1、摘要以电力电子学和电机调速技术为基础，本设计了一种基于PWM控制技术的直流电机调速控制系统;为了得到好的动静态性能，该控制系统采用了双闭环控制。霍尔电流传感器与测速电机共同实现速度控制的功能，同时完成了人机交互的任务。对于调速系统中要用到的大功率半导体开关器件，本文选用的是IGBT。论文中对IGBT应用时要注意的各个技术方面进行了详细的讨论，给出了专用IGBT驱动芯片SG3525的内部结构和应用电路。论文对PWM控制的原理进行了说明，重点对集成PWM控制器SG3525做了介绍，分析了SG3525的内部结构和外部电路的接法，并给出了它在系统中的应用电路。论文对系统中用到测速电机和霍尔电流传感器的
2、原理和应用也进行了介绍。最后分析了系统的静动态特性，结果表明双闭环控制对系统的性能有很大的改善，即双闭环控制系统有响应快，静态稳定性好的特点。关键词: IGBT；PWM控制；双闭环直流电机 PWM 调速控制系统1AbstractTo the power electronics and motor technology as the foundation, The design of a PWM control technology based on the DC motor speed control system; In order to obtain a good dynamic and
3、static properties, The control system uses a double-loop control. Hall current sensor and guns together to achieve the motor speed control function, while the completion of the HCI mission. Speed Control System for the use of the power semiconductor devices, the paper uses the IGBT. The thesis of IG
4、BT application to the attention of the various technical aspects of detailed discussions, given the exclusive IGBT driver IC SG3525 the internal structure and application circuit. PWM control of the paper, the principle of the note, with a focus on integrated PWM controller SG3525 made a presentatio
5、n the SG3525 analysis of the internal structure and external circuit access method, and gives it a system of circuit. Papers on gun systems used motor and Hall current sensor application of the principle and also introduced. Finally, the paper analyzes the static and dynamic characteristics of the r
6、esults shows that the closed-loop control on the performance of the system is greatly improved. that is, double-loop control system is fast response, good static stability characteristics. Keywords: IGBT， PWM control ， Double Closed-loop直流电机 PWM 调速控制系统0目录第一章 直流调速系统的现状及其发展趋势 11.1 直流调速系统的现状 11.2直流调速系统
7、的发展趋势 1第二章 课题方案分析 32.1直流电动机的调速方法介绍 32.2 选择 PWM控制系统的理由 52.3采用转速电流双闭环的理由 52.4设计技术指标要求 6第三章 直流调速系统的组成与工作原理 73.1无静差直流调速系统组成及其原理 73.2转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其原理 7第四章 PWM 控制直流调速系统主电路设计 104.1主电路结构设计 104.1.1电路组成及系统分析 104.1.2电路总体介绍 114.2主电路工作原理 124.2.1降压斩波电路与电机的电动状态 124.2.2升压斩波电路与电机的制动状态 124.2.3半桥电路与电机的电动和制动运行状态 1
