第4章-直流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng)

Spring2011華南理工大學第四章

直流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng)Spring2011華南理工大學2本章內(nèi)容提要預備知識；PWM變換器的工作原理

；PWM調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)機械特性

；脈寬調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成；PWM功率變換器的設計

。Spring2011華南理工大學3本節(jié)內(nèi)容提要：直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)的歷史背景直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理幾種直流斬波電路幾種典型PWM變換器4.0預備知識

Spring2011華南理工大學4直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)的歷史背景20世紀70年代以前，以晶閘管為基礎組成的相控整流裝置是運動控制系統(tǒng)直流傳動中主要使用的變流裝置，但由于晶閘管屬于半控型器件，使其構(gòu)成的V－M系統(tǒng)的性能受到一定的限制；20世紀70年代以后，隨著電力電子技術的發(fā)展，出現(xiàn)了全控型器件－－門極可關斷晶閘管（GTO）、電力場效應晶體管（Power－MOSFET）、絕緣柵極雙極晶體管（IGBT）；直流電機控制領域向高精度方向發(fā)展；PWM驅(qū)動裝置在中小功率場合，有著晶閘管驅(qū)動裝置無法比擬的優(yōu)點，例如：調(diào)速范圍寬、快速性好、電流波形系數(shù)好、功率因數(shù)好等。Spring2011華南理工大學5直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)

直流斬波器－－電動機系統(tǒng)原理圖和電壓波形直流斬波電路（DCChopper）將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。也稱為直流--直流變換器（DC/DCConverter）。Spring2011華南理工大學62.斬波器的基本工作原理

在原理圖中，VT表示電力電子開關器件，VD表示續(xù)流二極管。當VT導通時，直流電源電壓Us加到電動機上；當VT關斷時，直流電源與電機脫開，電動機電樞電流經(jīng)VD續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復，電樞端電壓波形如圖，好像是電源電壓Us在ton時間內(nèi)被接上，又在T–ton時間內(nèi)被斬斷，故稱“斬波”。Spring2011華南理工大學73.輸出電壓計算電動機得到的平均電壓為：Spring2011華南理工大學8一.降壓斬波電路

(BuckChopper)電路結(jié)構(gòu)典型用途之一是拖動直流電動機，也可帶蓄電池負載。全控型器件若為晶閘管，須有輔助關斷電路。續(xù)流二極管負載出現(xiàn)的反電動勢Spring2011華南理工大學9降壓斬波電路工作原理c)

電流斷續(xù)時的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)電流連續(xù)時的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa)

電路圖圖3-1

降壓斬波電路得原理圖及波形t=0時刻驅(qū)動V導通，電源E向負載供電，負載電壓uo=E，負載電流io按指數(shù)曲線上升。t=t1時控制V關斷，二極管VD續(xù)流，負載電壓uo近似為零，負載電流呈指數(shù)曲線下降。通常串接較大電感L使負載電流連續(xù)且脈動小。Spring2011華南理工大學10二.升壓斬波電路(BoostChopper)電路結(jié)構(gòu)保持輸出電壓儲存電能Spring2011華南理工大學11假設L和C值很大。V處于通態(tài)時，電源E向電感L充電，電流恒定i1，電容C向負載R供電，輸出電壓Uo恒定。V處于斷態(tài)時，電源E和電感L同時向電容C充電，并向負載提供能量。0iGE0ioI1圖3-2升壓斬波電路及工組波形a)

電路圖b)

波形升壓斬波電路工作原理Spring2011華南理工大學12設V通態(tài)的時間為ton，此階段L上積蓄的能量設V斷態(tài)的時間為toff，則此期間電感L釋放能量穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中L積蓄能量與釋放能量相等

