自动控制原理与应用(韩全立)第7章.ppt

第7章 直流脉宽调速系统 第第7 7章章 直流脉宽调速系统直流脉宽调速系统 7.1 直流脉宽调制电路的工作原理直流脉宽调制电路的工作原理 7.2 脉宽调速系统的控制电路脉宽调速系统的控制电路 习题习题7 第7章 直流脉宽调速系统 7.1 直流脉宽调制电路的工作原理直流脉宽调制电路的工作原理 7.1.1 不可逆不可逆PWM变换器变换器不可逆PWM变换器就是直流斩波器，其电路原理图如图71所示。它采用了全控式的电力晶体管，开关频率可达4 kHz。直流电压Us由不可控整流电源提供，采用大电容C滤波，二极管VD在晶体管VT关断时为电枢回路提供释放电感储能的续流回路。第7章 直流脉宽调速系统 图7-1 不可逆PWM变换器电路原理图 第7章 直流脉宽调速系统 大功率晶体管VT的基极由脉宽可调的脉冲电压ub驱动，当ub为正时，VT饱和导通，电源电压Us通过VT的集电极回路加到电动机电枢两端；当ub为负时，VT截止，电动机电枢两端无外加电压，电枢的磁场能量经二极管VD释放(续流)。电动机电枢两端得到的电压UAB为脉冲波，其平均电压为 式中=ton/T为一个周期T中，大功率晶体管导通时间的比率，称为负载电压系数或占空比，的变化范围在01之间。一般情况下周期T固定不变，当调节ton，使ton在0T范围内变化时，则电动机电枢端电压Ud在0Us之间变化，而且始终为正，因此，电动机只能单方向旋转，为不可逆调速系统。这种调节方法也称为定频调宽法。第7章 直流脉宽调速系统 图7-2所示为稳态时电动机电枢的脉冲端电压ud、电枢电压平均值Ud、电动机反电势E和电枢电流id的波形。由于晶体管开关频率较高，利用二极管VD的续流作用，电枢电流id是连续的，而且脉动幅值不是很大，对转速和反电势的影响都很小，可忽略不计，即认为转速和反电势为恒值。第7章 直流脉宽调速系统 图7-2 电压和电流波形图 第7章 直流脉宽调速系统 7.1.2 7.1.2 可逆可逆PWMPWM变换器变换器1.1.双极式双极式PWMPWM变换器变换器双极式PWM变换器主电路的结构形式有H型和T型两种，我们主要讨论常用的H型变换器。如图7-3所示，双极式H型PWM变换器由四个晶体管和四个二极管组成，其连接形状如同字母H，因此称为“H型”PWM变换器。它实际上是两组不可逆PWM变换器电路的组合。第7章 直流脉宽调速系统 图7-3 双极式H型PWM变换器原理图 第7章 直流脉宽调速系统 图7-4 双极式PWM变换器电压电流波形图第7章 直流脉宽调速系统 由于电枢两端电压uAB的正负变化，使得电枢电流波形根据负载大小分为两种情况。当负载电流较大时，电流id的波形如图7-4中的id1，由于平均负载电流大，在续流阶段(tontT)电流仍维持正方向，电动机工作在正向电动状态；当负载电流较小时，电流id的波形如图74中的id2，由于平均负载电流小，在续流阶段，电流很快衰减到零，于是VT2和VT3的c-e极间反向电压消失，VT2和VT3导通，电枢电流反向，id从电源Us正极VT2电动机电枢VT3电源Us负极，电动机处在制动状态。同理，在0tton期间，电流也有一次倒向。第7章 直流脉宽调速系统 由于在一个周期内，电枢两端电压正负相间，即在0tton期间为+Us，在tontT/2)，则电枢两端平均电压为正，电动机正转；当正脉冲较窄时(ton0时，+Uc的作用和-Up相减，经运算放大器倒相后，输出脉冲电压Upw的正半波变窄，负半波变宽，如图7-8(b)所示。当Uc URSD时，饱和动作。URSD可在15.5 V间调节。如脚11开路，其电位自动限制在5.5 V。如放弃过饱和保护，可将脚11直接接负电源。