第七章(PWM)控制

第七章脉宽调制（PWM）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的目的的一种变换电路。多用在开关稳压电源、不间断电源(UPS)以及交直流电机调速等控制电路中。主要内容一、脉宽调制控制电路的工作原理二、典型电压－脉宽调制电路三、PWM功率转换电路四、同步式与异步式脉宽调制控制电路(自学)一、脉宽调制控制电路的工作原理∞++N-R2R3RPR1RLUPu0ucUbECULVVDa)uc=0b)uc0c)uc0ttttttttOOOOOtOOOOTTTτττuPuPuPubububuP+uc+u0uP+uc+u0uP+uc+u0cmc121uuT式中ucm——控制信号uc的最大值。基本的脉宽调制控制电路包括电压-脉宽变换器和开关式功率放大器两部分up——锯齿波或三角波调制信号，其频率是主电路所需的开关调制频率，一般为1~4kHz；uc——控制电压，其极性与大小随时可变；u0——负偏置电压，其作用是在uc＝0时通过调节Rp使比较器的输出电压Ub为宽度相等的正负方波。PWM控制负载的波形图tt2T2TTTT+τT+τττOOuLuLULULEE通过PWM控制改变开关管在一个开关周期T内的导通时间τ的长短，就可实现对RL两端平均电压UL大小的控制。二、典型脉宽调制电路（V/W转换器）对脉宽（脉冲宽度）调制器的基本要求死区小，调宽脉冲的前后沿的斜率大。其简单、可靠，且不受外界干扰。考虑与功率转换电路的耦合问题。典型V-W转换电路根据控制信号Uc形式来分(一)模拟式脉宽调制器锯齿波脉宽调制器三角波脉宽调制器(二)数字式脉宽调制器(一)锯齿波脉宽调制器51V26TRTHNE5554R7ct8V+N-+∞R1EcR2R3R4R5RPR7R6R8R9C1C2C3u0ukub图7-4锯齿波脉冲宽度调制器锯齿波脉宽调制器是由锯齿波发生器和电压比较器组成。555定时器555定时器的结构和工作原理71COTHTR+UCCuo5kΩ5kΩ5kΩV265843R∞+－+A1∞+－+A2DQQRDSD低电平触发端高电平触发端电压控制端复位端低电平有效放电端4.5～18V71COTHTR+UCCuo5kΩ5kΩ5kΩV265843R∞+－+A1∞+－+A2DQQRDSD001①R=0时，Q=1、Q=0，uo=0，V导通。71COTHTR+UCCuo5kΩ5kΩ5kΩV265843R∞+－+A1∞+－+A2DQQRDSD①R=0时，Q=1、Q=0，uo=0，V饱和导通。②R=1、UTH＞2UCC/3、UTR＞UCC/3时，RD=0、SD=1，Q=1、Q=0，uo=0，V饱和导通。＞2UCC/3＞UCC/3001171COTHTR+UCCuo5kΩ5kΩ5kΩV265843R∞+－+A1∞+－+A2DQQRDSD①R=0时，Q=1、Q=0，uo=0，V饱和导通。②R=1、UTH＞2UCC/3、UTR＞UCC/3时，RD=0、SD=1，Q=1、Q=0，uo=0，V饱和导通。＜2UCC/3＞UCC/31001③R=1、UTH＜2UCC/3、UTR＞UCC/3时，RD=1、SD=1，Q、Q不变，uo不变，V状态不变。1171COTHTR+UCCuo5kΩ5kΩ5kΩV265843R∞+－+A1∞+－+A2DQQRDSD①R=0时，Q=1、Q=0，uo=0，V饱和导通。②R=1、UTH＞2UCC/3、UTR＞UCC/3时，RD=0、SD=1，Q=1、Q=0，uo=0，V饱和导通。＜2UCC/3＜UCC/31100③R=1、UTH＜2UCC/3、UTR＞UCC/3时，RD=1、SD=1，Q、Q不变，uo不变，V状态不变。④R=1、UTH＜2UCC/3、UTR＜UCC/3时，RD=1、SD=0，Q=0、Q=1，uo=1，V截止。