2020連續(xù)信號控制電路ppt課件

1、n控制電路 - 控制執(zhí)行機構(gòu)運動的電路n常用的執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動器件n（1電動機；n（2油氣缸；n（3電磁機構(gòu)電磁鐵、磁致伸縮）；n（4壓電驅(qū)動；n（5熱驅(qū)動；n（6其它化學、生物、核等）。9. 連續(xù)信號控制電路9. 連續(xù)信號控制電路電機是最采用的執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動器件電機是最采用的執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動器件（1 1可以驅(qū)動各種執(zhí)行器件，用于各種場合；可以驅(qū)動各種執(zhí)行器件，用于各種場合；（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；（5 5控制靈活方便?？刂旗`活方便。n伺服電動機的類型伺服電動機的類型n（1 1直流電機直流電機n 需要電刷需要電刷n（2 2交流電機交流電機n

2、 控制相對復雜，目前矢量控制理論和技術已控制相對復雜，目前矢量控制理論和技術已較較n 成熟成熟n（3 3步進電機步進電機n 運動不連續(xù)、不平穩(wěn)運動不連續(xù)、不平穩(wěn)9. 連續(xù)信號控制電路測量與控制電路9. 連續(xù)信號控制電路連續(xù)控制電路主要指：直流電動機調(diào)速、交流電動機調(diào)速和功率電源控制中的導電角控制電路、脈寬調(diào)制控制電路、變頻控制電路等。n在數(shù)控技術高度發(fā)展的今天，為什么還要進行連續(xù)信號在數(shù)控技術高度發(fā)展的今天，為什么還要進行連續(xù)信號控制？控制？n 許多驅(qū)動機構(gòu)還需要連續(xù)信號控制，以獲得平穩(wěn)運動。許多驅(qū)動機構(gòu)還需要連續(xù)信號控制，以獲得平穩(wěn)運動。9. 連續(xù)信號控制電路位置控制位置控制位置指令位置檢測

3、n速度調(diào)節(jié)是控制中的一個重要問題速度調(diào)節(jié)是控制中的一個重要問題n本章首先研究直流電機的速度調(diào)節(jié)與控制本章首先研究直流電機的速度調(diào)節(jié)與控制n然后研究交流電機的驅(qū)動、速度調(diào)節(jié)與控制然后研究交流電機的驅(qū)動、速度調(diào)節(jié)與控制9. 連續(xù)信號控制電路9. 連續(xù)信號控制電路脈寬調(diào)制控制電路導電角控制逆變器變頻控制電路9.1 導電角控制逆變器n逆變器的基本概念n n在實際中使用更多的是交流電機在實際中使用更多的是交流電機n逆變器是一種將直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娔艿脑O備。逆變器是一種將直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娔艿脑O備。n 為什么要逆變？為什么要逆變？n 為了控制的需要，例如變頻、脈沖調(diào)寬。為了控制的需要，例如變頻、脈沖調(diào)

4、寬。n 這里需要大功率交流驅(qū)動。這里需要大功率交流驅(qū)動。9.1 導電角控制逆變器n逆變器的基本概念n 逆變器的工作原理逆變器的工作原理UCD0tK1 K2 K3 K4K1 K2 K3 K4ZCDCDUdUdZn在逆變器中，要正常工作必須保持晶閘管之間的可靠換流。也就是說，晶閘管的通斷，由外加觸發(fā)電壓控制。只要陽極A與陰極K之間的電流不小于其維持電流IH觸發(fā)電壓撤消后，仍保持導通9.1 導電角控制逆變器單向晶閘管單向晶閘管雙向晶閘管雙向晶閘管 陽極陽極 A 門極門極 G 陰極陰極 K 電極電極 MT2 門極門極 G 電極電極 MT1 MVD3 A BCEC1VD1 VD5 V5V3 V1 V4V

