第七章 控制电路

第七章控制电路第1页，课件共66页，创作于2023年2月第一节逻辑控制电路6.1.1功率开关驱动电路按功率器件类型分：

晶体管驱动电路场效应管驱动电路晶闸管驱动电路按负载类型：

电阻性负载驱动电路电感性负载驱动电路按负载电源类型分：

直流电源负载驱动电路交流电源负载驱动电路

驱动对象

功率开关驱动电路继电器与电磁阀驱动电路步进电动机驱动电路第2页，课件共66页，创作于2023年2月第一节逻辑控制电路一、晶体管驱动电路负载所需的电流不太大，一般适用5Ａ以内小功率直流电阻或电感性负载驱动。

第3页，课件共66页，创作于2023年2月第一节逻辑控制电路设计要点:

合理确定Ui、R与V的电流放大系数

值之间的数值关系，充分满足：

Ib

IL/

，可确保V导通时工作于饱和区，以降低V的导通电阻及减小功耗。第4页，课件共66页，创作于2023年2月第一节逻辑控制电路二、场效应管驱动电路

用于功率驱动电路的场效应晶体管称为功率场效应晶体管。功率场效应晶体管是电压控制器件，具有很高的输入阻抗，所需的驱动功率很小，对驱动电路要求较低。功率场效应晶体管具有较高的开启阈值电压，有较高的噪声容限和抗干扰能力，适用于10Ａ以内小功率直流电阻或电感性负载驱动。场效应晶体管大多数为绝缘栅型场效应管，亦称MOS场效应管。功率场效应晶体管在制造中多采用V沟槽工艺，简称为VMOS场效应管。其改进型则称为TMOS场效应管第5页，课件共66页，创作于2023年2月图8-2场效应晶体管功率驱动电路a)VMOS场效应管电极b)场效应管驱动电路b)a)

漏极D

栅极G

VDS

源极S第一节逻辑控制电路第6页，课件共66页，创作于2023年2月第一节逻辑控制电路三、晶闸管驱动电路交流负载的功率驱动电路，通常采用晶闸管来构成。晶闸管有单向晶闸管和双向晶闸管两种类型。

导通条件：主电极阳极A与阴极K之间的电流小于其维持电流IH，晶闸管即进入关断状态。

关断条件：在阳极A与阴极K之间加正向电压，同时在门极G与阴极K之间加正向电压（触发），这样阳极A与阴极K之间即进入导通状态。晶闸管一旦导通，只要阳极A与阴极K之间的电流不小于其维持电流IH，门极G与阴极K之间是否还存在正向电压，对已经导通的晶闸管完全没有影响。

与单向晶闸管相比较，双向晶闸管主要区别是：①在触发之后是双向导通的；②触发电压不分极性，只要绝对值达到触发门限值即可使双向晶闸管导通。第7页，课件共66页，创作于2023年2月图8-4交流半波导通功率驱动电路第一节逻辑控制电路第8页，课件共66页，创作于2023年2月第一节逻辑控制电路6.1.2继电器与电磁阀驱动电路1、继电器驱动电路继电器广泛用于生产控制和电力系统中，具有接触电阻小、流通电流大和耐压高等优点，至今仍无法用无触点器件取代对继电器或接触器的驱动，实际上是对其励磁线圈电流通断的控制。继电器励磁线圈所需的励磁电源有直流与交流两种。

实用中应注意:如果驱动的是感性负载，必须设置合理的关断泄流回路，一方面可保护开关器件，另外也可起到消除对外电磁干扰的作用。第9页，课件共66页，创作于2023年2月图8-5交流继电器的控制第一节逻辑控制电路第10页，课件共66页，创作于2023年2月第一节逻辑控制电路6.1.3步进电机驱动电路

步进电动机简称步进电机，可在开环条件下十分方便地将数字系统的脉冲数转变成与其相对应的角位移或线位移，因而是控制系统中常用的自动化执行元件。第11页，课件共66页，创作于2023年2月脉冲分配电路亦称环行分配器，用来对输入的步进脉冲进行逻辑变换，产生给定工作方式所需的各相脉冲序列信号。功率放大电路对脉冲分配电路输出的信号进行放大，产生使电动机旋转所需的激磁电流。步进方向信号指定各相导通的先后次序，用以改变步进电机旋转方向。第12页，课件共66页，创作于2023年2月电源控制信号用来在必要时使各相电流为零，以达到降低功耗等的目的。