8、24.2.4电机可逆运行的实现 134.3 PWM变换器介绍 134.4参数设计 204.4.1 IGBT管的参数 204.4.2缓冲电路参数 21直流电机 PWM 调速控制系统1第五章 PWM 控制直流调速系统控制电路设计 225.1控制电路设计 225.1.1 SG3525的应用 225.1.2 SG3525芯片的主要特点 225.1.3 SG3525引脚各端子功能 245.1.4 SG3525的工作原理 265.2 LM1413的应用 275.3脉冲变压器的应用 275.4速度调节器（ST-1） 275.5电枢电流调节器（LT-1） 295.6速度变换单元（FBS） 315.7电流检测
9、325.8脉冲变压器 325.9给定单元 32心得体会 33致谢 34参考文献 35附录一 36 直流电机 PWM 调速控制系统0第一章 直流调速系统的现状及其发展趋势1.1 直流调速系统的现状直流电力拖动和交流电力拖动在 19 世纪先后诞生。在 20 世纪上半叶的年代里，鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都采用直流电机，而约占电力拖动总容量 80%以上的不变速拖动系统则采用交流电机，这种分工在一段时期内已成为一种举世公认的格局。交流调速系统的多种方案虽然早已问世，并已获得实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。第一是控制理论的发展，出现了最优控制、自适用控制、智能控制
10、等，相应的拖动系统也在实践中逐步形成。其二是电子器件的发展，带来了拖动控制系统组成结构的重大变化。过去采用旋转交流机组来实现直流电动机的平滑调速，而直流发动机的励磁又采用交磁功率放大机、磁放大器进行控制；由于这样的系统存在一系列的缺点，因此在 50 年代又出现了水印整流器装置，不仅在经济性和可靠性上有所提高，而且在技术性能上也显示了很大的优越性。另外，集成运算放大器和众多的电子模块的出现，不断促进了控制系统结构的变化。其三是八十年代计算机技术和通信技术的发展，开创了拖动控制系统蓬勃发展的新时代。8 位-32 位单片机的相继出现并应用于控制系统，使其结构更加简单、功能更强，可靠性更高。从传统系统
11、来讲，虽然近几年来交流电机调速技术迅猛发展，在许多方面正向直流电机调速技术领域扩展，但是直流传动控制系统的一些理论仍然是交流传动的基础。对于直流传动系统来讲。他也在不断地更新和发展，如完全数字化的控制装置已成功的用于生产。以微机作为控制系统的核心部件，并具有控制、检测、监视、故障处理等多功能电气传动系统正在形成和不断完善。1.2直流调速系统的发展趋势由于直流电动机具有良好的机械特性，能在大范围内平滑调速、启动、制动和正反转等，目前在传动领域中仍占主要地位。现急需在以下几个方面提高我国直流电气传动装置的水平。直流电机 PWM 调速控制系统11、提高传动的单机容量。我国现有容量为 7000KW，国
12、外则早已制成 14500KW 的传动装置。2、提高电力电子器件的生产水平，增加品种。3、控制单元水平急需提高。目前国内的传动装置仍使用小规模集成运算放大器和组件，触发装置甚至还是用分离元件，国外的装置已实现完全数字化，采用 16 位或 32 位单片机，实现了数字触发、数字调节、故障自诊断参数自寻化状态监视保护及自复原等各种功能。4、应形成标准模块化的结构和一系列控制单元，采用 16 位或 32 位单元，便于工程设计人员选用。5、加强装置的功能，进一步提高可靠性，工艺更加合理，维护方便。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛
13、的应用。近年来，高性能交流调速技术发展很快，交流调速系统正逐步取代直流调速系统。然而，直流拖动控制系统毕竟在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。因此，还是应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。在实际中许多需要无级调速的生产机械常常对静差率提出较严格的要求，不能允许很大的静差率。例如，由于龙门刨床加工各种材质的工件，刀具切入工件和退出工件时为避免刀具和工件碰坏，有调节速度的要求；又由于毛坯表面不平，加工时负载常有波动，为了保证加工精度和表面光洁度，不允许有较大的速率变化。因此，龙门刨床工作台电气传动系统一般要求调速范围 D=2040，静差率 S5%，动态速
14、降，快速起、制动。多机架热连轧机，各机架轧辊分别由单独的电动机拖动，钢材在几个机架内同时轧制，为了保证被轧金属的每秒流量相等，不致造成钢材拉断或拱起，各机架出口线速度需保持严格的比例关系。根据以上轧钢工艺要求，一般须使电力拖动系统的调速范围 D=10 时，静差率 S0.2%0.5%，动态速降，恢复时间 。在上述情况下，开环调速系统是不能满足要求的。虽然直流调速系统有一定的不足，但它仍是交流调速系统的基础，因此在未来的发展中直流调速系统依旧是不能忽略的。直流电机 PWM 调速控制系统2第二章 课题方案分析2.1直流电动机的调速方法介绍直流电动机的调速方法有三种：（1）调节电枢供电电压 U。改变电
