现代测控电子技术第三章.ppt
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1、第三章控 制 电 路,3.1 基本控制电路,3.1.1 脉宽调制(PWM)控制电路 脉宽调制控制电路,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,把直流电压变成电压脉冲列,控制电压脉冲的宽度或周期以达到变压变频的目的。,1.脉宽调制控制电路的工作原理 基本的脉宽调制控制电路包括电压脉宽转换器和开关式功率放大器两部分,如图3.1.1所示。图3.1.1 PWM控制电路组成原理,A为比较器,实现把连续电压信号变成脉冲电压信号。二极管D在T关断时为感性负载RL提供释放电感储能形成续流回路。A的反相端输入三个信号:一个是锯齿波或三角波调制信号vp,其频率是主电路所需的开
2、关调制频率,一般为14kHz;另一个是控制电压vc,其极性与大小随时可变;再一个是负偏置电压vb。,(a)(b)(c)图3.1.2 锯齿波脉宽调制波形图(a)vc=0(b)vc0(c)vc0,vb的作用是在vc=0时通过Rp的调节使比较器的输出电压vo为宽度相等的正负方波。控制电压vc0时,锯齿波过零的时间提前,结果在输出端得到正半波比负半波窄的调制方波(见图3.1.2(b))。当vc0时,锯齿波过零的时间后移,结果在输出端得到正半波比负半波宽的调制方波(见图3.1.2(c))。,若锯齿波的线性良好,则输出正向脉冲的占空比为式中vcm是控制信号vc的最大值,实际是锯齿波高度的一半,见图3.1.
3、2(a)。PWM信号加到主控电路的开关管T的基极时,负载RL两端电压vL的波形如图。通过PWM控制改变开关管在一个开关周期T内的导通时间的长短,就可实现对RL两端平均电压vL大小的控制。,图3.1.3 PWM控制负载的波形图,2.典型脉宽调制电路1)锯齿波脉宽调制器 电路入图所示。定时器NE555接成无稳态多谐振荡器。电源电压Ep,通过电阻R1、R2对电容器C进行充电,当C的端电压达到2/3Ep时,定时器NE555内部的晶体管导通,C上的电压经R2迅速放电。当C的端电压下降到1/3Ep时,定时器NE555内部的晶体管关断,电源电压Ep再次通过电阻R1、R2对电容器C进行充电。,图3.1.4 锯
4、齿波脉宽调制器,如此周而复始,电容C的一端输出锯齿波,该锯齿波经电压跟随器A1隔离输出给后续比较器电路。设计时应使 R1R2。电压比较器是由正反馈运算放大器A2构成的。该电路的占空比由VC调节,脉冲频率为式中,T1=0.693(R1+R2)C;T2=0.693R2C。,2)三角波脉宽调制器 如图所示。采用集成函数发生器ICL8038作为三角波的发生器,其输出三角波作为电压比较器LM311的同相输入,比较器的反相输入为控制电压VC,当电阻R1=R2=R时,ICL8038的3脚输出三角波,波形幅度在1/3Ep与2/3Ep之间,波形的频率为,图3.1.5 三角波脉宽调制波形,控制电压Vc的幅度在1/
5、3Ep与2/3Ep之间变化时,可在比较器的输出端输出占空比可变的脉冲波,从而实现脉宽调制。占空比为其中1/3EpVc2/3Ep。,3)程序控制数字式脉宽调制器(1)软件方式 通过执行软件延时循环程序交替改变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。(2)硬件方式 实际是软硬件结合的方式,脉宽调制波由硬件产生,但波形的占空比等参数由软件预先设定,并可以由软件改变。,它的优点在于仅在改变波形参数时占用CPU的时间,且波形参数与微处理器系统的主频无关,无需因微处理器系统主频的变化更改程序,对使用者十分方便。图是硬件方式的一个例子。它由8位二进制计数器CD45
6、20、8位数值比较器2CD4585和8位控制数字锁存器构成。在时钟脉冲CLK作用下,计数器的8位输出从“0”开始逐次加“1”,当8位输出全为“1”(对应于十进制255)时,再来CLK脉冲又将从“0”开始。,图3.1.6 计数比较式PWM电路,显然,计数器输出数字斜坡信号,其周期为CLK脉冲周期的256倍。计数器输出的周期性数字斜坡信号称为B组数字量。8位二进制数值比较器由两片4位数值比较器CD4585构成。数值比较器A组数据来自控制数字锁存器,其中寄存了微机输出的数字控制信号,它相当于模拟PWM方式的控制电压。,只要计数器的输出值小于控制数字的数值,则第二级CD4585(图中上片)的“AB”输
7、出端保持高电平。当比较器的两个输入值相等时,“AB”端变为零,并且直到计数器溢出之前保持为低电平。溢出后,“AB”端恢复为高电平,并重复执行该过程。输出波形的周期T=256TC。而脉冲的宽度=DTC其中D为控制的数值,TC为时钟周期。如果要求PWM频率为lkHz,则CLK频率应为256kHz。,3.PWM功率转换电路1)简单的不可逆PWM控制电路 图3.1.7(a)所示为一个简单的不可逆PWM控制变换电路原理图。电源电压E一般由交流电网经不控整流电路供电,也可以用蓄电池供电,Dl在T关断时为电枢回路提供释放电感储能形成续流回路,C的作用是消除电源在直流供电线路上的谐波电压对电路的干扰。,(a)
