第8章-连续信号控制电路

第8章连续信号限制电路作用：将沟通信号连续变换成直流信号，或者将直流信号连续逆换成沟通信号来达到限制目的。■8.1脉宽调制限制电路★■8.2导电角限制逆变器■8.2变频限制电路限制电路—限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）。第8章连续信号限制电路电机是最接受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）限制敏捷便利。第8章连续信号限制电路连续信号限制电路—将沟通信号连续变换成直流信号，或者是直流信号连续变换成沟通信号以达到限制目的。主要指直流电动机调速、沟通电动机调速、功率电源限制中的导电角限制电路、脉宽调制限制电路、变频限制电路等。第8章连续信号限制电路速度调整是限制中的一个重要问题本章首先探讨直流电机的速度调整与限制然后探讨沟通电机的驱动、速度调整与限制第8章连续信号限制电路脉宽调制(PulseWidthModulation)限制电路，通常称为PWM限制电路，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，通过限制电压脉冲的宽度以达到变压目的，或者限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。8.1脉宽调制(PWM)限制电路为什么接受脉宽调制,而不用电压调速?(1)脉宽调制可以用于直流和沟通电机调速,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。8.1脉宽调制(PWM)限制电路脉宽调制限制电路包括电压-脉宽变换器和开关式功率放大器两部分。8.1.1脉宽调制限制电路的工作原理电压-脉宽功率放大∞++N-R2R3RPR1RLuPu0ucubECuLV二极管VD在V关断时为感性负载RL供应释放电感储能、形成续流回路。

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。其作用是在uc=0时通过RP的调整使比较器的输出电压ub为宽度相等的正负方波。电压-脉宽功率放大∞++N-R2R3RPR1RLuPu0ucubECuLV8.1.1脉宽调制限制电路的工作原理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其频率是主电路所需的开关调制频率，一般为1~4kHz；其极性与大小随时可变；

uc>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a)uc=0tOuPubb)uc>0tOuPubuP+uc+u0c)uc<0ttOttOtOOtOTτtOTτOTτuPubuP+uc+u0uP+uc+u0脉宽变更引起RL上平均电压变更8.1.1脉宽调制限制电路的工作原理8.1.1脉宽调制限制电路的工作原理tt2T2TTTT+τT+τττOOuLuLULULEE通过PWM限制变更开关管在一个开关周期T内的导通时间τ的长短，就可实现对RL两端平均电压UL大小的限制。PWM限制负载的波形图∞++N-R2R3RPR1RLuPu0ucubECuLV8.1.2典型脉宽调制电路

脉宽（脉冲宽度）调制器是一个自动的电压-脉宽变换器（亦称V/W电路）对脉宽（脉冲宽度）调制器的基本要求死区小，调宽脉冲的前后沿的斜率大。其简洁、牢靠，且不受外界干扰。考虑与功率转换电路的耦合问题。（一）锯齿波脉宽调制器8.1.2典型脉宽调制电路锯齿波发生器

