《电机驱动与调速》第47讲（小功率PWM直流脉宽调速系统）

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1、1 第第 4747 讲讲 项目项目7 7 典型调速系统典型调速系统 任务任务18 18 典型直流调速系统典型直流调速系统 情景情景2 2 小功率小功率PWMPWM直流脉宽调速系统直流脉宽调速系统 教学目标教学目标 1 1、熟悉、熟悉PWMPWM直流脉宽调速系统直流脉宽调速系统 2 2、掌握、掌握PWMPWM直流脉宽调速系统的控制电路直流脉宽调速系统的控制电路 教学重点教学重点 PWMPWM直流脉宽调速系统直流脉宽调速系统 教学难点教学难点 PWMPWM直流脉宽调速系统的控制电路直流脉宽调速系统的控制电路 教学方法教学方法 探究式、演示、情境交融、启发互动式教学法探究式、演示、情境交融、启发互动

2、式教学法 教学手段教学手段 多媒体教学、动画演示教学多媒体教学、动画演示教学 作业布置作业布置 作业题作业题7 7-2 2 2 教学过程：教学过程：项目项目7 7 典型调速系统典型调速系统 任务任务18 18 典型直流调速系统典型直流调速系统 情景情景2 2 小功率小功率PWMPWM直流脉宽调速系统直流脉宽调速系统 1 1、PWMPWM脉宽调速系统脉宽调速系统 （1 1）直流斩波）直流斩波PWMPWM调速系统调速系统 直流斩波器是不可逆且无制动力的直流斩波器是不可逆且无制动力的PWMPWM变换器，采用全控电力变换器，采用全控电力 晶体管，开关频率达数十千赫。直流电压晶体管，开关频率达数十千赫。

3、直流电压UsUs由不可控整流采用大电由不可控整流采用大电 容滤波，二极管容滤波，二极管VDVD在晶体管在晶体管VTVT关断时为电枢释放电感储能续流。关断时为电枢释放电感储能续流。图中图中UgUg即为即为UsUs与电容器与电容器C C并联电路（未画出）的输出电压。并联电路（未画出）的输出电压。图图7 7-10 10 直流斩波直流斩波PWMPWM调速系统调速系统 3 VTVT的基极由脉宽可调的脉冲电压的基极由脉宽可调的脉冲电压u ub b驱动。驱动。当当u ub b为正时，为正时，VTVT饱和导通，电源电压饱和导通，电源电压UsUs通过通过VTVT的集电极回路加的集电极回路加 到电动机电枢两端；到

4、电动机电枢两端；当当u ub b为负时，为负时，VTVT截止，电动机电枢无外施电压，电枢的磁场能截止，电动机电枢无外施电压，电枢的磁场能 量经二极管量经二极管VDVD释放（续流）。释放（续流）。电动机电枢两端电压电动机电枢两端电压U UABAB为脉冲波，其平均电压为为脉冲波，其平均电压为U Ud d=UsUs。ton/Tton/T为一个周期为一个周期T T中大功率晶体管导通时间的比率，称为中大功率晶体管导通时间的比率，称为 占空比占空比或负载电压系数（或负载电压系数（0 01 1）。）。电机电枢端电压电机电枢端电压UdUd为为0 0UsUs，始终为正，故电机只能单向旋转，始终为正，故电机只能单

5、向旋转 不可逆调速。这种调速方法也称定频调宽法。不可逆调速。这种调速方法也称定频调宽法。电枢电流电枢电流I Id d连续且脉动幅值不大，转速和反电势所受影响很小，连续且脉动幅值不大，转速和反电势所受影响很小，故可认为转速和反电势为恒值。故可认为转速和反电势为恒值。4 （2 2）制动型）制动型PWMPWM调速系统调速系统 如图如图7 7-1111（a a）所示。该系统可在第一、二两个象限运行。晶）所示。该系统可在第一、二两个象限运行。晶 体管体管 VTVT1 1和和VTVT2 2的驱动电压大小相等而方向相反（即的驱动电压大小相等而方向相反（即U UG1G1=-U UG2G2）。）。（a a）原理

6、图）原理图 （b b）电流大于）电流大于0 0时电压电流波形时电压电流波形 （c c）电流小于）电流小于0 0时电压电流波形时电压电流波形 （d d）电流较小时电压电流波形）电流较小时电压电流波形 图图 7 711 11 制动型制动型PWMPWM系统系统 5 1 1）电动状态运行）电动状态运行 电动状态运行时，平均电压应为正值，一个周期分两段变化。电动状态运行时，平均电压应为正值，一个周期分两段变化。0tT0tTONON期间期间(t(tONON为为VT1VT1导通时间导通时间)U UG1G1为正，为正，VT1VT1饱和导通；饱和导通；U UG2G2为负，为负，VT2VT2截止。此时，电源电压截

