张国雄版测控电路PPTChapter8-6

第八章

功率放大电路第一节开关功率驱动电路第二节步进电机功率放大电路第三节直流伺服电机的PWM功率放大电路第一节开关功率驱动电路分类：功率器件类型分类，常见的有晶体管驱动电路、场效应管驱动电路和晶闸管驱动电路等类型按照电路所驱动的负载类型分类，常见的有电阻性负载驱动电路和电感性负载驱动电路等类型按照电路所控制的负载电源类型分类，常见的有直流电源负载驱动电路和交流电源负载驱动电路等类型

晶体管直流负载功率驱动电路

晶体管功率驱动电路负载所需的电流不应太大

设计要点:合理确定Ui、R与V的电流放大系数

值之间的数值关系，充分满足

I

b

I

L/

可确保V导通时工作于饱和区，以降低V的导通电阻及减小功耗b)a)

漏极D

栅极G

VDS

源极SVMOS及TMOS场效应晶体管功率驱动电路图8-2a是VMOS及TMOS场效应管引出电极的内部关系简图，虚线框表示其封装范围。其中二极管VDS是在制造过程中形成的。与普通场效应管不同，如果在使用中将漏极D与源极S接反，会导致性能丧失或损坏图8-2b为典型的功率场效应晶体管直流负载功率驱动电路。当控制信号Ui小于开启电压UGS时，V截止，直流负载ZL中电流IL为0；当控制信号Ui大于开启电压UGS时，V导通，直流负载RL中电流IL=Ec/（ZL＋RDS）。式中RDS为V漏极D与源极S间的导通电阻。电路中稳压二极管VS对功率场效应晶体管实施保护晶闸管交流负载功率驱动电路

交流负载的功率驱动电路，通常采用晶闸管来构成晶闸管有单向晶闸管和双向晶闸管两种类型

单向晶闸管图形符号单向晶闸管亦称单向可控硅（SCR）晶闸管导通条件：在阳极A与阴极K之间加正向电压，同时在门极G与阴极K之间加正向电压（触发），这样阳极A与阴极K之间即进入导通状态晶闸管一旦导通，只要阳极A与阴极K之间的电流不小于其维持电流IH，门极G与阴极K之间是否还存在正向电压，对已经导通的晶闸管完全没有影响晶闸管关断条件：主电极阳极A与阴极K之间的电流小于其维持电流IH，晶闸管即进入关断状态

双向晶闸管图形符号双向晶闸管亦称双向半导体开关元件（TRIAC）

三端双向交流开关(TRIAC=TRIode（三端）ACsemiconductorswitch）与单向晶闸管相比较，双向晶闸管的主要区别是：①在触发之后是双向导通的②触发电压不分极性，只要绝对值达到触发门限值即可使双向晶闸管导通

交流半波导通功率驱动电路图8-4为交流半波导通功率驱动电路。其中V2是单结晶体管，负载ZL与晶闸管V3串联后接于交流电源u上。当控制信号Ui为高电平时，晶闸管V3导通，负载ZL中有半波交流电流IL通过。当控制信号Ui为低电平时，晶闸管V3截止，负载ZL中电流IL为0。如果控制信号Ui为高电平，光电耦合器VLC中二极管无电流而不发光，使得光敏三极管V1截止，P1与P2间电位差仅取决于负载ZL、电阻R5和稳压管VS的参数而与VD回路无关。在~u的正半周，P1与P2间的电压使电容C上的电位逐渐增加到足够高，导致单结晶体管V2的射极e与第一基极b1间突然导通。e与b1的导通一方面提供正向触发脉冲使晶闸管V3导通，另一方面使电容C上的电位迅速降低为0。此后晶闸管V3的导通状态一直延续到~u的正半周基本结束。这时因~u接近零而使晶闸管V3中的电流IL<IH，晶闸管V3进入截止状态。在~u的负半周，因晶闸管的A、K电极间为反向电压，不满足导通条件，晶闸管V3仍处于截止状态。直至u的下一个正半周，晶闸管V3再触发导通。如果控制信号Ui为低电平，光电耦合器VLC中发光二极管导通发光，使得光敏三极管V1导通，P1与P2间电位差显著降低，单结晶体管V2无法建立使晶闸管V3导通的触发电平，因而负载ZL中的电流IL始终为0。调整C与R2的数值，可改变晶闸管V3在~u正半周的导通角，从而达到改变负载ZL中平均电流IL大小的目的~u实用中应注意:如果驱动的是感性负载，必须设置合理的关断泄流回路，一方面可保护开关器件，另外也可起到消除对外电磁干扰的作用继电器与电磁阀驱动电路继电器广泛用于生产控制和电力系统中，具有接触电阻小、流通电流大和耐压高等优点，至今仍无法用无触点器件取代对继电器或接触器的驱动，实际上是对其励磁线圈电流通断的控制。继电器励磁线圈所需的励磁电源有直流与交流两种。

