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1、直流电机直流电机PWM调速脉冲宽度调制脉冲宽度调制 - Pulse Width Modulation利用利用微处理器微处理器的数字输出来对的数字输出来对模拟电路模拟电路进行控制的进行控制的一种非常有效的一种非常有效的技术技术应用应用：测量测量、通信通信、功率功率控制与控制与变换变换PWMPWMPWM变换器和变换器和PWM-M系统开环机械系统开环机械特性特性脉宽调制脉宽调制原理原理 脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（PWM）是通过功率管的开关作用，将恒定）是通过功率管的开关作用，将恒定直流电压转换成频率一定，宽度可调的方波脉冲电压，通过直流电压转换成频率一定，宽度可调的方波脉冲电压，通过调节脉冲电压的
2、宽度而改变输出电压平均值的一种功率变换调节脉冲电压的宽度而改变输出电压平均值的一种功率变换技术。由脉宽调制器向电机供电的系统称为脉宽调速系统，技术。由脉宽调制器向电机供电的系统称为脉宽调速系统，简称简称PWM-M调速系统。调速系统。图图3-1 PWM-M调速系统调速系统(a)系统原理图系统原理图 (b)输出电压波形输出电压波形6假定假定VT先导通先导通ton，这期间电源电压全部加到电枢上，然后关断，这期间电源电压全部加到电枢上，然后关断toff，电枢失去电源，电枢失去电源，经经VD续流。如此周而复始，则电枢端电压波形如图续流。如此周而复始，则电枢端电压波形如图3-1( b )所示。电机电枢端电
3、压所示。电机电枢端电压的平均值为：的平均值为：SSononsoffononsdUUTttUtttdtUTU01Tttttonoffonon 为为PWM的占空比。改变的占空比。改变 可可调压，实现电机调速。调压，实现电机调速。改变改变占空比占空比的方法的方法7 二、脉宽调制变换器二、脉宽调制变换器 PWM变换器分：变换器分：不可逆和可逆不可逆和可逆两类。两类。 可逆变换器分：可逆变换器分：双极式、单极式和受限单极式双极式、单极式和受限单极式多种。多种。 （一）不可逆（一）不可逆PWM变换器变换器 1、无制动作用的、无制动作用的PWM变换器变换器 （1）电路组成）电路组成 图图3-2所示为变换器的
4、主电路原理图。采用全控型的所示为变换器的主电路原理图。采用全控型的GTR代替半控型的晶闸管，电源电压代替半控型的晶闸管，电源电压Us为不可控整流电源，采为不可控整流电源，采用大电容用大电容C滤波，滤波，VD在在VT关断时为电枢提供续流回路。关断时为电枢提供续流回路。8（2）工作原理）工作原理VT的基极由脉宽可调的电压的基极由脉宽可调的电压Ub驱动。在一个周期内，当驱动。在一个周期内，当0tt0n时，时，Ub为正，为正，VT饱和导通，饱和导通，Us通过通过VT加到电枢端。加到电枢端。t0ntT时，时，Ub为负，为负，VT截止，电枢失去电源，经截止，电枢失去电源，经VD续流。续流。电机得到的平均端
5、电压为：电机得到的平均端电压为： (a)原理图原理图 (b)电压和电流波形电压和电流波形9ssondUUTtU 图图3-2（b）中绘出了电枢的脉冲端电压）中绘出了电枢的脉冲端电压ud、平均电压平均电压Ud和和电枢电流电枢电流id的波形。的波形。id 是脉动的。因开关频率较高，电流脉是脉动的。因开关频率较高，电流脉动幅值不会很大，影响到转速动幅值不会很大，影响到转速n和反电动势和反电动势E的波动就更小了。的波动就更小了。电压平衡方程电压平衡方程RIEUdd机械特性方程机械特性方程 nnRICUCEn0edeseCes0CUn调速系统的空载转速，与占空比成正比；调速系统的空载转速，与占空比成正比；
6、 edCRIn 负载电流造成的转速降。负载电流造成的转速降。 2、有制动作用的、有制动作用的PWM变换器变换器（1）电路组成）电路组成 需需制动时须有反向电流制动时须有反向电流-id的通路，应设置控制反向的第的通路，应设置控制反向的第二个电力晶体管，形成二个电力晶体管，形成VT1和和VT2交替开关的电路，如图（交替开关的电路，如图（a）所示。电路由所示。电路由VT1和和VT2，VD1和和VD2组成。组成。VT1是主管，起是主管，起控制作用；控制作用；VT2是辅助管，构成电机的制动电路。是辅助管，构成电机的制动电路。EtiLRiUddd1d1s0ddd2d2EtiLRi（2）工作原理）工作原理V
