測(cè)控電路張國雄第8章

1、測(cè)量與控制電路2022-1-3 測(cè)控電路張國雄天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院精密測(cè)試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室電子郵件：n控制電路 - 控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的電路常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器件（1）電動(dòng)機(jī)；（2）油（氣）缸；（3）電磁機(jī)構(gòu)（電磁鐵、磁致伸縮）；（4）壓電驅(qū)動(dòng)；（5）熱驅(qū)動(dòng)；（6）其它（化學(xué)、生物、核等）。9. 連續(xù)信號(hào)控制電路9. 連續(xù)信號(hào)控制電路電機(jī)是最采用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器件電機(jī)是最采用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器件（1 1）可以驅(qū)動(dòng)各種執(zhí)行器件，用于各種場(chǎng)合；）可以驅(qū)動(dòng)各種執(zhí)行器件，用于各種場(chǎng)合；（2 2）行程大；）行程大；（3 3）變速范圍大；）變速范圍大；（4 4）輸出力矩大；）輸出力矩大；（

2、5 5）控制靈活方便。）控制靈活方便。n伺服電動(dòng)機(jī)的類型伺服電動(dòng)機(jī)的類型（1 1）直流電機(jī)）直流電機(jī) 需要電刷需要電刷（2 2）交流電機(jī)）交流電機(jī) 控制相對(duì)復(fù)雜，目前矢量控制理論和技術(shù)已較控制相對(duì)復(fù)雜，目前矢量控制理論和技術(shù)已較 成熟成熟（3 3）步進(jìn)電機(jī)）步進(jìn)電機(jī) 運(yùn)動(dòng)不連續(xù)、不平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)不連續(xù)、不平穩(wěn)9. 連續(xù)信號(hào)控制電路 測(cè)量與控制電路52022-1-39. 連續(xù)信號(hào)控制電路連續(xù)控制電路主要指：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、變頻控制電路等。n在數(shù)控技術(shù)高度發(fā)展的今天，為什么還要進(jìn)行連續(xù)信號(hào)在數(shù)控技術(shù)高度發(fā)展的今天，為什么還要進(jìn)行連續(xù)信號(hào)控

3、制？控制？ 許多驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)還需要連續(xù)信號(hào)控制，以獲得平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。許多驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)還需要連續(xù)信號(hào)控制，以獲得平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。9. 連續(xù)信號(hào)控制電路位置控制位置控制位置指令位置檢測(cè)n速度調(diào)節(jié)是控制中的一個(gè)重要問題速度調(diào)節(jié)是控制中的一個(gè)重要問題n本章首先研究直流電機(jī)的速度調(diào)節(jié)與控制本章首先研究直流電機(jī)的速度調(diào)節(jié)與控制n然后研究交流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)、速度調(diào)節(jié)與控制然后研究交流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)、速度調(diào)節(jié)與控制9. 連續(xù)信號(hào)控制電路9. 連續(xù)信號(hào)控制電路脈寬調(diào)制控制電路導(dǎo)電角控制逆變器變頻控制電路n脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation)控制電路，控制電路，通常稱為通常稱為PWM控制電路，是利用半導(dǎo)體功率控

4、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，晶體管或晶閘管等開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，把直流電壓變成一系列幅值相等的電壓脈沖，把直流電壓變成一系列幅值相等的電壓脈沖，通過控制電壓脈沖的寬度以達(dá)到變壓目的，通過控制電壓脈沖的寬度以達(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)或者控制電壓脈沖寬度和脈沖列的周期以達(dá)到變壓變頻目的的一種變換電路。到變壓變頻目的的一種變換電路。 9.2 脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制(PWM)控制電路控制電路 n為什么采用脈寬調(diào)制為什么采用脈寬調(diào)制, ,而不用電壓調(diào)速而不用電壓調(diào)速? ?(1) 脈寬調(diào)制可以用于直流和交流電機(jī)調(diào)速脈寬調(diào)制可以用于直流和交流電機(jī)調(diào)速

