第四章可逆调速控制系统和

第四章可逆调速控制系统和 全数字调速控制器

第四章可逆调速控制系统和 本讲主要内容：第五节直流脉宽调速控制系统及其控制系统仿真一、脉宽调制主电路的形成过程二、脉宽调制变换器的工作原理及构造过程全数字调速控制器第452讲

人们经过长期的生产实践和科学实验发现可控整流器在每个周期内的波头数目的多少直接影响着控制系统的复杂程度和性能的优劣。人们经过长期的生产实践和科学实验发现可控整流器在每个周期内的波头数目的多少直接影响着控制系统的复杂程度和性能的优劣。

人们经过长期的生产实践和科学实验发现可控整流器在每个周期内的波头数目的多少直接影响着控制系统的复杂程度和性能的优劣。人们经过长期的生产实践和科学实验发现可控整流器在每个周期内的波头数目的多少直接影响着控制系统的复杂程度和性能的优劣。每个周期内的波头数目越高, 在平均电流相同的情况下，电流也就容易连续。负载轻时电流连续，既能省去主电路的平波电抗器，又能提高电动机的调速范围。人们还发现：每个周期内的波头数目越高，失控时间就越短，快速响应性能也就越好，动态抗扰能力也就越强。控制系统结构也就越简单，控制系统的稳定性也就越好。要想实现这种目标，人们自然就想到了大功率晶体管(如下图所示)，因为只有大功率晶体管才具有开关频率高、导通电流大的功能。

要想实现这种目标，人们自然就想到了大功率晶体管(如下图所示)，因为只有大功率晶体管才具有开关频率高、导通电流大的功能。要想实现这种目标，人们自然就想到了大功率晶体管(如下图所示)，因为只有大功率晶体管才具有开关频率高、导通电流大的功能。用大功率开关管怎样制造出我们所希望的波形呢？一、脉宽调制主电路的形成过程第五节直流脉宽调速控制系统及其控制系统仿真

一、脉宽调制主电路的形成过程 第五节直流脉宽调速控制系统及其控制系统仿真

第五节 直流脉宽调速控制系统及其控制系统仿真脉宽调速系统和前几章讨论的晶闸管相控整流装置供电的直流调速系统之间的区别主要在主电路和PWM (Pulse Width Modulation)控制电路，至于闭环控制系统以及静、动态分析和设计，基本上都是一样的，不必重复论述。因此本节研究重点是：脉宽调制变换器和PWM控制电路的内部结构、组成和工作原理。

第五节 直流脉宽调速控制系统及其控制系统仿真二、脉宽调制变换器的工作原理及构造过程 PWM变换器的作用是：用PWM调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成开关频率一定、宽度可变的脉冲电压系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。 PWM变换器电路有多种形式，主要分为不可逆与可逆两大类。不可逆变换器 PWM变换器双极式可逆变换器单极式受限单极式

1、不可逆PWM变换器 1）构造过程简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统主电路原理图如下图所示，功率开关器件VT可以是任意一种全控型开关器件，因为开关器件控制的对象是电感，所以需要再加续流二极管VD。二、脉宽调制变换器的工作原理及构造过程

1、不可逆PWM变换器 1）构造过程简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统主电路原理图如下图所示，功率开关器件VT可以是任意一种全控型开关器件，因为开关器件控制的对象是电感，所以需要再加续流二极管VD。图中：Us为直流电源电压，C 为滤波储能电容器，VT 的栅极由脉宽可调的脉冲电压系列Ug驱动。二、脉宽调制变换器的工作原理及构造过程

1、不可逆PWM变换器 1）构造过程如果加在大功率开关管VT 基极(栅极)上的脉宽可调的脉冲电压系列 Ug如左下图所示，那么电枢电流流通情况如右下图所示。流过电动机的电流和电枢电压随时间的变化规律如图所示。二、脉宽调制变换器的工作原理及构造过程

1、不可逆PWM变换器 1）构造过程二、脉宽调制变换器的工作原理及构造过程在一个开关周期T内，当0 ≤t < ton时，Ug为正，VT导通，电源电压通过VT加到电动机电枢两端；当ton≤t < T 时， Ug为负，VT关断，电枢失去电源，经VD续流。

1、不可逆PWM变换器 二、脉宽调制变换器的工作原理及构造过程如右图所示不可逆电路中，当续流结束后（电动机中电感所产生的反电势小于电动机的反电势时），电动机处于自由停车状态，因而没有使用价值。需要增加制动环节，最简单的制动方法是能耗方案，如右图所示。

1、不可逆PWM变换器 二、脉宽调制变换器的工作原理及构造过程此控制系统是能够实用的最简不可逆PWM调速控制系统。它们的工作状态与波形如何呢？

1、不可逆PWM变换器 2）工作状态与波形如右图所示的双管交替开关电路。当VT1导通时，流过正向电流 + id ， VT2导通时，流过 – id。注意：这个电路仅增加了能耗制动环节，平均电压 Ud 并没有改变极性，因此电机不能反转，仍是不可逆系统，只能工作在第一、二象限。二、脉宽调制变换器的工作原理及构造过程