T/toff>1，輸出電壓高于電源電壓，故為升壓斬波電路。

電壓升高得原因：電感L儲能使電壓泵升的作用電容C可將輸出電壓保持住升壓斬波電路工作原理Spring2011華南理工大學13升壓斬波電路在直流電動機傳動應用ttTEiOOb)a)i1i2I10I20I10tontofftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20uo圖3-3用于直流電動機回饋能量的升壓斬波電路及其波形

a）電路圖b）電流連續(xù)時c）電流斷續(xù)時再生制動時把電能回饋給直流電源。電動機電樞電流連續(xù)和斷續(xù)兩種工作狀態(tài)。直流電源的電壓基本是恒定的，不必并聯(lián)電容器。Spring2011華南理工大學14PWM變換器的作用采用簡單的單管控制時，稱作直流斬波器，后來逐漸發(fā)展成采用各種脈沖寬度調(diào)制開關的電路---脈寬調(diào)制變換器（PWM－－PulseWidthModulation）。PWM變換器的作用是：用PWM調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。Spring2011華南理工大學15脈寬調(diào)制變換器PWM變換器分類不可逆可逆有制動作用不可逆PWM變換器無制動作用不可逆PWM變換器雙極式可逆PWM變換器單極式可逆PWM變換器受限單極式可逆PWM變換器Spring2011華南理工大學16本節(jié)內(nèi)容提要：不可逆PWM變換器

可逆PWM變換器

電樞電流脈動量

4.1PWM變換器的工作原理

Spring2011華南理工大學174.1.1不可逆PWM變換器

簡單的不可逆PWM變換器的主電路原理圖及工作波形如圖4-1所示。主電路由絕緣柵晶體管（IGBT）VT和二極管VD組成，電源由不可控整流器供電。變換器的負載為直流電動機的電樞，它可看成電阻-電感-反電動勢負載，如圖4-2所示。二極管VD在功率管VT關斷時為電樞回路提供釋放電感儲能的續(xù)流回路。Spring2011華南理工大學18

圖4－1不可逆直流PWM變換器

（1）無制動作用的不可逆直流PWM變換器Spring2011華南理工大學19圖4-1中功率管VT的柵極由頻率不變而寬度可調(diào)的脈沖電壓驅(qū)動。在一個開關周期T內(nèi)，當0≤t＜時，為正值，VT飽和導通，電源電壓通過VT加到電動機電樞兩端，，流過電樞的電流為；當≤t＜時，變?yōu)樨撝?，VT截止，電樞失去電源，V，電樞電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，電流為。Spring2011華南理工大學20

圖4－1不可逆直流PWM變換器工作狀態(tài)與波形Spring2011華南理工大學21

電動機電樞可得到的平均電壓為:其中\(zhòng)tao脈沖寬度，T為開關周期，為脈沖寬度占空比，改變\pho(0≤\pho≤1)即可改變加到電樞兩端電壓，從而實現(xiàn)電動機的調(diào)速。相關方程Spring2011華南理工大學22

由于VT在一個周期內(nèi)具有開通和關斷兩種狀態(tài)，電路電壓的平衡式也分為兩個階段。在0≤t＜期間

（4-2）在≤t＜期間

（4-3）

Spring2011華南理工大學23式中R和L為電樞電路的電阻和電感，E為電動機反電動勢。圖4-1（b）給出了穩(wěn)態(tài)時電樞的脈沖電壓，電樞平均電壓和電樞電流的波形，穩(wěn)態(tài)電流是脈動的。由于開關頻率較高，電流脈動的幅值不會很大，而影響到轉(zhuǎn)速n和反動勢E的波動就更小，所以可視n和E為恒值。Spring2011華南理工大學24圖4-1（a）所示的簡單不可逆電路中，電流不能反向流動，因此不能產(chǎn)生制動作用，電動機只能作單象限運行。需要制動時，必須具有反向電流－的通路，因此必須設置控制反向電流的第二個通路，如圖4-3（a）所示，和交替開關，使電動機能在第一、二兩個象限中運行。Spring2011華南理工大學25圖4－3（a）原理圖（2）具有制動作用的不可逆直流PWM變換器Spring2011華南理工大學26