5、, ,還可以與調(diào)還可以與調(diào) 頻相結(jié)合，通用性強(qiáng)頻相結(jié)合，通用性強(qiáng); ;(2) 在電機(jī)驅(qū)動(dòng)中在電機(jī)驅(qū)動(dòng)中功率放大器工作在非線性狀態(tài)，脈功率放大器工作在非線性狀態(tài)，脈 寬調(diào)制讓功率放大器工作在開關(guān)狀態(tài)，可以減小有寬調(diào)制讓功率放大器工作在開關(guān)狀態(tài)，可以減小有 功功率消耗，獲得較高的效率與較好的線性功功率消耗，獲得較高的效率與較好的線性; ;(3) 讓電機(jī)始終處在有電狀態(tài)讓電機(jī)始終處在有電狀態(tài), ,對(duì)于電機(jī)動(dòng)態(tài)特性有利。對(duì)于電機(jī)動(dòng)態(tài)特性有利。9.2 脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制(PWM)控制電路控制電路 脈寬調(diào)制控制電路包括電壓脈寬調(diào)制控制電路包括電壓- -脈寬變換器和開關(guān)式功率脈寬變換器和開關(guān)式功率放大器兩部分

6、。運(yùn)算放大器放大器兩部分。運(yùn)算放大器N工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)，工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)把連續(xù)電壓信號(hào)變成脈實(shí)現(xiàn)把連續(xù)電壓信號(hào)變成脈沖電壓信號(hào)。二極管沖電壓信號(hào)。二極管VD在在V關(guān)斷時(shí)為感性負(fù)載關(guān)斷時(shí)為感性負(fù)載RL提供提供釋放電感儲(chǔ)能、形成續(xù)流回釋放電感儲(chǔ)能、形成續(xù)流回路。路。9.2 脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制(PWM)控制電路控制電路 9.2.1 脈寬調(diào)制控制電路的工作原理脈寬調(diào)制控制電路的工作原理 電壓-脈寬功率放大+ + +N- -R2R3RPR1RLuPu0ucubECuLV N的反相端輸入三個(gè)信號(hào)：鋸齒波或三角波調(diào)制信號(hào)up,控制電壓uc，負(fù)偏置電壓u0，其作用是在uc=0時(shí)通過RP的調(diào)節(jié)使

7、比較器的輸出電壓ub為寬度相等的正負(fù)方波。 9.2 脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制(PWM)控制電路控制電路 9.2.1 脈寬調(diào)制控制電路的工作原理脈寬調(diào)制控制電路的工作原理 電壓-脈寬功率放大+ + +N- -R2R3RPR1RLuPu0ucubECuLV uc0: 鋸齒波過零提前，正半波比負(fù)半波窄 uc0tOuPubuP+uc+u0c)uc0 c)uc1314PWM輸出輸出D7D0D0A0A0A1A1PA6PA5PA4PA3PA2PA1PA0PC7ABEcEcEc計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器比較器比較器數(shù)據(jù)輸入接口數(shù)據(jù)輸入接口AB輸出高電平輸出高電平脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制頻率變換頻率變換（三）數(shù)字式脈寬調(diào)制器 n功用功用（1

8、）電機(jī)驅(qū)動(dòng)；）電機(jī)驅(qū)動(dòng)；（2）調(diào)速）調(diào)速9.2.3 PWM功率轉(zhuǎn)換電路功率轉(zhuǎn)換電路 9.2 脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制(PWM)控制電路控制電路 9.2 脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制(PWM)控制電路控制電路 9.2.3 PWM功率轉(zhuǎn)換電路功率轉(zhuǎn)換電路 幾個(gè)概念：幾個(gè)概念：可逆和不可逆可逆和不可逆：可逆就是電機(jī)即可正轉(zhuǎn)也可反轉(zhuǎn)；不可逆就是電機(jī)即可正轉(zhuǎn)也可反轉(zhuǎn)；不可逆就是電機(jī)只能一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)?？赡婢褪请姍C(jī)只能一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。反電動(dòng)勢(shì)反電動(dòng)勢(shì)：是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的，與轉(zhuǎn)速有關(guān)。是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的，與轉(zhuǎn)速有關(guān)。自感電動(dòng)勢(shì)自感電動(dòng)勢(shì)：流過電樞電流變化產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)。流過電樞電流變化產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)。電動(dòng)電動(dòng)：電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向與流過電樞的

