《測控電路》第九章 連續(xù)信號(hào)控制電路

1、第九章第九章 連續(xù)信號(hào)控制電路連續(xù)信號(hào)控制電路 連續(xù)信號(hào)控制電路n將交流信號(hào)連續(xù)變換成直流信號(hào)，或者將直流信號(hào)連續(xù)變換成交流信號(hào)來達(dá)到控制的目的，實(shí)現(xiàn)這種控制的電路稱為連續(xù)信號(hào)控制電路。n在實(shí)際應(yīng)用中，連續(xù)信號(hào)控制電路主要是指直流電動(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、變頻控制電路和電源程控電路等。 第一節(jié)第一節(jié) 導(dǎo)電角控制逆變器導(dǎo)電角控制逆變器第二節(jié)第二節(jié) 脈寬調(diào)制（脈寬調(diào)制（PWM）控制電路控制電路 n 一、一、120導(dǎo)電角控制逆變器導(dǎo)電角控制逆變器n 二、二、180導(dǎo)電角控制逆變器導(dǎo)電角控制逆變器 第一節(jié)第一節(jié) 導(dǎo)電角控制逆變器導(dǎo)電角控制逆變器 逆變

2、是整流的逆變換，就是把直流電變成交流電，常用于交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)和不間斷電流裝置中。在交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)中，需要用導(dǎo)電角控制電路來控制逆變器晶閘管或功率晶體管的開關(guān)順序和導(dǎo)通時(shí)間。 晶閘管或功率晶體管在一個(gè)變化周期中導(dǎo)通時(shí)間對(duì)應(yīng)的相位角稱為導(dǎo)通角或?qū)щ娊牵?一、一、120導(dǎo)電角控制導(dǎo)電角控制逆變器逆變器 MVD3 AB CEAC1AVD1VD5V5V3V1V4VD4V6VD6V2VD2圖9-1 晶體管三相橋式逆變器 V1V6為大功率晶體管 VD1VD6為續(xù)流二極管 b)a)斷通斷通斷V1斷通120斷斷通通斷通通通斷斷斷通斷斷斷通通tttttttttOOOOOOOOV4V3V6V5V2240

3、480360600OUCUBUA-E/2E/2E/2E/2-E/2-E/2c)tttE/2OOOUA-BUC-AUB-CEEE-E-E/2-E-E/2E/2-E-E/2E/2圖9-2 120導(dǎo)通型逆變器輸出電壓波形a) 晶體管開關(guān)V1V6的通斷狀態(tài) b) 輸出相電壓 c) 輸出線電壓 圖9-3 120導(dǎo)電角控制電路原理圖Ub5Ub4Ub1Ub3Ub2Ub6DDQSD1DQQDSD2SD3DQD4SQDQRD5RD6光電耦合驅(qū)動(dòng)電路 STARTLDUb11111100011110001111111001110011100111二、二、180導(dǎo)電角控制逆變器導(dǎo)電角控制逆變器圖9-4 晶閘管三相橋式

4、逆變器 V10V4V7V1VD1V12V6VD6V8V2VD2MV3V9VD3V11V5VD5EIAICCALAALBCBBLCCCC1VD4Cn180導(dǎo)通型逆變器正常工作的必要條件是可靠地?fù)Q流。即每一相上、下橋臂主晶閘管交換導(dǎo)通時(shí)，必須經(jīng)過短暫的全關(guān)斷狀態(tài)，以避免上、下兩個(gè)主晶閘管同時(shí)導(dǎo)通的情況。根據(jù)180導(dǎo)通型開關(guān)狀態(tài)的工作順序，讓微處理機(jī)通過一個(gè)并口周期輸出開關(guān)狀態(tài)值，驅(qū)動(dòng)晶閘管導(dǎo)通或關(guān)斷，即可讓逆變器工作。 n由于逆變器的輸入是直流，一般晶閘管不能通過控制門極電壓將它關(guān)斷換流，因此必須采用強(qiáng)迫換流的方法。 圖9-5 180導(dǎo)通型逆變器輸出電壓波形a)b)斷21345通斷斷通通斷5斷通通

