测控电路--连续信号控制电路

1、测量与控制电路 测控电路 n控制电路 - 控制执行机构运动的电路 常用的执行机构驱动器件 （1）电动机； （2）油（气）缸； （3）电磁机构（电磁铁、磁致伸缩）； （4）压电驱动； （5）热驱动； （6）其它（化学、生物、核等）。 9. 连续信号控制电路 9. 连续信号控制电路 电机是最采用的执行机构驱动器件电机是最采用的执行机构驱动器件 （1 1）可以驱动各种执行器件，用于各种场合；）可以驱动各种执行器件，用于各种场合； （2 2）行程大；）行程大； （3 3）变速范围大；）变速范围大； （4 4）输出力矩大；）输出力矩大； （5 5）控制灵活方便。）控制灵活方便。 n伺服电动机的类型伺服电

2、动机的类型 （1 1）直流电机）直流电机 需要电刷需要电刷 （2 2）交流电机）交流电机 控制相对复杂，目前矢量控制理论和技术已较控制相对复杂，目前矢量控制理论和技术已较 成熟成熟 （3 3）步进电机）步进电机 运动不连续、不平稳运动不连续、不平稳 9. 连续信号控制电路 测量与控制电路 5 9. 连续信号控制电路 连续控制电路主要指：直流电动机调速、 交流电动机调速和功率电源控制中的导电 角控制电路、脉宽调制控制电路、变频控 制电路等。 n在数控技术高度发展的今天，为什么还要进行连续信号在数控技术高度发展的今天，为什么还要进行连续信号 控制？控制？ 许多驱动机构还需要连续信号控制，以获得平稳

3、运动。许多驱动机构还需要连续信号控制，以获得平稳运动。 9. 连续信号控制电路 位置控制位置控制 位置指令 位置检测 n速度调节是控制中的一个重要问题速度调节是控制中的一个重要问题 n本章首先研究直流电机的速度调节与控制本章首先研究直流电机的速度调节与控制 n然后研究交流电机的驱动、速度调节与控制然后研究交流电机的驱动、速度调节与控制 9. 连续信号控制电路 9. 连续信号控制电路 脉宽调制控制电路 导电角控制逆变器 变频控制电路 n脉宽调制脉宽调制(Pulse Width Modulation)控制电路，控制电路， 通常称为通常称为PWM控制电路，是利用半导体功率控制电路，是利用半导体功率

4、晶体管或晶闸管等开关器件的导通和关断，晶体管或晶闸管等开关器件的导通和关断， 把直流电压变成一系列幅值相等的电压脉冲，把直流电压变成一系列幅值相等的电压脉冲， 通过控制电压脉冲的宽度以达到变压目的，通过控制电压脉冲的宽度以达到变压目的， 或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达 到变压变频目的的一种变换电路。到变压变频目的的一种变换电路。 9.2 脉宽调制脉宽调制(PWM)控制电路控制电路 n为什么采用脉宽调制为什么采用脉宽调制, ,而不用电压调速而不用电压调速? ? (1) 脉宽调制可以用于直流和交流电机调速脉宽调制可以用于直流和交流电机调速, ,还可以与

5、调还可以与调 频相结合，通用性强频相结合，通用性强; ; (2) 在电机驱动中在电机驱动中功率放大器工作在非线性状态，脉功率放大器工作在非线性状态，脉 宽调制让功率放大器工作在开关状态，可以减小有宽调制让功率放大器工作在开关状态，可以减小有 功功率消耗，获得较高的效率与较好的线性功功率消耗，获得较高的效率与较好的线性; ; (3) 让电机始终处在有电状态让电机始终处在有电状态, ,对于电机动态特性有利。对于电机动态特性有利。 9.2 脉宽调制脉宽调制(PWM)控制电路控制电路 脉宽调制控制电路包括电压脉宽调制控制电路包括电压 - -脉宽变换器和开关式功率脉宽变换器和开关式功率 放大器两部分。运

6、算放大器放大器两部分。运算放大器 N工作在开环或正反馈状态，工作在开环或正反馈状态， 实现把连续电压信号变成脉实现把连续电压信号变成脉 冲电压信号。二极管冲电压信号。二极管VD在在 V关断时为感性负载关断时为感性负载RL提供提供 释放电感储能、形成续流回释放电感储能、形成续流回 路。路。 9.2 脉宽调制脉宽调制(PWM)控制电路控制电路 9.2.1 脉宽调制控制电路的工作原理脉宽调制控制电路的工作原理 电压-脉宽 功率放大 + + + + N - - R2 R3 RP R1 RL uP u0 uc ub EC uL V N的反相端输入三个 信号：锯齿波或三角 波调制信号up,控制电 压uc，

7、负偏置电压u0， 其作用是在uc=0时通 过RP的调节使比较器 的输出电压ub为宽度 相等的正负方波。 9.2 脉宽调制脉宽调制(PWM)控制电路控制电路 9.2.1 脉宽调制控制电路的工作原理脉宽调制控制电路的工作原理 电压-脉宽 功率放大 + + + + N - - R2 R3 RP R1 RL uP u0 uc ub EC uL V uc0: 锯齿波过零 提前，正半波比负 半波窄 uc0 t O uP ub uP+uc+u0 c)uc0 c)uc 13 14 PWM输出输出 D7 D0D0 A0 A0 A1A1 PA6 PA5 PA4 PA3 PA2 PA1 PA0 PC7 AB Ec