交流继电器的控制第二节步进电机功率放大电路步进电机是一种特殊的机电元件，不能直接接到交直流电源上工作，必须使用专用驱动器步进电机驱动控制系统框图步进电动机简称步进电机，可在开环条件下十分方便地将数字系统的脉冲数转变成与其相对应的角位移或线位移，因而是控制系统中常用的自动化执行元件附：步进电动机简介机理：将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离又称电脉冲马达特点：(1)脉冲－步距角(2)频率－转速(3)脉冲顺序－方向结构反应式步进电机主要由两部分构成：定子和转子它们均由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极定子转子定子绕组种类：可变磁阻型（VR型-Variable）其转子、定子采用软磁材料－无励磁时无保持力利用定子绕组产生的反应电磁力吸引用转子运行，又称反应式步进电机永磁型（PM型-PermanentMagnetType）转子用永久磁铁，具有记忆能力（断电后也能保持一定转矩）利用定子磁场与转子磁铁的恒定磁场相互吸引与排斥产生转矩混合型（HB型-HybridType）、其转子由永久磁铁和软磁铁芯组成，是具有磁性的多齿结构具有VR型步进电机步距角小、响应频率高的优点，而且还具有PM型步进电机励磁功率小、效率高的优点，是永磁型和可变磁阻型相结合的一种形式。故称为混合型步进电机。定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相注意：这里的相和三相交流电中的“相”的概念不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图的联接和组数的区别ABC定子转子IAIBIC下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理工作方式步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等三相单三拍：三相绕组中的通电顺序为：A相

B相

C相通电顺序也可以为：

A相C相B相

工作过程->A相通电，A方向的磁通经转子形成闭合回路->若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动A相通电使转子1、3齿和AA'对齐。CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412同理，B相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐，相对A相通电位置转30；C相通电再转30。1C'342CA'BB'A这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过30。此角称为步距角，用S表示。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向三相单双六拍三相绕组的通电顺序为：

AABBBCCCAA

共六拍工作过程：A相通电，转子1、3齿和A相对齐。CA'BB'C'A3412所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA'通电，转子转了15°（1）BB'

磁场对2、4齿有磁拉力，该拉力使转子顺时针方向转动A、B相同时通电（2）AA'

磁场继续对1、3齿有拉力CA'BB'C'A3412总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角为15CA'BB'C'A3412B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15三相双三拍三相绕组的通电顺序为：

AB

BC

CA

AB

共三拍。AB通电CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412BC通电以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用工作方式为三相双三拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转30，即S=30CA通电CA'BB'C'A3412实际步进电动机实际采用的步进电机的步距角多为3度和1.5度，步距角越小，机加工的精度越高为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子40个齿，定子仍是6个磁极，但每个磁极上也有五个齿转子的齿距等于360/40=9

，齿宽、齿槽各4.5为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，齿宽和齿槽和转子相同工作原理：假设是单三拍通电工作方式（1）A相通电时，定子A相的五个小齿和转子对齐。此时，B相和A相空间差120，含

120/9=齿A相和C相差240，含240/9=个齿所以，A相的转子、定子的五个小齿对齐时，B相、C相不能对齐，B相的转子、定子相差1/3个齿（3），C相的转子、定子相差2/3个齿（6）若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，转子只转1.5