5、7810911通斷斷1122 34tttttttttOOOOOOOOOV1V4V6V3V2V56UAUBUC-E/3E/3-E/3-E/3E/3E/32E/32E/32E/3-2E/3-2E/3斷通通斷通通-2E/3tOUA-BE-Ec)ttOOUC-AUB-CE-E-EE圖9-7 換流過程波形圖 iVD1,Im相負(fù)載電流AiciV1iV1IAiVD4tttt3t3t3t4t4t2t2t1t1t0t0iVD1icIAIm-IAIAOOO第二節(jié)第二節(jié) 脈寬調(diào)制（脈寬調(diào)制（PWM）控制電路控制電路n一、脈寬調(diào)制控制電路的工作原理一、脈寬調(diào)制控制電路的工作原理 n二、典型脈寬調(diào)制電路二、典型脈寬調(diào)制

6、電路n三、三、PWM功率轉(zhuǎn)換功率轉(zhuǎn)換電路電路n四、同步式與異步式脈寬調(diào)制控制電路四、同步式與異步式脈寬調(diào)制控制電路一、脈寬調(diào)制控制電路的工作原理一、脈寬調(diào)制控制電路的工作原理+N-R2R3RPR1RLUPu0ukUbECULVVD圖9-8 PWM控制電路原理圖9-9 鋸齒波脈寬調(diào)制波形圖 a)b)c)ttttttttOOOOOtOOOOTTTuPuPuPubububuP+uk+u0uP+uk+u0uP+uk+u0kmk121uuT式中 ukm控制信號(hào)uk的最大值。 圖9-10 PWM控制負(fù)載的波形圖tt2T2TTTT+T+OOuLuLULULEE二、典型脈寬調(diào)制電路二、典型脈寬調(diào)制電路n脈寬（

7、脈沖寬度）調(diào)制器是一個(gè)自動(dòng)的電壓脈寬（脈沖寬度）調(diào)制器是一個(gè)自動(dòng)的電壓-脈寬變換器脈寬變換器(亦稱亦稱V/W電路電路)。對(duì)它的基本要求。對(duì)它的基本要求是死區(qū)要小，調(diào)寬脈沖的前后沿的斜率要大，是死區(qū)要小，調(diào)寬脈沖的前后沿的斜率要大，也就是比較器的靈敏度要足夠高。也就是比較器的靈敏度要足夠高。n在設(shè)計(jì)脈寬調(diào)制器的實(shí)際電路時(shí)，應(yīng)使其簡單、在設(shè)計(jì)脈寬調(diào)制器的實(shí)際電路時(shí)，應(yīng)使其簡單、可靠，且不受外界干擾。比較器的靈敏度與系可靠，且不受外界干擾。比較器的靈敏度與系統(tǒng)的控制模式、實(shí)際控制系統(tǒng)的具體要求等有統(tǒng)的控制模式、實(shí)際控制系統(tǒng)的具體要求等有關(guān)，應(yīng)綜合考慮，否則在整個(gè)系統(tǒng)的線路處理關(guān)，應(yīng)綜合考慮，否則在整

8、個(gè)系統(tǒng)的線路處理上會(huì)帶來一定困難。同時(shí)還需考慮與功率轉(zhuǎn)換上會(huì)帶來一定困難。同時(shí)還需考慮與功率轉(zhuǎn)換電路的耦合問題。電路的耦合問題。典型電路典型電路n (一一) 鋸齒波脈寬調(diào)制器鋸齒波脈寬調(diào)制器 n (二二)三角波脈寬調(diào)制器三角波脈寬調(diào)制器 n (三三)數(shù)字式脈寬調(diào)制器數(shù)字式脈寬調(diào)制器 (一一) 鋸齒波脈寬調(diào)制器鋸齒波脈寬調(diào)制器51V26TRTHNE5554R7ct8V+N-+R1EcR2R3R4R5RPR7R6R8R9C1C2C3u0ukub圖9-11 鋸齒波脈沖寬度調(diào)制器(二二) 三角波脈寬調(diào)制器三角波脈寬調(diào)制器+-N1+N2-+R3R1R2CRPR5R6R7R9R8R10R13R11R14R

