第七章(PWM)控制課件

第七章脈寬調(diào)制（PWM）控制電路通常稱為PWM控制電路，是利用半導(dǎo)體功率晶體管或晶閘管等開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖列，控制電壓脈沖的寬度或周期達(dá)到變壓目的，或者控制電壓脈沖寬度和脈沖列的周期以達(dá)到變壓變頻的目的的一種變換電路。多用在開關(guān)穩(wěn)壓電源、不間斷電源(UPS)以及交直流電機(jī)調(diào)速等控制電路中。主要內(nèi)容一、脈寬調(diào)制控制電路的工作原理二、典型電壓－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(自學(xué))一、脈寬調(diào)制控制電路的工作原理∞++N-R2R3RPR1RLUPu0ucUbECULVVDa)uc=0b)uc>0c)uc<0ttttttttOOOOOtOOOOTTTτττuPuPuPubububuP+uc+u0uP+uc+u0uP+uc+u0式中ucm——控制信號(hào)uc的最大值?；镜拿}寬調(diào)制控制電路包括電壓-脈寬變換器和開關(guān)式功率放大器兩部分

up——鋸齒波或三角波調(diào)制信號(hào)，其頻率是主電路所需的開關(guān)調(diào)制頻率，一般為1~4kHz；

uc——控制電壓，其極性與大小隨時(shí)可變；

u0——負(fù)偏置電壓，其作用是在uc＝0時(shí)通過調(diào)節(jié)Rp使比較器的輸出電壓Ub為寬度相等的正負(fù)方波。PWM控制負(fù)載的波形圖tt2T2TTTT+τT+τττOOuLuLULULEE通過PWM控制改變開關(guān)管在一個(gè)開關(guān)周期T內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間τ的長短，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)RL兩端平均電壓UL大小的控制。二、典型脈寬調(diào)制電路（V/W轉(zhuǎn)換器）對(duì)脈寬（脈沖寬度）調(diào)制器的基本要求死區(qū)小，調(diào)寬脈沖的前后沿的斜率大。其簡(jiǎn)單、可靠，且不受外界干擾?？紤]與功率轉(zhuǎn)換電路的耦合問題。典型V-W轉(zhuǎn)換電路根據(jù)控制信號(hào)Uc形式來分(一)模擬式脈寬調(diào)制器鋸齒波脈寬調(diào)制器三角波脈寬調(diào)制器(二)數(shù)字式脈寬調(diào)制器(一)鋸齒波脈寬調(diào)制器51V26TRTHNE5554R7ct8V+N-+∞R1EcR2R3R4R5RPR7R6R8R9C1C2C3u0ukub圖7-4鋸齒波脈沖寬度調(diào)制器鋸齒波脈寬調(diào)制器是由鋸齒波發(fā)生器和電壓比較器組成。555定時(shí)器555定時(shí)器的結(jié)構(gòu)和工作原理低電平觸發(fā)端高電平觸發(fā)端電壓控制端復(fù)位端低電平有效放電端4.5～18V001①R=0時(shí)，Q=1、Q=0，uo=0，V導(dǎo)通。①R=0時(shí)，Q=1、Q=0，uo=0，V飽和導(dǎo)通。②R=1、UTH＞2UCC/3、UTR＞UCC/3時(shí)，RD=0、SD=1，Q=1、Q=0，uo=0，V飽和導(dǎo)通。＞2UCC/3＞UCC/30011①R=0時(shí)，Q=1、Q=0，uo=0，V飽和導(dǎo)通。②R=1、UTH＞2UCC/3、UTR＞UCC/3時(shí)，RD=0、SD=1，Q=1、Q=0，uo=0，V飽和導(dǎo)通。＜2UCC/3＞UCC/31001③R=1、UTH＜2UCC/3、UTR＞UCC/3時(shí)，RD=1、SD=1，Q、Q不變，uo不變，V狀態(tài)不變。11①R=0時(shí)，Q=1、Q=0，uo=0，V飽和導(dǎo)通。②R=1、UTH＞2UCC/3、UTR＞UCC/3時(shí)，RD=0、SD=1，Q=1、Q=0，uo=0，V飽和導(dǎo)通。