《電機(jī)驅(qū)動(dòng)與調(diào)速》第47講（小功率PWM直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)）

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講項(xiàng)目7典型調(diào)速系統(tǒng)任務(wù)18典型直流調(diào)速系統(tǒng)情景2小功率PWM直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)

教學(xué)目標(biāo)1、熟悉PWM直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)2、掌握PWM直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的控制電路

教學(xué)重點(diǎn)PWM直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)

教學(xué)難點(diǎn)PWM直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的控制電路

教學(xué)方法探究式、演示、情境交融、啟發(fā)互動(dòng)式教學(xué)法教學(xué)手段多媒體教學(xué)、動(dòng)畫(huà)演示教學(xué)作業(yè)布置

作業(yè)題7-22教學(xué)過(guò)程：

項(xiàng)目7典型調(diào)速系統(tǒng)任務(wù)18典型直流調(diào)速系統(tǒng)情景2小功率PWM直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)

1、PWM脈寬調(diào)速系統(tǒng)

（1）直流斬波PWM調(diào)速系統(tǒng)直流斬波器是不可逆且無(wú)制動(dòng)力的PWM變換器，采用全控電力晶體管，開(kāi)關(guān)頻率達(dá)數(shù)十千赫。直流電壓Us由不可控整流采用大電容濾波，二極管VD在晶體管VT關(guān)斷時(shí)為電樞釋放電感儲(chǔ)能續(xù)流。圖中Ug即為Us與電容器C并聯(lián)電路（未畫(huà)出）的輸出電壓。圖7-10直流斬波PWM調(diào)速系統(tǒng)3VT的基極由脈寬可調(diào)的脈沖電壓ub驅(qū)動(dòng)。當(dāng)ub為正時(shí)，VT飽和導(dǎo)通，電源電壓Us通過(guò)VT的集電極回路加到電動(dòng)機(jī)電樞兩端；當(dāng)ub為負(fù)時(shí)，VT截止，電動(dòng)機(jī)電樞無(wú)外施電壓，電樞的磁場(chǎng)能量經(jīng)二極管VD釋放（續(xù)流）。電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓UAB為脈沖波，其平均電壓為Ud=

Us。

＝ton/T為一個(gè)周期T中大功率晶體管導(dǎo)通時(shí)間的比率，稱(chēng)為占空比或負(fù)載電壓系數(shù)（0～1）。電機(jī)電樞端電壓Ud為0～Us，始終為正，故電機(jī)只能單向旋轉(zhuǎn)不可逆調(diào)速。這種調(diào)速方法也稱(chēng)定頻調(diào)寬法。電樞電流Id連續(xù)且脈動(dòng)幅值不大，轉(zhuǎn)速和反電勢(shì)所受影響很小，故可認(rèn)為轉(zhuǎn)速和反電勢(shì)為恒值。4

（2）制動(dòng)型PWM調(diào)速系統(tǒng)如圖7-11（a）所示。該系統(tǒng)可在第一、二兩個(gè)象限運(yùn)行。晶體管VT1和VT2的驅(qū)動(dòng)電壓大小相等而方向相反（即UG1=-UG2）。（a）原理圖（b）電流大于0時(shí)電壓電流波形（c）電流小于0時(shí)電壓電流波形（d）電流較小時(shí)電壓電流波形圖7－11制動(dòng)型PWM系統(tǒng)5

1）電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，平均電壓應(yīng)為正值，一個(gè)周期分兩段變化。①0≤t≤TON期間(tON為VT1導(dǎo)通時(shí)間)UG1為正，VT1飽和導(dǎo)通；UG2為負(fù)，VT2截止。此時(shí)，電源電壓Us加到電樞兩端，電流id沿圖中的回路1流通。②tON≤t≤T期間UG1、UG2都變極性，VT1截止，但由于電流id沿回路2經(jīng)二極管VD2續(xù)流，在VD2兩端產(chǎn)生的壓降給VT2施加反壓，VT2并不導(dǎo)通。因此，電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)VT1、VD2交替導(dǎo)通，而VT2始終不通。其電壓和電流波形如圖7-11（b），與圖7-10系統(tǒng)一樣。若要在電動(dòng)運(yùn)行中降低轉(zhuǎn)速，則先減小控制電壓，使UG1的正脈沖變窄，負(fù)脈沖變寬，從而使平均電樞電壓Ud降低。但因慣性作用，轉(zhuǎn)速和反電動(dòng)勢(shì)來(lái)不及立即變化，造成反電動(dòng)勢(shì)E>Ud。此時(shí)VT2就在電機(jī)制動(dòng)中發(fā)揮作用。6

