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1、第第8 8章章 PWM PWM直流脉宽调速系统直流脉宽调速系统8.1 8.1 直流脉宽调制电路的工作原理直流脉宽调制电路的工作原理8.2 8.2 脉宽调速系统的控制电路脉宽调速系统的控制电路8.3 PWM8.3 PWM直流调速装置的系统分析直流调速装置的系统分析8.4 8.4 由由PWMPWM集成芯片组成的直流脉宽调速系统实集成芯片组成的直流脉宽调速系统实例例WM直流脉宽调速系统8 81 11 1不可逆、无制动力不可逆、无制动力PWMPWM变换器变换器不可逆不可逆PWMPWM变换器就是直流斩波器，其原理如变换器就是直流斩波器，其原理如图图8282所示。它采所示。它采用了全控式的电力晶体管，开关
2、频率可达数十千赫。直流电压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U US S由由不可控整流电源提供，采用大电容滤波，二极管不可控整流电源提供，采用大电容滤波，二极管VDVD在晶体管在晶体管VTVT关断关断时为电枢回路提供释放电感储能的续流回路。时为电枢回路提供释放电感储能的续流回路。大功率晶体管大功率晶体管VTVT的基极由脉宽可调的脉冲电压的基极由脉宽可调的脉冲电压u ub b驱动，当驱动，当u ub b为正为正时，时，VTVT饱和导通，电源电压饱和导通，电源电压Us Us 通过通过VTVT的集电极回路加到电动机电枢的集电极回路加到电动机电枢两端；当两端；当u ub b为负时，
3、为负时，VTVT截止，电动机电枢两端无外加电压，电枢的截止，电动机电枢两端无外加电压，电枢的磁场能量经二极管磁场能量经二极管VDVD释放（续流）。电动机电枢两端得到的电压释放（续流）。电动机电枢两端得到的电压U UABAB为脉冲波，为脉冲波，8.1 8.1 直流脉宽调制电路的工作原理直流脉宽调制电路的工作原理下一页 返回WM直流脉宽调速系统其平均电压为其平均电压为 式中式中, , t tonon /T /T为一个周期为一个周期T T中，大功率晶体管导通时间的比中，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率，称为负载电压系数或占空比, , 的变化范围在的变化范围在0101之间。一般情
4、之间。一般情况下周期况下周期T T固定不变，当调节固定不变，当调节t tonon ，使，使t tonon 在在0T0T范围内变化时，则电范围内变化时，则电动机电枢端电压动机电枢端电压U Ud d在在0 U0 Us s 之间变化，而且始终为正，因此，电动之间变化，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。调宽法。图图8383所示为稳态时电动机电枢的脉冲端电压所示为稳态时电动机电枢的脉冲端电压u ud d、电枢电压平、电枢电压平均值均值U Ud d、电动机反电势、电动机反电势E E和电枢电流和
5、电枢电流i id d的波形。的波形。8.1 8.1 直流脉宽调制电路的工作原理直流脉宽调制电路的工作原理下一页 返回上一页WM直流脉宽调速系统由于晶体管开关频率较高，利用二极管由于晶体管开关频率较高，利用二极管VDVD的续流作用，电枢电的续流作用，电枢电流流I Id d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。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 81 12 2不可逆、有制动力不可逆、有制动力PWMPWM变换器变换器图图8 82 2所示的简单不
6、可逆电路中，电流所示的简单不可逆电路中，电流i id d不能反向，因此不能不能反向，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流一i id d的通路。因此应该设置控制反向通路的第二个功率晶体管，的通路。因此应该设置控制反向通路的第二个功率晶体管，如如图图8 84(a)4(a)所示。这种电路组成的所示。这种电路组成的PWMPWM传动系统可在一、二两个象传动系统可在一、二两个象限运行。限运行。8.1 8.1 直流脉宽调制电路的工作原理直流脉宽调制电路的工作原理下一页 返回上一页WM直流脉宽调速系统此时，功率晶体管