同理，C相通电再转3……（2）A相断电、B相通电后，转子只需转过1/3个齿（3），使B相转子、定子对齐f：电脉冲的频率

转速步进机通过一个电脉冲,转子转过的角度,称为步距角m:一个周期的运行拍数Zr：转子齿数如：Zr=40,m=3时步距角减小步距角－增加齿数、运行拍数三相步进电机驱动时序：ABCBCAACBABCCP单三拍驱动三相步进电机驱动时序：双三拍驱动ABBCCABCCAABABCABCABCCP三相步进电机驱动时序：三相六拍驱动ACBABBABCCAABABCCP一、环形脉冲分配器环形分配器的主要功能（1）脉冲分配把来自控制环节的时钟脉冲串按一定的规律分配给步进电机各相驱动器的输入端以控制励磁绕组的导通或截止每来一个CP脉冲，环形分配器的输出转换一次。因此，步进电机转速的高低、升速或降速、起动或停止都完全取决于CP脉冲的有无或频率（2）步进电机的转动方向环形分配器还必须接受控制器的方向信号，从而决定步进电机的转动方向一、环形脉冲分配器环形分配器的主要功能（3）其它功能：①使能输入②零状态输出③清零输入④方式输入一、环形脉冲分配器环形分配器的主要功能（3）其它功能：①使能输入当使能输人信号有效时，才可以接受信号输入时钟脉冲串及其它信号；无效时，各种输入信号都不起作用，环分维持原输出状态。②零状态输出所谓零状态是指初始状态，一般指状态转换表中的第一种状态，对应步进电机的一种励磁状态。在运转过程中，每过一次零状态，该输出端出现一个脉冲一、环形脉冲分配器环形分配器的主要功能（3）其它功能：③清零输入该输入信号有效时将使环形分配器输出置为零状态④方式输入一种步进电动机可能有多种励磁方式，如四相混合式步进电动机有单四拍、双四拍、四相八拍励磁方式，对应的环形分配器应该能提供这几种励磁方式的输出。方式输入就是对各种励磁方式输出的选通信号一、环形脉冲分配器环形分配器的主要功能（3）其它功能：④方式输入如三相电机：A-B-C-A...

A-AB-B-BC-C-CA-A....

AB-BC-CA-AB....如四相电机：A-B-C-D-A...

A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A....

AB-BC-CD-DA-AB....一、环形脉冲分配器环形分配器的主要功能功能可以用硬件电路实现，也可以用软件实现硬件：专用集成电路

用JK触发器或D触发器构成

用通用的可编程逻辑器件GAL组成环形脉冲分配器的输出电流很小，需要功率放大才能驱动步进电机功率放大电路有单电压、双电压、斩波型等....

一、环形脉冲分配器环形分配器的主要功能集成电路CH250是一种专为反应式三相步进电机设计的环形分配器，输出驱动电流能力小于1mA，工作频率低于2MHz。器件管脚如图DIP16封装

CH250的管脚说明如下：A、B、C--A、B、C三相输出端，R3、R6--分别为双三拍运行和三相六拍运行的清零端，高电平有效R3=1、R6=0，则输出ABC=110R3=0、R6=1，则输出ABC=100CL、EN--脉冲信号CP输入端，可任选之一使用若选用CL时，上升沿触发，此时EN为使能端，EN=1时使能，EN=0时时禁止若选用EN时,下降沿触发，此时CL为使能端CL=0时使能，CL=1时禁止J3r、J3L、J6r、J6L--分别为双三拍、三相六拍运行正反转控制端

这四个端必须而且只能有一端为高电平，其余为低电平R3

R6

CLENJ3r

J3L

J6r

J6L

功能

0

0↑11000双三拍正转↑10100双三拍反转↑10010三相六拍正转↑10001三相六拍反转↓1××××锁定0↓1000双三拍正转0↓0100双三拍反转0↓0010三相六拍正转0↓0001三相六拍反转0↑××××锁定1××××

锁定×0××××10××××××A=1,B=1,C=001××××××A=1,B=0,C=0双三拍三相六拍二、功率放大电路1、单电压功率放大电路步进电机控制中最简单的一种驱动电路L是步进电机绕组电感；RL是绕组电阻；D是续流二极管，RC是外接的限流电阻，V是大功率开关晶体管。U电源电压一般选择在l0～100V左右，也有高达200V以上的。VU1、单电压功率放大电路电机绕组L是感性负载，电路的电磁时间常数为:时间常数T越小，晶体管V从截止变成饱和导通时绕组的电流按指数曲线上升越快，达到稳定电流值的时间就越短，时间常数T越大，电流上升越慢，达稳定值时间就越长当导通时间达到3T时，电流上升可以达到稳态值的95%，这时可认为基本达稳态值。其稳态电流为：1、单电压功率放大电路驱动电路时间常数T对电机绕组的电流到达稳态值的时间有极大关系，它影响到步进电机的工作频率T越小，电流到达稳态的时间越短，则电机的工作频率就可越高T越大，电流到达稳态的时间越长，电机的工作频率就越低简单改进方法