5、D4 V6VD6 V2 VD2 120導電角控制逆變器導電角控制逆變器9.1 導電角控制逆變器接通順序：每隔接通順序：每隔60，接通，接通 123456每管導通每管導通120，同相的兩個管子不能同時導通，同相的兩個管子不能同時導通9.1 導電角控制逆變器120導電角控制逆變器導電角控制逆變器斷通斷通斷V1斷通120斷斷通通斷通通通斷斷斷通斷斷斷通通tttttOOOOOV4V3V6V5V2240480360600OtttttttE/2OOOOOOUCUBUAU A -BU C -AU B -CEEE-E-E/2-E-E/2E/2-E-E/2E/2-E/2E/2E/2E/2-E/2-E/2Ub5U

6、b4Ub1Ub2Ub6DDQSD1DQQDSD2SD3DQD4SQDQRD5RD6光電耦合驅(qū)動電路光電耦合驅(qū)動電路STARTLDUb1 11 1Ub39.1 導電角控制逆變器 120導電角控制逆變器導電角控制逆變器111100011110001111111001110011100111n脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation)(Pulse Width Modulation)控制電路，控制電路，通常稱為通常稱為PWMPWM控制電路，是利用半導體功率控制電路，是利用半導體功率晶體管或晶閘管等開關器件的導通和關斷，晶體管或晶閘管等開關器件的導通和關斷，把直流電壓變成一系列幅值

7、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到變壓目的，通過控制電壓脈沖的寬度以達到變壓目的，或者控制電壓脈沖寬度和脈沖列的周期以達或者控制電壓脈沖寬度和脈沖列的周期以達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? ?n(1) (1) 脈寬調(diào)制可以用于直流和交流電機調(diào)速脈寬調(diào)制可以用于直流和交流電機調(diào)速, ,還可以與還可以與調(diào)調(diào)n 頻相結(jié)合，通用性強頻相結(jié)合，通用性強; ;n(2) (2) 在電機驅(qū)動中功率放大器工

8、作在非線性狀態(tài)，脈在電機驅(qū)動中功率放大器工作在非線性狀態(tài)，脈n 寬調(diào)制讓功率放大器工作在開關狀態(tài)，可以減小寬調(diào)制讓功率放大器工作在開關狀態(tài)，可以減小有有n 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; ;n(3) (3) 讓電機始終處在有電狀態(tài)讓電機始終處在有電狀態(tài), ,對于電機動態(tài)特性有利。對于電機動態(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- -脈寬變換器和開關式功率脈寬變換器和開關式功率放大器兩部分。運算放大器放大器兩部分。運算放大器NN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)，

9、實現(xiàn)把連續(xù)電壓信號變成脈實現(xiàn)把連續(xù)電壓信號變成脈沖電壓信號。二極管沖電壓信號。二極管VDVD在在V V關斷時為感性負載關斷時為感性負載RLRL提供提供釋放電感儲能、形成續(xù)流回釋放電感儲能、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的反相端輸入三個信號：鋸齒波或三角波調(diào)制信號up,控制電壓uc，負偏置電壓u0，其作用是在uc=0時通過RP的調(diào)節(jié)使比較器的輸出電壓ub為寬度相等的正負方波。 9.2 脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制(PW

10、M)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，正半波比負半波窄 uc0tOuPubuP+uc+u0c)uc0 c)uc1314PWM輸出輸出D7D0D0A0A0A1A1PA6PA5PA4PA3PA2PA1PA0PC7ABEcEcEc計數(shù)器計數(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n（1電機驅(qū)動；電機驅(qū)動；n（2調(diào)速調(diào)速9.2.3 PWM功率轉(zhuǎn)換電路功率轉(zhuǎn)換電

11、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 幾個概念：幾個概念：可逆和不可逆：可逆就是電機既可正轉(zhuǎn)也可反轉(zhuǎn)；不可逆和不可逆：可逆就是電機既可正轉(zhuǎn)也可反轉(zhuǎn)；不可逆就是電機只能一個方向轉(zhuǎn)動?？赡婢褪请姍C只能一個方向轉(zhuǎn)動。反電動勢：是電機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的，與轉(zhuǎn)速有關。反電動勢：是電機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的，與轉(zhuǎn)速有關。自感電動勢：流過電樞電流變化產(chǎn)生的感應電勢。自感電動勢：流過電樞電流變化產(chǎn)生的感應電勢。電動：電機轉(zhuǎn)動方向與流過電樞的電流方向相同。電動：電機轉(zhuǎn)動方向與流過電樞的電流方向相同。制動：電機轉(zhuǎn)動方向與