CR1uc847365552510.01μFuoUCCR2ucuotttP1tP20UCC/32UCC/30(a)电路(b)工作波形接通UCC后，UCC经R1和R2对C充电。当uc上升到2UCC/3时，uo=0，V导通，C通过R2和T放电，uc下降。当uc下降到UCC/3时，uo又由0变为1，V截止，UCC又经R1和R2对C充电。如此重复上述过程，在输出端uo产生了连续的矩形脉冲。555定时器的应用——构成无稳态触发器锯齿波V-W变换器51V26TRTHNE5554R7ct8V+N-+∞R1EcR2R3R4R5RPR7R6R8R9C1C2C3u0ukub图7-4锯齿波脉冲宽度调制器(二)三角波V-W变换器+-N1+∞∞N2-++R3R1R2CRPR5R6R7R9R8R10R13R11R14R12R15R16R17R18VS1VS2VD1VD2baV1V2V3V4V5uc+Ecuo1-Ecuo2uPR4三角波发生器单极性脉冲宽度比较电路＋Uz－UzO1outtOUom－UomuoT21T211322323oouRRRuRRRU当时,对应的uo值为输出三角波的幅值Uom,即0UU132oomuRRU当uo1=+Uz时zomURRU32当uo1=-Uz时zomURRU32基型迟滞比较器反相积分器+-N1+∞∞N2-++R3R1R2CRPR5R6R7R9R8R10R13R11R14R12R15R16R17R18VS1VS2VD1VD2baV1V2V3V4V5uc+Ecuo1-Ecuo2uPR4+1.2V-1.2VtttttttttOOOOOOOOOuo1uo1uo1uo2uo2uo2uc-uPuc-uPuc-uPukuka)uc=0b)uc0c)uc0a)b)c)单极性脉宽调制器输出波形(三)数字式脉宽调制器控制信号是数字，其值确定脉冲的宽度。随控制信号的变化而改变脉冲序列的占空比τ/T。当维持调制脉冲序列的周期不变，通过改变脉冲的宽度，就能达到改变占空比τ/T的目的。用微处理机来实现数字脉宽调制极其容易，通常的方法有两种：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，于控制不利；用硬件电路自动产生PWM信号，不占用CPU处理的时间。图7-7计数比较式PWM电路8255A分频器译码器地址IOWIORRESETCSWRRESETRDD7916122CD4520465&36CD4585101572121556141119385411101115CP792CD4585PA71074141131314PWM输出D7D0D0A0A0A1A1PA6PA5PA4PA3PA2PA1PA0PC7ABUcUcUcφABAB，低电平AB，高电平tOBtOTτPWM输出A三、PWM功率转换电路用于脉宽调速系统（交直流电机调速）PWM控制电路有可逆和不可逆之分。可逆是指电动机可以正反两个方向旋转；不可逆是指电动机只能单向旋转。可逆系统，分为单极式和双极式驱动两种。单极式驱动是在一个PWM周期内，作用在电枢两端的脉冲电压是单一极性的；双极式驱动是在一个PWM周期内，作用在电枢两端的脉冲电压是正负交替的。(一)简单的不可逆PWM控制电路（★）(二)制动不可逆PWM控制电路(三)H型双极式可逆PWM控制电路（★）(四)T型双极式可逆PWM控制电路几种控制变换电路(一)简单的不可逆PWM控制电路VD1M-ubVD2V+iaED+ECiaua,EuaUaEDiaa）电路原理图b）电流和电压波形U(PWM)aEET电动机得到的平均电压为＝为电压的占空比特点：轻载时电枢电流可能出现断续现象。电路结构简单，电动机的电枢电流不能反向流动，即无制动工作状态；适用于快速性要求不高的场合。