可用增大RC的方法减小驱动电路时间常数绕组电流I

L的波形a）Ui频率低时b）Ui频率高时1、单电压功率放大电路简单改进方法：可用增大RC方法但RC增大又会使稳态电流值减小，从而影响电机的电磁转矩，因此在增大RC的同时，也应同时提高供电的电源电压U保护回路：在V从饱和突然变成截止时，绕组中会产生一个很大的反电势，这个反电势和电源U迭加在一起加在晶体管V的集电极上时，很容易使晶体管击穿，将续流二极管D反向接在V的集电极和电源U之间，使得在晶体管V在截止瞬间电机绕组产生的反电势通过二极管D续流作用而衰减掉，从而保护了晶体管T不受损坏1、单电压功率放大电路电路特点：结构简单，工作效率低，高频特性差。外接电阻RC消耗相当大的一部分能量，一般只用于小功率步进电机的驱动。2、单电压基本型改进电路在外接电阻RC的两端并联了一个电容C，同时在续流回路中串联一个电阻Rd2、单电压基本型改进电路在RC上并联电容C可以改善步进电机绕组的电流脉冲前沿特性。在功率晶体管V导通瞬间，电容相当于短路，迫使流通过绕组的电流上升进一步加快，这样可使电流的前沿明显变陡，从而提高了步进电机的高频性能。不过这种电路也有不足的地方，这就是在低频工作时会使振荡有所增加，导致低频性能较差在续流回路中串联一个抑制电阻Rd，可以改善续流回路的放电时间常数Td。如忽略了续流二极管D的内阻，则有：2、单电压基本型改进电路显然，Rd越大，Td越小，所以Rd可减少回路的放电时间常数Td，使绕组中电流脉冲的后沿变陡，电流下降时间变小，从而提高高频工作时的性能但Rd选得太大，会使步进电机的低频性能明显变坏，电磁阻尼作用减弱，共振加剧，晶体管V被击穿的可能性增加一般情况下，抑制电阻Rd的最大值可以用晶体管V的集射极的极限电压UCEO来计算，即：

3、单电压恒流功率放大电路3、单电压恒流功率放大电路用晶体管构成的恒流源代替了外接电阻RC图(a)中，晶体管V1、V2和L、RL、D1、Rd组成单电压的基本功率放大电路，在电路中V1是功率放大管，V2是电流放大管,它们构成复合管，组成了放大倍数足够大的动放级晶体管V3、二极管D2、D3、电阻Rb、Re组成了恒流源电路在电路中二极管D2、D3处于正向工作状态，它们起稳压作用。设V3的基射极电压为Ueb，电阻Re的压降为URe，二极管D2、D3的正向压降均为UD，即有:3、单电压恒流功率放大电路在通常的情况下，二极管的饱和压降UD为0.7V，UD=Ueb，所以流过Re的电流Ie为:

则流过电阻Re的电流Ie为:3、单电压恒流功率放大电路只要Re是恒定的，则电流Ie也是恒定的。而Ie也就是流过电机绕组L的电流在恒流电路中晶体管V3工作在放大区，因而它有较大的等效电阻，对回路的时间常数有较大的改善电阻Re的取值一般很小，故在Re上的功耗很小。为了使V3的功耗下降，一般可采用较低电压的电源。这样可做到功耗小、特性好的效果3、单电压恒流功率放大电路(b)是另一种恒流方法。其恒流原理与图（a）一样，只是恒流源接在电源端。恒流回路用稳压管取代二极管采用恒流功放电路和基本型单电压功放电路相比，频率特性基本一致，但是功耗大为降低，提高了电源的效率3、单电压恒流功率放大电路3、双电压功率放大电路电机的控制绕组中串联电阻可以减小时间常数，但会增加电路的功耗当步进电机的工作频率较高，且需要进一步需要加快电流上升率时，可采用加大电源电压的强迫的过压励磁的方法即在通电的瞬间用高电压过压驱动，当电流上升到步进电机正常工作时所需要的电流时再转入由低电压供电因此双电压功率放大电路采用两种电压电源，一个是高电压电源，另一个是低压电源，故也称高低压功率放大电路。如图3、双电压功率放大电路U1为高压电源，大约为80～150V，U2是低压电源，一般为5～20V左右V1是高压电源的开关管，V2是功率驱动管V1基极加上高压电源开关控制信号UH，同时在V2的基极加上步进控制信号UL。而且要求UH和UL上升沿的上升时刻一致，且UH的持续时间要比UL的短的多，其时间可以根据高压源U1、电路的电磁时间常数来计算在一般的控制系统中，UH的信号是由UL信号产生的。把UL经过一个微分电路之后再整形定时得到UH，在计算机控制系统中也可以用定时器或软件产生UH及UL3、双电压功率放大电路（1）高电压工作状态当UH、UL同时为高电平时，V1和V2同时饱和导通。由于V1导通，高压电源U1加到二极管D1的负极，二极管D1因反向偏置而截止。高压电源U1加在绕组和外接电阻RC上。这样应有稳态电流I1为:高电源电压U1对绕组供电，有利于提高电流的上升率，可以提高了步进电机的工作频率和高频的力矩3、双电压功率放大电路（2）低电压工作状态当UH由高电平变为低电平时，UL继续为高电平，V1截止，V2继续导通，低电压电源U2通过二极管D1继续对电机的绕组供电，故绕组中保持一定的稳态电流。从而使电机这段时间内保持相应的电磁转矩以完成步进过程。在这段时间内，绕组的电流基本保持为:

