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1、电气传动数字控制系统电气传动数字控制系统第三章第三章 直流电动机调速系统的数字控制直流电动机调速系统的数字控制第三章第三章 直流电动机调速系统的数字控制直流电动机调速系统的数字控制直流电动机电枢的直流电动机电枢的PWM调压调速原理调压调速原理直流电动机的不可逆直流电动机的不可逆PWM系统系统直流电动机可逆直流电动机可逆PWM系统系统基于基于PWM控制的小功率控制的小功率位置伺服系统位置伺服系统 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
2、进行脉宽调制的方法成为主流。控型的开关功率元件进行脉宽调制的方法成为主流。 直流电动机电枢的直流电动机电枢的PWMPWM调压调速原理调压调速原理 直直流流电电动动机机的的转转速速控控制制方方法法可可分分为为两两类类: :对对励励磁磁磁磁通通进进行行控控制制的的励励磁磁控控制制法法和和对对电电枢枢电电压压进进行行控控制制的的电电枢枢控控制制法法。其其中中励励磁磁控控制制法法在在低低速速时时受受磁磁极极饱饱和和的的限限制制，在在高高速速时时受受换换向向火火花花和和换换向向器器结结构构强强度度的的限限制制，并并且且励励磁磁线线圈圈电电感感较较大大，动动态态响响应应较较差差，所所以以这这种种控控制制方
3、方法法用用得得很很少少。现现在在，大大多多数数应应用用场场合合都都使使用用电电枢枢控控制制法法。本本章章我我们们要要介介绍绍的的就就是是在在励励磁磁恒定不变的情况下，如何通过调节电枢电压来实现调速。恒定不变的情况下，如何通过调节电枢电压来实现调速。直流电动机电枢的直流电动机电枢的PWM调压调速调压调速原理原理 绝大多数直流电动机采用绝大多数直流电动机采用开关驱动方式开关驱动方式。开关驱动方。开关驱动方式是使式是使半导体功率器件工作在开关状态半导体功率器件工作在开关状态，通过，通过脉宽调制脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，实现调速。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
4、进行下图为利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制的调速控制的原理图和输入输出电压波形。原理图和输入输出电压波形。4图图3-1 PWM调速控制原理和电压波形图调速控制原理和电压波形图直流电动机电枢的直流电动机电枢的PWM调压调速调压调速原理原理利用开关管对直流电动机进行利用开关管对直流电动机进行PWMPWM调速控制的原理图和输调速控制的原理图和输入输出电压波形如图入输出电压波形如图3-13-1所示。在图所示。在图(a)(a)中，当开关管中，当开关管MOSFETMOSFET的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机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电枢绕组两端有电压Us
5、Us。t t1 1时间后，栅极输入变为低电时间后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0 0。 t t2 2时间后，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组两端的电压波形如图3-1(b)3-1(b)所示。电动机的电枢绕组所示。电动机的电枢绕组两端的电压平均值两端的电压平均值U U0 0为为: :占空比；占空比； 。直流电动机电枢的直流电动机电枢的PWM调压调速调压
6、调速原理原理 占空比占空比 表示了在一个周期表示了在一个周期 里，里，开关管导通的时间与周期的比值开关管导通的时间与周期的比值 的变化的变化范围为范围为 ，由上式，由上式 可知，可知，当电源当电源电压电压 不变的情况下，电枢的端电压的不变的情况下，电枢的端电压的平均值平均值 取决于占空比取决于占空比 的大小，改的大小，改变变 值就可以改变端电压的平均值，从值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是而达到调速的目的，这就是PWM调速原调速原理理。占空比；占空比； 。直流电动机电枢的直流电动机电枢的PWM调压调速原理调压调速原理7 在在PWMPWM调速时，占空比是一个重要参数。以下调速