脉冲分配电路可用数字电路组合、软件序列分配、专门单片集成元件、GAL器件等构成。

功率放大电路的特性对步进电机的性能有极其明显的影响。功率放大电路有单电压、双电压、斩波稳流、步距细分等类型。

第一节逻辑控制电路第13页，课件共66页，创作于2023年2月图8-7单电压功率放大电路

1、单电压功率放大电路步进电机每相绕组的供电都是由功率开关电路来执行的，三相步进电机应有三个功率放大电路单元。第一节逻辑控制电路第14页，课件共66页，创作于2023年2月图8-8绕组电流I

L的波形a）Ui频率低时b）Ui频率高时第一节逻辑控制电路第15页，课件共66页，创作于2023年2月同时增大外接电阻RC和电源电压Ec，可使步进电机转速高时的输出转矩显著提高，但同时使功耗急剧增大。功耗的增加一方面降低了效率，使电源体积庞大；另一方面引起电气部件发热，增大系统故障的发生率。为此，发展了双电压、斩波稳流等驱动电路。第一节逻辑控制电路第16页，课件共66页，创作于2023年2月第一节逻辑控制电路

2、斩波稳流式功率放大电路

图8-9斩波稳流式功率放大电路第17页，课件共66页，创作于2023年2月经D触发器引入Up信号的主要目的是给定超声斩波频率，以避免单纯由R6上的电压波动来控制V1通断引入的不规则噪声。

第一节逻辑控制电路第18页，课件共66页，创作于2023年2月第一节逻辑控制电路

+ECVD

ZL

ILR1

VUiVS8.1已知某直流电磁阀的驱动电流为6A，用2mA的标准TTL电平实施控制，试设计一合适的驱动电路。

按照图组成电路：其中场效应晶体管V1采用IRF640，耐压200(V)，极限工作电流15(A)；泄流二极管VD需耐压200(V)，极限工作电流10(A)；箝位二极管VS的箝位电压为6.8(V)，极限工作电流100(mA)；电阻R1为510(

)，电源Ec按照直流电磁阀的要求取定。第19页，课件共66页，创作于2023年2月第一节逻辑控制电路EZL

ILP1R5R1VDR2R3~ueb2

A

V14N25R6SCR1VSb1

V2C1R4Ui

K4N25P2USR78-2若图8-4中的负载ZL是电阻加热器，应在电路中做何改动以便实现不同加热速度的给定？改动后的电路如图所示。Ui为控制加热开始和停止的电平信号。Us则为5kHz的矩形波。通过改变Us的占空比，可控制V1的导通角，从而实现不同加热速度的给定。第20页，课件共66页，创作于2023年2月第一节逻辑控制电路

8-3图8-9的电路应如何改动，才能使图8-6中的电源控制信号发挥作用？改动后的电路如图所示。增加正与门D5，Us为实现电源控制的电平信号。当Us为高电平时，D5的输出由步进脉冲信号Ui控制；当Us为低电平时，D5的输出为低电平，强制V1与V2截止，步进电动机各绕组电流为零。第21页，课件共66页，创作于2023年2月第一节逻辑控制电路8-4试设计一完整的三相步进电动机驱动电路。采用3个题8-3图所示的电路单元，并配置相应的环行分配器电路，即可实现对三相步进电动机的驱动。基本电路如图所示，其中Up为斩波信号，Ui为步进脉冲信号，Ud为旋转方向控制信号，Us为电源控制信号。第22页，课件共66页，创作于2023年2月第二节脉宽调制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，或者将直流信号连续变换成交流信号来达到控制的目的，实现这种控制的电路称为连续信号控制电路。在实际应用中，连续信号控制电路主要是指直流电动机调速、交流电动机调速和功率电源控制中的导电角控制电路、脉宽调制控制电路、变频控制电路和电源程控电路等。第23页，课件共66页，创作于2023年2月第二节脉宽调制控制电路测量电路控制电路