＜2UCC/3＜UCC/31100③R=1、UTH＜2UCC/3、UTR＞UCC/3時(shí)，RD=1、SD=1，Q、Q不變，uo不變，V狀態(tài)不變。④R=1、UTH＜2UCC/3、UTR＜UCC/3時(shí)，RD=1、SD=0，Q=0、Q=1，uo=1，V截止。接通UCC后，UCC經(jīng)R1和R2對(duì)C充電。當(dāng)uc上升到2UCC/3時(shí)，uo=0，V導(dǎo)通，C通過R2和T放電，uc下降。當(dāng)uc下降到UCC/3時(shí)，uo又由0變?yōu)?，V截止，UCC又經(jīng)R1和R2對(duì)C充電。如此重復(fù)上述過程，在輸出端uo產(chǎn)生了連續(xù)的矩形脈沖。555定時(shí)器的應(yīng)用——構(gòu)成無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器鋸齒波V-W變換器51V26TRTHNE5554R7ct8V+N-+∞R1EcR2R3R4R5RPR7R6R8R9C1C2C3u0ukub圖7-4鋸齒波脈沖寬度調(diào)制器(二)三角波V-W變換器+-N1+∞∞N2-++R3R1R2CRPR5R6R7R9R8R10R13R11R14R12R15R16R17R18VS1VS2VD1VD2baV1V2V3V4V5uc+Ecuo1-Ecuo2uPR4三角波發(fā)生器單極性脈沖寬度比較電路當(dāng)時(shí),對(duì)應(yīng)的uo值為輸出三角波的幅值Uom,即當(dāng)uo1=+Uz時(shí)當(dāng)uo1=-Uz時(shí)基型遲滯比較器反相積分器+-N1+∞∞N2-++R3R1R2CRPR5R6R7R9R8R10R13R11R14R12R15R16R17R18VS1VS2VD1VD2baV1V2V3V4V5uc+Ecuo1-Ecuo2uPR4+1.2V-1.2VtttttttttOOOOOOOOOuo1uo1uo1uo2uo2uo2uc-uPuc-uPuc-uPukuka)uc=0b)uc>0c)uc<0a)b)c)單極性脈寬調(diào)制器輸出波形(三)數(shù)字式脈寬調(diào)制器控制信號(hào)是數(shù)字，其值確定脈沖的寬度。隨控制信號(hào)的變化而改變脈沖序列的占空比τ/T。當(dāng)維持調(diào)制脈沖序列的周期不變，通過改變脈沖的寬度，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：用軟件方式來實(shí)現(xiàn)，即通過執(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7-7計(jì)數(shù)比較式PWM電路8255A分頻器譯碼器地址IOWIORRESETCSWRRESETRDD7916122CD4520465&36CD4585101572121556141119385411101115CP792CD4585PA7107414113>1314PWM輸出D7D0D0A0A0A1A1PA6PA5PA4PA3PA2PA1PA0PC7ABUcUcUcφABA<B，低電平A>B，高電平tOBtOTτPWM輸出A三、PWM功率轉(zhuǎn)換電路用于脈寬調(diào)速系統(tǒng)（交直流電機(jī)調(diào)速）PWM控制電路有可逆和不可逆之分?？赡媸侵鸽妱?dòng)機(jī)可以正反兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)；不可逆是指電動(dòng)機(jī)只能單向旋轉(zhuǎn)?？赡嫦到y(tǒng)，分為單極式和雙極式驅(qū)動(dòng)兩種。單極式驅(qū)動(dòng)是在一個(gè)PWM周期內(nèi)，作用在電樞兩端的脈沖電壓是單一極性的；雙極式驅(qū)動(dòng)是在一個(gè)PWM周期內(nèi)，作用在電樞兩端的脈沖電壓是正負(fù)交替的。(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控制電路幾種控制變換電路(一)簡(jiǎn)單的不可逆PWM控制電路