7、时，占空比是一个重要参数。以下3 3种方法种方法都可以都可以改变占空比的值改变占空比的值。(1)(1)定宽调频法定宽调频法 这种方法是保持这种方法是保持t t1 1不变，只改变不变，只改变t t2 2，这样使周期，这样使周期T(T(或或频率频率) )也随之改变。也随之改变。(2)(2)调宽调频法调宽调频法 这种方法是保持这种方法是保持t t2 2不变，而改变不变，而改变t t1 1，这样使周期，这样使周期T(T(或或频率频率) )也随之改变。也随之改变。(3)(3)定定频调宽法频调宽法 这种方法是使周期这种方法是使周期T(T(或频率或频率) )保持不变，而同时改变保持不变，而同时改变t t1
8、1，和，和t t2 2 。直流电动机电枢的直流电动机电枢的PWM调压调速原理调压调速原理常用方法常用方法1)分立电子元件组成的分立电子元件组成的PWM信号发生器信号发生器 这种方法是用分立的逻辑电子元件组成这种方法是用分立的逻辑电子元件组成PWM信号电路。它是信号电路。它是最早期的方式，现在已被淘汰了。最早期的方式，现在已被淘汰了。2)软件模拟法软件模拟法 利用单片机的一个利用单片机的一个I/O引脚，通过软件对该引脚不断地输出引脚，通过软件对该引脚不断地输出高低电平来实现高低电平来实现PWM波输出。这种方法要占用波输出。这种方法要占用CPU大量时间，大量时间，使单片机无法进行其他工作，因此也逐
9、渐被淘汰。使单片机无法进行其他工作，因此也逐渐被淘汰。3)专用专用PWM集成电路集成电路 从从PWM控制技术出现之日起，就有芯片制造商生产专用的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。集成电路芯片。4)单片机的单片机的PWM口口 新一代的单片机增加了许多功能，其中包括新一代的单片机增加了许多功能，其中包括PWM功能。单功能。单片机通过初始化设置，使其能自动地发出片机通过初始化设置，使其能自动地发出PWM脉冲波。只有在脉冲波。只有在改变占空比时才进行干预。改变占空比时才进行干预。8PWM控制信号的产生方法控制信号的产生方法常用方法常用方法9 根据直流电动机的转矩根据直流电
10、动机的转矩(电电流流)与转速的关系，可以用左与转速的关系，可以用左图来表示电动机运行的状态。图来表示电动机运行的状态。从图从图3-2中可以看出，第中可以看出，第1象象限是电动机正转运行状态，限是电动机正转运行状态，第第3象限是电动机反转状，象限是电动机反转状，第第2和第和第4象限分别是电动机象限分别是电动机正转和反转时制动运行状态。正转和反转时制动运行状态。电动机能在几个象限上工作电动机能在几个象限上工作与控制方式和电路结构有关。与控制方式和电路结构有关。如果电动机在如果电动机在4象限上都能象限上都能运行，则说明电动机的控制运行，则说明电动机的控制系统功能较强。系统功能较强。图图3-2 电动机
11、电动机4个象限运行个象限运行直流电动机直流电动机4个象限运行个象限运行直流电动机的不可逆直流电动机的不可逆PWM系统系统 直流电动机直流电动机PWM控制系统有控制系统有可逆可逆和和不可逆不可逆系统之系统之分。可逆系统是指电动机可以正反两个方向旋转分。可逆系统是指电动机可以正反两个方向旋转;不可不可逆系统是指电动机只能单向旋转。逆系统是指电动机只能单向旋转。 对于可逆系统，又可分为对于可逆系统，又可分为单极性驱动单极性驱动和和双极性驱双极性驱动动两种方式。单极性驱动是指在一个两种方式。单极性驱动是指在一个PWM周期里，作周期里，作用在电枢两端的脉冲电压是单一极性的用在电枢两端的脉冲电压是单一极性
12、的;双极性驱动则双极性驱动则是指在一个是指在一个PWM周期里，作用在电枢两端的脉冲电压周期里，作用在电枢两端的脉冲电压是正负交替的。是正负交替的。1011无制动的不可逆无制动的不可逆PWM系统系统 图图3-1(a)3-1(a)就是一个无就是一个无制动的不可逆制动的不可逆PWMPWM系统。系统。它的特点是结构非常简单。它的特点是结构非常简单。由于这种结构中电动机的由于这种结构中电动机的电枢电流不能反向流动，电枢电流不能反向流动，因此它不能工作在制动状因此它不能工作在制动状态，也就是它不能在第态，也就是它不能在第2 2、4 4象限工作，只能在第象限工作，只能在第1 1或或第第3 3象限进行单象限工