7、此时，功率晶体管 VT VT1 1、和、和VTVT2 2的驱动电压大小相等、方向相反，的驱动电压大小相等、方向相反，即即U UG1G1 U UG2G2 。当电机在电动状态下运行时，平均电压应为正值，。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。一个周期内分两段变化。在在0 t T0 t TONON 期间期间(T(TONON为为VTVT1 1导通时间导通时间) )，U UG1G1 为正，为正，VTVT1 1饱和导饱和导通；通；U UG2G2为负，为负，VTVT2 2截止。此时，电源电压截止。此时，电源电压U US S加到电枢两端，电流加到电枢两端，电流i id d沿沿图中的
8、回路图中的回路1 1流通。流通。在在T TONON t T t T期间，期间，U UG1G1、U UG2G2 都变极性，都变极性，VTVT1 1截止，但由于电截止，但由于电流流i i d d沿回路沿回路2 2经二极管经二极管VDVD2 2 续流。在续流。在VDVD2 2 两端产生的压降两端产生的压降( (其极性如其极性如图图8 84(a)4(a)所示所示) )给给VTVT2 2施加反压，施加反压，VTVT2 2并不导通。因此，实际上是并不导通。因此，实际上是VTVT1 1、VDVD2 2交替导通，交替导通，VTVT2 2而始终不通，而始终不通，8.1 8.1 直流脉宽调制电路的工作原理直流脉宽
9、调制电路的工作原理下一页 返回上一页WM直流脉宽调速系统其电压和电流波形如图其电压和电流波形如图8 84(b)4(b)所示，波形和图所示，波形和图8 83 3的情况一样。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，使如果在电动运行中要降低转速，则应该先减小控制电压，使U UG1G1的正脉冲变窄，负脉变宽，从而使平均电枢电压的正脉冲变窄，负脉变宽，从而使平均电枢电压U Ud d降低。但由于惯降低。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 E U Ud d的局面。这时的局面。这时VTVT2 2就在电机制
10、动中发挥作用。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。在现在分析处于制动状态的工作情况。在T TONONtTtT期间，期间，U UG2G2变正，变正，VTVT2 2导通，产生的反向电流导通，产生的反向电流i id d沿回路沿回路3 3通过通过VT2VT2流通，产生能耗制动，流通，产生能耗制动，直到直到t tT T为止。在为止。在TtTTtTT TONON（也就是（也就是0tT0tTONON）期间，）期间，VTVT2 2截止，截止，i id d沿回路沿回路4 4通过通过VDVD1 1续流，对电源回馈制动，续流，对电源回馈制动，8.1 8.1 直流脉宽调制电路的工作原理直流脉宽调制
11、电路的工作原理下一页 返回上一页WM直流脉宽调速系统同时在同时在VDVD1 1上的压降使上的压降使VTVT1 1不能导通。在制动过程中不能导通。在制动过程中VTVT2 2和和VDVD1 1轮流轮流导通，而导通，而VTVT1 1始终截止，电压和电流波形如图始终截止，电压和电流波形如图8 84(c)4(c)所示。反向电所示。反向电流的制动作用使电机转速下降，直到新的稳态。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，只能向滤波电容动阶段电能不可能通过它回送电网，只
12、能向滤波电容C C充电，从而造充电，从而造成瞬间的电压升高，称成瞬间的电压升高，称“泵升电压泵升电压”。如果回馈能量大，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。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 8.1 直流脉宽调制电路的工作原理直流脉宽调制电路的工作原理下一页 返回上一页WM直流脉宽调速系统8 81 13 3可逆可逆PWMPWM变换器变换器为了克服不可逆变换器的缺点，提高调速范围，使电动机在四为了克服不可逆变换器的缺点，提高调速范围，使电动机在四个象限中运行，可采用可逆个象限中运行，可采用可逆PWMPWM变