7、止。此时，电源电压 UsUs加到电枢两端，电流加到电枢两端，电流i id d沿图中的回路沿图中的回路1 1流通。流通。tON tTtON tT期间期间 U UG1G1、U UG2G2都变极性，都变极性，VT1VT1截止，但由于电流截止，但由于电流i id d沿回路沿回路2 2经二极管经二极管 VD2VD2续流，在续流，在VD2VD2两端产生的压降给两端产生的压降给VT2VT2施加反压，施加反压，VT2VT2并不导通。并不导通。因此，电动状态运行时因此，电动状态运行时VT1VT1、VD2VD2交替导通，而交替导通，而VT2VT2始终不通。始终不通。其电压和电流波形如图其电压和电流波形如图7 7-

8、1111（b b），与图），与图7 7-1010系统一样。系统一样。若要在电动运行中降低转速，则先减小控制电压，使若要在电动运行中降低转速，则先减小控制电压，使U UG1G1的正的正 脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平均电枢电压脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平均电枢电压U Ud d降低。但因惯性作降低。但因惯性作 用，转速和反电动势来不及立即变化，造成反电动势用，转速和反电动势来不及立即变化，造成反电动势EUEUd d。此时。此时 VT2VT2就在电机制动中发挥作用。就在电机制动中发挥作用。6 2 2）制动状态）制动状态 t tONONtTtT期间期间 U UG2G2变正，变正，VT2VT2导通，产

9、生的反向电流导通，产生的反向电流-i id d沿回路沿回路3 3通过通过VT2VT2流通，流通，产生能耗制动。产生能耗制动。TtTTtTt tONON（即（即0tT0tTONON）期间）期间 VT2VT2截止截止-i id d沿回路沿回路4 4通过通过VD1VD1续流，对电源回馈制动。而在续流，对电源回馈制动。而在VD1VD1 上的压降使上的压降使VT1VT1不能导通。反向电流的制动作用使电机转速下降，不能导通。反向电流的制动作用使电机转速下降，直到新的稳态。直到新的稳态。可见，制动过程中可见，制动过程中VT2VT2和和VD1VD1轮流导通，而轮流导通，而VT1VT1始终截止。始终截止。其电压

10、和电流波形如图其电压和电流波形如图7 7-1111（c c）所示。）所示。特别注意：当直流电源采用半导体整流装置时，在回馈制动特别注意：当直流电源采用半导体整流装置时，在回馈制动阶阶 段电能不可能通过它馈送电网，只能向滤波电容段电能不可能通过它馈送电网，只能向滤波电容C C充电，因而造成充电，因而造成 瞬间电压升高，称为“瞬间电压升高，称为“泵升电压泵升电压”。若回馈能量大则泵升电压太”。若回馈能量大则泵升电压太高，高，将危及功率开关器件和整流二极管，因此须采取限制措施。将危及功率开关器件和整流二极管，因此须采取限制措施。7 （3 3）可逆）可逆PWMPWM调速系统调速系统 为提高调速范围，使

11、电动机在四个象限中运行，可采用可逆为提高调速范围，使电动机在四个象限中运行，可采用可逆 PWMPWM变换器。可逆变换器。可逆PWMPWM变换器在控制方式上可分双极式、单极式和变换器在控制方式上可分双极式、单极式和受受 限单极式三种。这里只介绍双极式。限单极式三种。这里只介绍双极式。双极式双极式PWMPWM变换器主电路的结构形式有变换器主电路的结构形式有H H型和型和T T型两种，我们只型两种，我们只 讨论常用讨论常用H H型变换器，如图型变换器，如图7 7-1212所示。所示。双极式双极式H H型型PWMPWM变换器由四个变换器由四个IGBTIGBT晶体管和四个二极管组成形晶体管和四个二极管组

12、成形状状 如字母如字母H H的“的“H H型”型”PWMPWM变换器。它实际上是两组不可逆变换器。它实际上是两组不可逆PWMPWM变换器变换器电电 路的组合。路的组合。双极性双极性PWMPWM变换器只要控制其正负脉冲电压的宽窄，就能实现变换器只要控制其正负脉冲电压的宽窄，就能实现 电动机的正转和反转。电动机的正转和反转。8 图图7 7-12 12 双极式双极式H H型型PWMPWM调速系统调速系统 正脉冲较宽（正脉冲较宽（tonT/2tonT/2）时，电枢平均电压为正，电机正转；）时，电枢平均电压为正，电机正转；正脉冲较窄（正脉冲较窄（tonT/2tonT/2）时，电枢平均电压为负，电机反转；