15、枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。 变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要aI大容量可调直流电源。（2）改变电动机主磁通 。改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速） ，从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。 变化时间fI遇到的时间常数同 变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。aI（3）改变电枢回路电阻 R。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调
16、速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主速。改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法，调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种：（1）旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。（2）静止可控整流器。用静止的可控整流器，如汞弧整
17、流器和晶闸管整流装置，产生可调的直流电压。（3）直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。由于旋转变流机组缺点太多，采用汞弧整流器和闸流管这样的静止变流装置来代直流电机 PWM 调速控制系统3替旋转变流机组，形成所谓的离子拖动系统。离子拖动系统克服旋转变流机组的许多缺点，而且缩短了响应时间，但是由于汞弧整流器造价较高，体积仍然很大，维护麻烦，尤其是水银如果泄漏，将会污染环境，严重危害身体健康。目前，采用晶闸管整流供电的直流电动机调速系统（即晶闸管电动机调速系统，简称 V-M 系统，又称静止 Ward-Leonard 系统
18、）已经成为直流调速系统的主要形式。但是，晶闸管整流器也有它的缺点，主要表现在以下方面：（1）晶闸管一般是单向导电元件，晶闸管整流器的电流是不允许反向的，这给电动机实现可逆运行造成困难。必须实现四象限可逆运行时，只好采用开关切换或正、反两组全控型整流电路，构成 V-M 可逆调速系统，后者所用变流设备要增多一倍。（2）晶闸管元件对于过电压、过电流以及过高的 du/dt 和 di/dt 十分敏感，其中任意指标超过允许值都可能在很短时间内元件损坏，因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，而且在选择元件时还应保留足够的余量，以保证晶闸管装置的可靠运行。（3）晶闸管的控制原理决定了只能滞后触发，因此
19、，晶闸管可控制整流器对交流电源来说相当于一个感性负载，吸取滞后的无功电流，因此功率因素低，特别是在深调速状态，即系统在较低速运行时，晶闸管的导通角很小，使得系统的功率因素很低，并产生较大的高次谐波电流，引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备。如果采用晶闸管整流装置的调速系统在电网中所占容量比重较大，将造成所谓的“电力公害” 。为此，应采取相应的无功补偿、滤波和高次谐波的抑制措施。（4）晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，而且脉波数总是有限的。如果主电路电感不是非常大，则输出电流总存在连续和断续两种情况，因而机械特性也有连续和断续两段，连续段特性比较硬，基本上还是直线；断续段特性则很软，而且呈现
20、出显著的非线性。由于以上种种原因，所以选择了脉宽调制变换器进行改变电枢电压的直流调速系统。直流电机 PWM 调速控制系统42.2 选择 PWM控制系统的理由脉宽调制器 UPW 采用美国硅通用公司（Silicon General）的第二代产品 SG3525，这是一种性能优良，功能全、通用性强的单片集成 PWM 控制器。由于它简单、可靠及使用方便灵活，大大简化了脉宽调制器的设计及调试，故获得广泛使用。PWM 系统在很多方面具有较大的优越性 ：1） PWM 调速系统主电路线路简单，需用的功率器件少。2） 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。3） 低速性能好，稳速精度高，调速范围广