和的驅(qū)動電壓大小相等，相位相反，即。當電動機在電動狀態(tài)下運行時，平均電流應為正值，一個周期內(nèi)分兩段變化。在0≤t＜期間，為正，飽和導通；為負，截止，此期間，電源電壓加到電樞兩端，電流經(jīng)沿回路1流通。在 ≤t＜期間，和都改變極性，截止，但由于電流經(jīng)沿回路2續(xù)流，兩端的壓降給施加反向電壓，使它不可能導通。因此，實際上是、交替導通，而始終不通。其電壓和電流波形如圖4-3（b）所示，此期間還沒有被用上，所以電壓、電流波形都和圖4-1情況完全一樣。Spring2011華南理工大學27b)電動狀態(tài)的電壓、電流波形Spring2011華南理工大學28如果在電動機運行中要降低轉(zhuǎn)速，則先要減小控制電壓，使正脈變窄，負脈沖變寬，從而使平均電樞電壓降低，但由于慣性的作用，轉(zhuǎn)速n和反電動勢E還來不及立即變化，造成E＞的局面。這時希望VT2能在電動機制動中發(fā)揮作用?，F(xiàn)在先分析≤t＜這一階段，由于變正，導通，E-產(chǎn)生的反向電流沿回路3經(jīng)流通，產(chǎn)生能耗制動，直到t=時為止。在≤t＜期間，截止，沿回路4通過續(xù)流，對電源回饋制動，同時在上的壓降使受反偏壓，而不能通。在整個制動過程中，、交替導通，而始終截止，電壓和電流波形示于圖4-3（c）。反向電流的制動作用電動機轉(zhuǎn)速下降，直到新的穩(wěn)態(tài)。最后應指出，當直流電源采用二極管構(gòu)成的整流裝置，在回饋制動階段電能不能通過它送回電網(wǎng)時，只能向濾波電容器C充電，造成瞬間電壓升高，稱作“泵升電壓”。如果回饋能量過大，泵升電壓過高，將危及功率開關器件及整流二極管，須采取措施加以限制。Spring2011華南理工大學29c）制動狀態(tài)的電壓、電流波形

Spring2011華南理工大學30有一種特殊情況，在輕載電動狀態(tài)中，由于負載電流較小，以致當關斷后id的續(xù)流時間短，很快衰減到零，如附圖4.1所示?！陂g的時刻，此時兩端電壓也降為零而截止，使得以導通，反電動勢E產(chǎn)生沿回路3流過的反向電流，產(chǎn)生短時的能耗制動作用。到了t=時，VT2關斷，又開始沿回路4經(jīng)續(xù)流，直到t=時衰減到零，才開始導通。這種狀態(tài)下，一個開關周期內(nèi)、、、四個管子輪流導通，電流波形圖示于附圖3-3d。。Spring2011華南理工大學31(3）輕載電動狀態(tài)附圖4.1：輕載電動狀態(tài)原理圖Spring2011華南理工大學32Spring2011華南理工大學33Spring2011華南理工大學344.1.2可逆PWM變換器

可逆PWM變換器主電路的結(jié)構(gòu)型式有H型、T型等類型。這里主要討論常用的H型電路。它是由四個IGBT功率管和四個續(xù)流二極管組成的橋式電路，如圖4-4所示，H型變換器在控制方式上分雙極式、單極式和受限單極式幾種工作制，下面分析它們的工作過程。Spring2011華南理工大學35Spring2011華南理工大學36雙極式可逆變換器單極式可逆PWM變換器受限單極式可逆PWM變換器4.1.2內(nèi)容提要Spring2011華南理工大學374.1.2.1雙極式可逆變換器