12、流過電樞的電流方向相反。制動：電機轉(zhuǎn)動方向與流過電樞的電流方向相反?；仞佒苿樱毫鬟^電樞的電流與電機轉(zhuǎn)動方向相反且流回饋制動：流過電樞的電流與電機轉(zhuǎn)動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 （一簡單的不可逆（一簡單的不可逆PWMPWM控制電路控制電路 E加到電動機電樞兩端加到電動機電樞兩端 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VD1續(xù)流續(xù)流9.2.3 PWM功率轉(zhuǎn)換電路功率轉(zhuǎn)換電路 （一簡單的不

13、可逆（一簡單的不可逆PWMPWM控制電路控制電路 EETUaDaaddEtiLRiEDaadd0EtiLRitT 0t 占空比；占空比；Ua Ua 平均電壓；平均電壓； ED ED 轉(zhuǎn)動反電勢轉(zhuǎn)動反電勢在重載負載力矩大、在重載負載力矩大、 ia ia大情況下，僅是大情況下，僅是iaia減減小，感應電勢小，感應電勢 維持維持ia0ia0addiLtn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)、不能制動電流不能反向通不能反轉(zhuǎn)、不能制動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 （一簡單的不可逆（一簡單的不可逆PWMPWM控制電路控制電路 測控電路 COPYRI

14、GHT 2019 天津工大機電學院COPYRIGHT 2010 天津工大機電學院(二二) 制動不可逆制動不可逆PWM控制電路控制電路+-Ea)BMV1V2VD1VD2ACEDub1ub21234b)ub1=-ub2ub1ub2TtOV1V1VD2tTEEDUaiaia,u112Oiaa)電路原理圖b) 電動狀態(tài)電壓和電流波形測控電路 COPYRIGHT 2019 天津工大機電學院COPYRIGHT 2010 天津工大機電學院c)tTOtTub2ub1ub1=-ub2VD1VD1V2V2OEEDUaia3344ia,ud)tOia34121Tt1t24圖9-16 制動不可逆PWM控制電路及其波形

15、c) 制動狀態(tài)電壓和電流波形d) 電動和制動交替狀態(tài)電流波形9.2.3 PWM功率轉(zhuǎn)換電路功率轉(zhuǎn)換電路 （二）（二） H H型雙極式可逆型雙極式可逆PWMPWM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,ub3TEiau ABia3（重載）（重載）（輕載）（輕載）4ub2ub44M2V1V3V4V2VD3VD2VD1VD4ub1ub3EiaAB13 0t期間，期間，V1、V4飽和導通，飽和導通，V2、V3截止，截止，E加在電樞加在電樞AB兩端，兩端，UAB=+E； tT時，時，ub1、ub4變正，但由于電

16、樞反電動勢變正，但由于電樞反電動勢的作用，的作用，V1、V4不能立即導通，不能立即導通，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導通。電流導通。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 H型雙極式可逆型雙極式可逆PWMPWM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、負脈沖電壓的寬窄而定。當正脈沖寬度負脈沖電壓的寬窄而定。當正脈沖寬度T

17、/2時，電樞兩端的平均電壓為正，電動時，電樞兩端的平均電壓為正，電動機正轉(zhuǎn)；當機正轉(zhuǎn)；當T/2時，平均電壓為負，電動時，平均電壓為負，電動機反轉(zhuǎn)；當機反轉(zhuǎn)；當=T/2時，平均電壓為零，電動時，平均電壓為零，電動機停轉(zhuǎn)。機停轉(zhuǎn)。9.2.3 PWM功率轉(zhuǎn)換電路功率轉(zhuǎn)換電路 （二）（二） H H型雙極式可逆型雙極式可逆PWMPWM控制電路控制電路 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，若載波信號為等腰定義：調(diào)制控制中，若載波信號為等腰三角波，基準信號采用正弦波，則稱為三角波，基準信號采用正弦波，則稱為正弦波脈寬調(diào)制，簡稱正弦波脈寬調(diào)制，簡稱SPWM。