13、换器。可逆变换器。可逆PWMPWM变换器在控制方式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。上可分双极式、单极式和受限单极式三种。1.1.双极式双极式PWMPWM变换器变换器双极式双极式PWMPWM变换器主电路的结构形式有变换器主电路的结构形式有H H型和型和T T型两种，我们主要型两种，我们主要讨论常用讨论常用H H型变换器。如型变换器。如图图8585所示，双极式所示，双极式H H型型PWMPWM变换器由四个晶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体管和四个二极管组成，其连接形状如同字母H H，因此称为，因此称为“H“H型型”PWM”PWM变换器。它实际上是两组不
14、可逆变换器。它实际上是两组不可逆PWMPWM变换器电路的组合。变换器电路的组合。8.1 8.1 直流脉宽调制电路的工作原理直流脉宽调制电路的工作原理下一页 返回上一页WM直流脉宽调速系统“H“H型型”可逆输出的可逆输出的PWMPWM脉宽调制电路，根据输出电压波形的极脉宽调制电路，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，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，如图如图8585所示，区别只是四个晶体管基极驱动信号的极性不同。所示，区别只是四个晶体管基极驱动信号的极性不同。在图在图8585所示的电路中，四个晶体管的基极驱动电压分为两组，所示
15、的电路中，四个晶体管的基极驱动电压分为两组，VTVT1 1 和和VTVT4 4 同时导通和关断，其驱动电压同时导通和关断，其驱动电压u ub1b1 u ub4b4；VTVT2 2 和和VTVT3 3同时导同时导通和关断，其驱动电压通和关断，其驱动电压u ub2b2 u ub3b3u ub1b1，它们的波形如，它们的波形如图图8 86 6所示。所示。在一个周期内，当在一个周期内，当0tt0ttonon 时，时，u ub1b1和和u ub4b4 为正，晶体管为正，晶体管VT1 VT1 和和VTVT4 4饱和导通；而饱和导通；而u ub2b2和和u ub3b3为负，为负，VTVT2 2和和VTVT3
16、 3截止。这时，电动机电枢截止。这时，电动机电枢ABAB两端电压两端电压u uABAB=+U=+US S，8.1 8.1 直流脉宽调制电路的工作原理直流脉宽调制电路的工作原理下一页 返回上一页WM直流脉宽调速系统电枢电流电枢电流i id d从电源从电源USUS的正极的正极VTVT1 1电动机电枢电动机电枢 VT VT4 4到电源到电源U US S的负极。的负极。当当ton tTton tT时，时，u ub1b1和和u ub4b4变负，变负，VTVT1 1和和VTVT4 4截止；截止；u ub2b2和和u ub3b3变正，变正，但但VTVT2 2和和VTVT3 3并不能立即导通，因为在电动机电枢
17、电感向电源并不能立即导通，因为在电动机电枢电感向电源U US S 释放释放能量的作用下，电流能量的作用下，电流i id d沿回路沿回路2 2经经VDVD2 2和和VDVD3 3形成续流，在形成续流，在VDVD2 2和和VDVD3 3上的上的压降使压降使VTVT2 2 和和VTVT3 3 的集电极的集电极发射极间承受反压，当发射极间承受反压，当i id d过零后，过零后，VTVT2 2和和VTVT3 3导通，导通，i id d反向增加，到反向增加，到t tT T时时idid达到反向最大值，这期间电枢达到反向最大值，这期间电枢ABAB两端电压两端电压u uABABU US S。由于电枢两端电压由于
18、电枢两端电压u uABAB 的正负变化，使得电枢电流波形根据负载的正负变化，使得电枢电流波形根据负载大小分为两种情况。大小分为两种情况。8.1 8.1 直流脉宽调制电路的工作原理直流脉宽调制电路的工作原理下一页 返回上一页WM直流脉宽调速系统当负载电流较大时，电流当负载电流较大时，电流idid的波形如的波形如 图图8 8一一6 6中的中的id1id1，由于平，由于平均负载电流大，在续流阶段均负载电流大，在续流阶段( tontT) ( tontT) 电流仍维持正方向，电动机电流仍维持正方向，电动机工作在正向电动状态；当负载电流较小时，电流工作在正向电动状态；当负载电流较小时，电流idid的波形如
