測(cè)控電路內(nèi)科大老師上課ppt9

第九章

連續(xù)信號(hào)控制電路

連續(xù)信號(hào)控制電路將交流信號(hào)連續(xù)變換成直流信號(hào)，或者將直流信號(hào)連續(xù)變換成交流信號(hào)來(lái)達(dá)到控制的目的，實(shí)現(xiàn)這種控制的電路稱(chēng)為連續(xù)信號(hào)控制電路。在實(shí)際應(yīng)用中，連續(xù)信號(hào)控制電路主要是指直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速、交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速和功率電源控制中的導(dǎo)電角控制電路、脈寬調(diào)制控制電路、變頻控制電路和電源程控電路等。

第一節(jié)導(dǎo)電角控制逆變器第二節(jié)脈寬調(diào)制（PWM）控制電路一、120°導(dǎo)電角控制逆變器二、180°導(dǎo)電角控制逆變器

第一節(jié)導(dǎo)電角控制逆變器逆變是整流的逆變換，就是把直流電變成交流電，常用于交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)和不間斷電流裝置中。在交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)中，需要用導(dǎo)電角控制電路來(lái)控制逆變器晶閘管或功率晶體管的開(kāi)關(guān)順序和導(dǎo)通時(shí)間。晶閘管或功率晶體管在一個(gè)變化周期中導(dǎo)通時(shí)間對(duì)應(yīng)的相位角稱(chēng)為導(dǎo)通角或?qū)щ娊牵?/p>

一、120°導(dǎo)電角控制逆變器

～MVD3ABCEAC1AVD1VD5V5V3V1V4VD4V6VD6V2VD2圖9-1晶體管三相橋式逆變器

V1~V6為大功率晶體管

VD1~VD6為續(xù)流二極管

b)a)斷通斷通斷V1斷通120°斷斷通通斷通通通斷斷斷通斷斷斷通通ωtωtωtωtωtωtωtωtωtOOOOOOOOV4V3V6V5V2240°480°360°600°OUCUBUA-E/2E/2E/2E/2-E/2-E/2c)ωtωtωtE/2OOOUA-BUC-AUB-CEEE-E-E/2-E-E/2E/2-E-E/2E/2圖9-2120°導(dǎo)通型逆變器輸出電壓波形晶體管開(kāi)關(guān)V1~V6的通斷狀態(tài)

b)輸出相電壓c)輸出線(xiàn)電壓圖9-3120°導(dǎo)電角控制電路原理圖Ub5Ub4Ub1Ub3Ub2Ub6DDQSD1DQQDSD2SD3DQD4SQDQRD5RD6光電耦合驅(qū)動(dòng)電路STARTLDUb1≥1111100011110001111111001110011100111二、180°導(dǎo)電角控制逆變器圖9-4晶閘管三相橋式逆變器V10V4V7V1VD1V12V6VD6V8V2VD2～MV3V9VD3V11V5VD5EIAICCALAALBCBBLCCCC1VD4C180導(dǎo)通型逆變器正常工作的必要條件是可靠地?fù)Q流。即每一相上、下橋臂主晶閘管交換導(dǎo)通時(shí)，必須經(jīng)過(guò)短暫的全關(guān)斷狀態(tài)，以避免上、下兩個(gè)主晶閘管同時(shí)導(dǎo)通的情況。根據(jù)180°導(dǎo)通型開(kāi)關(guān)狀態(tài)的工作順序，讓微處理機(jī)通過(guò)一個(gè)并口周期輸出開(kāi)關(guān)狀態(tài)值，驅(qū)動(dòng)晶閘管導(dǎo)通或關(guān)斷，即可讓逆變器工作。由于逆變器的輸入是直流，一般晶閘管不能通過(guò)控制門(mén)極電壓將它關(guān)斷換流，因此必須采用強(qiáng)迫換流的方法。