9、12R15R16R17R18VS1VS2VD1VD2baV1V2V3V4V5uk+Ecuo1-Ecuo2uPR4圖9-12 三角波脈寬調(diào)制器電路 +1.2V-1.2VtttttttttOOOOOOOOOuo1uo1uo1uo2uo2uo2uk-uPuk-uPuk-uPukuk圖9-13 單極性脈寬調(diào)制器輸出波形 a) uk=0 b) uk0 c) uk1314PWM輸出D7D0D0A0A0A1A1PA6PA5PA4PA3PA2PA1PA0PC7A BUcUcUc三、三、PWM功率轉(zhuǎn)換功率轉(zhuǎn)換電路電路n根據(jù)調(diào)制脈沖的極性可分為單極式和雙根據(jù)調(diào)制脈沖的極性可分為單極式和雙極式調(diào)制兩種；極式調(diào)制兩種

10、；n根據(jù)載波信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)的頻率之間的根據(jù)載波信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)的頻率之間的關(guān)系，又可分為同步式和異步式兩種。關(guān)系，又可分為同步式和異步式兩種。 n (一一) 簡單的不可逆簡單的不可逆PWM控制電路控制電路n (二二) 制動(dòng)不可逆制動(dòng)不可逆PWM控制電路控制電路 n (三三) H型雙極式可逆型雙極式可逆PWM控制電路控制電路n (四四) T型雙極式可逆型雙極式可逆PWM控制電路控制電路 (一一) 簡單的不可逆簡單的不可逆PWM控制電路控制電路 VD1M-ubVD2V+iaED+ECiaua,EuaUaEDia圖9-15 簡單不可逆PWM控制電路及其波形 a） 電路原理圖 b） 電流和電壓波形 n在

11、這種簡單的在這種簡單的PWM控制電路中，電動(dòng)機(jī)控制電路中，電動(dòng)機(jī)的電樞電流是不能反向流動(dòng)的，即無制的電樞電流是不能反向流動(dòng)的，即無制動(dòng)工作狀態(tài)，一般僅適用于快速性要求動(dòng)工作狀態(tài)，一般僅適用于快速性要求不高的場合。而且，這種電路在輕載不高的場合。而且，這種電路在輕載(或或空載空載)情況下還可能出現(xiàn)電樞電流斷續(xù)的情況下還可能出現(xiàn)電樞電流斷續(xù)的現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 (二二) 制動(dòng)不可逆制動(dòng)不可逆PWM控制電路控制電路+-Ea)BMV1V2VD1VD2ACEDub1ub21234b)ub1=-ub2ub1ub2TtOV1V1VD2tTEEDUaiaia,u112Oiaa)電路原理圖b) 電動(dòng)狀態(tài)電壓和電流波形

12、c)tTOtTub2ub1ub1=-ub2VD1VD1V2V2OEEDUaia3344ia,ud)tOia34121Tt1t24圖9-16 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(三三) H型雙極式可逆型雙極式可逆PWM控制電路控制電路n H型控制電路在控制方式上分雙極式、型控制電路在控制方式上分雙極式、單極式和受限單極式三種。單極式和受限單極式三種。ub1,ub4411-E2211tttttOOOOOub2,ub3TEiauABia3ub2ub44M2V1V3V4V2VD3VD2VD1VD4ub1ub3EiaAB13（重載）（輕載）4圖9

13、-17 H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 (四四) T型雙極式可逆型雙極式可逆PWM控控制電路制電路圖9-18 T型雙極式PWM控制電路VD2+EM3241V2V1VD1ABub1ub2-E四、同步式與異步式脈寬調(diào)制控制電路四、同步式與異步式脈寬調(diào)制控制電路n定義：調(diào)制控制中，若載波信號(hào)為等腰定義：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，簡稱正弦波脈寬調(diào)制，簡稱SPWM。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