此电流不允许超过步进电机的额定电流或者说可以将电机的额定电流代入上式来确定供电电源电压U23、双电压功率放大电路（3）关断状态当UH和UL都为低电平时，晶体管V1和V2均处于截止状态，高电压电源U1和低电压电源U2都被关断，无法向电机绕组供电。但由于电机绕组是感性负载，在电源突然关断时会产生较大的反电动势，该电势力图保持电流的原有大小和方向在电路中二极管D1、D2提供了泄放回路。反电势通过RL、RC、D2、U2、U1、D1电流回路而泄放。在这个回路中，U1和U2是反向相接的，其等效电路如图所示3、双电压功率放大电路（3）关断状态如果仍以二极管D1的负极端看作电源端，则加在绕组L上的电压是

U=U2-U1＜0，说明在晶体管V1、V2截止的瞬间，加在绕组L上的电压是负电压，和原来加在绕组上的正电压相反，加速了绕组内反电势的泄放过程，因此有较好的电流下降沿3、双电压功率放大电路(4)电路特点高速率的上升和下降沿。高频特性相当好，电源效率也较好高功耗较低，高频工作时有较大的转动力矩高压产生的电流上冲作用在低频工作时会导致输入能量过大，使电机的低频振荡加重在高、低压切换时电流不够平滑，存在有谷点，影响步进电机运行的平稳性在中功率和大功率步进电机驱动中常用end4、斩波恒流功率放大电路双电压功率放大电路的缺点是在高低压连接处电流出现谷点，这样必然引起电磁转矩在谷点时下降斩波恒流功率放大电路可以有效地克服这种不足，并且提高步进电机的效率和电磁转矩如图一种典型的斩波恒流动放电路

4、斩波恒流功率放大电路UI为步进电机一相的脉冲信号，当UI为高电平时，V5导通，D1发光，V1导通，V2截止，V3、V4导通。UI为高电平也将使V6、V7、V8导通。电机得电，绕组L中的电流上升，因此采样电阻R12上的电压降也随电流的上升而增加，即电位US升高，当绕组中的电流升到额定值以上时，US的电位将高于比较器A的同相输入端的参数电压UP，比较器A输出负电压，二极管D2导通。D2导通:将使V5截止，V1截止，V2导通，V3、V4截止，即关闭了电源U，电机断电，但V7、V8仍然导通，故这时的反电势有两个泄放回路，4、斩波恒流功率放大电路两个泄放回路：一个回路是L、RL、V8、R12、D3，另一个回路是L、RL、R13、D4、U、D3。由于RL是绕组电阻，R13是泄放电阻，两个泄放回路的并联电阻很小，所以泄放时间常数较大，绕组L中的电流泄放缓慢。当电流降到额定值以下时，采样电阻R12上产生的压降US低于参考电压UP，比较器A输出高电平。二极管D2截止，晶体管V5又导通，并有V1导通、V2截止，V3、V4导通。电源U又加于绕组L，使其电流又上升。4、斩波恒流功率放大电路绕组L中的电流保持在额定值上下似锯齿形波动的很小的范围内。调整电阻R11或R12的值都可以改变电流的额定值。比较器A的开环增益对电流的平滑性有影响。增益越大，波动越小。

4、斩波恒流功率放大电路当UI为低电平时，V5截止，V1截止，V2导通，使V3、V4截止。V6、V7、V8截止，则电机断电。绕组L中的电流通过RL、R13、D4、U、D3回路泄放这时相当于对绕组L加上一个负电源-U，使电流下降速率提高，故电流泄放时间较短。4、斩波恒流功率放大电路从提高高频工作频率和电源效率的角度上看，斩波恒流功放电路是一种较好的功放电路。它可以用较高的电源电压，同时无需外接电阻来限定额定电流和减少时间常数。由于电流波形顶部呈锯齿波波动，所以会产生较大的电磁噪声。第三节

直流伺服电机的PWM功率放大电路功率放大电路主要有两种类型一种是晶闸管功率放大电路一种是晶体管脉冲宽度调制（PWM）功率放大电路基本组成：磁极、电枢、电刷及换向片

在A、B两电刷间加直流电压时，电流便从A刷流入，由B刷流出。载流导体在磁场中受到电磁力，而产生电磁转距附：直流电动机工作原理直流电动机控制方式->电枢控制：（恒转矩调速方式）对于它激式直流电动机，当激磁电压恒定，而负载转矩一定时，升高电枢电压，电机的转速随之增高，反之，减小电枢电压，电机的转速就降低