圖9-5180o導(dǎo)通型逆變器輸出電壓波形a)b)斷21345通斷斷通通斷5斷通通7810911通斷斷112234ωtωtωtωtωtωtωtωtωtOOOOOOOOOV1V4V6V3V2V56UAUBUC-E/3E/3-E/3-E/3E/3E/32E/32E/32E/3-2E/3-2E/3斷通通斷通通-2E/3ωtOUA-BE-Ec)ωtωtOOUC-AUB-CE-E-EE圖9-7換流過(guò)程波形圖

iVD1,Im相負(fù)載電流AiciV1iV1IAiVD4ωtωtωtt3t3t3t4t4t2t2t1t1t0t0iVD1icIAIm-IAIAOOO第二節(jié)脈寬調(diào)制（PWM）控制電路一、脈寬調(diào)制控制電路的工作原理二、典型脈寬調(diào)制電路三、PWM功率轉(zhuǎn)換電路四、同步式與異步式脈寬調(diào)制控制電路一、脈寬調(diào)制控制電路的工作原理∞++N-R2R3RPR1RLUPu0ukUbECULVVD圖9-8PWM控制電路原理圖9-9鋸齒波脈寬調(diào)制波形圖

a)b)c)ttttttttOOOOOtOOOOTTTτττuPuPuPubububuP+uk+u0uP+uk+u0uP+uk+u0式中ukm——控制信號(hào)uk的最大值。圖9-10PWM控制負(fù)載的波形圖tt2T2TTTT+τT+τττOOuLuLULULEE二、典型脈寬調(diào)制電路脈寬（脈沖寬度）調(diào)制器是一個(gè)自動(dòng)的電壓-脈寬變換器(亦稱(chēng)V/W電路)。對(duì)它的基本要求是死區(qū)要小，調(diào)寬脈沖的前后沿的斜率要大，也就是比較器的靈敏度要足夠高。在設(shè)計(jì)脈寬調(diào)制器的實(shí)際電路時(shí)，應(yīng)使其簡(jiǎn)單、可靠，且不受外界干擾。比較器的靈敏度與系統(tǒng)的控制模式、實(shí)際控制系統(tǒng)的具體要求等有關(guān)，應(yīng)綜合考慮，否則在整個(gè)系統(tǒng)的線(xiàn)路處理上會(huì)帶來(lái)一定困難。同時(shí)還需考慮與功率轉(zhuǎn)換電路的耦合問(wèn)題。典型電路(一)鋸齒波脈寬調(diào)制器(二)三角波脈寬調(diào)制器(三)數(shù)字式脈寬調(diào)制器(一)鋸齒波脈寬調(diào)制器51V26TRTHNE5554R7ct8V+N-+∞R1EcR2R3R4R5RPR7R6R8R9C1C2C3u0ukub圖9-11鋸齒波脈沖寬度調(diào)制器(二)三角波脈寬調(diào)制器+-N1+∞∞N2-++R3R1R2CRPR5R6R7R9R8R10R13R11R14R12R15R16R17R18VS1VS2VD1VD2baV1V2V3V4V5uk+Ecuo1-Ecuo2uPR4圖9-12三角波脈寬調(diào)制器電路

+1.2V-1.2VtttttttttOOOOOOOOOuo1uo1uo1uo2uo2uo2uk-uPuk-uPuk-uPukuk圖9-13單極性脈寬調(diào)制器輸出波形

a)uk=0b)uk>0c)uk<0a)b)c)(三)數(shù)字式脈寬調(diào)制器數(shù)字式脈寬調(diào)制器可隨控制信號(hào)的變化而改變脈沖序列的占空比τ/T。在數(shù)字式脈寬調(diào)制器中，控制信號(hào)是數(shù)字，其值確定脈沖的寬度。當(dāng)維持調(diào)制脈沖序列的周期不變，通過(guò)改變脈沖的寬度，就能達(dá)到改變占空比τ/T的目的。

用微處理機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字脈寬調(diào)制極其容易，通常的方法有兩種：用軟件方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)執(zhí)行軟件延時(shí)循環(huán)程序交替改變端口某個(gè)二進(jìn)制位輸出邏輯狀態(tài)來(lái)產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)，設(shè)置不同的延時(shí)時(shí)間得到不同的占空比。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、靈活、省硬件缺點(diǎn)：需要占用CPU許多處理時(shí)間，對(duì)微處理機(jī)的速度要求很高，于控制不利；用硬件電路自動(dòng)產(chǎn)生PWM信號(hào)，不占用CPU處理的時(shí)間。