9、電流方向相同。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向與流過電樞的電流方向相同。制動(dòng)制動(dòng)：電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向與流過電樞的電流方向相反。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向與流過電樞的電流方向相反?；仞佒苿?dòng)：回饋制動(dòng)：流過電樞的電流與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反且流流過電樞的電流與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反且流入電源，即將能量回饋給電源。入電源，即將能量回饋給電源。 n工作原理工作原理9.2.3 PWM功率轉(zhuǎn)換電路功率轉(zhuǎn)換電路 （一）簡(jiǎn)單的不可逆（一）簡(jiǎn)單的不可逆PWM控制電路控制電路 E加到電動(dòng)機(jī)電樞兩端加到電動(dòng)機(jī)電樞兩端 b） 電流和電壓波形電流和電壓波形a） 電路原理圖電路原理圖tOTVD1M- -ubVD2V+ +iaED+ +ECiaua,EuaUaEDia靠靠V

10、D1續(xù)流續(xù)流9.2.3 PWM功率轉(zhuǎn)換電路功率轉(zhuǎn)換電路 （一）簡(jiǎn)單的不可逆（一）簡(jiǎn)單的不可逆PWM控制電路控制電路 EETUaDaaddEtiLRiEDaadd0EtiLRitT 0t 占空比；占空比；Ua 平均電壓；平均電壓； ED 轉(zhuǎn)動(dòng)反電勢(shì)轉(zhuǎn)動(dòng)反電勢(shì)在重載（負(fù)載力矩大、在重載（負(fù)載力矩大、 ia大）情況下，僅是大）情況下，僅是ia減小，減小，感應(yīng)電勢(shì)感應(yīng)電勢(shì) 維持維持ia0addiLtn在輕載情況下可能斷流在輕載情況下可能斷流n不能反轉(zhuǎn)、不能制動(dòng)（電流不能反向通不能反轉(zhuǎn)、不能制動(dòng)（電流不能反向通過電樞）過電樞）9.2.3 PWM功率轉(zhuǎn)換電路功率轉(zhuǎn)換電路 （一）簡(jiǎn)單的不可逆（一）簡(jiǎn)單的不可

11、逆PWM控制電路控制電路 9.2.3 PWM功率轉(zhuǎn)換電路功率轉(zhuǎn)換電路 （二）（二） H型型雙極式可逆雙極式可逆PWM控制電路控制電路 b) 電壓電流波形電壓電流波形a) 電路原理圖電路原理圖ub1,ub4411-E2211tttttOOOOOub2,ub3TEiauABia3（重載）（重載）（輕載）（輕載）4ub2ub44M2V1V3V4V2VD3VD2VD1VD4ub1ub3EiaAB13 0t期間，期間，V1、V4飽和導(dǎo)通，飽和導(dǎo)通，V2、V3截止，截止，E加在電樞加在電樞AB兩端，兩端，UAB=+E； tT時(shí)，時(shí)，ub1、ub4變正，但由于電樞反電動(dòng)勢(shì)的作變正，但由于電樞反電動(dòng)勢(shì)的作用，用，V1、V4不能立即導(dǎo)通，不能立即導(dǎo)通，ia沿回路經(jīng)沿回路經(jīng)VD4、VD1續(xù)流。反向電流續(xù)流。反向電流ia降至零后，降至零后，VD4、VD1切斷，切斷，V1、V4導(dǎo)通。電流導(dǎo)通。電流ia流經(jīng)流經(jīng)1、2、3、4四支回路。四支回路。9.2.3 PWM功率轉(zhuǎn)換電路功率轉(zhuǎn)換電路 （二）（二） H型型雙極式可逆雙極式可逆PWM控制電路控制電路 tEiRtiLED0ddaaaaTtEiRtiLEDaaaaddn雙極式可逆雙極式可逆PWM控制電路的可逆性由正、控制電路的可逆性由正、負(fù)脈沖電壓的寬窄而定。當(dāng)正脈沖寬度負(fù)脈沖電壓的寬窄而定。當(dāng)正脈沖寬度T/2時(shí)，電