连续信号控制电路.ppt

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1、控制电路 - 控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）。,9. 连续信号控制电路,9. 连续信号控制电路,电机是最采用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）控制灵活方便。,伺服电动机的类型 （1）直流电机 需要电刷 （2）交流电机 控制相对复杂，目前矢量控制理论和技术已较 成熟 （3）步进电机 运动不连续、不平稳,9. 连续信号控制电路,2020/8/2,9. 连

2、续信号控制电路,连续控制电路主要指：直流电动机调速、交流电动机调速和功率电源控制中的导电角控制电路、脉宽调制控制电路、变频控制电路等。,在数控技术高度发展的今天，为什么还要进行连续信号控制？ 许多驱动机构还需要连续信号控制，以获得平稳运动。,9. 连续信号控制电路,速度调节是控制中的一个重要问题 本章首先研究直流电机的速度调节与控制 然后研究交流电机的驱动、速度调节与控制,9. 连续信号控制电路,9. 连续信号控制电路,脉宽调制控制电路,导电角控制逆变器,变频控制电路,9.1 导电角控制逆变器,逆变器的基本概念,在实际中使用更多的是交流电机 逆变器是一种将直流电能转变为交流电能的设备。 为什么

3、要逆变？ 为了控制的需要，例如变频、脉冲调宽。 这里需要大功率交流驱动。,9.1 导电角控制逆变器,逆变器的基本概念,在逆变器中，要正常工作必须保持晶闸管之间的可靠换流。也就是说，晶闸管的通断，由外加触发电压控制。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,9.1 导电角控制逆变器,120导电角控制逆变器,9.1 导电角控制逆变器,接通顺序：每隔60，接通 123456每管导通120，同相的两个管子不能同时导通,9.1 导电角控制逆变器,120导电角控制逆变器,脉宽调制(Pulse Width Modulation)控制电路，通常称为PWM控制电路，是利用半导体

4、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，通过控制电压脉冲的宽度以达到变压目的，或者控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。,9.2 脉宽调制(PWM)控制电路,为什么采用脉宽调制,而不用电压调速? (1) 脉宽调制可以用于直流和交流电机调速,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。,9.2 脉宽调制(PWM)控制电路,脉宽调制控制电路包括电压-

5、脉宽变换器和开关式功率放大器两部分。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。二极管VD在V关断时为感性负载RL提供释放电感储能、形成续流回路。,9.2 脉宽调制(PWM)控制电路,9.2.1 脉宽调制控制电路的工作原理,电压-脉宽,功率放大,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，其作用是在uc=0时通过RP的调节使比较器的输出电压ub为宽度相等的正负方波。,9.2 脉宽调制(PWM)控制电路,9.2.1 脉宽调制控制电路的工作原理,电压-脉宽,功率放大,uc0: 锯齿波过零提前，正半波比负半波窄 uc0: 锯齿波过零的

6、时间后移，正半波比负半波宽,9.2 脉宽调制(PWM)控制电路,9.2.1 脉宽调制控制电路的工作原理,脉宽变化引起RL上平均电压变化,（一）锯齿波脉宽调制器,9.2 脉宽调制(PWM)控制电路,9.2.2 典型脉宽调制电路,锯齿波发生器,电压比较器,改善线性,一定电压放电，形成锯齿波,9.2 脉宽调制(PWM)控制电路,9.2.2 典型脉宽调制电路,三角波发生器,（二）三角波脉宽调制器,迟滞比较器,积分器,形成一定死区,9.2 脉宽调制(PWM)控制电路,9.2.2 典型脉宽调制电路,（二）三角波脉宽调制器,9.2 脉宽调制(PWM)控制电路,9.2.2 典型脉宽调制电路,（三）数字式脉宽调

7、制器,功用 （1）电机驱动； （2）调速,9.2.3 PWM功率转换电路,9.2 脉宽调制(PWM)控制电路,9.2 脉宽调制(PWM)控制电路,9.2.3 PWM功率转换电路,几个概念： 可逆和不可逆：可逆就是电机既可正转也可反转；不可逆就是电机只能一个方向转动。 反电动势：是电机转动产生的，与转速有关。 自感电动势：流过电枢电流变化产生的感应电势。 电动：电机转动方向与流过电枢的电流方向相同。 制动：电机转动方向与流过电枢的电流方向相反。 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。,工作原理,9.2.3 PWM功率转换电路,（一）简单的不可逆PWM控制电路,