当电枢电压极性改变后，电机的旋转方向也随之改变。这种控制方式称为电枢控制式，电枢绕组称为控制绕组->励磁磁场控制：（恒功率调速方式）电动机的转速与磁通Ф（也就是励磁电流）成反比，即当磁通减小时，转速n升高；反之，则n降低与此同时，由于电动机的转矩Te是磁通Ф和电枢电流Ia的乘积（即Te=CTФIa），电枢电流不变时，随着磁通Ф的减小，其转速升高，转矩也会相应地减小所以，在这种调速方法中，随着电动机磁通Ф的减小，其转速升高，转矩也会相应地降低。在额定电压和额定电流下，不同转速时，电动机始终可以输出额定功率，因此这种调速方法称为恒功率调速直流电动机静态特性机械特性：指控制电压恒定时，电机的转速随转矩变

化的关系TmTd1Td2Td3ω01ω02ω03ω0Ua1Ua2Ua3直流电动机静态特性调节特性：指转矩恒定时，电机的转速随控制电压变

化的关系。UaTm1=0Tm2Tm3ω01ω02ω03ωUa1=0Ua2Ua3第三节

直流伺服电机的PWM功率放大电路脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下，开关频率保持恒定，通过调整开关周期内晶体管导通时间的方法来改变输出，使电机电枢两端获得宽度随时间变化的电压脉冲脉宽的变化，使电枢电压的平均值也发生改变，从而达到调节速度的目的PWM方式的速度控制系统主要组成脉冲宽度调制器脉冲功率放大器第三节

直流伺服电机的PWM功率放大电路一、脉宽调制器作用：根据控制指令信号对脉冲宽度进行调制，以便用宽度随指令变化的脉冲信号去控制大功率品体管的导通时间，实现对电枢绕组两端电压的控制组成：由三角波发生器、加法器和比较器组成一、脉宽调制器三角波发生器用于产生一定频率的三角波UT，经加法器与输入的指令信号UI相加，产生信号UI+UT，然后送入比较器脉宽调制器对信号波形的调制电路如下图一、脉宽调制器

一、脉宽调制器(a)当指令信号UI=0时，输出信号UB为正负脉冲宽度相等，即占空比为50%的矩形脉冲(b,c)当UI>0或UI<0时，输出电压的波形占空比已不在是50%，改变指令信号UI即可改变输出电压波形的脉冲宽度当UI>0时，UB的正脉宽大于负脉宽，当UI<0时，UB的负脉宽大于正脉宽,从而实现了脉宽调制。当UI≥UTPP/2（UTPP是三角波的峰峰值）时，UB为一正直流信号；当UI≤-UTPP/2时，UB为一负的直流信号有集成化的脉宽调制器芯片，如LM3524等有些单片机本身也具有PWM输出功能，如80C552、8098、Atmega系列等，其输出脉冲宽度及频率可由编程确定二、开关功率放大电路作用：对脉宽调制器输出的信号进行放大，输出具有足够功率的信号，以驱动直流伺服电动机开关功率放大器常采用大功率晶体管构成根据其功能分类，有单向的和双向的根据其结构分类，单极性的、双极性的、有限单极性的1、单向驱动放大电路最简单的一种形式-电动机只作单方向转动时其中一种是：电动机的电压和电流均为正，两者的方向都是不可逆的特点：具有高的加速系统，减速性能却很差，控制电路本身无减速制动功能，仅仅靠系统的摩擦力和粘滞-阻尼来减速1、单向驱动放大电路最简单的一种形式-电动机只作单方向转动时另一种是：单向驱动放大电路加上动力制动电路可使电机在两象限运行电机单方向转动，但能通过改变驱动电流而使电机的电流反向而形成制动电流，产生制动转矩制动电流是反电势的函数，高速时有较大的制动能力，而在零速附近电流将减少到零（1）直流电机无制动状态的不可逆PWM系统由大功率晶体管V1和二极管Dl、D2组成功率管的基极加脉宽调制信号Ub，则电动机电枢两端电压Ua的波形如图UbUa（1）直流电机无制动状态的不可逆PWM系统电动机的转速由平均电压Ua决定当改变功率晶体管在一个开关周期T内的导通时间t1的长短，即可改变电枢两端的平均电压Ua的大小，从而控制了电动机的转速（1）直流电机无制动状态的不可逆PWM系统电枢电流是不能反向流动的，它不能进入第二象限运行，即无制动工作状态这种系统在轻载(或空载)情况下还可能出现电枢电流断续的现象（1）直流电机无制动状态的不可逆PWM系统