18、圖9-19 單極性正弦波脈寬調(diào)制a)b)UAB倒相器正弦波基準信號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-ucucuPuOO-Ettn單極性單極性: 指載波信號與基準信號始終保持指載波信號與基準信號始終保持同極性的關系，即正弦波處于正半周時，同極性的關系，即正弦波處于正半周時，載波信號在正值范圍內(nèi)變化，產(chǎn)生正的載波信號在正值范圍內(nèi)變化，產(chǎn)生正的調(diào)制脈沖列。而正弦波處于負半周時，調(diào)制脈沖列。而正弦波處于負半周時，產(chǎn)生負的調(diào)制脈沖列。產(chǎn)生負的調(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具有以下特點：在半

19、個周期內(nèi)，兩邊的具有以下特點：在半個周期內(nèi)，兩邊的脈沖寬度小，中間的脈沖寬度大，各脈脈沖寬度小，中間的脈沖寬度大，各脈沖的寬度基本上按正弦分布。它比單極沖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性直流脈寬調(diào)制的輸出電壓波形更接近于正弦。于正弦。 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之比為之比為載波比載波比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表示調(diào)節(jié)脈沖寬度的能力，表示調(diào)節(jié)脈沖寬度的能力，m愈大，愈大，uk幅值就愈小，則等高不等寬幅值就愈小，則等高不等寬脈沖寬度變

20、窄，輸出電壓減小。根據(jù)載脈沖寬度變窄，輸出電壓減小。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)，即變頻時控制電路的三角載波頻率與正弦調(diào)制波的頻時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)制信號波形數(shù)率要同步變化，從而保持脈寬調(diào)制信號波形數(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)，則同步調(diào)的倍數(shù)，則同步調(diào)制控制能保證逆變器輸出波形的正、負半波始制控制能保證逆變器輸出波形的正、負半波始

21、終保持對稱，對于三相逆變器能嚴格保證三相終保持對稱，對于三相逆變器能嚴格保證三相輸出波形間具有互差輸出波形間具有互差120的對稱關系。的對稱關系。n但是，當輸出頻率很低時，由于相鄰兩脈沖間但是，當輸出頻率很低時，由于相鄰兩脈沖間的間距增大，諧波會顯著增加，使負載電動機的間距增大，諧波會顯著增加，使負載電動機產(chǎn)生較大的脈動轉(zhuǎn)矩和較強的噪聲，這是同步產(chǎn)生較大的脈動轉(zhuǎn)矩和較強的噪聲，這是同步式調(diào)制控制方式的主要缺點。式調(diào)制控制方式的主要缺點。（二異步式調(diào)制控制（二異步式調(diào)制控制n 當三角載波信號頻率一定時，若只改變當三角載波信號頻率一定時，若只改變正弦波基準信號的頻率，即讓載波比正弦波基準信號的頻率

22、，即讓載波比N不為常數(shù)，同樣可以改變輸出電壓的頻不為常數(shù)，同樣可以改變輸出電壓的頻率，這樣正、負半周的脈沖數(shù)和相位在率，這樣正、負半周的脈沖數(shù)和相位在不同的輸出頻率下，就不完全對稱，把不同的輸出頻率下，就不完全對稱，把這種控制方式稱為異步式脈寬調(diào)制控制這種控制方式稱為異步式脈寬調(diào)制控制方式。方式。 n由于正、負半周輸出脈沖不對稱，會出現(xiàn)偶次由于正、負半周輸出脈沖不對稱，會出現(xiàn)偶次的高次諧波，但是在低頻輸出時，每周內(nèi)所包的高次諧波，但是在低頻輸出時，每周內(nèi)所包含的脈沖數(shù)增多，相應地可減少負載電動機的含的脈沖數(shù)增多，相應地可減少負載電動機的轉(zhuǎn)矩脈動，改善了低頻工作的特性。在改善低轉(zhuǎn)矩脈動，改善了低頻工作的特性。在改善低頻工作的同時，異步式調(diào)制不會失去同步式調(diào)頻工作的同時，異步式調(diào)