51V26TRTHNE5554R7CT8V+N-+∞R1EcR2R3R4R5R10R7R6R8R9C1C2C3u0ucub+电压比较器

改善线性确定电压放电，形成锯齿波提高输出脉冲前后沿陡度无稳态多谐振荡器555定时器555定时器的结构和工作原理低电平触发端高电平触发端电压限制端复位端低电平有效放电端4.5～18V001①R=0时，Q=1、Q=0，uo=0，V导通。①R=0时，Q=1、Q=0，uo=0，V饱和导通。②R=1、UTH＞2UCC/3、UTR＞UCC/3时，RD=0、SD=1，Q=1、Q=0，uo=0，V饱和导通。＞2UCC/3＞UCC/30011①R=0时，Q=1、Q=0，uo=0，V饱和导通。②R=1、UTH＞2UCC/3、UTR＞UCC/3时，RD=0、SD=1，Q=1、Q=0，uo=0，V饱和导通。＜2UCC/3＞UCC/31001③R=1、UTH＜2UCC/3、UTR＞UCC/3时，RD=1、SD=1，Q、Q不变，uo不变，V状态不变。11①R=0时，Q=1、Q=0，uo=0，V饱和导通。②R=1、UTH＞2UCC/3、UTR＞UCC/3时，RD=0、SD=1，Q=1、Q=0，uo=0，V饱和导通。＜2UCC/3＜UCC/31100③R=1、UTH＜2UCC/3、UTR＞UCC/3时，RD=1、SD=1，Q、Q不变，uo不变，V状态不变。④R=1、UTH＜2UCC/3、UTR＜UCC/3时，RD=1、SD=0，Q=0、Q=1，uo=1，V截止。接通UCC后，UCC经R1和R2对C充电。当uc上升到2UCC/3时，uo=0，V导通，C通过R2和T放电，uc下降。当uc下降到UCC/3时，uo又由0变为1，V截止，UCC又经R1和R2对C充电。如此重复上述过程，在输出端uo产生了连续的矩形脉冲。555定时器的应用——构成无稳态触发器51V26TRTHNE5554R7CT8V+N-+∞R1EcR2R3R4R5R10R7R6R8R9C1C2C3u0ucub+（一）锯齿波脉宽调制器8.1.2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

形成确定死区8.1.2典型脉宽调制电路自激振荡

当

时,对应的uo值为输出三角波的幅值Uom,即当uo1=+Uz时

当uo1=-Uz时

迟滞比较器反相积分器（二）三角波脉宽调制器

+1.2V-1.2Vttttttttt000000000uo1uo1uo1uo2uo2uo2uc-uPuc-uPuc-uPucuca)uc=0b)uc>0

c)uc<0

8.1.2典型脉宽调制电路8.1.2典型脉宽调制电路(三)数字式脉宽调制器限制信号是数字，其值确定脉冲的宽度。随限制信号的变更而变更脉冲序列的占空比τ/T。当维持调制脉冲序列的周期不变，通过变更脉冲的宽度，就能达到变更占空比τ/T的目的。用微处理机来实现数字脉宽调制极其简洁，通常的方法有两种：软件方式硬件方式8.1.2典型脉宽调制电路用软件方式来实现，即通过执行软件延时循环程序交替变更端口某个二进制位输出逻辑状态来产生脉宽调制信号，设置不同的延时时间得到不同的占空比。优点：简洁、敏捷、省硬件缺点：须要占用CPU很多处理时间，对微处理机的速度要求很高，于实时系统和多任务系统限制不利；用硬件电路自动产生PWM信号，不占用CPU处理的时间。利用微处理器接口限制实现脉宽调制的PWM电路8255A分频器译码器地址IOWIORRESETCSWRRESETRDD7916122CD4520465&36CD4585101572121556141119385411101115CP792CD4585PA7107414113>1314PWM输出D7D0D0A0A0A1A1PA6PA5PA4PA3PA2PA1PA0PC7ABUcUcUcφABA<B，低电平A>B，高电平tOBtOTτPWM输出A计数器比较器数据输入接口输出高电平脉宽调制频率变换功用（1）电机驱动；（2）调速8.1.3PWM功率转换电路

（2）按载波信号和基准信号的频率之间的关系分：（1）按调制脉冲的极数分：单极式双极式分类同步式异步式几个概念：（1）可逆和不行逆：可逆就是电机即可正转也可反转；不行逆就是电机只能一个方向转动。（2）反电动势：是电机转动产生的，与转速有关。（3）自感电动势：流过电枢电流变更产生的感应电势。（4）电动：电机转动方向与流过电枢的电流方向相同。（5）制动：电机转动方向与流过电枢的电流方向相反。（6）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。8.1.3PWM功率转换电路