13、）时，电枢平均电压为负，电机反转；正负脉冲电压宽度相等（正负脉冲电压宽度相等（tontonT/2T/2），平均电压为零，则电），平均电压为零，则电动动 机停止。机停止。此时电动机的停止与四个晶体管都不导通时的停止是有区别此时电动机的停止与四个晶体管都不导通时的停止是有区别的，的，四个晶体管都不导通时的停止是真正的停止。四个晶体管都不导通时的停止是真正的停止。9 平均电压为零时的电动机停止，电动机虽然不动，但电动机平均电压为零时的电动机停止，电动机虽然不动，但电动机电电 枢两端瞬时电压值和瞬时电流值都不为零。电流平均值为零，不枢两端瞬时电压值和瞬时电流值都不为零。电流平均值为零，不产产 生平均力

14、矩，但电动机带有高频微振，因此能克服静摩擦阻力，生平均力矩，但电动机带有高频微振，因此能克服静摩擦阻力，消消 除正反向的静摩擦死区。除正反向的静摩擦死区。双极式双极式PWMPWM变换器的变换器的优点优点是电流连续，可使电动机在四个象限是电流连续，可使电动机在四个象限 中运行。电动机停止时，有微振电流，能消除静摩擦死区，低速中运行。电动机停止时，有微振电流，能消除静摩擦死区，低速时时 每个晶体管的驱动脉冲仍较宽，有利于晶体管的可靠导通，平稳每个晶体管的驱动脉冲仍较宽，有利于晶体管的可靠导通，平稳性性 好，调速范围大。好，调速范围大。双极式双极式PWMPWM变换器的变换器的缺点缺点是四个大功率晶体

15、管在工作过程中都是四个大功率晶体管在工作过程中都 处于开关状态，开关损耗大，且容易发生上下两管同时导通的事处于开关状态，开关损耗大，且容易发生上下两管同时导通的事故，故，降低了系统的可靠性。降低了系统的可靠性。为防止双极式为防止双极式PWMPWM变换器的上下两管同时导通，可在变换器的上下两管同时导通，可在一管关断一管关断 和另一管导通的驱动脉冲之间，设置逻辑延时环节和另一管导通的驱动脉冲之间，设置逻辑延时环节。10 2 2、PWMPWM脉宽调速系统的控制电路脉宽调速系统的控制电路 （1 1）直流脉宽调制器）直流脉宽调制器 在直流脉宽调速系统中，晶体管基极的驱动信号是脉冲宽度在直流脉宽调速系统中

16、，晶体管基极的驱动信号是脉冲宽度可可 调的电压信号。脉宽调制器实际上是一种电压脉冲变换器，由电调的电压信号。脉宽调制器实际上是一种电压脉冲变换器，由电流流 调节器的输出电压调节器的输出电压UcUc控制，给控制，给PWMPWM装置输出脉冲电压信号，其脉冲装置输出脉冲电压信号，其脉冲 宽度和宽度和UcUc成正比。成正比。常用的脉宽调制器有以下几种：常用的脉宽调制器有以下几种：用锯齿波作调制信号的锯齿波脉宽调制器；用锯齿波作调制信号的锯齿波脉宽调制器；用三角波作调制信号的三角波脉宽调制器；用三角波作调制信号的三角波脉宽调制器；用多谐振荡器和单稳态触发电路组成的脉宽调制器；用多谐振荡器和单稳态触发电路

17、组成的脉宽调制器；数字脉宽调制器。数字脉宽调制器。11 如图如图7 7-1313所示，锯齿波脉宽调制器是一个由运算放大器和几所示，锯齿波脉宽调制器是一个由运算放大器和几个个 输入信号组成的电压比较器。输入信号组成的电压比较器。图图7 7-13 13 锯齿波脉宽调制器锯齿波脉宽调制器 12 加在运算放大器反相输入端上的有三个输入信号。加在运算放大器反相输入端上的有三个输入信号。一个输入信号是一个输入信号是锯齿波调制信号锯齿波调制信号UsaUsa，由锯齿波发生器提供，由锯齿波发生器提供，其频率是主电路所需的开关调制频率；其频率是主电路所需的开关调制频率；另一个输入信号是另一个输入信号是控制电压控制

