测控电路09-连续信号控制电路.ppt

控制电路 控制执行机构运动的电路常用的执行机构驱动器件 1 电动机 2 油 气 缸 3 电磁机构 电磁铁 磁致伸缩 4 压电驱动 5 热驱动 6 其它 化学 生物 核等 第九章连续信号控制电路 电机是最采用的执行机构驱动器件 1 可以驱动各种执行器件 用于各种场合 2 行程大 3 变速范围大 4 输出力矩大 5 控制灵活方便 第九章连续信号控制电路 连续信号控制电路 将交流信号连续变换成直流信号 或者是直流信号连续变换成交流信号以达到控制目的 主要指直流电动机调速 交流电动机调速 功率电源控制中的导电角控制电路 脉宽调制控制电路 变频控制电路等 第九章连续信号控制电路 速度调节是控制中的一个重要问题本章首先研究直流电机的速度调节与控制然后研究交流电机的驱动 速度调节与控制 第九章连续信号控制电路 脉宽调制 PulseWidthModulation 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 把直流电压变成一系列幅值相等的电压脉冲 通过控制电压脉冲的宽度以达到变压目的 或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种变换电路 9 2脉宽调制 PWM 控制电路 为什么采用脉宽调制 而不用电压调速 1 脉宽调制可以用于直流和交流电机调速 还可以与调频相结合 通用性强 2 在电机驱动中功率放大器工作在非线性状态 脉宽调制让功率放大器工作在开关状态 可以减小有功功率消耗 获得较高的效率与较好的线性 3 让电机始终处在有电状态 对于电机动态特性有利 9 2脉宽调制 PWM 控制电路 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 运算放大器N工作在开环或正反馈状态 实现把连续电压信号变成脉冲电压信号 二极管VD在V关断时为感性负载RL提供释放电感储能 形成续流回路 9 2 1脉宽调制控制电路的工作原理 电压 脉宽 功率放大 N的反相端输入三个信号 锯齿波或三角波调制信号up 控制电压uc 负偏置电压u0 其作用是在uc 0时通过RP的调节使比较器的输出电压ub为宽度相等的正负方波 电压 脉宽 功率放大 9 2 1脉宽调制控制电路的工作原理 uc 0 锯齿波过零提前 正半波比负半波窄uc 0 锯齿波过零的时间后移 正半波比负半波宽 脉宽变化引起RL上平均电压变化 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 要求 死区小调宽脉冲前后沿斜率大简单 可靠 一 锯齿波脉宽调制器 9 2 2典型脉宽调制电路 锯齿波发生器 电压比较器 改善线性 一定电压放电 形成锯齿波 提高输出脉冲前后沿陡度 无稳态多谐振荡器 三角波发生器 二 三角波脉宽调制器 迟滞比较器 积分器 形成一定死区 9 2 2典型脉宽调制电路 自激振荡 二 三角波脉宽调制器 9 2 2典型脉宽调制电路 功用 1 电机驱动 2 调速 9 2 3PWM功率转换电路 分类 1 按调制脉冲的极性分 单极式和双极式 2 按载波信号和基准信号的频率之间的关系分 同步式和异步式 几个概念 1 可逆和不可逆 可逆就是电机即可正转也可反转 不可逆就是电机只能一个方向转动 2 反电动势 是电机转动产生的 与转速有关 3 自感电动势 流过电枢电流变化产生的感应电势 4 电动 电机转动方向与流过电枢的电流方向相同 5 制动 电机转动方向与流过电枢的电流方向相反 6 回馈制动 流过电枢的电流与电机转动方向相反且流入电源 即将能量回馈给电源 9 2 3PWM功率转换电路 工作原理 9 2 3 1简单的不可逆PWM控制电路 V关断时为电枢回路提供释放电感储能形成续流回路 消除电源在直流供电线路上的谐波电压对电路的干扰 功率开关 当0 t 时 ub为正 V饱和导通 电动机两端电压ua E 9 2 3 1简单的不可逆PWM控制电路 b 电流和电压波形 电动机平均端电压为 PWM电压的占空比 改变 即可调速 当 t T时 ub为负 V截止 ua 0 电动机电枢经二极管VD1续流 ED 电动机反电动势 R L 电枢电路的电阻和电感 9 2 3 1简单的不可逆PWM控制电路 在轻载 负载力矩小 ia小 情况下可能断流不能反转 不能制动 电流不能反向通过电枢 9 2 3 