测控电路张国雄第8章

2023/2/3

测控电路张国雄天津大学精密仪器与光电子工程学院精密测试技术及仪器国家重点实验室电子邮件：gxzhang@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（1）可以驱动各种执行器件，用于各种场合；（2）行程大；（3）变速范围大；（4）输出力矩大；（5）控制灵活方便。伺服电动机的类型（1）直流电机需要电刷（2）交流电机控制相对复杂，目前矢量控制理论和技术已较成熟（3）步进电机运动不连续、不平稳9.连续信号控制电路2023/2/39.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。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？

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指令位置检测速度调节是控制中的一个重要问题本章首先研究直流电机的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脉宽调制(PulseWidthModulation)控制电路，通常称为PWM控制电路，是利用半导体功率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，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到变压变频目的的一种变换电路。9.2脉宽调制(PWM)控制电路为什么采用脉宽调制,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,还可以与调频相结合，通用性强;(2)在电机驱动中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,对于电机动态特性有利。9.2脉宽调制(PWM)控制电路脉宽调制控制电路包括电压-脉宽变换器和开关式功率放大器两部分。运算放大器N工作在开环或正反馈状态，实现把连续电压信号变成脉冲电压信号。二极管VD在V关断时为感性负载RL提供释放电感储能、形成续流回路。9.2脉宽调制(PWM)控制电路9.2.1脉宽调制控制电路的工作原理

电压-脉宽功率放大∞++N-R2R3RPR1RLuPu0ucubECuLV

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，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(PWM)控制电路9.2.1脉宽调制控制电路的工作原理

电压-脉宽功率放大∞++N-R2R3RPR1RLuPu0ucubECuLVuc>0:锯齿波过零提前，正半波比负半波窄

uc<0:锯齿波过零的时间后移，正半波比负半波宽9.2脉宽调制(PWM)控制电路9.2.1脉宽调制控制电路的工作原理

a)uc=0tOuPubb)uc>0tOuPubuP+uc+u0c)uc<0ttOttOtOOtOTτtOTτOTτuPubuP+uc+u0uP+uc+u0脉宽变化引起RL上平均电压变化（一）锯齿波脉宽调制器9.2脉宽调制(PWM)控制电路9.2.2典型脉宽调制电路锯齿波发生器51V26TRTHNE5554R7CT8V+N-+∞R1EcR2R3R4R5R10R7R6R8R9C1C2C3u0ucub+电压比较器改善线性一定电压放电，形成锯齿波9.2脉宽调制(PWM)控制电路9.2.2典型脉宽调制电路三角波发生器+-N1+∞∞N2-++R3R1R2CRPR5R6R7R9R8R10R13R11R14R12R15R16R17R18VS1VS2VD1VD2baV1V2V3V4V5uc+Ecuo1-Ecuo2uPR4（二）三角波脉宽调制器迟滞比较器积分器形成一定死区9.2脉宽调制(PWM)控制电路9.2.2典型脉宽调制电路（二）三角波脉宽调制器+1.2V-1.2Vttttttttt000000000uo1uo1uo1uo2uo2uo2uc-uPuc-uPuc-uPucuca)uc=0b)uc>0

c)uc<0

9.2脉宽调制(PWM)控制电路9.2.2典型脉宽调制电路8255A分频器译码器地址IOWIORRESETCSWRRESETRDD7916122CD4520465&36CD4585101572121556141119385411101115CP792CD4585PA7107414113>1314PWM输出D7D0D0A0A0A1A1PA6PA5PA4PA3PA2PA1PA0PC7ABEcEcEcφ计数器比较器数据输入接口AB输出高电平脉宽调制频率变换（三）数字式脉宽调制器功用（1）电机驱动；（2）调速9.2.3PWM功率转换电路9.2脉宽调制(PWM)控制电路9.2脉宽调制(PWM)控制电路9.2.3PWM功率转换电路几个概念：可逆和不可逆：可逆就是电机即可正转也可反转；不可逆就是电机只能一个方向转动。反电动势：是电机转动产生的，与转速有关。自感电动势：流过电枢电流变化产生的感应电势。电动：电机转动方向与流过电枢的电流方向相同。制动：电机转动方向与流过电枢的电流方向相反。回馈制动：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。工作原理9.2.3PWM功率转换电路（一）简单的不可逆PWM控制电路E加到电动机电枢两端

b）电流和电压波形a）电路原理图tOTτVD1M-ubVD2V+iaED+ECiaua,EuaUaEDia靠VD1续流9.2.3PWM功率转换电路（一）简单的不可逆PWM控制电路占空比；Ua