雙極式工作制的特點是，四個功率開關管的控制極的驅(qū)動電壓分為兩組，圖4-4中的和為一組同時導通和關斷，其驅(qū)動電壓；和為另一組同時導通和關斷，，波形示于圖4-5。Spring2011華南理工大學38圖4－5雙機式PWM變換器電壓電流波形在一個開關周期內(nèi)，當0≤t＜時，和為正，和飽和導通；而和為負，和截止。這時加到電樞AB兩端，UAB=，電樞電流沿回1流通。當≤t＜時，變負，和截止；變正，但和不能立即導通，因為此時電樞電感釋放儲能，使沿回路2經(jīng)續(xù)流，上的壓降使的C-E極兩端承受著反向電壓，UAB=。電樞兩端電壓UAB在一個周期內(nèi)正負相間變化，這是雙極式工作制的特征，電壓和電流波形示于圖4-5。Spring2011華南理工大學39由于電壓的正負變化，使電流波形呈現(xiàn)出兩種狀態(tài)，如圖4-5中的id1和id2。id1相當于電動機負載較重的狀態(tài)，此時平均負載電流大，在續(xù)流階段電流仍維持在正方向，電動機始終工作第一象限的電動狀態(tài)。id2相當負載較輕時的電流，平均值小，在續(xù)流階段電流很快衰減到零，于是VT2和VT3的C-E極兩端失去反壓，在-US和電樞反電動勢的合成作用下導通，電樞電流反向，沿回路3流通，電動機處于制動狀態(tài)。與此相仿，在0≤t＜t1期間，當負載輕時，電流也有一次倒向。雙極式可逆PWM變換器的“可逆”作用，由正負脈沖電壓的寬窄而定。當正脈沖較寬時（＞T/2），則電樞兩端的平均電壓為正，電動機正轉(zhuǎn)運行。當正脈沖較窄時（＜T/2），平均電壓為負，電動機反轉(zhuǎn)運行。若正、負脈沖寬度相等（=T/2），平均電壓為零，則電動機停止轉(zhuǎn)動，圖4-5所示的電壓、電流波形為電動機正轉(zhuǎn)時的波形。

Spring2011華南理工大學40雙極式工作制時，電動機電樞兩端平均電壓用公式表示為：

（4-4）仍以來定義PWM電壓的占空比，則與的關系為

（4-5）Spring2011華南理工大學41調(diào)速時，的變化范圍變成-1≤≤1。當為正值時，電動機正轉(zhuǎn)；為負值時，電動機反轉(zhuǎn)；=0時，電動機停轉(zhuǎn)。在=0時，雖然電動機不動，電樞兩端的瞬時電壓和瞬時電流卻都不是零，而且交變的，這個交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，但增加電動機的損耗。它的好處是電動機帶有高頻微振，起著所謂“動力潤滑”的作用，消除正、反向轉(zhuǎn)時的靜摩擦死區(qū)。

Spring2011華南理工大學42雙極式工作制的優(yōu)點是：電流一定連續(xù)；電動機可在四個象限中運行；電動機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；低速時，每個功率開關管的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證功率開關管的可靠導通；低速平穩(wěn)性好，調(diào)速范圍廣。性能評價Spring2011華南理工大學43雙極式工作制的缺點是：在工作過程中，四個功率開關管都處于開關狀態(tài)，開關損耗大，而且容易發(fā)生上、下兩管直通的事故，降低了裝置的可靠性，為了防止這種事故，在一管關斷和另一管導通的脈沖之間，應設置邏輯延時。Spring2011華南理工大學444.1.2.2單極式可逆PWM變換器單極式PWM變換器主電路極和雙極式的一樣，不同之處在于驅(qū)動脈沖信號。在單極式工作制中，左邊兩個管和的驅(qū)動脈沖，與雙極式一樣的正負交替的脈沖波形。右邊兩個管子和的驅(qū)動信號因電動機的轉(zhuǎn)向施加不同的直流控制信號。Spring2011華南理工大學45當電動機正轉(zhuǎn)時，控制信號恒為正，使常通，而恒為負，則截止。當負載較重而電流方向連續(xù)不變時各管的開關狀態(tài)和電樞電壓變化情況列于表4-1，同時列出雙極式工作制的情況進行比較。負載輕時，電流在一個周期內(nèi)也會來回變向，這時各管的導通和截止的變化還要多。Spring2011華南理工大學46

