第9章-连续信号控制电路

第9章连续信号控制电路作用：对电动机、功率电源等实现不间断的自动控制。■9.1导电角控制逆变器★■9.2脉宽调制(PWM)控制电路★■9.3变频控制电路■9.4控制电源■将交流信号连续变换成直流信号，或者将直流信号连续变换成交流信号来达到控制的目的，实现这种控制的电路称为连续信号控制电路。第9章连续信号控制电路■在实际应用中，连续信号控制电路主要是指直流电动机调速、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、变频控制电路和电源程控电路等。第9章连续信号控制电路9.1导电角控制逆变器■逆变：逆变是整流的逆变换，就是把直流电变成交流电，常用于交流电动机的调速系统和不间断电流装置中。在交流电动机的调速系统中，需要用导电角控制电路来控制逆变器晶闸管或功率晶体管的开关顺序和导通时间。■导电角：晶闸管或功率晶体管在一个变化周期中导通时间对应的相位角称为导通角或导电角。VD1~VD6——续流(泄流)二极管，保护晶体管。9.1导电角控制逆变器9.1.1导电角控制逆变器120图9-1晶体管三相桥式逆变器V1~V6——大功率晶体管，直流→交流，导通角=120；～MVD3ABCEC1VD1VD5V5V3V1V4VD4V6VD6V2VD2a)V1~V6通断状态断通断通断V1断通120°断断通通断通通通断断断通断断断通通ωtωtωtωtωtωtV4V3V6V5V2240°480°360°600°每相上、下桥臂晶体管各导通120，相互间60隔，各相之间相位差120。V1~V6通断状态如图9-2a)所示，输出电压波形如图9-2b)和9-2c)所示。9.1.1导电角控制逆变器120c)输出线电压ωtωtωtE/2UABUCAUBCEEE-E-E/2-E-E/2E/2-E-E/2E/2ωtUC-E/2E/2b)输出相电压ωtωtUBUAE/2E/2-E/2-E/29.1.1导电角控制逆变器120Ub5Ub4Ub1Ub3Ub2Ub6DDQSD1DQQDSD2SD3DQD4SQDQRD5RD6光电耦合驱动电路STARTLDUb1≥1图9-3120导电角控制电路原理图9.1.1导电角控制逆变器120D触发器D1~D6组成一个环形移位寄存器，由LD信号预置初值为111100，经光电耦合隔离放大反相后，得到逆变器晶体管基极控制电压Ub5、Ub4、Ub3、Ub2、Ub1和Ub6(000011)，此时Ub1和Ub6为高电平，其余为低电平。当START信号为低电平时，控制脉冲Ub加到移位寄存器触发端，使D1~D6的Q端状态按以下规律变化，经光电耦合驱动电路使逆变器按六拍方式工作。1111000111100011111110011100111001119.1.1导电角控制逆变器120图9-4晶闸管三相桥式逆变器9.1导电角控制逆变器9.1.2导电角控制逆变器180V7~V12——辅助晶闸管，强迫主晶闸管关断换流；VD1~VD6——续流(泄流)二极管，保护主晶闸管；LA、LB、LC——换流电感；CA、CB、CC——换流电容。V1~V6——主晶闸管，直流→交流，导通角≈180；V10V4V7V1VD1V12V6VD6V8V2VD2～MV3V9VD3V11V5VD5EIAICCALAALBCBBLCCCC1VD4C每相上、下桥臂主晶闸管各导通接近180(预留换流时间)，各相之间相位差120。V1~V6主晶闸管通断状态如图9-5a)所示，输出电压波形如图9-5b)和9-5c)所示。9.1.2导电角控制逆变器180断通ωtV2通a)断21345通断通断5断通通7810911通断断112234ωtωtωtωtωtV1V4V6V3V56断通通断通ωtUABE-Ec)ωtωtUCAUBCE-E-EEb)ωtωtωtUAUBUC-E/3E/3-E/3-E/3E/3E/32E/32E/32E/3-2E/3-2E/3-2E/39.1.2导电角控制逆变器180180导通型逆变器正常工作的必要条件是可靠地换流。