8.1.3PWM功率转换电路

几个概念：可逆系统，分为单极式和双极式驱动两种。单极式驱动是在一个PWM周期内，作用在电枢两端的脉冲电压是单一极性的；双极式驱动是在一个PWM周期内，作用在电枢两端的脉冲电压是正负交替的。8.1.3PWM功率转换电路

直流电机的限制驱动转动限制：在电机两端加电压正反转限制：变更所加电压的极性转角限制：转速限制：变更所加电压的大小(H型双极式桥路）用PWM调宽来变更电压用D/A转换器变更电压变更通电时间（精度低）加测角传感器进行闭环限制（成本高）8.1.3PWM功率转换电路

(一)简洁的不行逆PWM限制电路（★）(二)制动不行逆PWM限制电路

(三)H型双极式可逆PWM限制电路（★）(四)T型双极式可逆PWM限制电路几种限制变换电路电机只能单向转动、调速。

电机只能单向转动、调速、可以制动。

电机能双向转动、调速。电机可双向转动、调速，但须要正、负电源。电路组成工作原理简洁的不行逆PWM限制电路a）电路原理图VD1M-ubVD2V+iaED+ECV关断时为电枢回路供应释放电感储能形成续流回路消退电源在直流供电线路上的谐波电压对电路的干扰功率开关由大功率晶体管V1和二极管Dl、D2组成。当0≤t≤τ时，ub为正，V饱和导通，电动机两端电压ua=E；简洁的不行逆PWM限制电路b）电流和电压波形tOTτiaua,EuaUaEDiaEVD1M-ubVD2V+iaED+C电动机平均端电压为：ρ——PWM电压的占空比；变更ρ即可调速。当τ≤t<T时，ub为负，V截止，ua=0，电动机电枢经二极管VD1续流；ED——电动机反电动势；R、L——电枢电路的电阻和电感靠VD1续流E加到电动机电枢两端

简洁的不行逆PWM限制电路在轻载（负载力矩小、ia小）状况下可能断流不能反转、不能制动（电流不能反向通过电枢）制动不行逆PWM限制电路主控管协助管当0≤t<τ时：ub1为正，V1饱和导通；ub2为负，V2截止，E加在电动机电枢两端；ia顺着回路1由A流向B；电动机工作在电动状态。当τ≤t<T时：ub2为正，ub1为负，V1截止，与E断开，电枢中的自感电动势使ia沿回路2续流，电动机仍为电动状态，电动机电枢经二极管VD1续流；此时，VD2使V2接着截止。所以，只要ia在ub1为负期间不衰减到0，电动机始终“电动”状态。制动不行逆PWM限制电路但假如ia在ub1为负的期间内衰减到0，则V2在τ≤t<T期间在ED和ub2的共同作用下饱和导通，在外力做功下，ia沿回路3由B流向A,与ED同向，产生能耗制动。直到t=T后，ub2为负，V2截止，在自感电动势和反电动势的作用下，ia沿回路4流淌，实现回馈制动。此时V1因VD1而截止。反向制动作用会使电动机转速下降，直到ub1为正时，反相电流ia衰减到0，V1才饱和导通，电动机又进入电动状态。制动不行逆PWM限制电路此外，由于某种缘由，或者电动机工作在轻载状况下，负载电流很小时，电动和制动状态会交替出现。d)tOia34121τTt1t24d)电动和制动交替状态电流波形H型双极式可逆PWM限制电路限制方式上分为双极式、单极式和受限单极式，这里以双极式为例。双极式驱动：T型和H型。T型有两个开关管组成，接受正负电源，相当于2个不行逆系统的组合，形态像T字，成为T型。开关管要承受较高的反向电压，因此用于低压小功率直流电机驱动中。H型形态像桥式电路，应用较多VD2+EM3241V2V1VD1ABub1ub2-Eub2ub44M2V1V3V4V2VD3VD2VD1VD4ub1ub3EiaAB13