21、，可达到 1：10000 左右。4） 如果可以与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。5） 功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高。 6） 直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高。 2.3采用转速电流双闭环的理由同 开 环 控 制 系 统 相 比 ， 闭 环 控 制 具 有 一 系 列 优 点 。 在 反 馈 控 制 系 统 中 ， 不 管 出于 什 么 原 因 （ 外 部 扰 动 或 系 统 内 部 变 化 ） ， 只 要 被 控 制 量 偏 离 规 定 值 ， 就 会 产 生 相应 的 控 制 作
22、用 去 消 除 偏 差 。 因 此 ， 它 具 有 抑 制 干 扰 的 能 力 ， 对 元 件 特 性 变 化 不 敏 感 ，并 能 改 善 系 统 的 响 应 特 性 。 由 于 闭 环 系 统 的 这 些 优 点 因 此 选 用 闭 环 系 统 。单 闭 环 速 度 反 馈 调 速 系 统 ， 采 用 PI 控 制 器 时 ， 可 以 保 证 系 统 稳 态 速 度 误 差 为零 。 但 是 如 果 对 系 统 的 动 态 性 能 要 求 较 高 ， 如 果 要 求 快 速 起 制 动 ， 突 加 负 载 动 态 速降 小 等 ， 单 闭 环 系 统 就 难 以 满 足 要 求 。 这 主
23、 要 是 因 为 在 单 闭 环 系 统 中 不 能 完 全 按 照要 求 来 控 制 动 态 过 程 的 电 流 或 转 矩 。 另 外 ， 单 闭 环 调 速 系 统 的 动 态 抗 干 扰 性 较 差 ，当 电 网 电 压 波 动 时 ， 必 须 待 转 速 发 生 变 化 后 ， 调 节 作 用 才 能 产 生 ， 因 此 动 态 误 差 较大 。在 要 求 较 高 的 调 速 系 统 中 ， 一 般 有 两 个 基 本 要 求 ： 一 是 能 够 快 速 启 动 制 动 ； 二是 能 够 快 速 克 服 负 载 、 电 网 等 干 扰 。 通 过 分 析 发 现 ， 如 果 要 求
24、快 速 起 动 ， 必 须 使 直流 电 动 机 在 起 动 过 程 中 输 出 最 大 的 恒 定 允 许 电 磁 转 矩 ， 即 最 大 的 恒 定 允 许 电 枢 电 流 ，直流电机 PWM 调速控制系统5当 电 枢 电 流 保 持 最 大 允 许 值 时 ， 电 动 机 以 恒 加 速 度 升 速 至 给 定 转 速 ， 然 后 电 枢 电 流立 即 降 至 负 载 电 流 值 。 如果要求快速克服电网的干扰，必须对电枢电流进行调节。以上两点都涉及电枢电流的控制，所以自然考虑到将电枢电流也作为被控量，组成转速、电流双闭环调速系统。2.4设计技术指标要求1.直流电动机：型号：DJ15功率
25、：485W电枢电压：220V电枢电流：1.2A额定转数：1600rpm2.调速范围：1：12003.起动时超调量：电流超调量: ；转速超调量 : %5i%5n直流电机 PWM 调速控制系统61CRVBT iUTAdIU2RPnUcUbalR01RP*nU第三章 直流调速系统的组成与工作原理3.1无静差直流调速系统组成及其原理如图 3-1 所示是一个无静差直流调速系统的实例，采用比例积分器以实现无静差，采用电流截止负反馈来限制动态过程的冲击电流。TA 为检测电流的交流互感器，经整流后得到电流反馈信号 。当电流超过截止电流 时， 高于稳压管 VS 的击穿电压，iUdcrIiU使晶体管 VBT 导通
26、，则 PI 调节器的输出电压 接近于零，电力电子变换器的输出电压 急剧下降，达到限制电流的目的。dU图 3-1 无静差直流调速系统实3.2转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其原理为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可以在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套连接，如图 3-2 所示。把转速调节的输出当做电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去MVSTG.直流电机 PWM 调速控制系统7控制电力电子变换器 UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外面，称作外环。这就形成了转速双闭环调速系统。图 3-2 转速、电流双闭环直
