1、第 1 章 PWM 直流调速控制系统第一节 PWM 直流调速控制系统概述近年来，随着电力电子技术的发展及其应用技术的进步、单片微型计算机的高速发展、外围电路元件专用集成件的不断出现，使得直流伺服电动机控制技术有了显著进步。上述技术领域的发展，可以很容易地构成高精度、快速响应的直流伺服驱动系统，因而近年来世界各国在高精度速度和位置控制场合(如机床进给伺服系统，军用伺服系统) ，都已由电力半导体驱动装置取代了电液驱动。特别是被人们誉为“未来伺服驱动装置”的晶体管脉冲宽度调制(PWM) 直流伺服控制系统 (以下简称 PWM 系统 )，受到了人们的普遍重视，从而得到迅速的发展和广泛的应用。目前，用大功
2、率晶体管 PWM 控制的永磁式直流伺服电动机驱动装置，是高精度伺服控制领域应用的最为广泛的驱动形式，称之为 PWM 驱动装置，这种装置能实现宽范围的速度和位置控制，较常规的驱动方式(交磁电机扩大机驱动、晶体管线性放大驱动、电液驱动、晶闸管驱动)具有无可比拟的优点。随着大功率晶体管的容量和开关速度的不断提高，PWM 驱动装置一跃而为现代伺服驱动系统的佼佼者，受到越来越多的控制工程师的重视。1.1 直流 PWM 伺服驱动装置的工作原理和特点PWM 驱动装置是利用大功率晶体管的开关特性来调制固定电压的直流电源，按一个固定的频率来接通和断开，并根据需要改变一个周期内“接通”与“断开”时间的长短，通过改
3、变直流伺服电动机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，这种装置又称为“开关驱动装置” 。PWM 控制的示意图如图 1-l 所示，可控开关 S 以一定的时间间隔重复地接通和断开，当 S 接通时，供电电源 US，通过开关 S 施加到电动机两端，电源向电机提供能量，电动机储能；当开关 S 断开时，中断了供电电源 US 向电动机提供能量，但在开关 S 接通期间电枢电感所储存的能量此时通过续流二极管 VD 使电动机电流继续流通。图 11 PWM 控制示意图 图 12 PWM 控制电压波形在电动机两端间得到的电压波形如图 1-2 所示，电压平均值 Uav，可用下式表示：(
4、1-1)ssonavUTt式中 -开关每次接通的时间；ont-开关通断的工作周期 (即开关接通时间 con 和关断时间 Joff 之和) ；T-占空比， 。Tton/由式(1-1) 可见，改变开关接通时间 和开关周期 T 的比例亦即改变脉冲的占空比，ont电动机两端电压的平均值也随之改变(如图 1-2 所示)，因而电动机转速得到了控制。按照式(1-1)，改变占空比可获得两种调制方法，即开关周期 T 恒定，通过改变导通脉冲宽度来改变占空比的方式，这就是脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，缩写为 PWM)；另一种方式为导通脉冲宽度恒定，通过改变开关频率(f1T) 来改变占空
5、比，亦即脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation，缩写为 PFM)。由于 PFM 控制是依靠脉冲频率的变化来改变占空比的，当遇到某个特殊频率下的机械谐振时，常导致系统振荡和出现音频啸叫声，这一严重缺点导致 PFM 控制在伺服系统中不适用。目前，直流电动机的控制中，以应用PWM 控制方式为主。我们已经知道，改变脉冲占空比即可调节电机转速，但必须有将控制转速的指令转换为脉冲宽度或开关周期的电路或装置来实现。图 1-3 所示为桥式 PWM驱动装置的控制原理框图。为叙述方便，在功率转换电路框内绘出了元器件。PWM 驱动装置的控制结构可分为两大部分：从主电源将能量传递给电动机的