0≤t<τ时，ub1、ub4高电平，ub2、ub3低电平，V1、V4饱和导通，V2、V3截止，E加在电枢AB两端，UAB=+E；a)电路原理图ub2ub44M2V1V3V4V2VD3VD2VD1VD4ub1ub3EiaABH型双极式可逆PWM限制电路τ≤t<T时，V1、V4截止，但V2、V3并不能马上导通，电枢电流ia沿回路经VD2、VD3续流，UAB=-E。b)电压电流波形a)电路原理图ub1,ub4411-E2211tttttOOOOOub2,ub3TτEiauABia3（重载）（轻载）4ub2ub44M2V1V3V4V2VD3VD2VD1VD4ub1ub3EiaABH型双极式可逆PWM限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”状况所示。H型双极式可逆PWM限制电路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。a)电路原理图ub2ub44M2V1V3V4V2VD3VD2VD1VD4ub1ub3EiaABH型双极式可逆PWM限制电路在t>T时，ub1、ub4变正，但由于电枢反电动势的作用，V1、V4不能马上导通，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。双极式可逆PWM限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。H型双极式可逆PWM限制电路H型双极式可逆PWM限制电路H型双极模式PWM功率转换电路只须要单一电源供电，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接受H型电路。T型双极式可逆PWM限制电路当0≤t<τ时：ub1为正，V1导通；ub2为负，V2截止，E加在电动机电枢两端；当τ≤t<T时：ub2为正，ub1为负，V1截止，V2导通，-E加在电动机电枢两端，（1）当限制信号为0时，τ=T/2，Ua=UAB=0，电动机宏观上不转，平均电流为零；（2）当限制信号为正时，τ>T/2，Ua>0，电动机正转；（3）当限制信号为负时，τ<T/2，Ua<0，电动机反转；T型双极式可逆PWM限制电路这种电路结构简洁，但要求双电源供电，且晶体管承受的反向电压为电源的两倍，因此，T型PWM限制电路只适用于小功率低电压伺服电动机系统。8.1.3PWM功率转换电路

直流电机的限制驱动转动限制：在电机两端加电压正反转限制：变更所加电压的极性转角限制：转速限制：变更所加电压的大小(H型双极式桥路）用PWM调宽来变更电压用D/A转换器变更电压变更通电时间（精度低）加测角传感器进行闭环限制（成本高）8.1.3PWM功率转换电路