13、作。象限进行单象限工作。 图图3-112无制动的不可逆无制动的不可逆PWM系统系统 图图3-1(a)3-1(a)所示的所示的不可逆不可逆PWMPWM系统系统中，中，电枢电流的波形电枢电流的波形如图如图3-3-3 3所示，它在每个所示，它在每个PWMPWM周期中是由两段指数曲线组成的。在周期中是由两段指数曲线组成的。在PWMPWM周周期的。期的。0 0t1区间，区间，V V1 1导通，电枢绕组与电源接通，电流按指数导通，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；在规律上升，同时，因电流增加而向电枢绕组电感蓄能；在PWMPWM周周期的期的t t1 1t t2 2
14、区间，区间，V1V1截止，电源断开，电枢绕组电感通过二极管截止，电源断开，电枢绕组电感通过二极管D 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，释放能量，使绕组中继续有电流按下降指数规律流动。因此，也称二极管也称二极管D D为续流二极管。为续流二极管。 图图3-1图图3-313无制动的不可逆无制动的不可逆PWM系统系统图图3-33-3表示在表示在PWMPWM控制方式控制方式中，中，直流电动机直流电动机电枢电电枢电压波形为脉冲方式压波形为脉冲方式，电流波电流波形为连续的波浪方式形为连续的波浪方式，因此，因此电流有波动。电流的波动将电流有波动。电流的波动将导致电动机输出转矩的波动。导致
15、电动机输出转矩的波动。显然，采用提高显然，采用提高PWMPWM频率的频率的方法可以大大减小电流波动，方法可以大大减小电流波动，从而使转矩的波动减小。从而使转矩的波动减小。 图图3-3 电枢电压和电枢电流电枢电压和电枢电流电流电压电流电压电枢电压电枢电压14无制动的不可逆无制动的不可逆PWM系统系统图图3-43-4是使用单片机控制的不可逆是使用单片机控制的不可逆PWMPWM系统系统。在这个系统中，通。在这个系统中，通过单片机的过单片机的PWMPWM口产生口产生PWMPWM信号，来控制直流电动机的转速。在信号，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，用来测量直流直流电动
16、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电动机的转速，并将测速信号通过单片机内部的ADCADC进行进行A AD D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。定加减速控制，从而形成一个直流电动机的闭环调速系统。图图3-415 无制动的不可逆无制动的不可逆PWM系统，由于电流不能反向系统，由于电流不能反向流动，因此不能产生制动流动，因此不能产生制动作用，其性能受影响。为作用，其性能受影响。为了产生制动作用，必须增了产生制动作用，必须增
17、加一个开关管，为反向电加一个开关管，为反向电流提供通路。图流提供通路。图3-5就是按就是按照这样的思路设计的有制照这样的思路设计的有制动的不可逆动的不可逆PWM系统。系统。 系统增加了一个开关管系统增加了一个开关管V2，只在制动时起作用，只在制动时起作用，这样系统就能在这样系统就能在2个象限上个象限上工作。工作。有制动的不可逆有制动的不可逆PWMPWM系统系统图图3-5 有制动的不可逆有制动的不可逆PWM驱动系统驱动系统16 开关管开关管V1、V2的的PWM信号电信号电平方向相反。在每个平方向相反。在每个PWM周期的周期的0t1区间，区间，V1导通，导通，V2截止，电流截止，电流的路线和方向为
18、图中的虚线的路线和方向为图中的虚线1，电动机工作在电动状态。在每个电动机工作在电动状态。在每个PWM周期的周期的t1t2区间，区间，V1截止，截止，电源被切断，电枢绕组的自感电动电源被切断，电枢绕组的自感电动势使电流经过续流二极管势使电流经过续流二极管D2形成回形成回路，如图中的虚线路，如图中的虚线2。注意，此时虽。注意，此时虽然开关管然开关管V2的控制信号为高电平，的控制信号为高电平，由于续流二极管由于续流二极管D2的钳位作用，使的钳位作用，使开关管开关管V2截止，其电流波形如截止，其电流波形如下页图下页图3-6(a)所示。所示。图图3-5 有制动的不可有制动的不可逆逆PWM驱动系统驱动系统