表4-1中，單極式工作制的一欄表明，在電動機朝一方向旋轉(zhuǎn)時，變換器只在一個階段中輸出某一極性的脈沖電壓，在另一階段中，這是稱為“單極性”工作制的原因。也正因為如此，它的占空比公式和電壓方程式和不可逆變換器的式（4-1）、（4-2）和（4-3）相同。Spring2011華南理工大學47表4-1單極式和雙極式可逆PMW變換器工作情況（負載較重時）控制方式電機轉(zhuǎn)向開關狀態(tài)開關狀態(tài)占空比調(diào)節(jié)范圍單極式正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)導通截止導通、續(xù)流

截止不通

導通、續(xù)流截止不通導通截止

雙極式正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)導通截止續(xù)流截止截止續(xù)流截止導通Spring2011華南理工大學48

由于單極式工作制中，電動機運行時，功率管和兩者之中總有一個常通，一個常截止，因此管的開關損耗可以減少，裝置可靠性有所提高。與雙級式相比較，單極式的優(yōu)點：Spring2011華南理工大學494.1.2.3受限單極式可逆PWM變換器單極式PWM變換器可靠性比雙極式的高，但還有一對功率管和交替導通和關斷，仍有電源直通的危險。再研究表明4-1中的各功率管的開關狀態(tài)可以看出，當電動機正轉(zhuǎn)時，在0≤t＜期間，是截止的。在≤t＜期間，由于續(xù)流，而不通。既然如此，不如讓恒為負，使一直截止。同樣電動機反轉(zhuǎn)時，讓恒為負，使一直截止，這就是受限單極式工作制。Spring2011華南理工大學50受限單極式工作制中，如果負載較重，電流在一個方向內(nèi)連續(xù)變化，電壓、電流波形和單極式工作制一樣。但負載輕時，由于兩個功率管一直處于截止狀態(tài)，不可能導通，因而電流不能改變方向，在續(xù)流期間內(nèi)（t=，見圖4-6）電流已衰減到零，電流中斷了，這時電樞兩端電壓跳變到正，見圖4-6所示。這種輕載電流斷續(xù)的現(xiàn)象將使變換器的外特性變軟，使調(diào)速系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能變差，換來的好處是可靠性提高。Spring2011華南理工大學51圖4－6