脚12为电流信号输入端，其电压值为负。当低于-0.2V时过流保护动作。脚13通过抗饱和二极管接至被驱动功率晶体管集电极。第7章 直流脉宽调速系统 脚15通过电阻R接正电源UCC，其阻值决定正向基极驱动电流 式中：UBE(GTR)为被驱动功率管GTR的b、e间压降；UCE为UAA4002内部输出级U1的饱和压降。脚16通过一小电阻RB接被驱动功率晶体管基极，输出正向基极驱动电流IB1。第7章 直流脉宽调速系统 7.2.4 由由PWM集成芯片组成的直流脉宽调速系统集成芯片组成的直流脉宽调速系统 1.1.SG1731SG1731芯片简介芯片简介SG1731是美国Silicon General公司针对直流电动机PWM控制而设计的单片IC，也可用于液压PWM控制。该芯片内置三角波发生器、误差运算放大器、比较器及桥式功放电路等。其原理是把一个直流电压与三角波叠加形成脉宽调制方波，加到桥式功放电路上输出。SG1731的管脚排列和内部结构如图7-10所示。第7章 直流脉宽调速系统 图7-10 SG1731的管脚排列和内部结构图(a)管脚排列；(b)内部结构第7章 直流脉宽调速系统 SG1731管脚的基本功能如下：16脚和9脚接电源Us(3.515V)，用于芯片的控制电路。14脚和11脚接电源U0(2.522 V)，用于桥式功放电路。比较器A1、A2，双向恒流源及外接电容C组成三角波发生器，其振荡频率f由电容C和外供正负参考电压2u+、2u-(2脚和7脚)决定：式中:u=2u+-2u-。第7章 直流脉宽调速系统 A3为偏差放大器，3脚为正相输入端，4脚为反相输入端，5脚为输出端。A4、A5为比较器，外加电压+UT、-UT为正负门槛电压。15脚为关断控制端，当该输入端为低电平时，封锁输出信号。10脚为芯片片基，6脚外接电容后接地。第7章 直流脉宽调速系统 2.由由SG1731组成的直流调速系统组成的直流调速系统如图7-11所示为SG1731组成的直流调速系统。SG1731的12脚、13脚可输出100mA 的电流。第7章 直流脉宽调速系统 图7-11 SG1731组成的PWM直流调速系统第7章 直流脉宽调速系统 7.2.5 由单片机控制的直流脉宽调速系统由单片机控制的直流脉宽调速系统直流脉宽调速系统的控制，也可由单片微机来实现。由单片微机控制的直流可逆调速系统的原理图如图7-12所示。第7章 直流脉宽调速系统 图7-12 单片机控制的直流可逆调速系统原理图 第7章 直流脉宽调速系统 系统主电路由四个大功率晶体管模块VT1VT4构成H型脉宽调制电路，VD1VD4分别集成在晶体管模块VT1VT4内部，起续流作用，VT1VT4上并联的R、C和VD为过电压吸收电路。直流电源由不可控整流电路提供，RL为限流电阻，用以限制开始给电时的充电电流值，然后由KM闭合将RL切除，R1、R2为均压电阻。控制电路为转速电流双闭环系统，转速反馈信号由测速发电机得到，经A/D转换后送入单片机系统；电流反馈信号由霍尔电流传感器得到，经A/D转换后送到单片机系统。单片机系统的输出分别接到M1M4，M1M4分别为VT1VT4的驱动模块，内部含有光电隔离电路和开关放大电路。转速给定信号经A/D转换后送入单片机系统，调节转速给定信号的大小，即改变占空比(=t1/T)的大小。第7章 直流脉宽调速系统 图7-13 脉冲宽度函数示意图 第7章 直流脉宽调速系统 习习 题题 7 7-1 简述双极式PWM变换器的工作原理及优缺点。7-2 PWM式不可逆调速系统中，当主电路处于续流状态时，电动机运行于何种状态?为什么?7-3 试分析比较晶闸管直流电动机可逆调速系统和PWM式可逆直流调速系统的制动过程，指出它们的相同点和不同点。