圖9-14計(jì)數(shù)比較式PWM電路8255A分頻器譯碼器地址IOWIORRESETCSWRRESETRDD7916122CD4520465&36CD4585101572121556141119385411101115CP792CD4585PA7107414113>1314PWM輸出D7D0D0A0A0A1A1PA6PA5PA4PA3PA2PA1PA0PC7ABUcUcUcφ三、PWM功率轉(zhuǎn)換電路根據(jù)調(diào)制脈沖的極性可分為單極式和雙極式調(diào)制兩種；根據(jù)載波信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)的頻率之間的關(guān)系，又可分為同步式和異步式兩種。

(一)簡(jiǎn)單的不可逆PWM控制電路(二)制動(dòng)不可逆PWM控制電路(三)H型雙極式可逆PWM控制電路(四)T型雙極式可逆PWM控制電路

(一)簡(jiǎn)單的不可逆PWM控制電路

VD1M-ubVD2V+iaED+ECiaua,EuaUaEDia圖9-15簡(jiǎn)單不可逆PWM控制電路及其波形a）電路原理圖b）電流和電壓波形在這種簡(jiǎn)單的PWM控制電路中，電動(dòng)機(jī)的電樞電流是不能反向流動(dòng)的，即無(wú)制動(dòng)工作狀態(tài)，一般僅適用于快速性要求不高的場(chǎng)合。而且，這種電路在輕載(或空載)情況下還可能出現(xiàn)電樞電流斷續(xù)的現(xiàn)象。(二)制動(dòng)不可逆PWM控制電路+-Ea)BMV1V2VD1VD2ACEDub1ub21234b)ub1=-ub2ub1ub2TtOV1V1VD2τtTτEEDUaiaia,u112Oiaa)電路原理圖b)電動(dòng)狀態(tài)電壓和電流波形c)tTτOtTτub2ub1ub1=-ub2VD1VD1V2V2OτEEDUaia3344ia,ud)tOia34121τTt1t24圖9-16制動(dòng)不可逆PWM控制電路及其波形c)制動(dòng)狀態(tài)電壓和電流波形d)電動(dòng)和制動(dòng)交替狀態(tài)電流波形(三)H型雙極式可逆PWM控制電路

H型控制電路在控制方式上分雙極式、單極式和受限單極式三種。ub1,ub4411-E2211tttttOOOOOub2,ub3TτEiauABia3ub2ub44M2V1V3V4V2VD3VD2VD1VD4ub1ub3EiaAB13（重載）（輕載）4圖9-17H型雙極式PWM控制電路及其波形a）

電路原理圖

b）

電壓電流波形

(四)T型雙極式可逆PWM控制電路圖9-18T型雙極式PWM控制電路VD2+EM3241V2V1VD1ABub1ub2-E四、同步式與異步式脈寬調(diào)制控制電路定義：調(diào)制控制中，若載波信號(hào)為等腰三角波，基準(zhǔn)信號(hào)采用正弦波，則稱(chēng)為正弦波脈寬調(diào)制，簡(jiǎn)稱(chēng)SPWM。圖9-19單極性正弦波脈寬調(diào)制a)b)UAB倒相器正弦波基準(zhǔn)信號(hào)振蕩器三角波振蕩器半波整流電路比較器V1M半波整流電路比較器V2V3V4ECABuPuc-ucE-ucucuPuOO-Eωtωtπ單極性:指載波信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)始終保持同極性的關(guān)系，即正弦波處于正半周時(shí)，載波信號(hào)在正值范圍內(nèi)變化，產(chǎn)生正的調(diào)制脈沖列。而正弦波處于負(fù)半周時(shí)，產(chǎn)生負(fù)的調(diào)制脈沖列。