18、电压U UC C，是系统的给定信号经转速调节，是系统的给定信号经转速调节 器、电流调节器输出的直流控制电压，其极性与大小随时可变，器、电流调节器输出的直流控制电压，其极性与大小随时可变，U UC C 与与UsaUsa在运算放大器的输出端叠加，从而在运算放大器的输出端得在运算放大器的输出端叠加，从而在运算放大器的输出端得 到周期不变、脉冲宽度可变的调制输出电压到周期不变、脉冲宽度可变的调制输出电压UpwUpw；为了得到双极式脉宽调制电路所需的控制信号，再在运算放为了得到双极式脉宽调制电路所需的控制信号，再在运算放大大 器的输入端引入第三个输入信号器的输入端引入第三个输入信号负偏差电压负偏差电压U

19、pUp。Up=Up=-0.5Usmax0.5Usmax。当当Uc=0Uc=0时，输出脉冲电压时，输出脉冲电压UpwUpw的正负脉冲宽度相等，如图的正负脉冲宽度相等，如图7 7-1414 （a a）所示。）所示。当当UcUc0 0 时时,UcUc的作用和的作用和UpUp相减，经运算放大器倒相后，相减，经运算放大器倒相后，输出脉冲电压输出脉冲电压UpwUpw的正半波变窄，负半波变宽，如图的正半波变窄，负半波变宽，如图7 7-1414（b b）所）所示。示。13 当当UcUc0 0时，时，UcUc的作用和的作用和UpUp相加，则情况相反，输出脉冲相加，则情况相反，输出脉冲 电压电压UpwUpw的正半

20、波增宽，负半波变窄，如图的正半波增宽，负半波变窄，如图7 7-1414（c c）所示。）所示。图图7 7-14 14 锯齿波脉宽调制器波形图锯齿波脉宽调制器波形图 通过通过改变控制电压改变控制电压UcUc的极性的极性，也就改变了双极式，也就改变了双极式PWMPWM变换器输变换器输 出平均电压的极性，因而出平均电压的极性，因而改变电动机的转向改变电动机的转向。通过。通过改变控制电压改变控制电压UcUc 的大小的大小，则改变输出脉冲电压的宽度，从而，则改变输出脉冲电压的宽度，从而改变电动机的转速改变电动机的转速。14 （2 2）逻辑延时电路）逻辑延时电路 可逆可逆PWMPWM变换器中，因晶体管关断

21、有存储时间和电流下降时间变换器中，因晶体管关断有存储时间和电流下降时间 （总称关断时间），在这段时间内晶体管并未完全关断。若在此（总称关断时间），在这段时间内晶体管并未完全关断。若在此期期 间另一个晶体管已经导通，将造成上下两管直通，从而导致电源间另一个晶体管已经导通，将造成上下两管直通，从而导致电源正正 负极短路。为避免发生这种情况，系统中设置由负极短路。为避免发生这种情况，系统中设置由RCRC电路构成的逻电路构成的逻辑辑 延时电路延时电路DLDDLD，保证对一个管发出关闭脉冲后，延时一段时间后再，保证对一个管发出关闭脉冲后，延时一段时间后再 发出对另一个管子的开通脉冲。发出对另一个管子的开

22、通脉冲。（3 3）基极驱动电路和保护电路）基极驱动电路和保护电路 脉宽调制器输出的脉冲信号功率较小，必须经过基极驱动电脉宽调制器输出的脉冲信号功率较小，必须经过基极驱动电路路 的功率放大，以确保晶体管在开通时能迅速达到饱和导通，关断的功率放大，以确保晶体管在开通时能迅速达到饱和导通，关断时时 能迅速截止。基极驱动电路开关过程包含开通、饱和导通和关断。能迅速截止。基极驱动电路开关过程包含开通、饱和导通和关断。15 在采用大功率晶体管的电机拖动电路中，电源容量很大，如在采用大功率晶体管的电机拖动电路中，电源容量很大，如果果 大功率晶体管损坏了，就有可能在基极回路中流过很大的电流。大功率晶体管损坏了，就有可能在基极回路中流过很大的电流。为了防止晶体管故障时损害基极电路，晶体管的驱动电路必为了防止晶体管故障时损害基极电路，晶体管的驱动电路必须须 要有要有快速自动保护快速自动保护功能。功能。现在，有专门的驱动保护集成电路，如法国汤姆逊（现在，有专门的驱动保护集成电路，如法国汤姆逊（THOMSONTHOMSON）公司生产的公司生产的UAA4002UAA4002芯片，可以实现对功率晶体管的最优基极驱动，芯片，可以实现对功率晶体管的最优基极驱动，同时实现对开关晶体管的非集中保护。同时实现对开关晶体管的非集中保护。