VD1M-ubVD2V+iaED+ECiaua,EuaUaEDiaa）電路原理圖b）電流和電壓波形特點(diǎn)：輕載時(shí)電樞電流可能出現(xiàn)斷續(xù)現(xiàn)象。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電動(dòng)機(jī)的電樞電流不能反向流動(dòng)，即無制動(dòng)工作狀態(tài)；適用于快速性要求不高的場(chǎng)合。VD1M-ubVD2V+iaED+ECiaua,EuaUaEDia(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7-9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)電流波形電樞電流始終連續(xù)。a)+-EBMV1V2VD1VD2ACEDub1ub21234ia(三)H型雙極式可逆PWM控制電路雙極式驅(qū)動(dòng)：T型和H型。T型有兩個(gè)開關(guān)管組成，采用正負(fù)電源，相當(dāng)于2個(gè)不可逆系統(tǒng)的組合，形狀像T字，成為T型。開關(guān)管要承受較高的反向電壓，因此用于低壓小功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中。H型形狀像橋式電路，應(yīng)用較多VD2+EM3241V2V1VD1ABub1ub2-Eub2ub44M2V1V3V4V2VD3VD2VD1VD4ub1ub3EiaAB13ub1,ub4411-E2211tttttOOOOOub2,ub3TτEiauABia3ub2ub44M2V1V3V4V2VD3VD2VD1VD4ub1ub3EiaAB13（重載）（輕載）4圖7-10H型雙極式PWM控制電路及其波形a）電路原理圖b）電壓電流波形雙極式可逆PWM控制電路的可逆性：可逆性由正、負(fù)脈沖電壓的寬窄而定。當(dāng)正脈沖寬度τ>T/2時(shí)，電樞兩端的平均電壓為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)τ<T/2時(shí)，平均電壓為負(fù)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)τ=T/2時(shí)，平均電壓為零，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。上頁波形是電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的情況。PWM控制電路在雙極式工作時(shí)會(huì)不會(huì)發(fā)生電流斷續(xù)現(xiàn)象？為什么？PWM控制電路在雙極式工作時(shí)不會(huì)發(fā)生電流斷續(xù)現(xiàn)象。因?yàn)樗膫€(gè)大功率管分為兩組，同一組中的兩個(gè)晶體管同時(shí)導(dǎo)通、同時(shí)關(guān)斷，兩組晶體管之間交替地輪流導(dǎo)通和截止，電流可以反向，使得電樞電流始終是連續(xù)的。(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雙極式可逆PWM控制電路的可逆性： 可逆性由正、負(fù)脈沖電壓的寬窄而定。當(dāng)正脈沖寬度τ>T/2時(shí)，電樞兩端的平均電壓為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)τ<T/2時(shí)，平均電壓為負(fù)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)τ=T/2時(shí)，平均電壓為零，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。T型控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但要求雙電源供電，且晶體管承受的反向電壓較高，為電源電壓的兩倍。因此，T型PWM控制電路只適用于小功率低電壓伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。小結(jié)PWM控制電路的定義和工作原理，要求能繪出鋸齒波脈寬調(diào)制波形圖V-W變換器的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及工作原理PWM功率轉(zhuǎn)換電路搞清楚可逆不可逆區(qū)別電路特點(diǎn)工作原理作業(yè)、思考：7-1,7-2簡(jiǎn)述典型PWM控制電路的基本結(jié)構(gòu)。典型的PWM控制電路主要有模擬式PWM控制電路和數(shù)字式PWM控制電路。模擬式PWM控制電路主要由脈沖頻率發(fā)生器和電壓比較器構(gòu)成，脈沖頻率發(fā)生器一般用鋸齒波發(fā)生器或三角波發(fā)生器。數(shù)字式PWM控制電路主要由計(jì)數(shù)器和數(shù)字比較器或由定時(shí)電路和觸發(fā)器構(gòu)成。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，則稱為正弦波脈寬調(diào)制，簡(jiǎn)稱SPWM。用于交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速。為了保證交流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，需要進(jìn)行變壓變頻。SPWM產(chǎn)生利用能量等效原理，將正弦波轉(zhuǎn)換成與它能量等效的脈寬調(diào)制波形劃分N等份（N是偶數(shù)），脈寬:2π/N。等效代替：用一個(gè)脈沖幅度都等于UΔm、脈寬與其對(duì)應(yīng)的正弦波所包含的面積相等或成比例的矩形電壓脈沖來分別代替相應(yīng)的正弦波部分。要改變正弦波的幅值，只要按同一比例系數(shù)，改變各脈沖的寬度就可以。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-ucucuPu