6、电路称为功率转换电路；其余部分称为控制电路。工频电网经三相整流得到控制直流电动机所需的直流电压 US，被施加到由四个大功率晶体管(GTR)V1 、V2、V3、 V4 组成的桥式(H 型)功率转换电路上，大功率晶体管由控制电路给 Vl、V4 和 V2、V3 提供相位差 180。 的矩形波基极激励电压，而使 V1、V4 和V2、V3 交替导通(亦可是其它导通方式，只要不构成同侧对管直通短路)，将直流电压 调iu制成与给定频率相同的方波脉冲电压，作用到电动机电枢两端，为电动机提供能量。 图 1-3 PWM 驱动装置控制原理框图控制电路通常由恒频率波形发生器、脉冲宽度调制电路、脉冲分配电路、基极驱动电
7、路、保护电路等基本电路组成。1恒频率波形发生器 它的作用是产生恒定频率的振荡源以作为时间比较的基准，它可以是三角波，也可以是锯齿波。2脉冲宽度调制电路 按功能而言，它实际上是电压脉宽转换电路(简称 VW 电路，它是英文 Voltage-to-PulSe Width Converters 的缩写)，也就是 PWM 信号形成电路。产生 PWM 信号有多种方法，常采用图 l-4a 所示的电压比较器(或者具有正反馈的高增益运算放大器)，它具有如图 1-4b 所示的继电控制特性。这样，在其两个输入端上分别施加三角波信号和控制信号电压，此时，比较器输出将按下述规律变化：(1) 控制信号电压 三角波电压时，
8、输出正的电压 +Ucc； (2) 控制信号电压虬，电流山按指数规律增长，电动机将电源能量转变为机械能传递给负载。同时因电流山的增加，向电枢回路中的电感人储存磁能。在 c，乱， 0，电流的近似变化曲线如图 212c 所示，电动机工作在电动状态。在 0tu， ，即电动机处于发电运行状态，这时电枢电流变化如图 212d 所示，等效电路如图213c、d 所示。当 J1tU，电枢电流山维持在反方向由 B 到 A，流动的通路只能经二极管 VDl 沿回路 4 闭合，将能量回馈给电源。 由于某种原因，或者电动机工作在轻载情况下，。御 0 时，电动和制动状态交替出现，电流 i。的近似变化曲线如图 212c 所示
9、，在一个开关周期之内，四条电流闭合通路交替工作。为叙述方便，由21 开始，在 htXo b)clJe ，电感放电续流C)1tU ，乙与 J6 同向，能耗制动 d)O， ， ，回馈制动图 214 具有制动作用的 PWM 控制系统的机械特性由图 24 可见，它是以占空比。为参变量、斜率为常值的族直线。当改变时，特性曲线与横轴及纵轴的交点为 o。这说明，当占空比。一定时，电动机的起动转矩为。97， ，空载转速为。oo 显然，具有制动作用的 PWM 控制系统，其电枢电流可以反向，电动机实现了两个象限的运行，所以系统的快速性较好。第 3 章 可逆直流 PWM 系统上一章所讨论的不可逆直流 PWM 系统中
10、，电动机只能向一个方向旋转。然而，生产过程中许多被控对象却要求其执行机构既能正转(或正向移动) ，又能反转(或反向移动)，也就是要求可逆运行，例如火炮的瞄准射击、雷达天线的搜索跟踪、精密机床的进刀和退刀等等*苎苎竺去电动机系统，通常需采用两组晶闸管装置反并联线路。而两组晶闸管又需两套触发苎苎主控制，且存在比较麻烦的环流问题。晶体管可逆 PWM 控制较普通晶闸管供电的电动机可苎苎制盂单得多。控制直流电动机的可逆 PWM 功率转换电路有 T 型和H 型两种结构型式*千苎苎一个开关周期内，电枢两端所作用的电压和功率转换电路大功率晶体管通、断次序组合的三同，可逆 PWM 控制有三种工作模式e10)：双
11、极模式、单极模式和受限单极模式。在本章中，我们将详细讨论每一种工作模式及其工作特性，简要介绍工作特性的计算机辅助分析。1 双极模式可逆 PWM 系统双极模式 PWM 控制的特点是在一个开关周期内，作用到电枢上的电压极性是负交替 的，双极工作模式由此而得名。本节将对双极工作模式的控制原理、控制特性进行分析论述。11 T 型双极模式 PWM 控制原理典型的 T 型 PWM 功率转换电路如图 31 所示，它由两只大功率晶体管V1、V2，两只二极 管 VDI、VD2 及两个电源+U：、一；：组成。在 0丁2，u。0，电动机正转；当控制信号为负时，则1月。 ，在 0cu。 。在 0月 S 日寸，电枢电流