2）制動(dòng)狀態(tài)①tON≤t≤T期間UG2變正，VT2導(dǎo)通，產(chǎn)生的反向電流-id沿回路3通過(guò)VT2流通，產(chǎn)生能耗制動(dòng)。②T≤t≤T＋tON（即0≤t≤TON）期間VT2截止-id沿回路4通過(guò)VD1續(xù)流，對(duì)電源回饋制動(dòng)。而在VD1上的壓降使VT1不能導(dǎo)通。反向電流的制動(dòng)作用使電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，直到新的穩(wěn)態(tài)。可見(jiàn)，制動(dòng)過(guò)程中VT2和VD1輪流導(dǎo)通，而VT1始終截止。其電壓和電流波形如圖7-11（c）所示。特別注意：當(dāng)直流電源采用半導(dǎo)體整流裝置時(shí)，在回饋制動(dòng)階段電能不可能通過(guò)它饋送電網(wǎng)，只能向?yàn)V波電容C充電，因而造成瞬間電壓升高，稱(chēng)為“泵升電壓”。若回饋能量大則泵升電壓太高，將危及功率開(kāi)關(guān)器件和整流二極管，因此須采取限制措施。7

（3）可逆PWM調(diào)速系統(tǒng)為提高調(diào)速范圍，使電動(dòng)機(jī)在四個(gè)象限中運(yùn)行，可采用可逆PWM變換器?？赡鍼WM變換器在控制方式上可分雙極式、單極式和受限單極式三種。這里只介紹雙極式。雙極式PWM變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式有H型和T型兩種，我們只討論常用H型變換器，如圖7-12所示。雙極式H型PWM變換器由四個(gè)IGBT晶體管和四個(gè)二極管組成形狀如字母H的“H型”P(pán)WM變換器。它實(shí)際上是兩組不可逆PWM變換器電路的組合。雙極性PWM變換器只要控制其正負(fù)脈沖電壓的寬窄，就能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。

8圖7-12雙極式H型PWM調(diào)速系統(tǒng)正脈沖較寬（ton>T/2）時(shí)，電樞平均電壓為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)；正脈沖較窄（ton<T/2）時(shí)，電樞平均電壓為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；正負(fù)脈沖電壓寬度相等（ton＝T/2），平均電壓為零，則電動(dòng)機(jī)停止。此時(shí)電動(dòng)機(jī)的停止與四個(gè)晶體管都不導(dǎo)通時(shí)的停止是有區(qū)別的，四個(gè)晶體管都不導(dǎo)通時(shí)的停止是真正的停止。9平均電壓為零時(shí)的電動(dòng)機(jī)停止，電動(dòng)機(jī)雖然不動(dòng)，但電動(dòng)機(jī)電樞兩端瞬時(shí)電壓值和瞬時(shí)電流值都不為零。電流平均值為零，不產(chǎn)生平均力矩，但電動(dòng)機(jī)帶有高頻微振，因此能克服靜摩擦阻力，消除正反向的靜摩擦死區(qū)。

雙極式PWM變換器的優(yōu)點(diǎn)是電流連續(xù)，可使電動(dòng)機(jī)在四個(gè)象限中運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)停止時(shí)，有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)，低速時(shí)每個(gè)晶體管的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于晶體管的可靠導(dǎo)通，平穩(wěn)性好，調(diào)速范圍大。雙極式PWM變換器的缺點(diǎn)是四個(gè)大功率晶體管在工作過(guò)程中都處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)損耗大，且容易發(fā)生上下兩管同時(shí)導(dǎo)通的事故，降低了系統(tǒng)的可靠性。為防止雙極式PWM變換器的上下兩管同時(shí)導(dǎo)通，可在一管關(guān)斷和另一管導(dǎo)通的驅(qū)動(dòng)脈沖之間，設(shè)置邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)。10

