型变换器 如图8 5所示 双极式H型PWM变换器由四个晶 体管和四个二极管组成 其连接形状如同字母H 因此称为 H型 PWM变换器 它实际上是两组不可逆PWM变换器电路的组合 8 1 直流脉宽调制电路的工作原理 下一页 返回上一页 H型 可逆输出的PWM脉宽调制电路 根据输出电压波形的极 性可分为双极式和单极式两种方式 它们的电路连接形式是一样的 如图8 5所示 区别只是四个晶体管基极驱
8、动信号的极性不同 在图8 5所示的电路中 四个晶体管的基极驱动电压分为两组 VT1 和VT4 同时导通和关断 其驱动电压ub1 ub4 VT2 和VT3同时 导通和关断 其驱动电压ub2 ub3 ub1 它们的波形如图8 6所 示 在一个周期内 当0 t ton 时 ub1和ub4 为正 晶体管VT1 和 VT4饱和导通 而ub2和ub3为负 VT2和VT3截止 这时 电动机电枢AB 两端电压uAB US 8 1 直流脉宽调制电路的工作原理 下一页 返回上一页 电枢电流id从电源US的正极 VT1 电动机电枢 VT4 到电源 US的负极 当ton t T时 ub1和ub4变负 VT1和VT4截
9、止 ub2和ub3变正 但VT2和VT3并不能立即导通 因为在电动机电枢电感向电源US 释放 能量的作用下 电流id沿回路2经VD2和VD3形成续流 在VD2和VD3上的 压降使VT2 和VT3 的集电极 发射极间承受反压 当id过零后 VT2 和VT3导通 id反向增加 到t T时id达到反向最大值 这期间电枢 AB两端电压uAB US 由于电枢两端电压uAB 的正负变化 使得电枢电流波形根据负载 大小分为两种情况 8 1 直流脉宽调制电路的工作原理 下一页 返回上一页 当负载电流较大时 电流id的波形如 图8一6中的id1 由于平 均负载电流大 在续流阶段 ton t T 电流仍维持正方向
10、 电动机 工作在正向电动状态 当负载电流较小时 电流id的波形如图8一6 中的id2 由于平均负载电流小 在续流阶段 电流很快衰减到零 于是VT2和VT3的C一E极间反向电压消失 VT2 和VT3导通 电枢电流 反向 id从电源US正极 VT2 电动机电枢 VT3 电源US 负极 电动机处在制动状态 同理 在0 t T期间 电流也有一次倒向 由于在一个周期内 电枢两端电压正负相间 即在0 t ton期间 为 US 在ton tT 2 则电枢两端平均电压为正 电动机正转 当正脉冲较窄时 ton T 2 电枢两端平均电压为负 电动机反转 如果正负脉冲电压宽度 相等 ton T 2 平均电压为零 则
11、电动机停止 此时电动机的 停止与四个晶体管都不导通时的停止是有区别的 四个晶体管都不 导通时的停止是真正的停止 平均电压为零时的电动机停止 电动 机虽然不动 但电动机电枢两端瞬时电压值和瞬时电流值都不为零 而是交变的 电流平均值为零 不产生平均力矩 但电动机带有 高频微振 因此能克服静摩擦阻力 消除正反向的静摩擦死区 8 1 直流脉宽调制电路的工作原理 下一页 返回上一页 双极式可逆PWM变换器电枢平均端电压可用公式表示为 以 Ud US来定义PWM电压的占空比 则与ton的关系为 调速时 的变化范围变成 1 1 当 为正值时 电 动机正转 当 为负值时 电动机反转 当 0 时 电动机停 止
12、双极式PWM变换器的优点是 电流连续 可使电动机在四个象限 中运行 电动机停止时 有微振电流 能消除静摩擦死区 低速时 每个晶体管的驱动脉冲仍较宽 8 1 直流脉宽调制电路的工作原理 下一页 返回上一页 有利于晶体管的可靠导通 平稳性好 调速范围大 双极式PWM变换器的缺点是 在工作过程中 四个大功率晶体管 都处于开关状态 开关损耗大 且容易发生上下两管同时导通的事 故 降低了系统的可靠性 为了防止双极式PWM变换器的上 下两管同时导通 可在一管关 断和另一管导通的驱动脉冲之间 设置逻辑延时环节 2 单极式PWM变换器 单极式PWM变换器的电路和双极式PWM变换器的电路一样 只是 驱动脉冲信号
