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1、电气传动数字控制系统,第三章 直流电动机调速系统的数字控制,第三章 直流电动机调速系统的数字控制,直流电动机电枢的PWM调压调速原理直流电动机的不可逆PWM系统直流电动机可逆PWM系统基于PWM控制的小功率位置伺服系统,直流电机的优点：是最早出现的电机，也是最早实现调速的电机，控制方法也在不断的改进中，使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制的方法成为主流。 直流电动机电枢的PWM调压调速原理,直流电动机的转速控制方法可分为两类:对励磁磁通进行控制的励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢控制法。其中励磁控制法在低速时受磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大，
2、动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。现在，大多数应用场合都使用电枢控制法。本章我们要介绍的就是在励磁恒定不变的情况下，如何通过调节电枢电压来实现调速。,直流电动机电枢的PWM调压调速原理,绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，实现调速。 下图为利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制的原理图和输入输出电压波形。,4,图3-1 PWM调速控制原理和电压波形图,直流电动机电枢的PWM调压调速原理,利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制的原理图和输入输出电压波形如图3-1所示。在图(a)中，当开关管MOSFET
3、的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压Us。t1时间后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。 t2时间后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样，对应着输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图3-1(b)所示。电动机的电枢绕组两端的电压平均值U0为:,直流电动机电枢的PWM调压调速原理,占空比 表示了在一个周期 里，开关管导通的时间与周期的比值 的变化范围为 ，由上式 可知，当电源电压 不变的情况下，电枢的端电压的平均值 取决于占空比 的大小，改变 值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速原理。,占
4、空比； 。,直流电动机电枢的PWM调压调速原理,7,在PWM调速时，占空比是一个重要参数。以下3种方法都可以改变占空比的值。(1)定宽调频法 这种方法是保持t1不变，只改变t2，这样使周期T(或频率)也随之改变。(2)调宽调频法 这种方法是保持t2不变，而改变t1，这样使周期T(或频率)也随之改变。(3)定频调宽法 这种方法是使周期T(或频率)保持不变，而同时改变t1，和t2 。,直流电动机电枢的PWM调压调速原理,常用方法,1)分立电子元件组成的PWM信号发生器 这种方法是用分立的逻辑电子元件组成PWM信号电路。它是最早期的方式，现在已被淘汰了。2)软件模拟法 利用单片机的一个I/O引脚，通
5、过软件对该引脚不断地输出高低电平来实现PWM波输出。这种方法要占用CPU大量时间，使单片机无法进行其他工作，因此也逐渐被淘汰。3)专用PWM集成电路 从PWM控制技术出现之日起，就有芯片制造商生产专用的PWM集成电路芯片。4)单片机的PWM口 新一代的单片机增加了许多功能，其中包括PWM功能。单片机通过初始化设置，使其能自动地发出PWM脉冲波。只有在改变占空比时才进行干预。,8,PWM控制信号的产生方法,常用方法,9,根据直流电动机的转矩(电流)与转速的关系，可以用左图来表示电动机运行的状态。从图3-2中可以看出，第1象限是电动机正转运行状态，第3象限是电动机反转状，第2和第4象限分别是电动机