8、(b)图3.1.7 简单不可逆PWM控制电路及其波形(a)电路原理图(b)电流和电压波形,功率开关T的基极由脉宽可调的脉冲电压Vb驱动。在一个周期内,当0t时,Vb为正,T饱和导通,电源电压E加到电动机电枢两端。当tT 时Vb为负,T截止,电动机电枢失去电源并经二极管D1续流。这样,电动机得到的平均端电压为式中 D为PWM电压的占空比,D=/T=Va/E,通过改变D(0D1)即可调速。,图3.1.7(b)为稳态时电枢端电压va,电枢平均电压Va和电枢电流ia的波形。可见,稳态电流ia是脉动的,其平均值等于负载电流iL=ML/Sm。其中,ML为包括电动机空载转矩在内的负载转矩,Sm为电动机额定励
9、磁下的转矩电流比。由于T在一个周期内具有导通和关断两种状态,电路电压的平衡方程式也分为两个阶段。在0t期间,在tT 期间式中 R、L分别为电枢电路的电阻和电感;ED为电动机转动反电动势。这种简单的PWM控制电路中,无制动工作状态,一般仅适用于快速性要求不高的场合。而且,这种电路在轻载(或空载)情况下还可能出现电枢电流断续的现象。,2)H形双极式可逆PWM控制电路 H形控制电路在控制方式上分双极式、单极式和受限单极式三种。H形双极式可逆PWM控制电路如图3.1.8(a)所示。它由四个大功率晶体管和四个续流二极管组成。四个大功率管分为两组,T1和T4为一组,T2和T3为另一组。,(a)(b)图3.
10、1.8 H型双极式PWM控制电路及其波形(a)电路原理图(b)电压电流波形,在基极驱动信号vb1=vb4,vb2=vb3=-vb1的作用下,同一组中的两个晶体管同时导通或同时关断,两组晶体管之间交替地轮流导通和截止,其工作时的输出电压和电流波形如图3.1.8(b)所示。图中的1、2、3和4是指电流的回路。由于允许电流反向,所以双极式工作时电枢电流始终是连续的。,在0t期间,T1、T4饱和导通,T2、T3截止,E加在电枢AB两端,VAB=+E;在tT期间,T1、T4截止,但T2、T3并不能立即导通,电枢电流ia沿回路经D2、D3续流,VAB=-E。若电动机的负载较重,即电枢电流ia大,在续流阶段
11、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3.1.8(b)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T2、T3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。在tT 时,vb1、vb4变正,但由于电枢反电动势的作用,T1、T4 不能立即导通,ia沿回路经D4、D1续流。反向电流ia降至零后,D4、D1切断,T1、T4导通。电流ia流经l、2、3、4四支回路,如图3.1.8(b)中“轻载”情况所示。,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,T/2时,电枢两端的
12、平均电压为正,电动机正转。当T/2时,平均电压为负,电动机反转。当=T/2时,平均电压为零,电动机停转。图3.1.8(b)所示波形是电动机正转时的情况。,在个开关周期之内的电枢电压表达式为傅里叶级数展开后得式中,直流分量为,交流分量为式中在一个开关周期,电枢回路方程为,3.1.2 变频控制电路1.变频调速的基本原理和分类1)变频调速的基本原理 同步电动机、磁阻式电动机等的转速为式中,p为电动机极对数;f为定子电源频率(Hz);n0为同步转速。,而对于笼型或绕线转子异步电动机,其实际转速为式中s是转差率,定义s=(n-n0)/n。当电机空载时,转差率基本为零;而当电机满载时,转差率一般在1%10
13、%的范围内。从公式看,改变极对数、转差率和频率均可调速,但变频调速是最为理想的调速方法。,从转换方式上来说,可以分为交-交变频和交-直-交变频两类转换方式。交-交变频方式一般用于特大功率交流调速系统中。交-直-交变频方式是通用的交流电动机调速系统中应用最广泛的频率变换方式。它在工作状态上比交-交变频方式多了一个直流存在状态,因此它是一种间接频率变换方式,具有更大的灵活性。,2.变频调速的控制方式和特性 在电动机调速时,要求保持每极磁通量为额定值不变。电动机每相的反电动势为式中E1为定子相电动势;N1为定子相绕组串联总匝数;k1为基波绕组系数;为每极气隙磁通。,当忽略定子阻抗压降时,有式中V1是
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