2、PWM脈寬調(diào)速系統(tǒng)的控制電路

（1）直流脈寬調(diào)制器

在直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，晶體管基極的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是脈沖寬度可調(diào)的電壓信號(hào)。脈寬調(diào)制器實(shí)際上是一種電壓脈沖變換器，由電流調(diào)節(jié)器的輸出電壓Uc控制，給PWM裝置輸出脈沖電壓信號(hào)，其脈沖寬度和Uc成正比。常用的脈寬調(diào)制器有以下幾種：①用鋸齒波作調(diào)制信號(hào)的鋸齒波脈寬調(diào)制器；②用三角波作調(diào)制信號(hào)的三角波脈寬調(diào)制器；③用多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路組成的脈寬調(diào)制器；④數(shù)字脈寬調(diào)制器。11如圖7-13所示，鋸齒波脈寬調(diào)制器是一個(gè)由運(yùn)算放大器和幾個(gè)輸入信號(hào)組成的電壓比較器。

圖7-13鋸齒波脈寬調(diào)制器12加在運(yùn)算放大器反相輸入端上的有三個(gè)輸入信號(hào)。一個(gè)輸入信號(hào)是鋸齒波調(diào)制信號(hào)Usa，由鋸齒波發(fā)生器提供，其頻率是主電路所需的開(kāi)關(guān)調(diào)制頻率；另一個(gè)輸入信號(hào)是控制電壓UC，是系統(tǒng)的給定信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器輸出的直流控制電壓，其極性與大小隨時(shí)可變，UC與Usa在運(yùn)算放大器的輸出端疊加，從而在運(yùn)算放大器的輸出端得到周期不變、脈沖寬度可變的調(diào)制輸出電壓Upw；為了得到雙極式脈寬調(diào)制電路所需的控制信號(hào)，再在運(yùn)算放大器的輸入端引入第三個(gè)輸入信號(hào)——負(fù)偏差電壓Up。Up=-0.5Usmax。當(dāng)Uc=0時(shí)，輸出脈沖電壓Upw的正負(fù)脈沖寬度相等，如圖7-14（a）所示。當(dāng)Uc＞0時(shí),＋Uc的作用和－Up相減，經(jīng)運(yùn)算放大器倒相后，輸出脈沖電壓Upw的正半波變窄，負(fù)半波變寬，如圖7-14（b）所示。13當(dāng)Uc＜0時(shí)，－Uc的作用和－Up相加，則情況相反，輸出脈沖電壓Upw的正半波增寬，負(fù)半波變窄，如圖7-14（c）所示。圖7-14鋸齒波脈寬調(diào)制器波形圖通過(guò)改變控制電壓Uc的極性，也就改變了雙極式PWM變換器輸出平均電壓的極性，因而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向。通過(guò)改變控制電壓Uc的大小，則改變輸出脈沖電壓的寬度，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。14

（2）邏輯延時(shí)電路可逆PWM變換器中，因晶體管關(guān)斷有存儲(chǔ)時(shí)間和電流下降時(shí)間（總稱(chēng)關(guān)斷時(shí)間），在這段時(shí)間內(nèi)晶體管并未完全關(guān)斷。若在此期間另一個(gè)晶體管已經(jīng)導(dǎo)通，將造成上下兩管直通，從而導(dǎo)致電源正負(fù)極短路。為避免發(fā)生這種情況，系統(tǒng)中設(shè)置由RC電路構(gòu)成的邏輯延時(shí)電路DLD，保證對(duì)一個(gè)管發(fā)出關(guān)閉脈沖后，延時(shí)一段時(shí)間后再發(fā)出對(duì)另一個(gè)管子的開(kāi)通脈沖。（3）基極驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路脈寬調(diào)制器輸出的脈沖信號(hào)功率較小，必須經(jīng)過(guò)基極驅(qū)動(dòng)電路的功率放大，以確保晶體管在開(kāi)通時(shí)能迅速達(dá)到飽和導(dǎo)通，關(guān)斷時(shí)能迅速截止?；鶚O驅(qū)動(dòng)電路開(kāi)關(guān)過(guò)程包含開(kāi)通、