6、正转和反转时制动运行状态。电动机能在几个象限上工作与控制方式和电路结构有关。如果电动机在4象限上都能运行，则说明电动机的控制系统功能较强。,图3-2 电动机4个象限运行,直流电动机4个象限运行,直流电动机的不可逆PWM系统,直流电动机PWM控制系统有可逆和不可逆系统之分。可逆系统是指电动机可以正反两个方向旋转;不可逆系统是指电动机只能单向旋转。 对于可逆系统，又可分为单极性驱动和双极性驱动两种方式。单极性驱动是指在一个PWM周期里，作用在电枢两端的脉冲电压是单一极性的;双极性驱动则是指在一个PWM周期里，作用在电枢两端的脉冲电压是正负交替的。,10,11,无制动的不可逆PWM系统,图3-1(a
7、)就是一个无制动的不可逆PWM系统。它的特点是结构非常简单。由于这种结构中电动机的电枢电流不能反向流动，因此它不能工作在制动状态，也就是它不能在第2、4象限工作，只能在第1或第3象限进行单象限工作。,图3-1,12,无制动的不可逆PWM系统,图3-1(a)所示的不可逆PWM系统中，电枢电流的波形如图3-3所示，它在每个PWM周期中是由两段指数曲线组成的。在PWM周期的。0t1区间，V1导通，电枢绕组与电源接通，电流按指数规律上升，同时，因电流增加而向电枢绕组电感蓄能；在PWM周期的t1t2区间，V1截止，电源断开，电枢绕组电感通过二极管D释放能量，使绕组中继续有电流按下降指数规律流动。因此，也
8、称二极管D为续流二极管。,图3-1,图3-3,13,无制动的不可逆PWM系统,图3-3表示在PWM控制方式中，直流电动机电枢电压波形为脉冲方式，电流波形为连续的波浪方式，因此电流有波动。电流的波动将导致电动机输出转矩的波动。显然，采用提高PWM频率的方法可以大大减小电流波动，从而使转矩的波动减小。,图3-3 电枢电压和电枢电流,电流电压,电枢电压,14,无制动的不可逆PWM系统,图3-4是使用单片机控制的不可逆PWM系统。在这个系统中，通过单片机的PWM口产生PWM信号，来控制直流电动机的转速。在直流电动机的轴上，安装一个直流测速发电机，用来测量直流电动机的转速，并将测速信号通过单片机内部的A
9、DC进行AD转换。单片机通过软件将测速信号与给定转速进行比较，来决定加减速控制，从而形成一个直流电动机的闭环调速系统。,图3-4,15,无制动的不可逆PWM系统，由于电流不能反向流动，因此不能产生制动作用，其性能受影响。为了产生制动作用，必须增加一个开关管，为反向电流提供通路。图3-5就是按照这样的思路设计的有制动的不可逆PWM系统。 系统增加了一个开关管V2，只在制动时起作用，这样系统就能在2个象限上工作。,有制动的不可逆PWM系统,图3-5 有制动的不可逆PWM驱动系统,16,开关管V1、V2的PWM信号电平方向相反。在每个PWM周期的0t1区间，V1导通，V2截止，电流的路线和方向为图中
10、的虚线1，电动机工作在电动状态。在每个PWM周期的t1t2区间，V1截止，电源被切断，电枢绕组的自感电动势使电流经过续流二极管D2形成回路，如图中的虚线2。注意，此时虽然开关管V2的控制信号为高电平，由于续流二极管D2的钳位作用，使开关管V2截止，其电流波形如下页图3-6(a)所示。,图3-5 有制动的不可逆PWM驱动系统,有制动的不可逆PWM系统,图3-6 有制动的不可逆PWM系统电流波形,有制动的不可逆PWM系统,制动时，由于控制信号的PWM占空比不断减小，使电枢电压平均值U0小于电动机的反电动势，电枢中的电流反向流动，产生制动转矩。在每个PWM周期的0t1区间，电枢绕组的自感电动势与反电