2）工作状态与波形 电动工作状态 1、不可逆PWM变换器 VT1的导通时间大于关断时间

2）工作状态与波形 电动工作状态 1、不可逆PWM变换器注意：续流期间电动机两端的电压等于多少？一般电动状态(带额定负载状态下)的电压、电流波形与不带能耗制动环节的不可逆电路波形完全一样。

电动工作状态 一般电动状态在一般电动状态中，电枢电流始终为正值。设ton为VT1的导通时间，则一个工作周期有两个工作阶段：在0 ≤t ≤ton期间， Ug1为正，VT1导通， Ug2为负，VT2关断。此时，电源电压Us加到电枢两端，电流 id 沿图中的红色回路流通。 1、不可逆PWM变换器

电动工作状态 一般电动状态在 ton <t ≤T 期间， Ug1和Ug2 都改变极性，VT1关断，但VT2却不能立即导通，因为id沿蓝色回路经二极管VD2续流，在VD2两端产生的压降给VT2施加反压，使它失去导通的可能。因此，实际上是由VT1和VD2交替导通，虽然电路中多了一个功率开关器件，但并没有被用上。 1、不可逆PWM变换器

电动工作状态 如果负载比较小或称轻载，电动状态的电压、电流波形与不带能耗制动环节的不可逆电路波形有本质的区别。 1、不可逆PWM变换器

电动工作状态 轻载电动状态，一个周期分成四个阶段：第1阶段，VD1续流，电流 –id沿回路④流通；第2阶段，VT1导通，电流 id 沿回路①流通； 1、不可逆PWM变换器

电动工作状态 轻载电动状态，一个周期分成四个阶段：第3阶段，VD2续流，电流 id 沿回路②流通；第4阶段，VT2导通，电流 –id 沿回路③ 流通 1、不可逆PWM变换器

电动工作状态 在1、4阶段（回路 ④和③ ），电动机流过负方向电流，电机工作在制动状态；在2、3阶段（回路 ①和② ），电动机流过正方向电流，电机工作在电动状态。因此，在轻载时，电流可在正负方向之间脉动，平均电流等于负载电流。 1、不可逆PWM变换器

制动工作状态 VT2的导通时间大于关断时间 1、不可逆PWM变换器

制动工作状态 1、不可逆PWM变换器

制动工作状态 1、不可逆PWM变换器制动状态的一个周期分为两个工作阶段：在 0 ≤t ≤ ton期间，VT2关断，－id沿回路④经 VD1续流，向电源回馈制动，与此同时， VD1两端压降钳住 VT1使它不能导通。

制动工作状态 1、不可逆PWM变换器在 ton≤t ≤T期间， Ug2 变正，于是VT2导通，反向电流 id沿回路③ 流通，产生能耗制动作用。因此，在制动状态中， VT2和VD1轮流导通，而VT1始终是关断的，此时的电压和电流波形如上图所示。

制动工作状态 1、不可逆PWM变换器在 ton≤t ≤T期间， Ug2 变正，于是VT2导通，反向电流 id沿回路③ 流通，产生能耗制动作用。因此，在制动状态中， VT2和VD1轮流导通，而VT1始终是关断的，此时的电压和电流波形如下图所示。

输出电压方程: 电机两端得到的平均电压为式中:  = ton/ T 为 PWM 波形的占空比，改变  （ 0 ≤< 1），就能改变平均电压Ud，就能调节电机的转速。若令 = Ud/ Us为PWM电压系数，则在不可逆 PWM 变换器： =  　即占空比与电压系数相等。 1. 不可逆PWM变换器

1.不可逆PWM变换器 2.可逆PWM变换器二、脉宽调制变换器的工作原理及构造过程在右图所示不可逆PWM变换器基础上增加一套反组不可逆PWM变换器，就形成可逆PWM变换器。

+ - - + 2.可逆PWM变换器可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的就是如右图所示的H形电路。电动机M两端电压的极性随开关器件栅极驱动电压极性的变化而改变。

+ - - + 2.可逆PWM变换器如果在一个开关周期内施加给电动机电枢两端的电压有正负两个极性，那么此可逆 PWM变换器称为双极控制方式可逆PWM变换器，简称双极式；如果只有一个正或负极性电压，那么此可逆PWM变换器称为单极控制方式可逆 PWM变换器，简称单极式。

2.可逆PWM变换器 可逆PWM变换器的控制方式不但有双极式、单极式，还有受限单极式等多种，最常用的是双极式控制的可逆 PWM变换器，因此是分析的重点内容。

2 1 2.可逆PWM变换器（1）双极式控制方式宏观分析：令Ug1=-Ug2，如果负载充分大，那么流经电机电枢的电流流向如右下图中的“1”和“2”所示。

第四章 可逆调速控制系统和