采用正弦波調(diào)制后的輸出電壓脈沖UAB具有以下特點(diǎn)：在半個(gè)周期內(nèi)，兩邊的脈沖寬度小，中間的脈沖寬度大，各脈沖的寬度基本上按正弦分布。它比單極性直流脈寬調(diào)制的輸出電壓波形更接近于正弦。

定義載波頻率fp與調(diào)制波頻率fk之比為載波比N，即N=fp/fk。用三角波up幅值Upm與正弦波uk幅值Ukm之比m=Upm/Ukm表示調(diào)節(jié)脈沖寬度的能力，m愈大，uk幅值就愈小，則等高不等寬脈沖寬度變窄，輸出電壓減小。根據(jù)載波比的變化與否可分為同步式調(diào)制控制與異步式調(diào)制控制。

（一）同步式調(diào)制控制在同步式調(diào)制控制方式中，N為常數(shù)，即變頻時(shí)控制電路的三角載波頻率與正弦調(diào)制波的頻率要同步變化，從而保持脈寬調(diào)制信號(hào)波形數(shù)和相位不變。如果取N等于3的倍數(shù)，則同步調(diào)制控制能保證逆變器輸出波形的正、負(fù)半波始終保持對(duì)稱(chēng)，對(duì)于三相逆變器能?chē)?yán)格保證三相輸出波形間具有互差120°的對(duì)稱(chēng)關(guān)系。但是，當(dāng)輸出頻率很低時(shí)，由于相鄰兩脈沖間的間距增大，諧波會(huì)顯著增加，使負(fù)載電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生較大的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較強(qiáng)的噪聲，這是同步式調(diào)制控制方式的主要缺點(diǎn)。（二）異步式調(diào)制控制

當(dāng)三角載波信號(hào)頻率一定時(shí)，若只改變正弦波基準(zhǔn)信號(hào)的頻率，即讓載波比N不為常數(shù)，同樣可以改變輸出電壓的頻率，這樣正、負(fù)半周的脈沖數(shù)和相位在不同的輸出頻率下，就不完全對(duì)稱(chēng)，把這種控制方式稱(chēng)為異步式脈寬調(diào)制控制方式。

由于正、負(fù)半周輸出脈沖不對(duì)稱(chēng)，會(huì)出現(xiàn)偶次的高次諧波，但是在低頻輸出時(shí)，每周內(nèi)所包含的脈沖數(shù)增多，相應(yīng)地可減少負(fù)載電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，改善了低頻工作的特性。在改善低頻工作的同時(shí)，異步式調(diào)制不會(huì)失去同步式調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)，即在半個(gè)周期內(nèi)，各脈沖的寬度基本上按正弦分布。但當(dāng)載波比隨著輸出頻率的降低而連續(xù)變化時(shí)，使逆變器輸出電壓的波形及其相位都發(fā)生變化，很難保持三相輸出間的對(duì)稱(chēng)關(guān)系，因而引起電動(dòng)機(jī)工作的不平穩(wěn)。

將變壓與變頻分開(kāi)完成，即在把交流電整流為直流電的同時(shí)改變直流電壓的幅值，而后將直流電壓逆變?yōu)榻涣麟姇r(shí)改變交流電頻率的變壓變頻控制方式稱(chēng)為PAM調(diào)速。將變壓與變頻集中于逆變器一起完成，即交流電整流為直流電時(shí)電壓恒定，然后由逆變器既完成變頻又完成變壓的控制方式稱(chēng)為PWM調(diào)速。

PAM調(diào)速要采用可控整流器，并對(duì)可控整流器進(jìn)行導(dǎo)通角控制，而PWM調(diào)速則采用不控整流器，工作時(shí)無(wú)需對(duì)整流器進(jìn)行控制。9-1何謂PAM調(diào)速？何謂PWM調(diào)速？這兩種調(diào)速方式有什么不同？

9-2在120°導(dǎo)電角控制電路中(見(jiàn)圖9-3)環(huán)形移位寄存器的狀態(tài)只能有六個(gè)，為什么？當(dāng)因某種干擾出現(xiàn)其它狀態(tài)，如001110時(shí)，逆變器工作會(huì)出現(xiàn)什么情況？如何