直流电机-PWM调速

直流电机PWM调速脉冲宽度调制-PulseWidthModulation•利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术•应用：测量、通信、功率控制与变换PWMVt0T/2TPWMPWM变换器和PWM-M系统开环机械特性脉宽调制原理脉冲宽度调制（PWM）是通过功率管的开关作用，将恒定直流电压转换成频率一定，宽度可调的方波脉冲电压，通过调节脉冲电压的宽度而改变输出电压平均值的一种功率变换技术。由脉宽调制器向电机供电的系统称为脉宽调速系统，简称PWM-M调速系统。M(a)VTVDdIdUsU+-du(b)sUdU0Ttont图3-1脉宽调速系统原理图offt图3-1PWM-M调速系统(a)系统原理图(b)输出电压波形6假定VT先导通ton，这期间电源电压全部加到电枢上，然后关断toff，电枢失去电源，经VD续流。如此周而复始，则电枢端电压波形如图3-1(b)所示。电机电枢端电压的平均值为：SSononsoffononsdUUTttUtttdtUTU01Tttttonoffonon为PWM的占空比。改变可调压，实现电机调速。改变占空比的方法7二、脉宽调制变换器PWM变换器分：不可逆和可逆两类。可逆变换器分：双极式、单极式和受限单极式多种。（一）不可逆PWM变换器1、无制动作用的PWM变换器（1）电路组成图3-2所示为变换器的主电路原理图。采用全控型的GTR代替半控型的晶闸管，电源电压Us为不可控整流电源，采用大电容C滤波，VD在VT关断时为电枢提供续流回路。8改变（0≤sUdiontTE,du0ditdUdu0tbU(a)MdubUdiVTVDCsU+-~图4-24简单的不可逆PWM这换器（2）工作原理VT的基极由脉宽可调的电压Ub驱动。在一个周期内，当0≤tt0n时，Ub为正，VT饱和导通，Us通过VT加到电枢端。t0n≤tT时，Ub为负，VT截止，电枢失去电源，经VD续流。电机得到的平均端电压为：(a)原理图(b)电压和电流波形9ssondUUTtU图3-2（b）中绘出了电枢的脉冲端电压ud、平均电压Ud和电枢电流id的波形。id是脉动的。因开关频率较高，电流脉动幅值不会很大，影响到转速n和反电动势E的波动就更小了。电压平衡方程RIEUdd机械特性方程nnRICUCEn0edeseCes0CUn调速系统的空载转速，与占空比成正比；edCRIn负载电流造成的转速降。2、有制动作用的PWM变换器（1）电路组成需制动时须有反向电流-id的通路，应设置控制反向的第二个电力晶体管，形成VT1和VT2交替开关的电路，如图（a）所示。电路由VT1和VT2，VD1和VD2组成。VT1是主管，起控制作用；VT2是辅助管，构成电机的制动电路。Mb1Ub2U1VT2VT1VD2VD1234sUE+--+C+-(a)dUTdi1VT2VDsUUttEb2b1Uu1VT00121ont(b)diUtt2VT1VD1VD2VTb2b1UUdUTdisUEont00434ontTdi(c)(d)0T3421tdiont4t2t图4-25有制动电流通路的不可逆PWM变换器电路EtiLRiUddd1d1s0ddd2d2EtiLRi（2）工作原理VT1和VT2的驱动电压Ub1=-Ub2，电动运行时，正脉冲比负脉冲宽，平均电流为正值，一个周期内分两段变化。在0≤tton期间，Ub1为正，VT1饱和导通；Ub2为负，VT2截止。Us加到电枢两端，电流id沿图中的回路1流通。有在ton≤tT期间，Ub1和Ub2都变极性，VT1截止，但VT2却不能导通，因id沿回路2经VD2续流，在VD2两端产生的压降给VT2施加了反压。实际上是VT1、VD2交替导通，而VT2始终不通，其电压和电流波形如图3-3（b）所示。此时，有如在电动运行中要降低转速，则应使Ub1的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使Ud降低，由于惯性作用，转速和反电势还来不及变化，造成EUd。这时希望VT2能发挥作用。制动过程分析：①在ton≤tT阶段。由于Ub2变正，VT2导通，E-Ud产生反向电流-id沿回路3通过VT2流通，产生能耗制动，直到t=T止。②在T≤tT+ton阶段。VT2截止，-id沿回路4通过VD1续流，对电源回馈制动，同时在VD1上的压降使VT1不能导通。③结论：在整个制动状态中，VT2、VD1轮流导通，而VT1始终截止，电压和电流波形示于图3-3（c）。反向电流的制动作用使电机转速下降，直到新的稳态。（二）可逆PWM变换器其主电路结构有H型，T型等，常用H型变换器，它由4个电力晶体管和4个续流二极管组成桥式电路。在控制方式上分双极式、单极式和受限单极式三种。着重分析双极式H型PWM变换器，然后再简要说明其它方式的特点。1、双极式可逆PWM变换器b1Ub2U1VT2VT1VD2VD12AB4VD3VDb3Ub4U4VT3VTsU+图3-4双极式H型PWM变换器电路M（1）构成特点4个VT的基极驱动分两组。VTl和VT4同时导通和关断，驱动电压Ub1=Ub4；VT2和VT3同时动作，驱动电压Ub2=Ub3=-Ub1。波形于图3-5。14（2）工作原理①当0≤tton时，Ub1和Ub4为正，晶体管VT1和VT4饱和导通，而Ub2和Ub3为负，VT2和VT3截止。这时+Us加在电枢AB两端，UAB=US，电枢电流id沿回路1流通。②当ton≤tT时，Ub1和Ub4变负，VT1和VT4截止；Ub2、Ub3变正，但VT2、VT3并不能立即导通，因在电枢电感释放储能的作用下，id沿回路2经VD2，VD3续流，VD2、VD3上的压降使VT2和VT3的c-e端承受反压，这时UAB=-US。UAB在一个周期内正负相间，双极式PWM变换器的特征，其电压、电流波形示于图3-5。1500tABUsUsUdid1itd2i123412341121214b1Ub2U1VT2VDb4U004VT3VDontTt1VT2VD4VT3VDb3Ut图3-5双极式PWM变换器电压和电流波形③UAB的正、负变化，使电流存在两种情况，如图3-5中的id1和id2。id1相当于负载较重情况，平均电流大，在续流阶段电流仍维持正方向，电机始终工作在电动状态。id2相当于负载很轻的情况，平均电流小，在续流阶段电流很快衰减到零，于是VT2和VT3的c-e两端失去反压，在(-Us)和电枢反电势的合成作用下导通，电枢电流反向，沿回路3流通，电机处于制动状态。同理，在0≤tton期间，负载轻时，电流也有一次倒向。17④结论：双极式可逆PWM变换器的电流波形和不可逆但有制动电流通路的PWM变换器差不多。怎样才能反映出“可逆”的作用呢？这要视正、负脉冲电压的宽窄而定。当正脉冲较宽时，tonT／2，则电枢两端的平均电压为正，电机正转。当正脉冲较窄时，tonT／2，平均电压为负，电机反转。当正、负脉冲宽度相等，ton=T／2，平均电压为零，电动机停止。图3-5所示的电压、电流波形都是在电动机正转时的情况。