扰动量传感器放大电路输出变换电路设定电路执行机构给定机构被控对象图1-8开环控制系统的基本组成开环控制特点：精度不高、对扰动的测量误差影响控制精度、扰动模型的不精确性影响控制精度。

第24页，课件共66页，创作于2023年2月

设定电路比较电路校正电路变换电路给定机构执行机构被控对象输出传感器扰动放大电路控制电路图1-9闭环控制系统的基本组成第二节脉宽调制控制电路第25页，课件共66页，创作于2023年2月第二节脉宽调制控制电路加校正电路主要考虑从发现输出量发生变化到执行控制需要一段时间，为了提高响应速度常引入微分环节。另外，当输出量在扰动影响下作周期变化时，由于控制作用的滞后，可能产生振荡。为了防止振荡，需要引入适当的积分环节。在实际电路中，往往比较电路的输出先经放大再送入校正电路，视需要可能再次放大。第26页，课件共66页，创作于2023年2月～MVD3ABCEAC1AVD1VD5V5V3V1V4VD4V6VD6V2VD2图9-1晶体管三相桥式逆变器

V1~V6为大功率晶体管

VD1~VD6为续流二极管

第二节脉宽调制控制电路120°导电角控制逆变器第27页，课件共66页，创作于2023年2月b)a)断通断通断V1断通120°断断通通断通通通断断断通断断断通通ωtωtωtωtωtωtωtωtωtOOOOOOOOV4V3V6V5V2240°480°360°600°OUCUBUA-E/2E/2E/2E/2-E/2-E/2第二节脉宽调制控制电路第28页，课件共66页，创作于2023年2月c)ωtωtωtE/2OOOUA-BUC-AUB-CEEE-E-E/2-E-E/2E/2-E-E/2E/2图9-2120°导通型逆变器输出电压波形晶体管开关V1~V6的通断状态

b)输出相电压c)输出线电压第二节脉宽调制控制电路第29页，课件共66页，创作于2023年2月图9-3120°导电角控制电路原理图Ub5Ub4Ub1Ub3Ub2Ub6DDQSD1DQQDSD2SD3DQD4SQDQRD5RD6光电耦合驱动电路STARTLDUb1≥1111100011110001111111001110011100111第30页，课件共66页，创作于2023年2月图9-4晶闸管三相桥式逆变器V10V4V7V1VD1V12V6VD6V8V2VD2～MV3V9VD3V11V5VD5EIAICCALAALBCBBLCCCC1VD4C第二节脉宽调制控制电路180°导电角控制逆变器第31页，课件共66页，创作于2023年2月180

导通型逆变器正常工作的必要条件是可靠地换流。即每一相上、下桥臂主晶闸管交换导通时，必须经过短暂的全关断状态，以避免上、下两个主晶闸管同时导通的情况。根据180°导通型开关状态的工作顺序，让微处理机通过一个并口周期输出开关状态值，驱动晶闸管导通或关断，即可让逆变器工作。由于逆变器的输入是直流，一般晶闸管不能通过控制门极电压将它关断换流，因此必须采用强迫换流的方法。

第二节脉宽调制控制电路第32页，课件共66页，创作于2023年2月图9-5180º导通型逆变器输出电压波形a)b)断21345通断断通通断5断通通7810911通断断112234ωtωtωtωtωtωtωtωtωtOOOOOOOOOV1V4V6V3V2V56UAUBUC-E/3E/3-E/3-E/3E/3E/32E/32E/32E/3-2E/3-2E/3断通通断通通-2E/3ωtOUA-BE-Ec)ωtωtOOUC-AUB-CE-E-EE第33页，课件共66页，创作于2023年2月图9-7换流过程波形图

iVD1,Im相负载电流AiciV1iV1IAiVD4ωtωtωtt3t3t3t4t4t2t2t1t1t0t0iVD1icIAIm-IAIAOOO第二节脉宽调制控制电路第34页，课件共66页，创作于2023年2月第二节脉宽调制控制电路6.2.1脉宽调制的原理