19、图的波形如图8 8一一6 6中的中的id2id2，由于平均负载电流小，在续流阶段，电流很快衰减到零，由于平均负载电流小，在续流阶段，电流很快衰减到零，于是于是VT2VT2和和VT3VT3的的C C一一E E极间反向电压消失，极间反向电压消失，VT2 VT2 和和VT3VT3导通，电枢电流导通，电枢电流反向，反向，idid从电源从电源USUS正极正极VT2VT2电动机电枢电动机电枢 VT3 VT3电源电源US US 负极，负极，电动机处在制动状态。同理，在电动机处在制动状态。同理，在0tT0tT期间，电流也有一次倒向。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，即在由于在一个
20、周期内，电枢两端电压正负相间，即在0tt0ttonon期间期间为为US US ，在，在t tonontTtT/2T/2），），则电枢两端平均电压为正，电动机正转；当正脉冲较窄时则电枢两端平均电压为正，电动机正转；当正脉冲较窄时（t tononT/2T/2） ，电枢两端平均电压为负，电动机反转；如果正负脉冲，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（电压宽度相等（t tononT/2T/2） ，平均电压为零，则电动机停止。此时，平均电压为零，则电动机停止。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
21、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。死区。8.1 8.1 直流脉宽调制电路的工作原理直流脉宽调制电路的工作原理下一页 返回上一页WM直流脉宽调速系统双极式可逆双极式可逆P
22、WMPWM变换器电枢平均端电压可用公式表示为变换器电枢平均端电压可用公式表示为 以以 =U =Ud d/U/US S来定义来定义PWMPWM电压的占空比，则与电压的占空比，则与t tonon的关系为的关系为 调速时，调速时， 的变化范围变成的变化范围变成 1 1 1 1 。当。当 为正值时，电为正值时，电动机正转；当动机正转；当 为负值时，电动机反转；当为负值时，电动机反转；当 0 0 时，电动机停时，电动机停止。止。双极式双极式PWMPWM变换器的优点是：电流连续，可使电动机在四个象限变换器的优点是：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，低速时中运
23、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，每个晶体管的驱动脉冲仍较宽，8.1 8.1 直流脉宽调制电路的工作原理直流脉宽调制电路的工作原理下一页 返回上一页WM直流脉宽调速系统有利于晶体管的可靠导通，平稳性好，调速范围大。有利于晶体管的可靠导通，平稳性好，调速范围大。双极式双极式PWMPWM变换器的缺点是：在工作过程中，四个大功率晶体管变换器的缺点是：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。故，降低了系统的可靠性。为了防止双极
24、式为了防止双极式PWMPWM变换器的上、下两管同时导通，可在一管关变换器的上、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。断和另一管导通的驱动脉冲之间，设置逻辑延时环节。2 2单极式单极式PWMPWM变换器变换器单极式单极式PWMPWM变换器的电路和双极式变换器的电路和双极式PWMPWM变换器的电路一样，只是变换器的电路一样，只是驱动脉冲信号不一样。在单极式驱动脉冲信号不一样。在单极式PWMPWM变换器中，四个晶体管基极的驱变换器中，四个晶体管基极的驱动电压是：左边两管动电压是：左边两管VTVT1 1 和和VTVT2 2 的驱动脉冲的驱动脉冲u ub1b1u ub
25、2b2，8.1 8.1 直流脉宽调制电路的工作原理直流脉宽调制电路的工作原理下一页 返回上一页WM直流脉宽调速系统具有与双极式一样的正负交替的脉冲波形；使具有与双极式一样的正负交替的脉冲波形；使VTVT1 1和和VTVT2 2交替导通。交替导通。右边两管右边两管VTVT3 3 和和VTVT4 4的驱动脉冲与双极性时不同，改成因电动机的转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。向不同而施加不同的直流控制信号。如果电动机正转，就使如果电动机正转，就使u ub3b3恒为负，恒为负，u ub4b4恒为正，使恒为正，使VT3 VT3 截止，截止，VTVT4 4饱和导通，