12、 i，沿回路 1(经 V1 和 V4)从 A 流向 B，电动机工作在电动状态。在 c1tu。 。若在 0tu：，电枢电流 ia 沿回路 4(经由二极管 VD4、VDl)从 B 流向 A，把能量回馈给电源，电动机工作在再生制动状态。若在 c1t2J。 ，时，功率转换电路的输出将饱和，因此，u，与 9i 之间的关系可表示为式(314)表明，PWM 功率转换电路是具有饱和特性的 (如图 37 所示)拟线性放大器，拟线性放大系数(等效增益)为 显而易见，PWM 功率转换电路的增益与电源电压 u：成正比，与输入信号的限幅值以。 。 。( 亦即调制波的峰值 urn,)成反比，提高电源电压 u：或减小输入信
13、号限幅值 9ik(亦即减小调制三角波的峰值 urn,)，均可提高 PWM 功率转换电路的增益。 。+图 34 H 型双极模式 PWM 功率转换电路图 35 H 型双极模式 PWMogm,、电流波形a)v1、v4 基极激励电压 b)V2、V3 基极激励电压c)电枢电压波形 d)电枢电流波形e)工作状态表示2 单极模式可逆 PWM 系统 单极模式可逆 PWM 控制是一种常用的工作制式。T 型 PWM 功率转换电路和uPWM 功率转换电路均可工作在单极模式。若采用图 311 所示的 T 型电路单极模式可逆控制，当控制信号坞0 时，晶体管 V：1 处于开关状态，而 V2 始终处于截止状态，电动机正转；
14、若 ui0 的情况。若 ui0)控制方法为例来说明其工作过程(9l乱，则电枢电流 i。沿回路 1 经由 V1 和 V4 从 A 流向 B，电源输出能量给电动机。同时，电流 i。增加，电枢电感 l：储存能量，电动机工作在电动状态。在：tu， 。在 00 的工作情况和输出电压 ua、电流 j。的波形，与不可逆有制动状态的 PWM 系统的波形(图 212)相同。实际上，单极模式 H 型电路的可逆 PWM 控制方法，相当于两个具有制动状态的不可逆 PWM 控制电路的并联控制，并各自在不同极性的控制信号以 1 控制下工作。因此，有关电流平均值、电流脉动量、转速脉动量等计算公式，与第 2 章无制动状态的不
15、可逆控制在电流连续时导出的计算公式相同，此处不再重复。应该指出，在单极模式可逆控制中，信号系数卢以9DPu。；。J1T(占空比)，即一 l户l 。当户值为负时，正向导通时间 c1与卢的关系应表示为 h1 户 IT，也就是占空比。在数值上等于信号系数 p(aI1)。此外，单极模式可逆 PWM 系统的机械特性曲线上也占据 o)A4 一 yN 平面中的四个象限，系统可以实现四象限运行。第 5 章 PWM 系统控制电路以上对 PWM 功率转换电路已经作了介绍，剩余的电路则称为控制电路。考虑到我国的具体情况，本章将以分立元件非标准电路为主线，通过实例演示，介绍一些典型的 PWM 控制电路，以便于读者在工
16、程实践中参考。PWM 控制电路的模块化、集成化已成为发展趋势，它不仅可以大幅度地减少系统使用元器件的数量，简化设计计算，便于生产维护，提高系统可靠性，同时，也便于实现标准化、系列化。我国目前单片集成型控制电路与国外相比差距甚大，但今后也必将朝此方向发展。为此，本章对集成 PWM 控制电路亦作适当介绍。l 脉宽调制器的一般特性及电路1，l 脉宽调制 9S 的一般特性在第一章中业已提到过，脉冲宽度调制器的任务是将连续控制信号坞变换成方波脉冲电压输出，在一个开关周期 T 内输出正向脉冲宽度 c1 或者占空比 a(a、了)是连续控制信号小的函数。若忽略在一个开关周期内连续控制信号 ui 的变化，用信号
17、系数户来定义控制信号小与其最大值 2Jlm 之比，即卢之 (5)若 nlm 等于三角波或锯齿波的振幅，对不可逆 PWM 电路而言，坞在 0坞。之间变化，则 0户1 尉可逆 PWM 电路而言，ui 在-Ui。之间变化，则一 1卢。PWM 的输入输出特性，常用输出脉冲的占空比。与控制信号坞(或者信号系数户) 之间的关系来表示。通常输入输出特性设计成线性关系，根据该特性可以确定输出脉冲宽度的变化范围和持续时间。根据直流电动机运行方式的不同，则 PWM 输入输出特性也不同。图 5中直线 I 和 I是单极模式 PWM 正反向控制特性，直线是双极模式工作制的控制特性，它们的关系分别表示为单极模式双极模式的