27、流调速系统调节器的输出去控制电力电子变换器 UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外面，称作外环。这就形成了转速双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般采用 PI 调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的原理图如图 3-3 所示。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，他们是按照电力电子变换器的控制电压 Uc 为正电压的情况标出的并考虑到运算放大器的倒向作用。双闭环直流调速系统的静特性在负载电流小于 Idm 时，对应转速调节器的饱和输出 ，这时，电流调节器起主要作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保*imU护。就是采用了两个 PI 调节器
28、分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显然比dIASR ACR UPE MTGUcU+ nUn* +nU*nI+.直流电机 PWM 调速控制系统8带电流截止负反馈的单闭环系统静态特性好。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为了避免零点漂移而采取“准 PI 调节器”时，静特性的两段实际上都略有很小的静差，见图 3-4 中虚线。图 3-3 双闭环直流调速系统电路原理图图 3-4 双闭环直流调速系统的静特性MTG+ + + + UPEdIdUcTACiRiR0R0 ASRR0ACRR0Rn Cn Un. iU*nnn0C ABIdN Idm Ido直流电机 PWM 调速控制系
29、统9第四章 PWM 控制直流调速系统主电路设计4.1主电路结构设计4.1.1电路组成及系统分析流脉宽调速电路原理图如图 1 所示, 其中直流斩波电路可看成降压型变换器和升压型变换器的串联组合,采用 IGBT 作为自关断器件,利用集成脉宽调制控制器 SG3525 产生的脉宽调制信号作为驱动信号,由两个 IGBT 及其反并联的续流二极管组成。直流电机 PWM 调速控制系统104.1.2电路总体介绍三相127 V交流电经桥式整流电路，滤波电路变成直流电压加在P、N两点间，直流斩波电路上端接P点，下端接N点，中点公共端(COM)(如图1所示)。若使COM端与电机电枢绕组A端相接，B端接N，可使电机正转
30、。若T2截止，T1周期性地通断，在T1导通的T。 时间内，形成电流回路PT1一AB-N，此时UAB0， AB0；在T1截止时由于电感电流不能突变，电流 AB经D2续流形成回路为A-B-D2-A，仍有UAB0，IAB0，电机工作在正转电动状态(第一象限)，T1，D2构成一个Buck变换器。若T1截止，T2周期性地通断，在T2导通的T。 时间内，形成电流回路AT2一B_A；在T2截止时，由于电感电流不能突变，电流 AB经D1续流形成回路为AD1一PN A，此时UAB()，lABd0，电机工作在正转制动状态(第二象限)，T2，D1构成一个Boost变换器。只要改变T1，T2导通时间的大小，即改变给T
31、1，T2所加门极驱动信号脉冲的宽度，即可改变UAB和IAB的大小调控直流电动机的转速和转矩。若使COM 端与电机电枢绕组A端相接，B端接N，可使电机工作在正转电动或制动状态(I，象限)，若使COM端与B相接而A端接N，可使电机工作在反转电动或制动状态(II，IV象限)。正转或反转状态电机电枢绕组的连接通过状态开关进行切换。这样仅用两个开关器件就可实现电机的四象限运行。电机的转速经测速发电机以及FBS(转速变换器)输出到ASR(转速调节器)，作为ASR的输入并和给定电压比较，组成系统的外环，ASR的输出作为ACR(电流调节器)的输入并和主电路电流反馈信号进行比较作为系统的内环。由于电流调节器的输
32、出接到SG3525的第2脚，R2为限流电阻，所以要求电流调节器再通过一个反号器的输出电压的极性必须为正，转速调节器的输出作为电流调节器的给定则又要求其输出电压信号为正，最后转速调节器的给定选择了负极性的可调电压，如图1所示。ASR和ACR均采用PI调节器，利用电流负反馈与速度调节器输出限幅环节的作用，使系统能够快速起制动，突加负载动态速降小，具有较好的加速特性。直流电机 PWM 调速控制系统114.2主电路工作原理本设计电路中主电路部分由直流电源、两个 IGBT 管组成，可看成降压型变换器和升压型变换器的串联组合，下面结合 H 型桥式可逆直流 PWM 调速电路图来对降压、升压斩波电路进行介绍。
33、4.2.1降压斩波电路与电机的电动状态图 4-2-1 中如果始终保持 T4导通、T 3关断，如图 4-2-2 所示，并使 T2截止、T 1周期性地通断，在 T1导通的 Ton时间内，v AB=vPN0,i AB0; 在 T1 截止的 Toff时间内，由于电感电流不能突变，i AB经 D2续流，v AB=0，A、B 两端电压的平均值 VAB=Ton VPN/(Ton+Toff)=V PN, 为占空比。可见在图 4-2-2 中当 T2截止时由 T1、D 2构成了一个降压斩波电路，i AB0，v AB0，电机工作在正向电动状态。4.2.2升压斩波电路与电机的制动状态图 4-2-2 中若 T1 截止、