26、饱和导通，VTVT1 1和和VTVT2 2仍工作在交替开关状态。这样，在仍工作在交替开关状态。这样，在0tt0ttonon期期间，电动机电枢两端电压间，电动机电枢两端电压u uABAB =U =US S，而在，而在t tonontTtT期间，期间，u uABAB=0=0。在一。在一个周期内电动机电枢两端电压个周期内电动机电枢两端电压u uABAB总是大于零的，所以称为单极式总是大于零的，所以称为单极式PWMPWM变换器。电动机正转时的电压电流波形如变换器。电动机正转时的电压电流波形如图图8 87 7所示。所示。如果希望电动机反转，就使如果希望电动机反转，就使u ub3b3恒为正，恒为正，u u
27、b4b4恒为负，使恒为负，使VTVT3 3饱和导饱和导通，通，VTVT4 4截止，截止，VTVT1 1和和VTVT2 2仍工作在交替开关状态。仍工作在交替开关状态。8.1 8.1 直流脉宽调制电路的工作原理直流脉宽调制电路的工作原理下一页 返回上一页WM直流脉宽调速系统这样，在这样，在0tt0ttonon期间，电动机电枢两端电压期间，电动机电枢两端电压u uABAB=0 =0 ；而在；而在t tonontTt0 0 时时U UC C的作用和的作用和U Up p相减，经运算放大器倒相后，输出相减，经运算放大器倒相后，输出脉冲电压脉冲电压 U Upwpw的正半波变窄，负半波变宽，如的正半波变窄，负
28、半波变宽，如图图8 89 9（b b）所示。）所示。当当 U UC C00时，时，U UC C的作用和的作用和U Up p相加，则情况相反，输出脉冲电相加，则情况相反，输出脉冲电压压U Upwpw的正半波增宽，负半波变窄，如的正半波增宽，负半波变窄，如图图8 89 9（c c）所示。所示。8.2 8.2 脉宽调速系统的控制电路脉宽调速系统的控制电路下一页 返回上一页WM直流脉宽调速系统这样，通过改变控制电压这样，通过改变控制电压U UC C 的极性，也就改变了双极式的极性，也就改变了双极式PWMPWM变变换器输出平均电压的极性，因而可改变电动机的转向。通过改变控换器输出平均电压的极性，因而可改
29、变电动机的转向。通过改变控制电压制电压U UC C 的大小，则就能改变输出脉冲电压的宽度，从而改变电动的大小，则就能改变输出脉冲电压的宽度，从而改变电动机的转速。机的转速。8 82 22 2逻辑延时电路逻辑延时电路在可逆在可逆PWMPWM变换器中，由于晶体管的关断过程中有一段存储时间变换器中，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，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
30、生这种情况，在系统中设置从而导致电源正负极短路。为了避免发生这种情况，在系统中设置了由了由RCRC电路构成的逻辑延时电路电路构成的逻辑延时电路DLDDLD，8.2 8.2 脉宽调速系统的控制电路脉宽调速系统的控制电路下一页 返回上一页WM直流脉宽调速系统保证在对一个管发出关闭脉冲后，延时一段时间后再发出对另保证在对一个管发出关闭脉冲后，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，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。延时时间只要大于晶体管的存储时间就可以了。8 82 23 3基极驱动电路和保护电
31、路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。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，
32、大功率晶体管损坏了，8.2 8.2 脉宽调速系统的控制电路脉宽调速系统的控制电路下一页 返回上一页WM直流脉宽调速系统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。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（现在，有专门的驱动保护集成电路，如法国汤姆逊（THOMSONTHOMSON）公司）公司生产的生产的UAA4002UAA4002芯片，可以实现对功率晶体管的最优基极驱动，同时芯片，可以实现对功率晶体管的最优基极驱动