（1）直流电机无制动状态的不可逆PWM系统为简化，图中电流变化曲线用直线代替指数曲线。当0≤t≤t1时，Vl饱和导通，并将电动机与电源电压Us接通,这时Us＞Eg,电流ia1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ia1的增加，向电枢回路中的电感La储存磁能。当t1＜t1≤T时，Vl管截止，则电动机和电源断开。这时电枢电感电动势eL=-La(dia1/dt)通过续流二极管D2将维持ia2的续流，电动机将消耗储存的磁能，电流减小。

（1）直流电机无制动状态的不可逆PWM系统在PWM方波信号的作用下，电枢电压中包含有直流分量和交流分量，通常PWM的开关频率比电动机的截止频率要高得多，因此电枢电压中的交流分量将被电动机所衰减，真正起作用的是直流分量，交流分量对转速的影响是极其微小的。（2）带制动回路的不可逆PWM系统在工程实际中，直流伺服电动机的不可逆驱动，多采用快速性能好的带制动回路的不可逆控制。Vl是主控管，V2是辅助管两路脉宽调制信号Ub1、Ub2加到Vl、V2的基极，且极性相反(a)基极电压波形(b)电枢电压波形

(c)电动状态电流波形(d)发电状态电流波形

(e)轻载时的电流波形

(f)状态图有制动的不可逆PWM控制电路0≤t＜t1期间Ub1为正，Ub2为负，V1饱和导通，V2截止，电动机与电源Us接通；t1≤t＜T期间，Ub1为负，Ub2为正，V1截止，电动机与电源Us断开，V2饱和导通，提供了电流闭合通路。当控制电压的占空比α一定时，根据电动机反电动势Eg与PWM功率转换电路输出的平均电压Ua之间的关系，电机可能出现不同的工作状态。有制动的不可逆PWM控制电路当Ua＞Eg，Ia＞0时，电流的近似变化曲线如图c所示，电动机工作在电动状态。0≤t＜t1，电流ia沿回路1从A点流向B点，电流逐渐增加。t1≤t＜T，尽管Vl管截止，但电枢电感La中的自感电动势将维持电流ia沿回路2继续流动。有制动的不可逆PWM控制电路Eg＞Ua时:当脉宽调制器的控制电压突然减小，或者电动机在位能负载转矩带动下工作，会出现Eg＞Ua的情况，电动机处于发电运行状态，这时电枢电流变化如图d所示t1≤t＜T，V2在反电动势Eg和控制信号Ub2的作用下饱和导通，电流ia3经V2沿回路3流动，ia3的方向由B到A与反电动势Eg同向，产生制动转矩(能耗制动状态)。0≤t＜t1，V2截止，这时因电枢电感的作用，电枢电流不允许突变，使Ladia/dt+Eg＞Us，电枢电流ia4维持在反方向由B到A，流动的通路只能经二极管Dl沿回路4闭合，将能量回馈给电源。有制动的不可逆PWM控制电路由于某种原因，或者电动机工作在轻载情况下，I≈0时，电动和制动状态交替出现，电流的近似变化曲线如图e所示，在一个开关周期之内，四个电流闭合通路交替工作。为叙述方便，假设从t=t1开始，t1≤t＜T，开始时Vl管截止，续流电流ia2通过D2由A到B沿回路2减小到在t2时刻为零，然后在反电动势Eg的作用下，晶体管V2导通，电流ia3改变方向由B到A，沿回路3流动，电动机由电感放电的电动状态变为能耗制动状态。有制动的不可逆PWM控制电路由于某种原因，或者电动机工作在轻载情况下，I≈0时，电动和制动状态交替出现，电流的近似变化曲线如图e所示，T≤t＜T＋t1，回馈制动电流ia4沿回路4由B至A在t3时刻减小到零后，Vl管导通将电动机和电源接通，电枢电流再次改变方向由A到B沿回路1流动，电动机又由回馈制动状态转变为电动状态。具有制动回路的不可逆PWM控制系统的电枢电流始终是连续的。2、双向驱动放大电路双向驱动放大电路能够使电动机以两个方向运行，可在四个象限控制。可逆PWM控制有三种工作模式：双极模式、单极模式受限单极模式1)、双极模式T型PWM功率转换电路在一个开关周期内，作用到电枢上的电压极性是正负交替的，双极工作模式由此而得名。典型的双极模式T型PWM功率转换电路如图