一、脉宽调制控制电路的工作原理1、电压－脉宽变换器其功能是根据指令对脉宽进行调制。它是由三角波发生器、加法器、比较器三部分组成。2、功率开关放大器由H桥组成，实现对电机绕组电流的双向控制。第35页，课件共66页，创作于2023年2月∞++N-R2R3RPR1RLUPu0ukUbECULVVD图9-8PWM控制电路原理第二节脉宽调制控制电路第36页，课件共66页，创作于2023年2月+1.2V-1.2VtttttttttOOOOOOOOOuo1uo1uo1uo2uo2uo2uk-uPuk-uPuk-uPukuk图9-13单极性脉宽调制器输出波形

a)uk=0b)uk>0c)uk<0a)b)c)第二节脉宽调制控制电路第37页，课件共66页，创作于2023年2月图9-10PWM控制负载的波形图tt2T2TTTT+τT+τττOOuLuLULULEE第二节脉宽调制控制电路第38页，课件共66页，创作于2023年2月第二节脉宽调制控制电路6.2.2典型脉宽调制电路一、锯齿波脉宽调制器二、三角波脉宽调制器三、数字式脉宽调制器第39页，课件共66页，创作于2023年2月51V26TRTHNE5554R7ct8V+N-+∞R1EcR2R3R4R5RPR7R6R8R9C1C2C3u0ukub图9-11锯齿波脉冲宽度调制器第二节脉宽调制控制电路第40页，课件共66页，创作于2023年2月+-N1+∞∞N2-++R3R1R2CRPR5R6R7R9R8R10R13R11R14R12R15R16R17R18VS1VS2VD1VD2baV1V2V3V4V5uk+Ecuo1-Ecuo2uPR4图9-12三角波脉宽调制器电路

第二节脉宽调制控制电路第41页，课件共66页，创作于2023年2月图9-9锯齿波脉宽调制波形图

a)b)c)ttttttttOOOOOtOOOOTTTτττuPuPuPubububuP+uk+u0uP+uk+u0uP+uk+u0式中ukm——控制信号uk的最大值。第二节脉宽调制控制电路第42页，课件共66页，创作于2023年2月第二节脉宽调制控制电路数字式脉宽调制器可随控制信号的变化而改变脉冲序列的占空比τ/T。在数字式脉宽调制器中，控制信号是数字，其值确定脉冲的宽度。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：1)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；2)用硬件电路自动产生PWM信号，不占用CPU处理的时间。第43页，课件共66页，创作于2023年2月图9-14计数比较式PWM电路8255A分频器译码器地址IOWIORRESETCSWRRESETRDD7916122CD4520465&36CD4585101572121556141119385411101115CP792CD4585PA7107414113>1314PWM输出D7D0D0A0A0A1A1PA6PA5PA4PA3PA2PA1PA0PC7ABUcUcUcφ第44页，课件共66页，创作于2023年2月第二节脉宽调制控制电路脉宽（脉冲宽度）调制器是一个自动的电压-脉宽变换器(亦称V/W电路)。对它的基本要求是死区要小，调宽脉冲的前后沿的斜率要大，也就是比较器的灵敏度要足够高。在设计脉宽调制器的实际电路时，应使其简单、可靠，且不受外界干扰。比较器的灵敏度与系统的控制模式、实际控制系统的具体要求等有关，应综合考虑，否则在整个系统的线路处理上会带来一定困难。同时还需考虑与功率转换电路的耦合问题。第45页，课件共66页，创作于2023年2月第二节脉宽调制控制电路6.2.2PWM功率驱动电路根据调制脉冲的极性可分为：