33、，同时实现对开关晶体管的非集中保护。实现对开关晶体管的非集中保护。UAA4002UAA4002芯片的原理框图如芯片的原理框图如 图图8 81010所示。所示。8.2 8.2 脉宽调速系统的控制电路脉宽调速系统的控制电路返回上一页WM直流脉宽调速系统8 83 31 1总体结构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，对直流脉宽调速系统，我们也将以双闭用双闭环控制系统，因此，对直流脉宽调速系统，我们也将以双闭环为例予以介绍。环为例予以介绍。直流脉宽调速系统的原理如直流脉宽调速系统的原理如图图8 811
34、11所示，由主电路和控制电路所示，由主电路和控制电路两部分组成，采用转速、电流双闭环控制方案，转速调节器和电流两部分组成，采用转速、电流双闭环控制方案，转速调节器和电流调节器均为调节器均为PIPI调节器，转速反馈信号由直流测速发电机调节器，转速反馈信号由直流测速发电机TGTG得到，电得到，电流反馈信号由霍尔电流变换器得到，这部分的工作原理与双闭环直流反馈信号由霍尔电流变换器得到，这部分的工作原理与双闭环直流调速系统相同。流调速系统相同。8.3 PWM8.3 PWM直流调速装置的系统分析直流调速装置的系统分析下一页 返回WM直流脉宽调速系统主电路采用主电路采用PWMPWM变换器，主要由脉宽调制变
35、换器变换器，主要由脉宽调制变换器UPWUPW、调制波发、调制波发生器生器GMGM、逻辑延时电路、逻辑延时电路DLDDLD和电力晶体管基极驱动器和电力晶体管基极驱动器CDCD组成，其中关组成，其中关键的部件是脉宽调制变换器。键的部件是脉宽调制变换器。8 83 32 2PWMPWM脉宽调制变换器的传递函数脉宽调制变换器的传递函数根据脉宽调制变换器的工作原理，当控制电压根据脉宽调制变换器的工作原理，当控制电压U Uctct改变时，改变时，PWMPWM变变换器的输出电压要到下一个周期才改变，它的延时最大不超过一个换器的输出电压要到下一个周期才改变，它的延时最大不超过一个开关周期开关周期T T。由于在脉
36、宽调速系统中，。由于在脉宽调速系统中，PWMPWM变换器的开关频率较高，变换器的开关频率较高，因此常将因此常将PWMPWM变换器的滞后环节看作一阶惯性环节，于是其动态模型变换器的滞后环节看作一阶惯性环节，于是其动态模型可用一阶惯性环节和一个纯比例环节的串联来描述，可用一阶惯性环节和一个纯比例环节的串联来描述，8.3 PWM8.3 PWM直流调速装置的系统分析直流调速装置的系统分析下一页 返回上一页WM直流脉宽调速系统其传递函数为其传递函数为 式中式中 为变换器放大系数为变换器放大系数 U Ud d为为PWMPWM变换器的输出电压变换器的输出电压 U Uctct为为PWMPWM变换器的控制电压变
37、换器的控制电压8 83 33 3系统分析系统分析由图由图8 811 11 可知，这是一个典型的转速、电流双闭环控制方案，可知，这是一个典型的转速、电流双闭环控制方案，这部分的工作原理与晶闸管双闭环直流调速系统相同，读者可参，这部分的工作原理与晶闸管双闭环直流调速系统相同，读者可参照分析其电流环及转速环，并得到相应的数学模型，在此不再赘述。照分析其电流环及转速环，并得到相应的数学模型，在此不再赘述。8.3 PWM8.3 PWM直流调速装置的系统分析直流调速装置的系统分析返回上一页WM直流脉宽调速系统PWMPWM控制系统经过十多年的发展，国外在控制系统经过十多年的发展，国外在19801980年左右
38、开始进入控年左右开始进入控制电路集成化阶段。市场出售的单片集成制电路集成化阶段。市场出售的单片集成PWMPWM控制电路的产品较多，控制电路的产品较多，例如美国例如美国Silicon generalSilicon general公司用于电机控制的新型公司用于电机控制的新型SGl73ISGl73I型型PWMPWM集集成电路，成电路，SG1635SG1635半桥驱动器，日本三菱半桥驱动器，日本三菱(MITSUBISHl)(MITSUBISHl)电气公司的晶电气公司的晶体管驱动模块体管驱动模块M 57215LM 57215L混合集成电路等。混合集成电路等。下面简要介绍一种由下面简要介绍一种由SGl73
39、1SGl731型型PWMPWM集成电路构成的集成电路构成的PWMPWM速度伺服速度伺服系统。系统。8 84 41 1SG1731SG1731芯片简介芯片简介SG1731SG1731是美国是美国 Silicon General Silicon General 公司针对直流电动机公司针对直流电动机PWMPWM控制控制而设计的单片而设计的单片ICIC，也可用于液压，也可用于液压PWMPWM控制。控制。8.4 8.4 由由PWMPWM集成芯片组成的直流脉宽集成芯片组成的直流脉宽调速系统实例调速系统实例下一页 返回WM直流脉宽调速系统该芯片可以实现两个象限的脉宽调制，内置三角波发生器、误该芯片可以实现两