：受限單極式PWM調(diào)速系統(tǒng)輕載時的電壓、電流波形Spring2011華南理工大學524.2PWM調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)機械特性在穩(wěn)態(tài)情況下，直流PWM調(diào)速系統(tǒng)中電動機電樞兩端的電壓為脈動電壓，雖然有高頻電感的平波作用，電樞電流和轉(zhuǎn)速還是脈動的。此謂穩(wěn)態(tài)，只是指電動機的平均電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)，電流實際上是周期變化的，只能稱作是“準穩(wěn)態(tài)”。PWM調(diào)速系統(tǒng)在準穩(wěn)態(tài)下的機械特性是其平均轉(zhuǎn)速與平均轉(zhuǎn)矩（電流）的關系。Spring2011華南理工大學534.2內(nèi)容提要電流連續(xù)時的機械特性電流斷續(xù)時的機械特性Spring2011華南理工大學544.2.1電流連續(xù)時的機械特性前面分析表明，不論有制動能力的不可逆電路，還是雙極式和單極式的可逆電路，其準穩(wěn)態(tài)的電壓、電流波形都是相似的。由于電路中具有反向電流通路，在同一轉(zhuǎn)向下電流可正可負，無論是重載還是輕載，電流波形都是連續(xù)的，這就使機械特性的關系式簡單得多。但受限單極式可逆電路例外。Spring2011華南理工大學55對于有制動能力的不可逆電路和單極式可逆電路，其電壓方程式如式（4-2）、（4-3）所示。對于雙極式可逆電路，其電壓方程式為（）（4-19）（）（4-20）Spring2011華南理工大學56無論上述哪一種情況，一個周期內(nèi)電樞兩端的平均電壓都是（只是值與和T，而電樞回路電感兩端電壓的平均值為零。故電壓平均值方程為：的關系不同），平均電流用Id表示，平均電磁轉(zhuǎn)矩為（4-21）（4-23）（4-22）或用轉(zhuǎn)矩表示則機械特性方程為Spring2011華南理工大學57圖4-8給出了第一、二象限的機械特性，它適用于有制動能力的不可逆電路?？赡骐娐返臋C械特性與此相仿，只是擴展到第三、四象限。Spring2011華南理工大學584.2.2電流斷續(xù)時的機械特性對于圖4-1（a）所示的簡單不可逆電路和受限單極式可逆電路，由于在同一旋轉(zhuǎn)方向下電流不能反向，輕載時出現(xiàn)如圖4-6所示的電流斷續(xù)情況，此時平均電壓方程（4-21）便不能成立，機械特性方程要復雜得多，此處不作詳細論述。但是，由圖4-6所示的電壓波形可以定性地看出，電流斷續(xù)時，平均電壓升高，將使機械特性變軟。當占空比一定時，負載越輕，平均電流越小，則電流中斷（）的時間越長。照此趨勢，在理想空載時，，只有轉(zhuǎn)速升高到使才行。Spring2011華南理工大學59因此，無論為何值，理想空載轉(zhuǎn)速都會上翹到，如圖4-9所示。從圖中還可看出，電流斷續(xù)，機械特性是一段非線性曲線；當負載大到一定程度后，電流開始連續(xù)，具有線性特性。Spring2011華南理工大學604.3脈寬調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成脈寬調(diào)速系統(tǒng)與要求動、靜態(tài)性能較好的調(diào)速系統(tǒng)一樣，可采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制方案，其原理框圖如4-10所示，其中屬于脈寬調(diào)速系統(tǒng)特有的部分是UPW（脈寬調(diào)制器）、GM（調(diào)制波發(fā)生器）、DLD（邏輯延時環(huán)節(jié)）、GD（功率管驅(qū)動器）和FA（保持電路）。其中UPW是最關鍵的部件。Spring2011華南理工大學61Spring2011華南理工大學624.3內(nèi)容提要三角波發(fā)生器