14、路比較器V2V3V4ECABuPuc-ucE-ucucuPuOO-Ettn單極性單極性: 指載波信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)始終保持指載波信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)始終保持同極性的關(guān)系，即正弦波處于正半周時(shí)，同極性的關(guān)系，即正弦波處于正半周時(shí)，載波信號(hào)在正值范圍內(nèi)變化，產(chǎn)生正的載波信號(hào)在正值范圍內(nèi)變化，產(chǎn)生正的調(diào)制脈沖列。而正弦波處于負(fù)半周時(shí)，調(diào)制脈沖列。而正弦波處于負(fù)半周時(shí)，產(chǎn)生負(fù)的調(diào)制脈沖列。產(chǎn)生負(fù)的調(diào)制脈沖列。 n采用正弦波調(diào)制后的輸出電壓脈沖采用正弦波調(diào)制后的輸出電壓脈沖UAB具具有以下特點(diǎn)：在半個(gè)周期內(nèi)，兩邊的脈有以下特點(diǎn)：在半個(gè)周期內(nèi)，兩邊的脈沖寬度小，中間的脈沖寬度大，各脈沖沖寬度小，中間的脈沖寬度大，各

15、脈沖的寬度基本上按正弦分布。它比單極性的寬度基本上按正弦分布。它比單極性直流脈寬調(diào)制的輸出電壓波形更接近于直流脈寬調(diào)制的輸出電壓波形更接近于正弦。正弦。 n定義載波頻率定義載波頻率fp與調(diào)制波頻率與調(diào)制波頻率fk之比為載之比為載波比波比N，即即N=fp/fk。用三角波用三角波up幅值幅值Upm與正弦波與正弦波uk幅值幅值Ukm之比之比m=Upm/Ukm表示表示調(diào)節(jié)脈沖寬度的能力，調(diào)節(jié)脈沖寬度的能力，m愈大，愈大，uk幅值就幅值就愈小，則等高不等寬脈沖寬度變窄，輸愈小，則等高不等寬脈沖寬度變窄，輸出電壓減小。根據(jù)載波比的變化與否可出電壓減小。根據(jù)載波比的變化與否可分為同步式調(diào)制控制與異步式調(diào)制控

16、制。分為同步式調(diào)制控制與異步式調(diào)制控制。 （一）同步式調(diào)制控制（一）同步式調(diào)制控制n在同步式調(diào)制控制方式中，在同步式調(diào)制控制方式中，N為常數(shù)，即變頻為常數(shù)，即變頻時(shí)控制電路的三角載波頻率與正弦調(diào)制波的頻時(shí)控制電路的三角載波頻率與正弦調(diào)制波的頻率要同步變化，從而保持脈寬調(diào)制信號(hào)波形數(shù)率要同步變化，從而保持脈寬調(diào)制信號(hào)波形數(shù)和相位不變。如果取和相位不變。如果取N等于等于3的倍數(shù)，則同步的倍數(shù)，則同步調(diào)制控制能保證逆變器輸出波形的正、負(fù)半波調(diào)制控制能保證逆變器輸出波形的正、負(fù)半波始終保持對(duì)稱，對(duì)于三相逆變器能嚴(yán)格保證三始終保持對(duì)稱，對(duì)于三相逆變器能嚴(yán)格保證三相輸出波形間具有互差相輸出波形間具有互差1

17、20的對(duì)稱關(guān)系。的對(duì)稱關(guān)系。n但是，當(dāng)輸出頻率很低時(shí)，由于相鄰兩脈沖間但是，當(dāng)輸出頻率很低時(shí)，由于相鄰兩脈沖間的間距增大，諧波會(huì)顯著增加，使負(fù)載電動(dòng)機(jī)的間距增大，諧波會(huì)顯著增加，使負(fù)載電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生較大的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較強(qiáng)的噪聲，這是同步產(chǎn)生較大的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較強(qiáng)的噪聲，這是同步式調(diào)制控制方式的主要缺點(diǎn)。式調(diào)制控制方式的主要缺點(diǎn)。（二）異步式調(diào)制控制（二）異步式調(diào)制控制n 當(dāng)三角載波信號(hào)頻率一定時(shí)，若只改變當(dāng)三角載波信號(hào)頻率一定時(shí)，若只改變正弦波基準(zhǔn)信號(hào)的頻率，即讓載波比正弦波基準(zhǔn)信號(hào)的頻率，即讓載波比N不不為常數(shù)，同樣可以改變輸出電壓的頻率，為常數(shù)，同樣可以改變輸出電壓的頻率，這樣正、負(fù)半周的脈沖數(shù)和