例：软件方式的PWM应用电路：8.1.4同步式与异步式脉宽调制限制电路上面介绍的均是直流脉宽调制限制方法，并不变更输出电压的频率。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。8.1.4同步式与异步式脉宽调制限制电路在PWM限制中，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个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦变更。8.1.4同步式与异步式脉宽调制限制电路依据采样限制理论中，冲量（指窄脉冲的面积）相等而形态不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其作用效果基本相同的原理，把正弦半波N等分后形成的脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，8.1.4同步式与异步式脉宽调制限制电路让矩形脉冲的中点与相应正弦等分的中点重合，并使矩形脉冲和相应正弦部分面积（冲量）相等，便得到正弦PWM波形。不难看出，各脉冲的宽度是按正弦规律变更的。由冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦波是等效的。对于正弦波的负半波，同样可以得到PWM波形。8.1.4同步式与异步式脉宽调制限制电路利用能量等效原理，将正弦波转换成与它能量等效的脉宽调制波形划分N等份（N是偶数），脉宽:2π/N。等效代替：用一个脉冲幅度都等于UΔm、脉宽与其对应的正弦波所包含的面积相等或成比例的矩形电压脉冲来分别代替相应的正弦波部分。要变更正弦波的幅值，只要按同一比例系数，变更各脉冲的宽度就可以。SPWM产生8.1.4同步式与异步式脉宽调制限制电路将这种脉冲宽度按正弦规律变更而和正弦波等效的PWM波形称为SPWM波形。调制限制中，若载波信号为等腰三角波，基准信号接受正弦波，则可形成SPWM限制。用于沟通电动机调速。为了保证沟通电动机的机械特性，须要进行变压变频。单极性正弦波脉宽调制a)b)UAB倒相器正弦波基准信号振荡器三角波振荡器半波整流电路比较器V1M半波整流电路比较器V2V3V4ECABuPuc-ucE-ucucuPuOO-Eωtωtπ8.1.4同步式与异步式脉宽调制限制电路单极性:指载波信号与基准信号始终保持同极性的关系，即正弦波处于正半周时，载波信号在正值范围内变更，产生正的调制脉冲列。而正弦波处于负半周时，产生负的调制脉冲列。8.1.4同步式与异步式脉宽调制限制电路接受正弦波调制后的输出电压脉冲UAB具有以下特点：在半个周期内，两边的脉冲宽度小，中间的脉冲宽度大，各脉冲的宽度基本上按正弦分布。它比单极性直流脉宽调制的输出电压波形更接近于正弦。同步式调制限制优点：N为常数，即变频时限制电路的三角载波频率与正弦调制波的频率要同步变更，从而保持脉宽调制信号波形数和相位不变。缺点:当输出频率很低时，由于相邻两脉冲间的间距增大，谐波会显著增加，使负载电动机产生较大的脉动转矩和较强的噪声。异步式调制限制当三角载波信号频率确定时，若只变更正弦波基准信号的频率，即让载波比N不为常数，同样可以变更输出电压的频率，这样正、负半周的脉冲数和相位在不同的输出频率下，就不完全对称。把这种限制方式称为异步式脉宽调制限制方式。优点：在低频输出时，每周内所包含的脉冲数增多，相应地可削减负载电动机的转矩脉动，改善了低频工作的特性。缺点：当载波比随着输出频率的降低而连续变更时，使逆变器输出电压的波形及其相位都发生变更，很难保持三相输出间的对称关系，因而引起电动机工作的不平稳。异步式调制限制8.2导电角限制逆变器在实际中运用更多的是沟通电机逆变器是一种将直流电能转变为沟通电能的设备。为什么要逆变？为了限制的须要，例如变频、脉冲调宽。在沟通电动机的调速系统中，须要用导电角限制电路来限制逆变器晶闸管或功率晶体管的开关依次和导通时间。晶闸管或功率晶体管在一个变更周期中导通时间对应的相位角称为导通角或导电角。wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)008.2导电角限制逆变器首先，引入两个重要的基本概念：触发延迟角：从晶闸管起先承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度,用a表示,也称触发角或限制角。导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用θ表示。逆变器的工作原理UCD0tK1

K2

K3

K4K1

K2

K3

K4ZCDCDUdUdZ8.2导电角限制逆变器在逆变器中，要正常工作必需保持晶闸管之间的牢靠换流。也就是说，晶闸管的通断，由外加触发电压限制。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。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

8.2导电角限制逆变器8.2导电角限制逆变器晶闸管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号晶闸管8.2导电角限制逆变器常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构8.2导电角限制逆变器晶闸管正常工作时的特性总结如下：承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，仅在门极有触发电流的状况下晶闸管才能开通。晶闸管一旦导通，门极就晶闸管都不会导通。承受正向电压失去限制作用。要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。～

MVD3

A

BCEC1VD1

VD5

V5V3

V1

V4VD4

V6VD6

V2

VD2

8.2.2120°导电角限制逆变器8.2导电角限制逆变器V1~V6：大功率管VD1~VD6：续流二极管其中，每一相上桥臂晶体管与下桥臂晶体管各导通120°电角度，上、下桥臂晶体管导通状态相互间隔60°电角度，各相之间相位差为120°。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°Oωt～

MVD3

A

BCEC1VD1

VD5

V5V3

V1

V4VD4

V6VD6

V2

VD2

接通依次：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8.2.1导电角限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°Oωt8.2.2120°导电角

限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/2OOOOOOUCUBUAUABUCAUBCEEE-E-E/2-E-E/2E/2-E