34、T 2 周期性地通断，在 T2 导通的 Ton 时间内，vAB= 0, iAB0;在 T2 截止的 Toff 时间内，由于电感电流不能突变，电流 iAB经 D1 续流，v AB=vPN，A、 B 两端电压的平均值 VAB= ToffVPN/(Ton+Toff)=（1） VPN,可见当 T1 截止时由 T2、D 1 构成了一个升压斩波电路，vAB 0, iAB0，电机工作在正向制动状态，将电能回送给直流电源。4.2.3半桥电路与电机的电动和制动运行状态由上述分析可知，在图 4-2-2 所示的半桥电路中，若 T2截止、T 1通断转换时由D1D2 D4D3PT1NT2AT3T4BM图 4-2-1 H
35、型桥式变换电路 图 4-2-2 半桥变换电路直流电机 PWM 调速控制系统12T1、D2 构成了降压斩波电路，电机工作在正向电动状态；若 T1截止、T 2通断转换时由T2、D 1构成了升压斩波电路，电机工作在正向制动状态。在图 4-2-1 中如果始终让 T2导通、T 1断开则类似地，当 T4截止时，由 T3、D 4构成了降压斩波电路，电机工作在反向电动状态；当 T3截止时，由 T4、D 3构成了升压斩波电路，电机工作在反向制动状态。4.2.4电机可逆运行的实现由以上对可逆 H 桥电路的分析可知，电机的正反转是通过两个半桥电路即两套升/降压斩波电路交替工作来实现的， （正转时由 T1、T2 组成
36、的半桥电路工作，反转时由 T3、T4 组成的半桥电路工作） 。因此设计出一种半桥型可逆 PWM 调速电路，即用一套升/降压斩波电路通过一个转换开关的切换既可用于电机的正转也可用于电机的反转，它与 H 桥电路相比节省了两个开关器件，而且大大简化了电路，状态开关的连接如图 4.2.4 所示，当 A 接 COM, B 接 N 时，电机正转（工作在、象限） ，当 A 接 N，B 接 COM 时，电机反转（工作在、象限）4.3 PWM变换器介绍脉宽调速系统的主要电路采用脉宽调制式变换器，简称 PWM 变换器。PWM 变换器有不可逆和可逆两类，可逆变换器又有双极式、单极式和受限单极式等多种电路。下面分别对
37、各种形式的 PWM 变换器做一下简单的介绍和分析。不可逆 PWM 变换器分为无制动作用和有制动作用两种。图 4-3-1（a）所示为无制动作用的简单不可逆 PWM 变换器主电路原理图，其开关器件采用全控型的电力电子器件。电源电压 一般由交流电网经不可控整流电路提供。电容 C 的作用是滤波，二极sU管 VD 在电力晶体管 VT 关断时为电动机电枢回路提供释放电储能的续流回路。图 4.2.4 转换开关连接图直流电机 PWM 调速控制系统13图 4-3-1简单的不可逆 PWM变换器电路（a）原理图 （b）电压和电流波型电力晶体管 VT 的基极由频率为 f，其脉冲宽度可调的脉冲电压 驱动。在一个开bU关
38、周期 T 内，当 Error! No bookmark name given. 时， 为正，VT 饱和导ont0通，电源电压通过 VT 加到电动机电枢两端；当 时， 为负，VT 截止，电枢Ttonb失去电源，经二极管 VD 续流。电动机电枢两端的平均电压为 ssondUt式中， PWM 电压的占空比，又称负载电压系数。 的变化范围在TtUond501 之间，改变， 即可以实现对电动机转速的调节。图 4-3-1（b）绘出了稳态时电动机电枢的脉冲端电压 、平均电压 和电枢电流dudu的波型。由图可见，电流是 脉动的，其平均值等于负载电流 （ di di mLlCTI/L负载转矩， 直流电动机在额定
39、磁通下的转矩电流比） 。mC由于 VT 在一个周期内具有开关两种状态，电路电压平衡方程式也分为两阶段，即在 期间 在 期间 ont0EdtiLRiU5 TtonEdtiLRi0式中，R，L电动机电枢回路的总电阻和总电感；E电动机的反电动势。PWM 调速系统的开关频率都较高，至少是 14kHz，因此电流的脉动幅值不会很大，再影响到转速 n 和反电动势 E 的波动就更小，在分析时可以忽略不计，视 n 和 E 为恒值。直流电机 PWM 调速控制系统14这种简单不可逆 PWM 电路中电动机的电枢电流 不能反向，因此系统没有制动作Di用，只能做单向限运行，这种电路又称为“受限式”不可逆 PWM 电路。这
40、种 PWM 调速系统，空载或轻载下可能出现电流断续现象，系统的静、动态性能均差。图 4-3-2（a）所示为具有制动作用的不可逆 PWM 变换电路，该电路设置了两个电力晶体管 VT1 和 VT2，形成两者交替开关的电路，提供了反向电流的 通路。这种电di路组成的 PWM 调速系统可在第 I、II 两个象限中运行。VT1 和 VT2 的基极驱动信号电压大小相等，极性相反，即 。当电动机工2bU作在电动状态时，在一个周期内平均电流就为正值，电流 分为两段变化。di在 期间， 为正，VT1 饱和导通； 为负，VT2 截止。此时，电源电压ont01bU2bU加到电动机电枢两端，电流 沿图中的回路流通。在