18、频率称为调制频率。目前，大多数系统的调制频率为 24kHz，甚至更高。一般 PWM系统对调制频率的要求是能稳定地振荡且频率稳定(恒定) ，有较好的线性度。因为 PWM 伺服系统的线性度主要取决于频率发生器所产生的周期信号的线性度，调制频率的稳定度影响到整个系统的性能。因此，在选择、设计频率发生器电路时，必须遵循两个基本原则，这就是要求“线性度高，频率稳定” 。这样，明确了设计的基本原则后，至于具体电路的实现，就不是什么难于解决的问题了。频率发生器的种类很多，这里介绍几种常用的电路。L 21 由运算放大器构成的三角波发生器由运算放大器构成的三角波发生器是目前 PWM 系统中应用最广泛的一种，其原
19、理线路如图 52 所示。它由两个运算放大器组成，N1 为基型迟滞比较器，N2 为反向积分器，它们共同组成正反馈电路，形成自激振荡。N1 输出对称方波，N2 输出三角波。其波形如图 53 所示。设稳压管的稳定电压为 u；，则比较器 N1 输出高电平 H 为+z，输出低电平队为一孔，基准电压接到 N2 的反相端，同时接地，所以上门限电压为下门限电压为门限宽度为下面讨论三角波的工作原理： ”当 N1 输出 u。l 为低电平，即 uD：uL一 u。时，一 u：经电位器 RP 分压后加到积分器的输入端，若分压系数为 op，则加到积分器 N2 反相输入端的电压为一 opu：。此时( 0)，积分器对一 op
20、u。电压积分，其输出电压为一线性增长的电压。在0 时，输出端电压为沪+，所以积分电压是从沪+开始。当输出电压达到 u十(c：c1)时，比较器翻转，输出高电平H 二斗，：。此时，加到积分器输入端的电压为 OpUz。积分器反向积分，输出一个从 u+线性下降的电压。当输出电压下降到 uff+时，比较器又输出低电平。上述过程周而复始，便形成自激振荡，其波形如图53 所示。 。积分器的输出电压随时间的变化规律为解得，振荡周期振荡频率为由上面的分析，可以得到如下结论：(1)改变稳压管的稳压值，即可改变 N1 输出方波的幅值，但也同时影响三角波的幅值。(2)改变 A1 与月 2 之间的比值，可以改变上下门限
21、电压，从而可改变三角波的幅值，因为三角波的幅值是门限宽度值，但改变 Rl 与只：的比值不影响方波幅值而影响振荡频率。0 时，锯点波过零的时间提前了，结果使输出正向方波的时间变短，负方波的时间变长，如图 57b 所示。在坞0 时， N1 利用三角波的顶部及正极性的控制信号坞来工作，输出单极性脉冲，而 N2 输出一直为低电平 (见图 59b)；当坞0 时，I+的脉宽大于 T2，的脉宽小于， y2。gi0 时，情况则相反。这种脉宽调制器可用于 H 型倍频单极模式功率转换电路中，当 H 型电路的 v1 管的基极电压 9bl一 U+，v4 管的基极电压 gb+UB，而 v2 管的基极 ub：一 UB一吼
22、v3 管的基极电压 gb，u+一 9b， ，则图 314H 型功率转换电路的输出电压 u+。的频率为开关频率的两倍，电动机正转运行(见图 316)。133 数字式脉宽调制器数字式脉宽调制器可随控制信号的变化而改变脉冲序列的占空比 J1丁。在数字式脉宽调制器中，控制信号是数字，其值确定脉冲的宽度。不管脉宽如何，只要维持调制脉冲序列的周期不变就能达到改变占空比 c1T 的目的。8.1.3 双极晶体管脉宽调制控制的直流调速系统随着双极晶体管(BJT)的容量和技术性能的提高、价格的降低，以及脉宽调制(PWM)专用集成电路的日益完善，使得BJT-PWM 控制系统日益增多。下面将通过一个具体线路来介绍由PWM 集成电路控制的、由BJT 电路供电的直流调速系统的组成和工作原理。1双极晶体管(BJT)脉宽调制(PWM)型直流调压电路双极晶体管供电电路常采用“脉冲宽度调制”控制，又称PWM 控制。PWM 调压供电电路的基本原理，是利用双极晶体管的开关作用，将直流电源电压转换成频率约为2000Hz的方波脉冲电压，然后通过对方波脉冲宽度的控制来改变供电电压(大小与极性) 。PWM 型