单极式双极式根据载波信号和基准信号的频率之间的关系，又可分为：

同步式异步式第46页，课件共66页，创作于2023年2月一、简单的不可逆PWM控制电路电机只能单向转动、调速。

二、制动不可逆PWM控制电路

电机只能单向转动、调速、可以制动。

三、H型双极式可逆PWM控制电路

电机能双向转动、调速。

四、T型双极式可逆PWM控制电路

电机可双向转动、调速，但需要正、负电源。

第二节脉宽调制控制电路第47页，课件共66页，创作于2023年2月第二节脉宽调制控制电路VD1M-ubVD2V+iaED+ECiaua,EuaUaEDia图9-15简单不可逆PWM控制电路及其波形a）电路原理图b）电流和电压波形第48页，课件共66页，创作于2023年2月在这种简单的PWM控制电路中，电动机的电枢电流是不能反向流动的，即无制动工作状态，一般仅适用于快速性要求不高的场合。而且，这种电路在轻载(或空载)情况下还可能出现电枢电流断续的现象。第二节脉宽调制控制电路第49页，课件共66页，创作于2023年2月第二节脉宽调制控制电路+-Ea)BMV1V2VD1VD2ACEDub1ub21234b)ub1=-ub2ub1ub2TtOV1V1VD2τtTτEEDUaiaia,u112Oiaa)电路原理图b)电动状态电压和电流波形第50页，课件共66页，创作于2023年2月c)tTτOtTτub2ub1ub1=-ub2VD1VD1V2V2OτEEDUaia3344ia,ud)tOia34121τTt1t24图9-16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第二节脉宽调制控制电路第51页，课件共66页，创作于2023年2月第二节脉宽调制控制电路H型控制电路在控制方式上分双极式、单极式和受限单极式三种。第52页，课件共66页，创作于2023年2月ub1,ub4411-E2211tttttOOOOOub2,ub3TτEiauABia3ub2ub44M2V1V3V4V2VD3VD2VD1VD4ub1ub3EiaAB13（重载）（轻载）4图9-17H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

第二节脉宽调制控制电路第53页，课件共66页，创作于2023年2月第二节脉宽调制控制电路图9-18T型双极式PWM控制电路VD2+EM3241V2V1VD1ABub1ub2-E第54页，课件共66页，创作于2023年2月第二节脉宽调制控制电路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。第55页，课件共66页，创作于2023年2月图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V1M半波整流电路比较器V2V3V4ECABuPuc-ucE-ucucuPuOO-Eωtωtπ第二节脉宽调制控制电路第56页，课件共66页，创作于2023年2月第二节脉宽调制控制电路单极性:指载波信号与基准信号始终保持同极性的关系，即正弦波处于正半周时，载波信号在正值范围内变化，产生正的调制脉冲列。而正弦波处于负半周时，产生负的调制脉冲列。采用正弦波调制后的输出电压脉冲UAB具有以下特点：在半个周期内，两边的脉冲宽度小，中间的脉冲宽度大，各脉冲的宽度基本上按正弦分布。它比单极性直流脉宽调制的输出电压波形更接近于正弦。定义载波频率fp与调制波频率fk之比为载波比N，即N=fp/fk。用三角波up幅值Upm与正弦波uk幅值Ukm之比m=Upm/Ukm表示调节脉冲宽度的能力，m愈大，uk幅值就愈小，则等高不等宽脉冲宽度变窄，输出电压减小。根据载波比的变化与否可分为同步式调制控制与异步式调制控制。第57页，课件共66页，创作于2023年2月第二节脉宽调制控制电路

同步式调制控制在同步式调制控制方式中，N为常数，即变频时控制电路的三角载波频率与正弦调制波的频率要同步变化，从而保持脉宽调制信号波形数和相位不变。如果取N等于3的倍数，则同步调制控制能保证逆变器输出波形的正、负半波始终保持对称，对于三相逆变器能严格保证三相输出波形间具有互差120°的对称关系。但是，当输出频率很低时，由于相邻两脉冲间的间距增大，谐波会显著增加，使负载电动机产生较大的脉动转矩和较强的噪声，这是同步式调制控制方式的主要缺点。第58页，课件共66页，创作于2023年2月第二节脉宽调制控制电路

异步式调制控制：当三角载波信号频率一定时，若只改变正弦波基准信号的频率，即让载波比N不为常数，同样可以改变输出电压的频率，这样正、负半周的脉冲数和相位在不同的输出频率下，就不完全对称，把这种控制方式称为异步式脉宽