13、不一样 在单极式PWM变换器中 四个晶体管基极的驱 动电压是 左边两管VT1 和VT2 的驱动脉冲ub1 ub2 8 1 直流脉宽调制电路的工作原理 下一页 返回上一页 具有与双极式一样的正负交替的脉冲波形 使VT1和VT2交替导通 右边两管VT3 和VT4的驱动脉冲与双极性时不同 改成因电动机的 转向不同而施加不同的直流控制信号 如果电动机正转 就使ub3恒为负 ub4恒为正 使VT3 截止 VT4 饱和导通 VT1和VT2仍工作在交替开关状态 这样 在0 t ton期 间 电动机电枢两端电压uAB US 而在ton t T期间 uAB 0 在一 个周期内电动机电枢两端电压uAB总是大于零的
14、 所以称为单极式PWM 变换器 电动机正转时的电压电流波形如图8 7所示 如果希望电动机反转 就使ub3恒为正 ub4恒为负 使VT3饱和导 通 VT4截止 VT1和VT2仍工作在交替开关状态 8 1 直流脉宽调制电路的工作原理 下一页 返回上一页 这样 在0 t ton期间 电动机电枢两端电压uAB 0 而在 ton t0 时 UC的作用和 Up相减 经运算放大器倒相后 输出 脉冲电压 Upw的正半波变窄 负半波变宽 如图8 9 b 所示 当 UC 0时 UC的作用和 Up相加 则情况相反 输出脉冲电 压Upw的正半波增宽 负半波变窄 如图8 9 c 所示 8 2 脉宽调速系统的控制电路 下
15、一页 返回上一页 这样 通过改变控制电压UC 的极性 也就改变了双极式PWM变 换器输出平均电压的极性 因而可改变电动机的转向 通过改变控 制电压UC 的大小 则就能改变输出脉冲电压的宽度 从而改变电动 机的转速 8 2 2 逻辑延时电路 在可逆PWM变换器中 由于晶体管的关断过程中有一段存储时间 和电流下降时间 总称关断时间 在这段时间内晶体管并未完全关 断 如果在此期间另一个晶体管已经导通 则将造成上下两管直通 从而导致电源正负极短路 为了避免发生这种情况 在系统中设 置了由RC电路构成的逻辑延时电路DLD 8 2 脉宽调速系统的控制电路 下一页 返回上一页 保证在对一个管发出关闭脉冲后
16、延时一段时间后再发出对另 一个管子的开通脉冲 由于晶体管导通时也存在开通时间 所以 延时时间只要大于晶体管的存储时间就可以了 8 2 3 基极驱动电路和保护电路 脉宽调制器输出的脉冲信号一般功率较小 不能用来直接驱动 主电路的晶体管 必须经过基极驱动电路的功率放大 以确保晶体 管在开通时能迅速达到饱和导通 关断时能迅速截止 基极驱动电 路的每个开关过程包含三个阶段 即开通 饱和导通和关断 在采用大功率晶体管的电机拖动电路中 电源容量很大 如果 大功率晶体管损坏了 8 2 脉宽调速系统的控制电路 下一页 返回上一页 就有可能在基极回路中流过很大的电流 为了防止晶体管故障 时损害基极电路 晶体管的驱动电路必须要有快速自动保护功能 现在 有专门的驱动保护集成电路 如法国汤姆逊 THOMSON 公司 生产的UAA4002芯片 可以实现对功率晶体管的最优基极驱动 同时 实现对开关晶体管的非集中保护 UAA4002芯片的原理框图如 图8 10所示 8 2 脉宽调速系统的控制电路 返回上一页 8 3 1 总体结构 对直流调速系统而言 一般动 静态性能较好的调速系统都采 用双闭环控制系统 因此 对直流