平均电压；ED

转动反电势

在重载（负载力矩大、ia大）情况下，仅是ia减小，感应电势维持ia>0在轻载情况下可能断流不能反转、不能制动（电流不能反向通过电枢）9.2.3PWM功率转换电路（一）简单的不可逆PWM控制电路9.2.3PWM功率转换电路（二）H型双极式可逆PWM控制电路b)电压电流波形a)电路原理图ub1,ub4411-E2211tttttOOOOOub2,ub3TτEiauABia3（重载）（轻载）4ub2ub44M2V1V3V4V2VD3VD2VD1VD4ub1ub3EiaAB13

0≤t<τ期间，V1、V4饱和导通，V2、V3截止，E加在电枢AB两端，UAB=+E；τ≤t<T期间，V1、V4截止，但V2、V3并不能立即导通，电枢电流ia沿回路经VD2、VD3续流。9.2.3PWM功率转换电路（二）H型双极式可逆PWM控制电路若电动机的负载较重，即电枢电流ia大，在续流阶段电流始终为正，则电动机始终工作在电动状态，ia只流经1、2两支回路，如图中“重载”情况所示。若负载轻，则ia小，续流时电流可能很快衰减到零，于是V2、V3在电源电压和反电动势的共同作用下导通，电枢电流反向，沿回路3流通，电动机处于反接制动状态。仅仅是制动，产生反向力矩，还不是反转。9.2.3PWM功率转换电路（二）H型双极式可逆PWM控制电路9.2.3PWM功率转换电路（二）H型双极式可逆PWM控制电路b)电压电流波形a)电路原理图ub1,ub4411-E2211tttttOOOOOub2,ub3TτEiauABia3（重载）（轻载）4ub2ub44M2V1V3V4V2VD3VD2VD1VD4ub1ub3EiaAB13在t>T时，ub1、ub4变正，但由于电枢反电动势的作用，V1、V4不能立即导通，ia沿回路经VD4、VD1续流。反向电流ia降至零后，VD4、VD1切断，V1、V4导通。电流ia流经1、2、3、4四支回路。9.2.3PWM功率转换电路（二）H型双极式可逆PWM控制电路双极式可逆PWM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τ>T/2时，电枢两端的平均电压为正，电动机正转；当τ<T/2时，平均电压为负，电动机反转；当τ=T/2时，平均电压为零，电动机停转。9.2.3PWM功率转换电路（二）H型双极式可逆PWM控制电路9.1导电角控制逆变器逆变器的基本概念

在实际中使用更多的是交流电机逆变器是一种将直流电能转变为交流电能的设备。

为什么要逆变？

为了控制的需要，例如变频、脉冲调宽。

这里需要大功率交流驱动。9.1导电角控制逆变器逆变器的基本概念

逆变器的工作原理UCD0tK1

K2

K3

K4K1

K2

K3

K4ZCDCDUdUdZ在逆变器中，要正常工作必须保持晶闸管之间的可靠换流。也就是说，晶闸管的通断，由外加触发电压控制。只要阳极A与阴极K之间的电流不小于其维持电流IH触发电压撤消后，仍保持导通9.1导电角控制逆变器单向晶闸管双向晶闸管