11、动势之和大于电源电压，电流经过续流二极管D，将能量回馈给电源，电流的路线和方向为图3-5(b)中的虚线4，电动机工作在再生发电制动状态。 在每个PWM周期的t1 t2区间，V2在控制信号作用下导通，电流经过V2形成回路，电流的路线和方向为图3-5(b)中的虚线3，电动机处于耗能制动状态，制动时的电流波形如图3-6(b)所示。,有制动的不可逆PWM系统,轻载或空载时的电枢电流波形如图3-6(c)所示。当电动机轻载或空载时，电枢绕组中的电流很小。这时会出现电动和制动两种状态交替的现象，其过程为：在每个PWM周期的0t1区间，电流先是按虚线4所对应部分回路反向流动，电动机工作在再生发电制动状态；电流
12、经过零点后，电源电压开始大于反电动势，电流按虚线1所对应部分正向流动，电动机工作在电动状态。在每个PWM周期的t1 t2区间，由于V1截止，电流先是按虚线2所对应部分流动，电动机工作在续流电动状态；当续流降到零后，反电动势使V2导通，电流改变方向，沿虚线3所对应部分流动，电动机工作在耗能制动状态。,有制动的不可逆PWM系统,用单片机对有制动的不可逆PWM系统的开环控制电路如图3-7所示。图中采用反相器7406实现对开关管V2的控制。,图3-7 单片机控制的有制动的不可逆PWM系统,有制动的不可逆PWM系统,直流电动机双极性驱动可逆PWM系统,直流电动机常要求工作在正反转的场合，这时需要使用可逆
13、PWM系统。可逆PWM系统分为双极性驱动和单极性驱动，本节介绍双极性驱动可逆PWM系统。,直流电动机双极性驱动可逆PWM系统,直流电动机常要求工作在正反转的场合，这时需要使用可逆PWM系统。可逆PWM系统分为双极性驱动和单极性驱动，本节介绍双极性驱动可逆PWM系统。 双极性驱动是指在一个PWM周期里，电动机电枢的电压极性呈正负变化。双极性驱动电路有2种：T型和H型。H型双极性驱动应用较多。,直流电动机双极性驱动可逆PWM系统,图3-8 H型双极可逆PWM驱动系统,直流电动机双极性驱动可逆PWM系统,H型双极可逆PWM驱动系统如图3-8所示。它由4个开关管和4个续流二极管组成，单电源供电。4个开
14、关管分成两组，V1、V4为一组，V2、V3为另一组。同一组的开关管同步导通或关断，不同组的开关管的导通与关断正好相反。 在每个PWM周期里，当控制信号Ui1为高电平时，开关管V1、V4导通，此时Ui2为低电平，因此V2、V3截止，电枢绕组承受从A到B的正向电压；当控制信号Ui1为低电平时，开关管V1、V4截止，此时Ui2为高电平，因此V2、V3导通，电枢绕组承受从B到A的反向电压，这就是所谓的”双极”。,由于在一个PWM周期早电枢电压经历了正反两次变化，因此其平均电压Uo可由下式决定，即 由上式可见，双极性可逆PWM驱动时，电枢绕组所受的平均电压取决于占空比的大小。当 时，Uo=Us，电动机反
15、转，且转速最大；当 时，UoUs，电动机正转，转速最大；当 时，Uo0，电动机不转，虽然此时电动机不转，但电枢绕组中仍然有交变电流流动，使电动机产生高频振荡，这种振荡有利于克服电动机负载的静摩擦，提高动态性能。,直流电动机双极性驱动可逆PWM系统,图3-9 H型双极可逆PWM电流波形,直流电动机双极性驱动可逆PWM系统,图3-10 采用LMD18200的双极性驱动,直流电动机双极性驱动可逆PWM系统,直流电动机单极性驱动可逆PWM系统,双极性可逆系统虽然有低速运行平稳的优点，但也存在着电流波动大、功率损耗较大的缺点，尤其是必须增加死区来避免开关管直通的危险，限制了开关频率的提高，因此只用于中小
16、功率直流电动机的控制。可逆系统的另一种驱动方式是单极性驱动方式，在本节中将介绍这种方式。 单极性驱动方式是指在一个PWM周期内，电动机电枢只承受单极性的电压。 单极性驱动也有T型和H型之分，以H型应用得最多。,受限单极性驱动可逆PWM系统,受限单极可逆PWM驱动系统如图3-11所示，它与双极可逆系统的驱动电路相同，只是控制方式不同。 在要求电动机正转时，开关管V1受PWM控制信号控制，开关管V4施加高电平使其常开；开关管V2、V3施加低电平，使它们全都截止，如图3-11所示的状态。 在要求电动机反转时，开关管V3受PWM控制信号控制，开关管V2施加高电平使其常开；开关管Vl、V4施加低电平，使它们全都截止。,
