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第7章直流脉宽调速系统,7.1直流脉宽调制电路的工作原理7.2脉宽调速系统的控制电路习题7,7.1直流脉宽调制电路的工作原理,7.1.1不可逆PWM变换器不可逆PWM变换器就是直流斩波器，其电路原理图如图71所示。它采用了全控式的电力晶体管，开关频率可达4kHz。直流电压Us由不可控整流电源提供，采用大电容C滤波，二极管VD在晶体管VT关断时为电枢回路提供释放电感储能的续流回路。,图7-1不可逆PWM变换器电路原理图,大功率晶体管VT的基极由脉宽可调的脉冲电压ub驱动，当ub为正时，VT饱和导通，电源电压Us通过VT的集电极回路加到电动机电枢两端；当ub为负时，VT截止，电动机电枢两端无外加电压，电枢的磁场能量经二极管VD释放(续流)。电动机电枢两端得到的电压UAB为脉冲波，其平均电压为,式中=ton/T为一个周期T中，大功率晶体管导通时间的比率，称为负载电压系数或占空比，的变化范围在01之间。一般情况下周期T固定不变，当调节ton，使ton在0T范围内变化时，则电动机电枢端电压Ud在0Us之间变化，而且始终为正，因此，电动机只能单方向旋转，为不可逆调速系统。这种调节方法也称为定频调宽法。,图7-2所示为稳态时电动机电枢的脉冲端电压ud、电枢电压平均值Ud、电动机反电势E和电枢电流id的波形。由于晶体管开关频率较高，利用二极管VD的续流作用，电枢电流id是连续的，而且脉动幅值不是很大，对转速和反电势的影响都很小，可忽略不计，即认为转速和反电势为恒值。,图7-2电压和电流波形图,7.1.2可逆PWM变换器1.双极式PWM变换器双极式PWM变换器主电路的结构形式有H型和T型两种，我们主要讨论常用的H型变换器。如图7-3所示，双极式H型PWM变换器由四个晶体管和四个二极管组成，其连接形状如同字母H，因此称为“H型”PWM变换器。它实际上是两组不可逆PWM变换器电路的组合。,图7-3双极式H型PWM变换器原理图,图7-4双极式PWM变换器电压电流波形图,由于电枢两端电压uAB的正负变化，使得电枢电流波形根据负载大小分为两种情况。当负载电流较大时，电流id的波形如图7-4中的id1，由于平均负载电流大，在续流阶段(tontT)电流仍维持正方向，电动机工作在正向电动状态；当负载电流较小时，电流id的波形如图74中的id2，由于平均负载电流小，在续流阶段，电流很快衰减到零，于是VT2和VT3的c-e极间反向电压消失，VT2和VT3导通，电枢电流反向，id从电源Us正极VT2电动机电枢VT3电源Us负极，电动机处在制动状态。同理，在0tton期间，电流也有一次倒向。,由于在一个周期内，电枢两端电压正负相间，即在0tT/2)，则电枢两端平均电压为正，电动机正转；当正脉冲较窄时(ton0时，+Uc的作用和-Up相减，经运算放大器倒相后，输出脉冲电压Upw的正半波变窄，负半波变宽，如图7-8(b)所示。当UcURSD时，饱和动作。URSD可在15.5V间调节。如脚11开路，其电位自动限制在5.5V。如放弃过饱和保护，可将脚11直接接负电源。脚12为电流信号输入端，其电压值为负。当低于-0.2V时过流保护动作。脚13通过抗饱和二极管接至被驱动功率晶体管集电极。,脚15通过电阻R接正电源UCC，其阻值决定正向基极驱动电流,式中：UBE(GTR)为被驱动功率管GTR的b、e间压降；UCE为UAA4002内部输出级U1的饱和压降。脚16通过一小电阻RB接被驱动功率晶体管基极，输出正向基极驱动电流IB1。,7.2.4由PWM集成芯片组成的直流脉宽调速系统,1.SG1731芯片简介SG1731是美国SiliconGeneral公司针对直流电动机PWM控制而设计的单片IC，也可用于液压PWM控制。该芯片内置三角波发生器、误差运算放大器、比较器及桥式功放电路等。其原理是把一个直流电压与三角波叠加形成脉宽调制方波，加到桥式功放电路上输出。SG1731的管脚排列和内部结构如图7-10所示。,图7-10SG1731的管脚排列和内部结构图(a)管脚排列；(b)内部结构,SG1731管脚的基本功能如下：16脚和9脚接电源Us(3.515V)，用于芯片的控制电路。14脚和11脚接电源U0(2.522V)，用于桥式功放电路。比较器A1、A2，双向恒流源及外接电容C组成三角波发生器，其振荡频率f由电容C和外供正负参考电压2u+、2u-(2脚和7脚)决定：,式中:u=2u+-2u-。,A3为偏差放大器，3脚为正相输入端，4脚为反相输入端，5脚为输出端。A4、A5为比较器，外加电压+UT、-UT为正负门槛电压。15脚为关断控制端，当该输入端为低电平时，封锁输出信号。10脚为芯片片基，6脚外接电容后接地。,2.由SG1731组成的直流调速系统如图7-11所示为SG1731组成的直流调速系统。SG1731的12脚、13脚可输出100mA的电流。,图7-11SG1731组成的PWM直流调速系统,7.2.5由单片机控制的直流脉宽调速系统直流脉宽调速系统的控制，也可由单片微机来实现。由单片微机控制的直流可逆调速系统的原理图如图7-12所示。,图7-12单片机控制的直流可逆调速系统原理图,系统主电路由四个大功率晶体管模块VT1VT4构成H型脉宽调制电路，VD1VD4分别集成在晶体管模块VT1VT4内部，起续流作用，VT1VT4上并联的R、C和VD为过电压吸收电路。直流电源由不可控整流电路提供，RL为限流电阻，用以限制开始给电时的充电电流值，然后由KM闭合将RL切除，R1、R2为均压电阻。控制电路为转速电流双闭环系统，转速反馈信号由测速发电机得到，经A/D转换后送入单片机系统；电流反馈信号由霍尔电流传感器得到，经A/D转换后送到单片机系统。单片机系统的输出分别接到M1M4，M1M4分别为VT1VT4的驱动模块，内部含有光电隔离电路和开关放大电路。转速给定信号经A/D转换后送入单片机系统，调节转速给定信号的大小，即改变占空比(=t1/T)的大小。,图7-13脉冲宽度函数示意图,习题7,7-1简述双极式PWM变换器的工作原理及优缺点。7-2PWM式不可逆调速系统中，当主电路处于续流状态时，电动机运行于何种状态?为什么?7-3试分析比较晶闸管直流电动机可逆调速系统和PWM式可逆直流调速系统的制动过程，指出它们的相同点和不同点。,
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