阳极A

门极G

阴极K

电极MT2

门极G

电极MT1

～

MVD3

A

BCEC1VD1

VD5

V5V3

V1

V4VD4

V6VD6

V2

VD2

120°导电角控制逆变器9.1导电角控制逆变器接通顺序：每隔60°，接通

1－2－3－4－5－6

每管导通120°，同相的两个管子不能同时导通9.1导电角控制逆变器120°导电角控制逆变器断通断通断V1断通120°断断通通断通通通断断断通断断断通通ωtωtωtωtωtOOOOOV4V3V6V5V2240°480°360°600°OωtωtωtωtωtωtωtE/2OOOOOOUCUBUAUA-BUC-AUB-CEEE-E-E/2-E-E/2E/2-E-E/2E/2-E/2E/2E/2E/2-E/2-E/2Ub5Ub4Ub1Ub2Ub6DDQSD1DQQDSD2SD3DQD4SQDQRD5RD6光电耦合驱动电路STARTLDUb1≥1Ub39.1导电角控制逆变器120°导电角控制逆变器111100011110001111111001110011100111同步电机9.3变频控制电路9.3.1基本原理和分类异步电机p

——

电动机极对数；f——

定子电源频率(Hz)；n0

——

同步转速(r/min)；

s——转差率。通过调频可以在宽范围内实现无级调速9.3变频控制电路

E1——定子相电动势(V)；

N1——定子相绕组串联总匝数；

k1——基波绕组系数(V•s•Wb-1)；

Φ——每极气隙磁通(Wb)。

忽略定子阻抗压降时，加到定子上的相电压

如电源电压U1不变，随着电源频率f增加，磁通Φ将减小引起电动机输出转矩的减小，在调频同时需要调压

9.3.1基本原理和分类9.3变频控制电路9.3.1基本原理和分类M+可控整流器逆变器~不控整流器+M逆变器a)PAM控制方式b)PWM控制方式~~~~~幅值控制脉宽控制9.3变频控制电路

电流型AC-DC-AC变频器

U/f调整器电压调节器环形计数器压控振荡器电流调节器发电路脉冲变压器逆变器晶闸管门极控制电路整流器晶闸管门极控制电路VF指令-+-+移相触CdV4V3VD5C6V1VD3VD1V6V5V2VD4VD6～MVD2～+可控整流器调频逆变器电流检测器电压检测器C5C1C3C2C4LIdABCV1~V6主晶闸管C1~C6换流电容器VD1~VD6隔离二极管

9.3.2PAM变频器9.3变频控制电路

电流型AC-DC-AC变频器

U/f调整器电压调节器环形计数器压控振荡器电流调节器发电路脉冲变压器逆变器晶闸管门极控制电路整流器晶闸管门极控制电路VF指令-+-+移相触电流检测器器电压检测获得所需频率信号

9.3.2PAM变频器Ub5Ub4Ub1Ub2Ub6DDQSD1DQQDSD2SD3DQD4SQDQRD5RD6光电耦合驱动电路STARTLDUb1≥1Ub31111000111100011111110011100111001119.3变频控制电路

电流型AC-DC-AC变频器环形计数器

逆变器晶闸管门极控制电路9.3.2PAM变频器IdCdV4V3VD5C6V1VD3VD1V6V5V2VD4VD6～MVD2～+可控整流器调频逆变器电流检测器电压检测器C5C1C3C2C4LABC逆变器晶闸管门极控制电路9.3变频控制电路

电流型AC-DC-AC变频器9.3.2PAM变频器9.3变频控制电路

电流型AC-DC-AC变频器

U/f调整器电压调节器环形计数器压控振荡器电流调节器发电路脉冲变压器逆变器晶闸管门极控制电路整流器晶闸管门极控制电路VF指令-+-+移相触电流检测器器电压检测根据f确定所需U以满足力矩要求通过与实际测量得到的U比较进行电压调节通过与实际测量得到的电流比较实现过载保护控制可控整流器的导通角9.3.2PAM变频器CdV4V3VD5C6V1VD3VD1V6V5V2VD4VD6～MVD2～+可控整流器调频逆变器电流检测器电压检测器C5C1C3C2C4LIdABC控制可控整流器的导通角9.3变频控制电路