1)、双极模式T型PWM功率转换电路1)、双极模式T型PWM功率转换电路由大功率晶体管Vl、V2，二极管Dl、D2及两个电源+Us、-Us组成。在0≤t＜t1期间，Vl饱和导通，V2截止，电动机的电枢A、B两端加上+Us。在t1≤t＜T期间，V2饱和导通，Vl截止，电动机电枢A、B两端加上-Us。当控制信号为零时，t1=T/2，Vl和V2导通时间相等，电枢电压的平均值Ua=UAB=0，电动机不转，此时平均电流为零。当控制信号为正时，有t1＞T/2，Ua＞0,电动机正转当控制信号为负时，有t1＜T/2，Ua＜0,电动机反转其波形如图

2)、双极模式H型PWM功率转换电路由四个大功率晶体管和四个续流二级管组成。四个大功率管分为两组，Vl和V4为一组，V2和V3为另一组。同一组中的两个晶体管同时导通、同时关断，两组晶体管之间交替地轮流导通和截止。输出电压和电流波形如图8-2-12：

(a)V1、V4基极电压(b)V2、V3基极电压(c)电枢电压波形

(d)电枢电流波形

(e)工作状态图图表示在信号电压为正时轻载情况下的波形。

图表示在信号电压为正时轻载情况下的波形。在0≤t＜t1期间，Ub1、Ub4为正，Ub2、Ub3为负，Vl和V4导通，V2、V3截止。当Ua>Eg时，电枢电流ia沿回路1经Vl和V4从A流向B，电动机工作在电动状态。在t1≤t＜T期间，Ub1、Ub2为负，晶体管Vl、V4截止；Ub2、Ub3为正，在电枢电感La的作用下，电枢电流ia沿回路2经D3、D2继续维持电流在原方向从A流向B，电动机仍然工作在电动状态。受二极管D3、D2正向导通电压降的限制，晶体管V2、V3并不能导通。

假若在t=t2时刻正向电流ia衰减到零，则在t2≤t＜T期间，晶体管V2和V3在电源Us和反电动势Eg的作用下导通，电枢电流ia反向流通，亦即ia沿回路3经晶体管V2、V3从B流向A，电动机工作在反接制动状态。在T＜t≤t3期间，晶体管基极电压改变极性，V2、V3截止，电枢电感La维持电流ia沿回路4经二极管D4、Dl继续从B流向A，电动机仍工作在制动状态。假若在t=t3时刻，反向电流(-ia)衰减到零，那么在t3＜t＜t4期间，在电源电压Us作用下，晶体管Vl、V4导通，电枢电流ia又沿回路1经Vl、V4从A流向B，电动机又工作在电动状态。

由此可见，即使在轻载情况下，电枢电流仍然是连续的，不会出现电流断续，但其工作状态呈电动和制动交替出现。

若电动机的负载较重，或者最小负载电流大于电流脉动量，则在工作过程中ia不会改变方向，电动机始终都工作在电动状态，电压、电流波形如图（b）所示。假定电动机原来处于高速正转状态，当控制指令突然减小，电枢电压Ua立即降低，使Eg>Ua。若在0＜t＜t1期间，由于电流不能突变，Ladia/dt+Eg＞Ua，电枢电流ia沿回路4经由二极管D4、Dl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t1≤t＜T期间，晶体管V2、V3导通，电流ia沿回路3经V2、V3从B流向A，电动机工作在反接制动状态。

从上面的简单分析不难看出，电动机不论运行在何种工作状态。在0≤t＜t1期间电枢电压UAB总是等于+Us，在t1≤t＜T期间电枢电压UAB总是等于-Us。双极模式PWM控制的电枢电流无断续现象。即使电动机不转电枢，电压瞬时值不等于零，而是正、负脉冲电压的宽度相等，电枢回路中流过一个交变的电流ia这个电流可使电动机发生高频颤动，有利于减小静摩擦，但同时也增大了电动机的空载损耗。H型双极模式PWM功率转换电路只需要单一电源供电，晶体管的耐压相对要求较低，缺点是电枢两端电压悬浮，不便于引出反馈，且基极驱动回路数比T型电路多。高压伺服电动机较普遍采用H型电路。

H型双极模式PWM功率转换电路只需要单一电源供电，晶体管的耐压相对要求较低，缺点电枢两端电压悬浮，不便于引出反馈，基极驱动回路数比T型电路多。高压伺服电动机较普遍采用H型电路。三、同步式与异步式脉宽调制控制电路上面介绍的均是直流脉宽调制控制方法，并不改变输出电压的频率。这种调制方法在低频输出时，谐波所产生的影响比较大，使调速系统的稳定性变差。三、同步式与异步式脉宽调制控制电路在PWM控制中，常常用一系列等幅而不等宽的脉冲来代替正弦波，将正弦半波波形分成N等分，于是正弦半波可看成由N个彼此相连的