41、 期间， 和 改5Udi Tton1bU2变极性，VT1 截止，原方向的电流 沿回路 2 经二极管 VD2 续流，在 VD2 两端产生的压降给 VT2 施加反压，使 VT2 不可能导通。因此，电动机工作在电动状态时，一般情况下实际上是电力晶体管 VT1 和续流二极管 VD2 交替导通，而 VT2 则始终不导通，其电压、电流波型如图 4-3-2（b）所示，与图 4-2-1 没有 VT2 的情况完全一样。如果电动机在电动运行中要降低转速，可将控制电压减小，使 的正脉冲变窄，1bU负脉冲变宽，从而使电动机电枢两端的平均电压 降低。但是由于惯性，电动机的转dU速 n 和反电动势 E 来不及立刻变化，因
42、而出现 的情况。这时电力晶体管 VT2 能E在电动机制动中起作用。在 期间，VT2 在正的 和反电动势 E 的作用下饱和Tton2b导通，由 E 产生的反向电流 沿回路 3 通过 VT2 流通，产生能耗制动，一部分dUdi能量消耗在回路电阻上，一部分转化为磁场能存储在回路电感中，直到 t=T 为止。在（也就是 ）期间，因 变负， VT2 截止， 只能沿回路 4 经二极ontTont02bUdi管 VD1 续流，对电源回馈制动，同时在 VD1 上产生的压降使 VT1 承受反压而不能导通。在整个制动状态中，VT2 和 VD1 轮流导通，VT1 始终截止，此时电动机处于发电状态，电压和电流波型图 4
43、-3-2（c） 。反向电流的制动作用使电动机转速下降，直到新的稳态。直流电机 PWM 调速控制系统15图 4-3-2 具有制动作用的不可逆 PWM变换电路这种电路构成的调速系统还存在一种特殊情况，即在电动机的轻载电动状态中，负载电流很小，在 VT1 关断后（即 期间）沿回路 2 径 VD2 的续流电流 很快Ttondi衰减到零，如在图 4-3-2（d）中的 期间的 时刻。这时 VD2 两端的压降也降为2t零，而此时由于 为正，使 VT2 得以导通，反电动势 E 经 VT2 沿回路 3 流过反向电流2bU，产生局部时间的能耗制动作用。到了 期间， VT2 关断， 又沿回路 4di ont0di经
44、 VD1 续流，到 时 衰减到零，VT1 在 作用下因不存在而反压而导通，电枢4tdi1bU电流再次改变方向为 沿回路经 VT1 流通。在一个开关周期内，VT1、VD1、VT2、VD1 四个电力电子开关器件轮流导通，其电流波形示图 4-3-2（d）。综上所述，具有制动作用的不可逆 PWM 变换器构成的调速系统，电动机电枢回路中的电流始终是连续的；而且，由于电流可以反向，系统可以实现二象限运行，有较直流电机 PWM 调速控制系统16好的静、动态性能。由具有制动作用的不可逆 PWM 变换器构成的直流调速系统，电动机有两种运行状态，在电动状态下，依靠电力晶体管 VT1 的开和关两种状态，在发电制动状
45、态下则依靠 VT2 的开和关两种状态。两种工作状态下电路电压平衡方程式都分为两个阶段，情况同简单的不可逆的 PWM 变换器电路相同，即在 期间为式 ，ont0EdtiLRiU5在 期间为式 ，只不过两种状态下电流的方向相反，即在TtonEdtiLRi0制动状态时为 。di可逆 PWM 变换器主电路的结构形式有 T 型和 H 型两种，其基本电路如图 4-3-3 所示，图中（a）为 T 型 PWM 变换器电路，（b）为 H 型 PWM 变换器电路。图 4-3-3 可逆 PWM变换器电路（a）T 型 （b）H 型 T 型电路由两个可控电力电子器件和与两个续流二极管组成，所用元件少，线路简单，构成系统
46、时便于引出反馈，适用于作为电压低于 50V 的电动机的可控电压源；但是 T 型电路需要正负对称的双极性直流电源，电路中的电力电子器件要求承受两倍的电源电压，在相同的直流电源电压下，其输出电压的幅值为 H 型电路的一半。H 型电路是实际上广泛应用的可逆 PWM 变换器电路，它由四个可控电力电子器件（以下以电力晶体管为例）和四个续流二极管组成的桥式电路，这种电路只需要单极性电源，所需直流电机 PWM 调速控制系统17电力电子器件的耐压相对较低，但是构成调速系统的电动机电枢两端浮地。H 型变换器电路在控制方式上分为双极式、单极式和受限单极式三种。（1）双极式可逆 PWM 变换器：双极式可逆 PWM 变换器的主电路如图 4-3-3（b）所示。四个电力晶体管分为两组，VT1 和 VT4 为一组，VT2 和 VT3 为一组。同一组中两个电力晶体管的基极驱动电压波形相同，即 ，VT1 和 VT4 同时导通和关断； ，VT2 和 VT3 同时导通和关41bU 32bU断。而且 ， 和 ， 相位相反，在一个开关周期内 VT1，VT