电流型AC-DC-AC变频器9.3.2PAM变频器9.3变频控制电路

电流型AC-DC-AC变频器初始状态V1、V2导通电枢电流A－CCdV4V3VD5C6V1VD3VD1V6V5V2VD4VD6～MVD2～+可控整流器调频逆变器

U/f调整器电压调节器环形计数器压控振荡器电流调节器发电路脉冲变压器逆变器晶闸管门极控制电路整流器晶闸管门极控制电路VF指令-+-+电流检测器电压检测器移相触C5C1C3C2C4LIdABC++----++++--电容充电极性如图9.3.2PAM变频器9.3变频控制电路

电流型AC-DC-AC变频器V3、V2导通B1电位升高使V1截止C1促使换流电枢电流B－CCdV4V3VD5C6V1VD3VD1V6V5V2VD4VD6～MVD2～+可控整流器调频逆变器

U/f调整器电压调节器环形计数器压控振荡器电流调节器发电路脉冲变压器逆变器晶闸管门极控制电路整流器晶闸管门极控制电路VF指令-+-+电流检测器电压检测器移相触C5C1C3C2C4LIdABC++--B1----++++9.3.2PAM变频器9.3变频控制电路

电流型AC-DC-AC变频器V3、V2导通电枢电流B－CC1、C4极性改变CdV4V3VD5C6V1VD3VD1V6V5V2VD4VD6～MVD2～+可控整流器调频逆变器

U/f调整器电压调节器环形计数器压控振荡器电流调节器发电路脉冲变压器逆变器晶闸管门极控制电路整流器晶闸管门极控制电路VF指令-+-+电流检测器电压检测器移相触C5C1C3C2C4LIdABC-+-+B1+--+-++-9.3.2PAM变频器9.3变频控制电路

电流型AC-DC-AC变频器V3、V4导通A1电位下降使V2截止电枢电流B－ACdV4V3VD5C6V1VD3VD1V6V5V2VD4VD6～MVD2～+可控整流器调频逆变器

U/f调整器电压调节器环形计数器压控振荡器电流调节器发电路脉冲变压器逆变器晶闸管门极控制电路整流器晶闸管门极控制电路VF指令-+-+电流检测器电压检测器移相触C5C1C3C2C4LIdABC-+-+B1+--+++--A19.3.2PAM变频器9.3变频控制电路

电流型AC-DC-AC变频器CdV4V3VD5C6V1VD3VD1V6V5V2VD4VD6～MVD2～+可控整流器调频逆变器

U/f调整器电压调节器环形计数器压控振荡器电流调节器发电路脉冲变压器逆变器晶闸管门极控制电路整流器晶闸管门极控制电路VF指令-+-+电流检测器电压检测器移相触C5C1C3C2C4LIdABCV3、V4导通电枢电流B－AC2、C5极性改变-+-+B1+--+++--A19.3.2PAM变频器9.3变频控制电路

电流型AC-DC-AC变频器V5、V4导通电枢电流C－AC1电位升高使V3截止CdV4V3VD5C6V1VD3VD1V6V5V2VD4VD6～MVD2～+可控整流器调频逆变器

U/f调整器电压调节器环形计数器压控振荡器电流调节器发电路脉冲变压器逆变器晶闸管门极控制电路整流器晶闸管门极控制电路VF指令-+-+电流检测器电压检测器移相触C5C1C3C2C4LIdABC-+-+B1+--+++--A1C19.3.2PAM变频器9.3变频控制电路

电流型AC-DC-AC变频器V5、V4导通电枢电流C－AC3、C6极性改变CdV4V3VD5C6V1VD3VD1V6V5V2VD4VD6～MVD2～+可控整流器调频逆变器

U/f调整器电压调节器环形计数器压控振荡器电流调节器发电路脉冲变压器逆变器晶闸管门极控制电路整流器晶闸管门极控制电路VF指令-+-+电流检测器电压检测器移相触C5C1C3C2C4LIdABC-+-+B1+-+-++--A1C19.3.2PAM变频器9.3变频控制电路

电流型AC-DC-AC变频器V5、V6导通电枢电流C－BB电位下降使V4截止CdV4V3VD5C6V1VD3VD1V6V5V2VD4VD6～MVD2～+可控整流器调频逆变器