脈寬調(diào)制器

集成脈寬調(diào)制器

PWM直流調(diào)速系統(tǒng)實例

Spring2011華南理工大學63三角波發(fā)生器原理圖4.3.1三角波發(fā)生器Spring2011華南理工大學64三角波發(fā)生器輸出電壓波形振蕩頻率：Spring2011華南理工大學654.3.2脈寬調(diào)制器圖4-13為脈寬調(diào)制器的原理圖，它是一個電壓—脈寬變換電路，由圖4-10中ACR輸出的控制電壓進行控制，其輸出電壓的脈沖寬度與成正比。運算放大器工作在開環(huán)狀態(tài)，它能輸出正或負的飽和電壓。它的輸入端有三個信號，除Uc外，還有調(diào)制信號（可是鋸齒波或三角波）和偏移電壓。Spring2011華南理工大學66Spring2011華南理工大學67控制電壓的極性與幅值隨時可變，與相減，從而在運算放大器的輸出端得到周期不變、脈沖寬度可變的調(diào)制輸出電壓UPW。由于不同控制方式的PWM變換器對調(diào)制脈沖電壓UPW的要求是不一樣的。如雙極式可逆變換器，要求當輸出平均電壓時，調(diào)制脈沖電壓UPW的正負脈沖寬度相等，這時希望控制電壓也恰好是零。偏移電壓就是為滿足不同的調(diào)制要求而設置的，其值為（4-25）式中為鋸齒波的最大幅值，這時的UPW波形如圖4-14（a）所示。Spring2011華南理工大學68當＞0時，的作用與相減，的三個輸入信號綜合后，輸入電壓的正脈沖寬度增大，經(jīng)放大器倒相后，輸出電壓UPW的正半波變窄，如圖4-14（b）所示。當＜0時，和的作用相加，則情況相反，輸出的UPW的正半波增寬，如圖4-14（c）所示。Spring2011華南理工大學69由上面分析可知，改變控制信號的極性，可改變雙極式PWM變換器輸出平均電壓的極性，因而改變電動機的轉(zhuǎn)向；改變的幅值，則可調(diào)節(jié)UPW的寬度，從而調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速。只要鋸齒波的線性度足夠好的，UPW的寬度和的大小成正比，此時，變換器輸出平均電壓的大小也與的大小成正比。鋸齒波的頻率應根據(jù)變換器之開關功率管所需的開關調(diào)制頻率來選擇。若主開關管用GTR，則調(diào)制頻率可選1～4KHz；若主開關管用IGBT，則調(diào)制頻率可選10～20KHz。Spring2011華南理工大學70Spring2011華南理工大學71脈寬調(diào)制器及邏輯延時電路Spring2011華南理工大學72基極驅(qū)動器電力晶體管的驅(qū)動電路Spring2011華南理工大學73雙環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)Spring2011華南理工大學744.3.3集成脈寬調(diào)制器除前面介紹的模擬脈寬調(diào)制器外，也可用數(shù)字方法來產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號?，F(xiàn)在有許多專用集成脈寬調(diào)制器，美國SiliconGeneral公司生產(chǎn)的SG1731型PWM集成電路是其中的一種。Spring2011華南理工大學75SG1731型PWM集成電路是專門為直流電動機的控制系統(tǒng)而設計的單片IC。它可以實現(xiàn)兩個象限的脈寬調(diào)制。圖4-15所示為SG1731單片PWM集成電路的功能結(jié)構(gòu)圖和管腳排列圖。它包含一個三角振蕩器，一個用于誤差電壓放大的寬頻帶運算放大器，一個用于平行移動三角波電平的加/減網(wǎng)絡、外部可編程的PWM比較器和具有續(xù)流二極管的且可提供±100mA、±32V的推換電路全橋輸出的驅(qū)動器。一個與TTL電平兼容的封鎖端子呈低電平時輸出驅(qū)動器變?yōu)楦咦锠顟B(tài)。該電路可以使用雙電源（正、負電源），也可以使用單電源。Spring2011華南理工大學76Spring2011華南理工大學77其主要功能有：①允許有極寬的電源工作范圍，控制電源為±3.5～±15V；驅(qū)動電源U0為±2.5～±22V；②輸出極可提供100mA的正、反向驅(qū)動電流；③三角波振蕩頻率的可調(diào)范圍為100KHz～350KHz，三角波電壓的峰-峰值調(diào)整范圍為1～10V，振蕩定時電容CT的取值范圍為200pF～2.5μF；④誤差放大器的轉(zhuǎn)換速率高，典型值為15V/μs，單位增益帶寬為1MHz；⑤具有死區(qū)調(diào)節(jié)功能，即在誤差為零時，調(diào)節(jié)±UT的大小，可在輸出端得到相位相差180°的初始脈沖；⑥關斷控制功能：當管腳⒂端低電平（TTL電平兼容）作用時，輸出級晶體管就瞬時地被強制到截止狀態(tài)，這種功能用來對系統(tǒng)提供各種保護。Spring2011華南理工大學784.3.4PWM直流調(diào)速系統(tǒng)實例