8、Ec Ec 计数器计数器 比较器比较器 数据输入接口数据输入接口 A B 输出高电平输出高电平 脉宽调制脉宽调制 频率变换频率变换 （三）数字式脉宽调制器 n功用功用 （1）电机驱动；）电机驱动； （2）调速）调速 9.2.3 PWM功率转换电路功率转换电路 9.2 脉宽调制脉宽调制(PWM)控制电路控制电路 9.2 脉宽调制脉宽调制(PWM)控制电路控制电路 9.2.3 PWM功率转换电路功率转换电路 几个概念：几个概念： 可逆和不可逆可逆和不可逆：可逆就是电机即可正转也可反转；不可逆就是电机即可正转也可反转；不 可逆就是电机只能一个方向转动。可逆就是电机只能一个方向转动。 反电动势反电动势

9、：是电机转动产生的，与转速有关。是电机转动产生的，与转速有关。 自感电动势自感电动势：流过电枢电流变化产生的感应电势。流过电枢电流变化产生的感应电势。 电动电动：电机转动方向与流过电枢的电流方向相同。电机转动方向与流过电枢的电流方向相同。 制动制动：电机转动方向与流过电枢的电流方向相反。电机转动方向与流过电枢的电流方向相反。 回馈制动：回馈制动：流过电枢的电流与电机转动方向相反且流流过电枢的电流与电机转动方向相反且流 入电源，即将能量回馈给电源。入电源，即将能量回馈给电源。 n工作原理工作原理 9.2.3 PWM功率转换电路功率转换电路 （一）简单的不可逆（一）简单的不可逆PWM控制电路控制电

10、路 E加到电动机电枢两端加到电动机电枢两端 b） 电流和电压波形电流和电压波形a） 电路原理图电路原理图 t O T VD1 M - - ubVD2 V + + ia ED + + EC iaua, E ua Ua ED ia 靠靠VD1续流续流 9.2.3 PWM功率转换电路功率转换电路 （一）简单的不可逆（一）简单的不可逆PWM控制电路控制电路 EE T U a D a a d d E t i LRiE D a a d d 0E t i LRitT 0t 占空比；占空比；Ua 平均电压；平均电压； ED 转动反电势转动反电势 在重载（负载力矩大、在重载（负载力矩大、 ia大）情况下，仅是大

11、）情况下，仅是ia减小，减小， 感应电势感应电势 维持维持ia0a d d i L t n在轻载情况下可能断流在轻载情况下可能断流 n不能反转、不能制动（电流不能反向通不能反转、不能制动（电流不能反向通 过电枢）过电枢） 9.2.3 PWM功率转换电路功率转换电路 （一）简单的不可逆（一）简单的不可逆PWM控制电路控制电路 (二二) 制动不可逆制动不可逆PWM控制电路控制电路 b) ub1=-ub2 ub1 ub2 Tt O V1 V1VD2 tT E ED Ua ia ia,u 11 2 O +-E a) B M V1 V2 VD1 VD2 A C ED ub1 ub2 1 2 3 4 ia

12、 a)电路原理图 b) 电动状态电压和电流波形 c) t T O tT ub2 ub1 ub1=-ub2 VD1 VD1V2V2 O E ED Ua ia 3 344 ia,u d) t O ia 3 4 1 2 1 T t1t2 4 图9-16 制动不可逆PWM控制电路及其波形 c) 制动状态电压和电流波形d) 电动和制动交替状态电流波形 +-E a) B M V1 V2 VD1 VD2 A C ED ub1 ub2 1 2 3 4 ia 制动不可逆的含义：制动不可逆的含义： 电路能提供电动机电枢的反相电流，电路能提供电动机电枢的反相电流， 但不能提供反相电压。但不能提供反相电压。 9.2.

13、3 PWM功率转换电路功率转换电路 （三）（三） H型型双极式可逆双极式可逆PWM控制电路控制电路 b) 电压电流波形电压电流波形a) 电路原理图电路原理图 ub1,ub4 4 1 1 -E 2 2 1 1 t t t t t O O O O O ub2,ub3 T E ia uAB ia 3 （重载）（重载） （轻载）（轻载） 4 ub2 ub4 4 M 2 V1 V3 V4 V2 VD3 VD2 VD1 VD4 ub1 ub3 E ia AB 13 0t期间，期间，V1、V4饱和导通，饱和导通，V2、V3截止，截止，E 加在电枢加在电枢AB两端，两端，UAB=+E； tT时，时，ub1、u

14、b4变正，但由于电枢反电动势的作变正，但由于电枢反电动势的作 用，用，V1、V4不能立即导通，不能立即导通，ia沿回路经沿回路经VD4、VD1 续流。反向电流续流。反向电流ia降至零后，降至零后，VD4、VD1切断，切断，V1、 V4导通。电流导通。电流ia流经流经1、2、3、4四支回路。四支回路。 9.2.3 PWM功率转换电路功率转换电路 （三）（三） H型型双极式可逆双极式可逆PWM控制电路控制电路 tEiR t i LE D 0 d d aa a a TtEiR t i LE D aa a a d d n双极式可逆双极式可逆PWM控制电路的可逆性由正、控制电路的可逆性由正、 负脉冲电压的宽窄而定。当正脉冲宽度负脉冲电压的宽窄而定。当正脉冲宽度 T/2时，电