即每一相上、下桥臂主晶闸管交换导通时，必须经过短暂的全关断状态，这段时间称为换流时间。由于逆变器的输入是直流电源，主晶闸管的关断换流不能通过控制门电极电压来实现，而是通过辅助晶闸管来实现的。A相换流过程波形如图9-7所示。由CA充放电，辅助晶闸管V7、V10通断和续流二极管VD1、VD4通断，来完成换流任务(V1通、V4断→V4通、V1断)。9.1.2导电角控制逆变器180图9-7A相换流过程波形图iVD1,ImA相负载电流iciV1iV1IAiVD4ωtωtωtt3t3t3t4t4t2t2t1t1t0t0iVD1icIAIm-IAIAooo9.1.2导电角控制逆变器180■9.2.1脉宽调制控制电路的工作原理■9.2.2典型脉宽调制电路■9.2.3PWM功率转换电路■9.2.4同步式与异步式脉宽调制控制电路第9章连续信号控制电路9.2脉宽调制(PWM)控制电路■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序列，通过控制电压脉冲的宽度或周期以达到变压目的，或者控制电压脉冲宽度和脉冲序列的周期以达到变压变频目的。9.2脉冲调制(PWM)控制电路9.2.1脉宽调制控制电路的工作原理当uc=0时，调RP使ub为宽度相等的正负方波；当uc0时，锯齿波过零的时间提前，在输出端得到正半波比负半波窄的调制方波；当uc0时，输出相反。图9-8PWM控制电路原理∞++N-R2R3RPR1RL调制信号uP负偏置电压u0控制信号ucubEcuLVVD电压-脉宽变换器开关式功率放大器a)uc=0b)uc0c)uc0ttttttttoooootooooTTTτττuPuPuPubububuP+uk+u0uP+uk+u0uP+uk+u0uTuccm112ucm——控制信号uc的最大值。9.2.1脉冲调制控制电路的工作原理通过PWM控制开关管V在一个开关周期T内的导通时间，实现对RL两端平均电压UL大小的控制。9.2.1脉冲调制控制电路的工作原理图9-10PWM控制负载的波形图tt2T2TTTT+T+oouLULULEcEcuL2T+9.2.2.1锯齿波脉宽调制器9.2.2典型脉宽控制电路51V26TRTHNE5554R7CT8VR1EcR2R3R4R5RPR7R6R8R9C1C2C3u0ucub∞++N-锯齿波发生器电压比较器电源Ec通过R1、R2和R3对C2充电，当C2上电压达到一定值时，定时器NE555内部的晶体管导通，C2上电压经R3迅速放电，在NE555的引脚7输出锯齿波，电压比较器输出脉冲。9.2.2典型脉宽控制电路9.2.2.2三角波脉宽调制器R3R1R2CRPR5R6R7R9R8R10R13R11R14R12R15R16R17R18VS1VS2VD1VD2baV1V2V3V4V5uc+Ecuo1-Ecuo2uPR4∞++N1-∞++N2-三角波发生器N1——滞回比较器，输出方波；N2——反相积分器，输出三角波；V1~V5——单极性脉宽调制器。当uc=0，且三角波幅值Um≤Uab时，uo1=uo2=0(图a)；当uc0时，V1V3工作，uo1输出窄脉冲，uo2=0(图b)；当uc0时，V2V4工作，uo1=0，uo2输出窄脉冲(图c)。+1.2V-1.2Vttttttttt000uo1uo1uo1uo2uo2uo2uc-uPuc-uPuc-uPucuc0000009.2.2.2三角波脉宽调制器在数字式脉宽调制器中，控制信号是数字量，其值确定脉冲的宽度，从而改变脉冲序列的占空比。9.2.2典型脉宽控制电路9.2.2.3数字式脉宽调制器通过微处理机来实现数字脉宽调制的方法有两种：用软件方式来实现，即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。优点：简单、灵活、省硬件；缺点：需要占用CPU许多处理时间，对微处理机的速度要求很高，对控制不利。