4.3.4.1由SG1731構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)4.3.4.2微機控制的PWM直流調(diào)速系統(tǒng)Spring2011華南理工大學794.3.4.1由SG1731構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)圖4-16為由SG1731構(gòu)成的直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。圖中的VT為功率開關器件（IGBT）。當SG1731輸出級的驅(qū)動功率不滿足功率開關管的驅(qū)動要求時，可配以適當?shù)尿?qū)動電路，SG1731產(chǎn)生的PWM信號經(jīng)驅(qū)動電路放大后驅(qū)動IGBT。為了提高調(diào)速系統(tǒng)的性能，利用SG1731內(nèi)部的誤差放大器及外部增加的運算放大器構(gòu)成了電流及轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。Spring2011華南理工大學80Spring2011華南理工大學814.3.4.2微機控制的PWM直流調(diào)速系統(tǒng)

GTR構(gòu)成的斬波器具有體積小、重量輕、效率高、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點。Spring2011華南理工大學82為了很好地解決動、靜態(tài)的矛盾，在充分利用電機過載能力的條件下為獲得最快的動態(tài)響應，采用了帶PI調(diào)節(jié)器的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。由于常用的模擬調(diào)節(jié)器存在很多缺點，如運算放大器零漂，器件老化等都會引起運算誤差，影響系統(tǒng)的調(diào)速精度，因而采用TP801單板機的直接數(shù)字系統(tǒng)。其硬件電路如圖4-17所示。Spring2011華南理工大學83

Spring2011華南理工大學84系統(tǒng)采用精密電位器給定電動機速度最終值，為了使給定信號變化平穩(wěn)，加一電容器作為給定積分器。測速發(fā)電機檢測電動機實際轉(zhuǎn)速，經(jīng)A/D變換器送入單板機，并進行轉(zhuǎn)速的實際值與給定值的比較，根據(jù)比較結(jié)果的偏差及其變化，控制電流調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器輸出求出所需的導通率。由單板機PIO口輸出PWM信號去控制驅(qū)動電路，使斬波器按固定的規(guī)律通斷，改變電機上的電壓，從而達到調(diào)速的目的。Spring2011華南理工大學85系統(tǒng)硬件接口安排是：A/D轉(zhuǎn)換板采用MS-081，包括一個單片A/D轉(zhuǎn)換器（ADC0808）和兩個單片D/A轉(zhuǎn)換器（DAC0808）接口電路，內(nèi)含8路A/D轉(zhuǎn)換、2路D/A轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)工作時，電流檢測信號由整流器轉(zhuǎn)換成正比的電壓信號，經(jīng)濾波后送入A/D轉(zhuǎn)換的5通道，由此送入微機；轉(zhuǎn)速給定信號由精密給定電位器經(jīng)濾波送入A/D轉(zhuǎn)換的7通道，電動機的轉(zhuǎn)速信號取自測速機，經(jīng)濾波后送入A/D轉(zhuǎn)換板6通道。單板機的CTC0設計為定時方式，用于實現(xiàn)GTR開通、關斷的時間控制；CTC1設計為定時方式，用于實現(xiàn)電流調(diào)節(jié)器的時間控制，電流調(diào)節(jié)器采用樣周期為2ms；CTC2通道為微機本身占用；CTC3用于速度環(huán)定時，采樣周期為10ms，所用3個通道都設計為定時中斷方式，中斷的優(yōu)先級從高到低順序為CTC0→CTC1→CTC2。PIO口只用了B口，并置為非中斷輸出方式，作為數(shù)字觸發(fā)器的脈沖輸出端口。Spring2011華南理工大學86系統(tǒng)軟件設計：采用微機控制應盡可能用軟件完成各種功能，可減少硬件電路，提高系統(tǒng)可靠性和靈活性。Spring2011華南理工大學87本系統(tǒng)軟件包括三個