7、T1和和VT2的驱动电压的驱动电压Ub1=-Ub2，电动运行时，正脉冲比负，电动运行时，正脉冲比负脉冲宽，平均电流为正值，一个周期内分两段变化。脉冲宽，平均电流为正值，一个周期内分两段变化。在在0tton期间，期间，Ub1 为正，为正，VT1饱和导通；饱和导通；Ub2为负，为负，VT2截截止。止。Us加到电枢两端，电流加到电枢两端，电流id 沿图中的回路沿图中的回路1流通。有流通。有在在tontUd。这时希望。这时希望VT2能发挥作用。能发挥作用。 制动过程分析：制动过程分析： 在在tontT阶段。由于阶段。由于Ub2变正，变正，VT2导通，导通，E-Ud产生反向产生反向电流电流-id沿回路沿
8、回路3通过通过VT2流通，产生能耗制动，直到流通，产生能耗制动，直到t=T止。止。 在在TtT+ton阶段。阶段。VT2截止，截止，-id沿回路沿回路4通过通过VD1续流，续流，对电源回馈制动，同时在对电源回馈制动，同时在VD1上的压降使上的压降使VT1不能导通。不能导通。 结论：在整个制动状态中，结论：在整个制动状态中，VT2、VD1轮流导通，而轮流导通，而VT1始终截止，电压和电流波形示于图始终截止，电压和电流波形示于图3-3（c）。反向电流的制动）。反向电流的制动作用使电机转速下降，直到新的稳态。作用使电机转速下降，直到新的稳态。（二）可逆（二）可逆PWM变换器变换器 其主电路结构有其主
9、电路结构有H型，型，T型等，常用型等，常用H型变换器，它由型变换器，它由4个个电力晶体管和电力晶体管和4个续流二极管组成桥式电路。在控制方式上个续流二极管组成桥式电路。在控制方式上分分双极式、单极式和受限单极式双极式、单极式和受限单极式三种。着重分析双极式三种。着重分析双极式H型型PWM变换器，然后再简要说明其它方式的特点。变换器，然后再简要说明其它方式的特点。1、双极式可逆、双极式可逆PWM变换器变换器 （1）构成特点）构成特点4个个VT的基极驱动分两组。的基极驱动分两组。VTl和和VT4同时导通和关断，同时导通和关断，驱动电压驱动电压Ub1=Ub4；VT2和和VT3同时动作，驱动电压同时动
10、作，驱动电压U b2=Ub3=-Ub1。波形于图。波形于图3-5。14（2）工作原理）工作原理当当0tton时，时，Ub1和和Ub4为正，晶体管为正，晶体管VT1和和VT4饱和导饱和导通，而通，而Ub2和和Ub3为负，为负，VT2和和VT3截止。这时截止。这时+Us加在电枢加在电枢AB两端，两端，UAB=US，电枢电流，电枢电流id沿回路沿回路1流通。流通。当当tontT 时，时，Ub1和和Ub4变负，变负，VT1和和VT4截止；截止；Ub2、Ub3变正，但变正，但VT2、VT3并不能立即导通，因在电枢电感释并不能立即导通，因在电枢电感释放储能的作用下，放储能的作用下，id沿回路沿回路2经经V
11、D2，VD3续流，续流，VD2、VD3上的压降使上的压降使VT2和和VT3的的 c-e端承受反压，这时端承受反压，这时UAB=-US。UAB在一个周期内正负相间，双极式在一个周期内正负相间，双极式PWM变换器的特征，变换器的特征，其电压、电流波形示于图其电压、电流波形示于图3-5。15UAB的正、负变化，使电流存在两种情况，如图的正、负变化，使电流存在两种情况，如图3-5中中的的id1和和id2。id1相当于负载较重情况，平均电流大，在续流阶段电流相当于负载较重情况，平均电流大，在续流阶段电流仍维持正方向，电机始终工作在电动状态。仍维持正方向，电机始终工作在电动状态。id2相当于负载很轻的情况
12、，平均电流小，在续流阶段电相当于负载很轻的情况，平均电流小，在续流阶段电流很快衰减到零，于是流很快衰减到零，于是VT2和和VT3的的c-e两端失去反压，在两端失去反压，在(-Us)和电枢反电势的合成作用下导通，电枢电流反向，沿回和电枢反电势的合成作用下导通，电枢电流反向，沿回路路3流通，电机处于制动状态。同理，在流通，电机处于制动状态。同理，在0tT2，则电枢两端的平均电压为正，电机正转。，则电枢两端的平均电压为正，电机正转。 当正脉冲较窄时，当正脉冲较窄时，tonT2，平均电压为负，电机反转。，平均电压为负，电机反转。 当正、负脉冲宽度相等，当正、负脉冲宽度相等，ton=T2，平均电压为零，电动机停止。，平均电压为零，电动机停止。 图图3-5所示的电压、电流波形都是在电动机正转时的情况。所示的电压、电流波形都是在电动机正转时的情况。