2制动不可逆PWM控制电路 主控管 辅助管 当0 t 时 ub1为正 V1饱和导通 ub2为负 V2截止 E加在电动机电枢两端 ia顺着回路1由A流向B 电动机工作在电动状态 当 t T时 ub2为正 ub1为负 V1截止 与E断开 电枢中的自感电动势使ia沿回路2续流 电动机仍为电动状态 电动机电枢经二极管VD1续流 此时 VD2使V2继续截止 所以 只要ia在ub1为负期间不衰减到0 电动机始终 电动 状态 9 2 3 2制动不可逆PWM控制电路 但假如ia在ub1为负的期间内衰减到0 则V2在 t T期间在ED和ub2的共同作用下饱和导通 在外力做功下 ia沿回路3由B流向A 与ED同向 产生能耗制动 直到t T后 ub2为负 V2截止 在自感电动势和反电动势的作用下 ia沿回路4流动 实现回馈制动 此时V1因VD1而截止 反向制动作用会使电动机转速下降 直到ub1为正时 反相电流ia衰减到0 V1才饱和导通 电动机又进入电动状态 9 2 3 2制动不可逆PWM控制电路 此外 由于某种原因 或者电动机工作在轻载情况下 负载电流很小时 电动和制动状态会交替出现 9 2 3 2H型双极式可逆PWM控制电路 控制方式上分为双极式 单极式和受限单极式 这里以双极式为例 0 t 时 ub1 ub4高电平 ub2 ub3低电平 V1 V4饱和导通 V2 V3截止 E加在电枢AB两端 UAB E t T时 V1 V4截止 但V2 V3并不能立即导通 电枢电流ia沿回路经VD2 VD3续流 UAB E a 电路原理图 9 2 3 2H型双极式可逆PWM控制电路 9 2 3 2H型双极式可逆PWM控制电路 若电动机的负载较重 即电枢电流ia大 在续流阶段电流始终为正 则电动机始终工作在电动状态 ia只流经1 2两支回路 如图中 重载 情况所示 若负载轻 则ia小 续流时电流可能很快衰减到零 于是V2 V3在电源电压和反电动势的共同作用下导通 电枢电流反向 沿回路3流通 电动机处于反接制动状态 仅仅是制动 产生反向力矩 还不是反转 9 2 3 2H型双极式可逆PWM控制电路 a 电路原理图 9 2 3 2H型双极式可逆PWM控制电路 在t T时 ub1 ub4变正 但由于电枢反电动势的作用 V1 V4不能立即导通 ia沿回路经VD4 VD1续流 反向电流ia降至零后 VD4 VD1切断 V1 V4导通 电流ia流经1 2 3 4四支回路 双极式可逆PWM控制电路的可逆性由正 负脉冲电压的宽窄而定 当正脉冲宽度 T 2时 电枢两端的平均电压为正 电动机正转 当 T 2时 平均电压为负 电动机反转 当 T 2时 平均电压为零 电动机停转 9 2 3 2H型双极式可逆PWM控制电路 9 2 3 2T型双极式可逆PWM控制电路 当0 t 时 ub1为正 V1导通 ub2为负 V2截止 E加在电动机电枢两端 当 t T时 ub2为正 ub1为负 V1截止 V2导通 E加在电动机电枢两端 1 当控制信号为0时 T 2 Ua UAB 0 电动机宏观上不转 平均电流为零 2 当控制信号为正时 T 2 Ua 0 电动机正转 3 当控制信号为负时 T 2 Ua 0 电动机反转 9 2 3 2T型双极式可逆PWM控制电路 这种电路结构简单 但要求双电源供电 且晶体管承受的反向电压为电源的两倍 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 9 1导电角控制逆变器 在实际中使用更多的是交流电机逆变器是一种将直流电能转变为交流电能的设备 为什么要逆变 为了控制的需要 例如变频 脉冲调宽 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 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 9 1导电角控制逆变器 在逆变器中 要正常工作必须保持晶闸管之间的可靠换流 也就是说 晶闸管的通断 由外加触发电压控制 只要阳极A与阴极K之间的电流不小于其维持电流IH 触发电压撤消后 仍保持导通 9 1导电角控制逆变器 9 1 1120 导电角控制逆变器 9 1导电角控制逆变器 V1 V6 大功率管VD1 VD6 续流二极管 其中 每一相上桥臂晶体管与下桥臂晶体管各导通120 电角度 上 下桥臂晶体管导通状态相互间隔60 电角度 各相之间相位差为120 接通顺序 每隔