8、E加到电动机电枢两端,靠VD1续流,9.2.3 PWM功率转换电路,（一）简单的不可逆PWM控制电路,占空比；Ua 平均电压； ED 转动反电势在重载（负载力矩大、 ia大）情况下，仅是ia减小，感应电势 维持ia0,在轻载情况下可能断流 不能反转、不能制动（电流不能反向通过电枢）,9.2.3 PWM功率转换电路,（一）简单的不可逆PWM控制电路,测控电路 COPYRIGHT 2010 天津工大机电学院,(二) 制动不可逆PWM控制电路,a)电路原理图,b) 电动状态电压和电流波形,测控电路 COPYRIGHT 2010 天津工大机电学院,图9-16 制动不可逆PWM控制电路及其波形,c) 制

9、动状态电压和电流波形,d) 电动和制动交替状态电流波形,9.2.3 PWM功率转换电路,（二） H型双极式可逆PWM控制电路,0t期间，V1、V4饱和导通，V2、V3截止，E加在电枢AB两端，UAB=+E； tT期间，V1、V4截止，但V2、V3并不能立即导通，电枢电流ia沿回路经VD2、VD3续流。,9.2.3 PWM功率转换电路,（二） H型双极式可逆PWM控制电路,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”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V2、V3在电源电压和反电动势的

10、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。,9.2.3 PWM功率转换电路,（二） H型双极式可逆PWM控制电路,9.2.3 PWM功率转换电路,（二） H型双极式可逆PWM控制电路,在tT时，ub1、ub4变正，但由于电枢反电动势的作用，V1、V4不能立即导通，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。,9.2.3 PWM功率转换电路,（二） H型双极式可逆PWM控制电路,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

11、T/2时，电枢两端的平均电压为正，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。,9.2.3 PWM功率转换电路,（二） H型双极式可逆PWM控制电路,四、同步式与异步式脉宽调制控制电路,定义：调制控制中，若载波信号为等腰三角波，基准信号采用正弦波，则称为正弦波脉宽调制，简称SPWM。,图9-19 单极性正弦波脉宽调制,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化，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。,采用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

12、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。,定义载波频率fp与调制波频率fk之比为载波比N，即N=fp/fk。用三角波up幅值Upm与正弦波uk幅值Ukm之比m=Upm/Ukm表示调节脉冲宽度的能力，m愈大，uk幅值就愈小，则等高不等宽脉冲宽度变窄，输出电压减小。根据载波比的变化与否可分为同步式调制控制与异步式调制控制。,（一）同步式调制控制,在同步式调制控制方式中，N为常数，即变频时控制电路的三角载波频率与正弦调制波的频率要同步变化，从而保持脉宽调制信号波形数和相位不变。如果取N等于3的倍数，则同步调制控制能保证逆变器输出波

13、形的正、负半波始终保持对称，对于三相逆变器能严格保证三相输出波形间具有互差120的对称关系。 但是，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，这是同步式调制控制方式的主要缺点。,（二）异步式调制控制,当三角载波信号频率一定时，若只改变正弦波基准信号的频率，即让载波比N不为常数，同样可以改变输出电压的频率，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，把这种控制方式称为异步式脉宽调制控制方式。,由于正、负半周输出脉冲不对称，会出现偶次的高次谐波，但是在低频输出时，每周内所包含的脉冲数增多，相应地可减少负载电动机的转矩

14、脉动，改善了低频工作的特性。在改善低频工作的同时，异步式调制不会失去同步式调制的优点，即在半个周期内，各脉冲的宽度基本上按正弦分布。但当载波比随着输出频率的降低而连续变化时，使逆变器输出电压的波形及其相位都发生变化，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。,同步电机,9.3 变频控制电路,9.3.1 基本原理和分类,异步电机,p 电动机极对数； f 定子电源频率(Hz)； n0 同步转速(r/min)； s转差率。 通过调频可以在宽范围内实现无级调速,9.3 变频控制电路,9.3.1 基本原理和分类,将变压与变频分开完成，即在把交流电整流为直流电的同时改变直流电压的幅值，而后将直流电压逆变为交流电时改变交流电频率的变压变频控制方式称为PAM调速。 将变压与变频集中于逆变器一起完成，即交流电整流为直流电时电压恒定，然后由逆变器既完成变频又完成变压的控制方式称为PWM调速。 PAM调速要采用可控整流器，并对可控整流器进行导通角控制，而PWM调速则采用不控整流器，工作时无需对整流器进行控制。,9-1 何谓PAM调速？何谓PWM调速？这两种调速方式有什么不同？,