18、相位在不同這樣正、負(fù)半周的脈沖數(shù)和相位在不同的輸出頻率下，就不完全對(duì)稱，把這種的輸出頻率下，就不完全對(duì)稱，把這種控制方式稱為異步式脈寬調(diào)制控制方式?？刂品绞椒Q為異步式脈寬調(diào)制控制方式。 n由于正、負(fù)半周輸出脈沖不對(duì)稱，會(huì)出現(xiàn)偶次由于正、負(fù)半周輸出脈沖不對(duì)稱，會(huì)出現(xiàn)偶次的高次諧波，但是在低頻輸出時(shí)，每周內(nèi)所包的高次諧波，但是在低頻輸出時(shí)，每周內(nèi)所包含的脈沖數(shù)增多，相應(yīng)地可減少負(fù)載電動(dòng)機(jī)的含的脈沖數(shù)增多，相應(yīng)地可減少負(fù)載電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，改善了低頻工作的特性。在改善低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，改善了低頻工作的特性。在改善低頻工作的同時(shí)，異步式調(diào)制不會(huì)失去同步式調(diào)頻工作的同時(shí)，異步式調(diào)制不會(huì)失去同步式調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)，即

19、在半個(gè)周期內(nèi)，各脈沖的寬度基制的優(yōu)點(diǎn)，即在半個(gè)周期內(nèi)，各脈沖的寬度基本上按正弦分布。但當(dāng)載波比隨著輸出頻率的本上按正弦分布。但當(dāng)載波比隨著輸出頻率的降低而連續(xù)變化時(shí)，使逆變器輸出電壓的波形降低而連續(xù)變化時(shí)，使逆變器輸出電壓的波形及其相位都發(fā)生變化，很難保持三相輸出間的及其相位都發(fā)生變化，很難保持三相輸出間的對(duì)稱關(guān)系，因而引起電動(dòng)機(jī)工作的不平穩(wěn)。對(duì)稱關(guān)系，因而引起電動(dòng)機(jī)工作的不平穩(wěn)。 將變壓與變頻分開完成，即在把交流電整流為直流電的同時(shí)改變直流電壓的幅值，而后將直流電壓逆變?yōu)榻涣麟姇r(shí)改變交流電頻率的變壓變頻控制方式稱為PAM調(diào)速。將變壓與變頻集中于逆變器一起完成，即交流電整流為直流電時(shí)電壓恒定，

20、然后由逆變器既完成變頻又完成變壓的控制方式稱為PWM調(diào)速。 PAM調(diào)速要采用可控整流器，并對(duì)可控整流器進(jìn)行導(dǎo)通角控制，而PWM調(diào)速則采用不控整流器，工作時(shí)無需對(duì)整流器進(jìn)行控制。9-1 何謂何謂PAM調(diào)速？何謂調(diào)速？何謂PWM調(diào)速？這兩種調(diào)調(diào)速？這兩種調(diào)速方式有什么不同？速方式有什么不同？9-2 在在120導(dǎo)電角控制電路中導(dǎo)電角控制電路中(見圖見圖9-3)環(huán)形移位寄存器環(huán)形移位寄存器的狀態(tài)只能有六個(gè)，為什么？當(dāng)因某種干擾出現(xiàn)其它狀的狀態(tài)只能有六個(gè)，為什么？當(dāng)因某種干擾出現(xiàn)其它狀態(tài)，如態(tài)，如001110時(shí)，逆變器工作會(huì)出現(xiàn)什么情況？如何防時(shí)，逆變器工作會(huì)出現(xiàn)什么情況？如何防止這種情況的發(fā)生？止這種情況的發(fā)生？ 由于120導(dǎo)通型逆變器正常工作的條件是每相上橋臂晶體管與下橋臂晶體管各導(dǎo)通 120，上、