VD1M-ubVD2V+iaED+ECiaua,EuaUaEDia(二)制动不可逆PWM控制电路+-Ea)BMV1V2VD1VD2ACEDub1ub21234b)ub1=-ub2ub1ub2TtOV1V1VD2τtTτEEDUaiaia,u112Oiaa)电路原理图b)电动状态电压和电流波形c)tTτOtTτub2ub1ub1=-ub2VD1VD1V2V2OτEEDUaia3344ia,ud)tOia34121τTt1t24图7-9制动不可逆PWM控制电路及其波形c)制动状态电压和电流波形d)电动和制动交替状态电流波形电枢电流始终连续。a)+-EBMV1V2VD1VD2ACEDub1ub21234ia(三)H型双极式可逆PWM控制电路双极式驱动：T型和H型。T型有两个开关管组成，采用正负电源，相当于2个不可逆系统的组合，形状像T字，成为T型。开关管要承受较高的反向电压，因此用于低压小功率直流电机驱动中。H型形状像桥式电路，应用较多VD2+EM3241V2V1VD1ABub1ub2-Eub2ub44M2V1V3V4V2VD3VD2VD1VD4ub1ub3EiaAB13ub1,ub4411-E2211tttttOOOOOub2,ub3TτEiauABia3ub2ub44M2V1V3V4V2VD3VD2VD1VD4ub1ub3EiaAB13（重载）（轻载）4图7-10H型双极式PWM控制电路及其波形a）电路原理图b）电压电流波形双极式可逆PWM控制电路的可逆性：可逆性由正、负脉冲电压的宽窄而定。当正脉冲宽度τT/2时，电枢两端的平均电压为正，电动机正转；当τT/2时，平均电压为负，电动机反转；当τ=T/2时，平均电压为零，电动机停转。上页波形是电动机正转时的情况。PWM控制电路在双极式工作时会不会发生电流断续现象？为什么？PWM控制电路在双极式工作时不会发生电流断续现象。因为四个大功率管分为两组，同一组中的两个晶体管同时导通、同时关断，两组晶体管之间交替地轮流导通和截止，电流可以反向，使得电枢电流始终是连续的。(四)T型双极式可逆PWM控制电路图9-18T型双极式PWM控制电路VD2+EM3241V2V1VD1ABub1ub2-E双极式可逆PWM控制电路的可逆性：可逆性由正、负脉冲电压的宽窄而定。当正脉冲宽度τT/2时，电枢两端的平均电压为正，电动机正转；当τT/2时，平均电压为负，电动机反转；当τ=T/2时，平均电压为零，电动机停转。T型控制电路结构简单，但要求双电源供电，且晶体管承受的反向电压较高，为电源电压的两倍。因此，T型PWM控制电路只适用于小功率低电压伺服电动机系统。小结PWM控制电路的定义和工作原理，要求能绘出锯齿波脉宽调制波形图V-W变换器的结构、特点及工作原理PWM功率转换电路搞清楚可逆不可逆区别电路特点工作原理作业、思考：7-1,7-2简述典型PWM控制电路的基本结构。典型的PWM控制电路主要有模拟式PWM控制电路和数字式PWM控制电路。模拟式PWM控制电路主要由脉冲频率发生器和电压比较器构成，脉冲频率发生器一般用锯齿波发生器或三角波发生器。数字式PWM控制电路主要由计数器和数字比较器或由定时电路和触发器构成。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。用于交流电动机调速。为了保证交流电动机的机械特性，需要进行变压变频。SPWM产生利用能量等效原理，将正弦波转换成与它能量等效的脉宽调制波形划分N等份（N是偶数），脉宽:2π/N。等效代替：用一个脉冲幅度都等于UΔm、脉宽与其对应的正弦波所包含的面积相等或成比例的矩形电压脉冲来分别代替相应的正弦波部分。要改变正弦波的幅值，只要按同一比例系数，改变各脉冲的宽度就可以。图9-19单极性正弦波脉宽调制a)b)UAB倒相器正弦波基准信号振荡器三角波振荡器半波整流电路比较器V