19、有制动的不可逆有制动的不可逆PWMPWM系统系统图图3-6 有制动的不可逆有制动的不可逆PWM系统电流波形系统电流波形有制动的不可逆有制动的不可逆PWM系统系统 制动时，由于控制信号的制动时，由于控制信号的PWM占空比不断减小，占空比不断减小，使电枢电压平均值使电枢电压平均值U0小于电动机的反电动势，电枢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。在每个中的电流反向流动，产生制动转矩。在每个PWM周周期的期的0t1区间，电枢绕组的自感电动势与反电动势区间，电枢绕组的自感电动势与反电动势之和大于电源电压，电流经过续流二极管之和大于电源电压，电流经过续流二极管D，将能量，将能量回馈给
20、电源，电流的路线和方向为图回馈给电源，电流的路线和方向为图3-5(b)中的虚线中的虚线4，电动机工作在再生发电制动状态。，电动机工作在再生发电制动状态。 在每个在每个PWM周期的周期的t1 t2区间，区间，V2在控制信号作在控制信号作用下导通，电流经过用下导通，电流经过V2形成回路，电流的路线和方形成回路，电流的路线和方向为图向为图3-5(b)中的虚线中的虚线3，电动机处于耗能制动状态，电动机处于耗能制动状态，制动时的电流波形如图制动时的电流波形如图3-6(b)所示。所示。有制动的不可逆有制动的不可逆PWM系统系统 轻载或空载时的电枢电流波形如图轻载或空载时的电枢电流波形如图3-6(c)所示。
21、当电动所示。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：在每个和制动两种状态交替的现象，其过程为：在每个PWM周期周期的的0t1区间，电流先是按虚线区间，电流先是按虚线4所对应部分回路反向流动，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；电流经过零点后，电源电电动机工作在再生发电制动状态；电流经过零点后，电源电压开始大于反电动势，电流按虚线压开始大于反电动势，电流按虚线1所对应部分正向流动，所对应部分正向流动，电动机工作在电动状态。在每个电动机工作在电动状态。在每个PWM周期的周期的
22、t1 t2区间，区间，由于由于V1截止，电流先是按虚线截止，电流先是按虚线2所对应部分流动，电动机工所对应部分流动，电动机工作在续流电动状态；当续流降到零后，反电动势使作在续流电动状态；当续流降到零后，反电动势使V2导通，导通，电流改变方向，沿虚线电流改变方向，沿虚线3所对应部分流动，电动机工作在耗所对应部分流动，电动机工作在耗能制动状态。能制动状态。有制动的有制动的不可逆不可逆PWM系统系统 用单片机对有制动的不可逆用单片机对有制动的不可逆PWM系统的开环控制电路如系统的开环控制电路如图图3-7所示。图中采用反相器所示。图中采用反相器7406实现对开关管实现对开关管V2的控制。的控制。图图3
23、-7 单片机控制的有制动的不可逆单片机控制的有制动的不可逆PWM系统系统有制动的不可逆有制动的不可逆PWM系统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，这时需要使用可逆使用可逆PWM系统。可逆系统。可逆PWM系统分为双极性驱动系统分为双极性驱动和单极性驱动，本节介绍和单极性驱动，本节介绍双极性驱动可逆双极性驱动可逆PWM系统系统。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，直流电动机常要求工作在正反转的场合，这时需要使用可逆这时需要使用可逆PWM系统。可逆系统。可逆PWM系统系统分为双极性
24、驱动和单极性驱动，本节介绍分为双极性驱动和单极性驱动，本节介绍双极双极性驱动可逆性驱动可逆PWM系统系统。 双极性驱动是指在一个双极性驱动是指在一个PWM周期里，电周期里，电动机电枢的电压极性呈正负变化。双极性驱动动机电枢的电压极性呈正负变化。双极性驱动电路有电路有2种：种：T型和型和H型。型。H型双极性驱动应用型双极性驱动应用较多。较多。直流电动机双极性驱动可逆PWM系统 图图3-8 H型双极可逆型双极可逆PWM驱动系统驱动系统直流电动机双极性驱动可逆PWM系统 H型双极可逆型双极可逆PWM驱动系统如图驱动系统如图3-8所示。所示。它由它由4个开关管和个开关管和4个续流二极管组成，单电源个续