用硬件电路产生PWM信号，不占用CPU处理的时间。8255A分频器译码器地址IOWIORRESETCSWRRESETRDD7916122CD4520465&36CD4585101572121556141119385411101115CP792CD4585PA71074141131314PWM输出D7D0D0A0A0A1A1PA6PA5PA4PA3PA2PA1PA0PC7ABUcUcUcφ9.2.2.3数字式脉宽调制器CD4520——8位二进制计数器，产生数字斜坡信号，周期为时钟脉冲CP周期的256倍(T=256Tc)；CD4585——2片4位数值比较器，比较并行接口芯片8255A端口A(PA0~PA7)数据和计数器输出值；当计数器输出值8255A端口A数值时，PWM输出高电平；当计数器输出值=8255A端口A数值时，PWM输出零电平；当计数器溢出后，PWM端恢复高电平。输出脉冲的周期：T=256Tc(Tc——时钟周期)输出脉冲的宽度：=DTc(D——控制的数值)9.2.2.3数字式脉宽调制器9.2.3PWM功率转换电路9.2脉宽调制(PWM)控制电路9.2.3.1简单的不可逆PWM控制电路VD1M-ubVD2V+iaED+ECVD1——续流二极管，保护晶体管V；C——电源滤波电容，消除电源在直流供电线路上的谐波电压对电路的干扰。9.2.3.1简单的不可逆PWM控制电路当时，ub为正，V导通，电源E加到电机电枢两端，即电机电枢两端电压ua=E，电枢电流ia增大；t0当时，ub为负，V截止，电机电枢失去电源并经VD1泄流(放电)，ua=0，ia减小。tT电机电枢平均端电压为：UEETaUTEa——占空比，改变实现调速。但ia不能反向流动，即无制动工作状态。VD1M-ubVD2V+iaED+ECiaua,EuaUaEDTotia9.2.3.2制动不可逆PWM控制电路9.2.3PWM功率转换电路V1V2——功率晶体管，V1主控管(调制)，V2辅助管(制动)；VD1VD2——续流二极管，保护V1V2。+-Ea)电路原理图BMV1V2VD1VD2ACEDub1ub21234ia在期间，ub1为正，ub2为负，V1导通，V2截止，电源E加在电机电枢两端，电流ia沿回路1从A点流向B点(正向)，电机工作在电动状态；t0在期间，ub1为负，ub2为正，V1截止，电源E切断，ia沿回路2(正向)经VD2泄流，电机仍工作在电动状态。tT可见，电机工作在电动状态时，V1VD2交替导通，V2始终截止，电枢平均电压UaED，ia0(正向)。9.2.3.2制动不可逆PWM控制电路b)电动状态电压和电流波形ub1=-ub2ub1,ub2TtoV1V1VD2τtTτEEDUaiaia,u112otTτotTτub1=-ub2VD1VD1V2V2oτEEDUaia3344ia,uc)制动状态电压和电流波形ub1,ub2若电机在惯性带动下(空载)工作时间较长时，ia在ub1为负期间衰减为零，则会出现UaED，ia0(反向)，即电机处于发电运行状态。在期间，V2导通，ia经V2沿回路3(反向)闭合，产生制动。tT9.2.3.2制动不可逆PWM控制电路在t=T后，ub2为负，V2截止，ia经VD1和E沿回路4(反向)闭合，仍实现制动。即制动状态V2VD1交替导通，V1截止。反向制动使电机转速下降，直到在ub1为正时反向电流ia衰减为零，V1才开始导通，电机又进入电动状态工作。toia34121τTt1t24d)电动和制动交替状态电流波形由于某种原因，或者电动机工作在轻载(负载电流ia很小)情况下，电动和制动状态交替出现。在一个开关周期内，V1、VD2、V2、VD1轮流导通，四条电流回路1、2、3、4交替工作。9.2.3.2制动不可逆PWM控制电路9.2.3.3H型双极式可逆PWM控制电路9.2.3PWM功率转换电路V1V2V3V4——功率晶体管，V1V4为一组，V