40、个象限的脉宽调制，内置三角波发生器、误差运算放大器、比较器及桥式功放电路等。其原理是把一个直流电差运算放大器、比较器及桥式功放电路等。其原理是把一个直流电压与三角波叠加形成脉宽调制方波，加到桥式功放电路上输出。其压与三角波叠加形成脉宽调制方波，加到桥式功放电路上输出。其PWMPWM比较器外部可编程，其输出电路为带有续流二极管的全桥图腾柱比较器外部可编程，其输出电路为带有续流二极管的全桥图腾柱（Totem PoleTotem Pole，推挽电路），可提供，推挽电路），可提供100mA100mA、32V32V的驱动能力。支持的驱动能力。支持单、双电源。单、双电源。SG1731SG1731的管脚排列
41、和内部结构如的管脚排列和内部结构如图图8 81212所示。所示。SG1731SG1731管脚的基本功能如下：管脚的基本功能如下：1616脚和脚和9 9脚接电源脚接电源UUS S（3.53.515V15V），用于芯片的控制电），用于芯片的控制电路。路。8.4 8.4 由由PWMPWM集成芯片组成的直流脉宽集成芯片组成的直流脉宽调速系统实例调速系统实例下一页 返回上一页WM直流脉宽调速系统1414脚和脚和1111脚接电源脚接电源 U UO O（2.52.522V22V），用于桥式功放电），用于桥式功放电路。路。比较器比较器A A1 1、A A2 2，双向恒流源及外接电容，双向恒流源及外接电容C C
42、组成三角波发生器，组成三角波发生器，其振荡频率其振荡频率f f 由电容由电容C C和外供正负参考电压和外供正负参考电压 2u 2u+、2u2u（2 2脚和脚和7 7脚）脚）决定：决定： 式中：式中：u= 2uu= 2u+ 2u 2u 。 AA3 3为偏差放大器，为偏差放大器，3 3脚为正相输入端，脚为正相输入端，4 4脚为反相输入端，脚为反相输入端，5 5脚脚为输出端。为输出端。8.4 8.4 由由PWMPWM集成芯片组成的直流脉宽集成芯片组成的直流脉宽调速系统实例调速系统实例下一页 返回上一页WM直流脉宽调速系统AA4 4、A A5 5为比较器，外加电压为比较器，外加电压U UT T 、U
43、UT T 为正负门槛电压。为正负门槛电压。1515脚为关断控制端，当该输入端为低电平时，封锁输出信号。脚为关断控制端，当该输入端为低电平时，封锁输出信号。1010脚为芯片片基，脚为芯片片基，6 6脚外接电容后接地。脚外接电容后接地。8 84 42. 2. 由由SG1731SG1731组成的直流调速系统组成的直流调速系统如如图图8 81313所示为所示为SG1731SG1731组成的直流调速系统。组成的直流调速系统。SG1731SG1731的的1212脚、脚、1313脚可输出脚可输出 100mA 100mA的电流，图中电流调节器由的电流，图中电流调节器由SG1731SG1731偏差放大器偏差放大
44、器外接外接RCRC构成构成PIPI调节器。系统工作原理与双闭环直流调速系统类似，调节器。系统工作原理与双闭环直流调速系统类似，可自行参考有关资料进行分析。可自行参考有关资料进行分析。8.4 8.4 由由PWMPWM集成芯片组成的直流脉宽集成芯片组成的直流脉宽调速系统实例调速系统实例返回上一页WM直流脉宽调速系统图图82不可逆不可逆PWM变换器电路原理变换器电路原理图图返回WM直流脉宽调速系统 图图83 电压和电流波形图电压和电流波形图 返回WM直流脉宽调速系统 图图 84 有制动能力的有制动能力的PWM系统系统 返回WM直流脉宽调速系统 图图85 双极式双极式H型型PWM变换器原变换器原理图理
45、图 返回WM直流脉宽调速系统图图86 双极式双极式PWM变换器电压电变换器电压电流波形图流波形图 返回WM直流脉宽调速系统 图图87 单极式单极式PWM变换器电压电变换器电压电流波形图流波形图 返回WM直流脉宽调速系统图图88 锯齿波脉宽调制器原理图锯齿波脉宽调制器原理图返回WM直流脉宽调速系统 图图89锯齿波脉宽调制器波形图锯齿波脉宽调制器波形图 返回WM直流脉宽调速系统 图图810 UAA4002原理框图原理框图 返回WM直流脉宽调速系统图图811 直流脉宽调速系统原理图直流脉宽调速系统原理图返回WM直流脉宽调速系统图图812 SG1731的管脚排列和内的管脚排列和内部结构原理图部结构原理图返回（a）管脚排列 （b）内部结构原理图WM直流脉宽调速系统 图图813 SG1731组成的组成的PWM直直流调速系统流调速系统 返回WM直流脉宽调速系统