25、流二极管组成，单电源供电。供电。4个开关管分成两组，个开关管分成两组，V1、V4为一组，为一组，V2、V3为另一组。同一组的开关管同步导通为另一组。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或关断，不同组的开关管的导通与关断正好相反。反。 在每个在每个PWM周期里，当控制信号周期里，当控制信号Ui1为高为高电平时，开关管电平时，开关管V1、V4导通，此时导通，此时Ui2为低电为低电平，因此平，因此V2、V3截止，电枢绕组承受从截止，电枢绕组承受从A到到B的正向电压；当控制信号的正向电压；当控制信号Ui1为低电平时，开为低电平时，开关管关管V1、V4截止，此时截止，此时Ui2
26、为高电平，因此为高电平，因此V2、V3导通，电枢绕组承受从导通，电枢绕组承受从B到到A的反向电压，的反向电压，这就是所谓的这就是所谓的”双极双极”。 由于在一个由于在一个PWM周期早电枢电压经历了正反两次变化，周期早电枢电压经历了正反两次变化，因此其平均电压因此其平均电压Uo可由下式决定，即可由下式决定，即 由上式可见，双极性可逆由上式可见，双极性可逆PWM驱动时，电枢绕组所受驱动时，电枢绕组所受的平均电压取决于占空比的大小。当的平均电压取决于占空比的大小。当 时，时，Uo=Us，电动机反转，且转速最大；当电动机反转，且转速最大；当 时，时，UoUs，电动机，电动机正转，转速最大；当正转，转速
27、最大；当 时，时，Uo0，电动机不转，虽，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，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。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 图图3-9 H型双极可逆型双极可逆PWM电流波形电流波形直流电动机双极性驱动可逆直流电动机双极性驱动可逆PWM系统系统 图图3-10 采用采用LMD18200的双极性驱动的双极性驱动直流电动机双极性驱动可逆直流电动机双极性驱动可逆PWM系统系统 直流电动机单极
28、性驱动可逆直流电动机单极性驱动可逆PWM系统系统 双极性可逆系统虽然有低速运行平稳的优点，但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，因此只用于中小功率直流电动机的控制。频率的提高，因此只用于中小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。节中将介绍这种方式。 单极性驱动方式单极性驱动方式是指在一个是指在一个PW
29、M周期内，电动机电周期内，电动机电枢只承受单极性的电压。枢只承受单极性的电压。 单极性驱动也有单极性驱动也有T型和型和H型之分，以型之分，以H型应用得最多。型应用得最多。受限单极性驱动可逆受限单极性驱动可逆PWM系统系统 受限单极可逆受限单极可逆PWM驱动系统如图驱动系统如图3-11所示，它与双极所示，它与双极可逆系统的驱动电路相同，只是控制方式不同。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，开关管在要求电动机正转时，开关管V1受受PWM控制信号控制，开控制信号控制，开关管关管V4施加高电平使其常开；开关管施加高电平使其常开；开关管V2、V3施加低电平，施加低电平，使它们
30、全都截止，如图使它们全都截止，如图3-11所示的状态。所示的状态。 在要求电动机反转时，开关管在要求电动机反转时，开关管V3受受PWM控制信号控制，控制信号控制，开关管开关管V2施加高电平使其常开；开关管施加高电平使其常开；开关管Vl、V4施加低电平，施加低电平，使它们全都截止。使它们全都截止。图图3-11 受限单极可受限单极可逆逆PWM驱动系统驱动系统图图3-12 受限单极可逆受限单极可逆PWM电流波形电流波形受限单极性驱动可逆受限单极性驱动可逆PWM系统系统图图3- 13 单片机控制受限单极性可逆单片机控制受限单极性可逆PWM系统原理图系统原理图受限单极性驱动可逆受限单极性驱动可逆PWM系统系统