U/f调整器电压调节器环形计数器压控振荡器电流调节器发电路脉冲变压器逆变器晶闸管门极控制电路整流器晶闸管门极控制电路VF指令-+-+电流检测器电压检测器移相触C5C1C3C2C4LIdABC-+-+B1+-+-++--A1C19.3.2PAM变频器9.3变频控制电路

电流型AC-DC-AC变频器V5、V6导通电枢电流C－BC1、C4极性改变CdV4V3VD5C6V1VD3VD1V6V5V2VD4VD6～MVD2～+可控整流器调频逆变器

U/f调整器电压调节器环形计数器压控振荡器电流调节器发电路脉冲变压器逆变器晶闸管门极控制电路整流器晶闸管门极控制电路VF指令-+-+电流检测器电压检测器移相触C5C1C3C2C4LIdABC++--B1+-+-+--+A1C19.3.2PAM变频器9.3变频控制电路

电流型AC-DC-AC变频器V1、V6导通电枢电流A－BA电位升高使V5截止CdV4V3VD5C6V1VD3VD1V6V5V2VD4VD6～MVD2～+可控整流器调频逆变器

U/f调整器电压调节器环形计数器压控振荡器电流调节器发电路脉冲变压器逆变器晶闸管门极控制电路整流器晶闸管门极控制电路VF指令-+-+电流检测器电压检测器移相触C5C1C3C2C4LIdABC++--B1+-+-+--+A1C19.3.2PAM变频器9.3变频控制电路

电流型AC-DC-AC变频器V1、V6导通电枢电流A－BC2、C5极性改变CdV4V3VD5C6V1VD3VD1V6V5V2VD4VD6～MVD2～+可控整流器调频逆变器

U/f调整器电压调节器环形计数器压控振荡器电流调节器发电路脉冲变压器逆变器晶闸管门极控制电路整流器晶闸管门极控制电路VF指令-+-+电流检测器电压检测器移相触C5C1C3C2C4LIdABC+-+-B1+-+---++A1C19.3.2PAM变频器9.3变频控制电路

电流型AC-DC-AC变频器V1、V2导通电枢电流A－CC电位下降使V6截止CdV4V3VD5C6V1VD3VD1V6V5V2VD4VD6～MVD2～+可控整流器调频逆变器

U/f调整器电压调节器环形计数器压控振荡器电流调节器发电路脉冲变压器逆变器晶闸管门极控制电路整流器晶闸管门极控制电路VF指令-+-+电流检测器电压检测器移相触C5C1C3C2C4LIdABC+-+-B1+-+---++A1C19.3.2PAM变频器9.3变频控制电路

电流型AC-DC-AC变频器V1、V2导通电枢电流A－CC3、C6极性改变回到初始状态CdV4V3VD5C6V1VD3VD1V6V5V2VD4VD6～MVD2～+可控整流器调频逆变器

U/f调整器电压调节器环形计数器压控振荡器电流调节器发电路脉冲变压器逆变器晶闸管门极控制电路整流器晶闸管门极控制电路VF指令-+-+电流检测器电压检测器移相触C5C1C3C2C4LIdABC+-+-B1-+-+--++A1C19.3.2PAM变频器切换步骤（1）在逆变器晶闸管门极控制电路输出的触发脉冲控制下使下一个该接通的晶闸管导通；（2）靠存储在电容上的电荷使原来接通的阴阳极之间形成反向电压而截止，从而电动机中有电流通过的绕组改变，形成旋转磁场；（3）使存储在电容上的电荷极性发生变化，为下一次切换做好准备。每一个供电周期切换6次。9.3变频控制电路

电流型AC-DC-AC变频器9.3.2PAM变频器CdV4V3VD5C6V1VD3VD1V6V5V2VD4VD6～MVD2～+可控整流器调频逆变器电流检测器电压检测器C5C1C3C2C4LIdABC控制可控整流器的导通角9.3变频控制电路

电流型AC-DC-AC变频器9.3.2PAM变频器

U/f调整器电压调节器环形计数器压控振荡器电流调节器发电路脉冲变压器逆变器晶闸管门极控制电路整流器晶闸管门极控制电路VF指令-+-+移相触电流检测