第九章 连续信号控制电路

1. 第九章连续信号控制电路

2. 连续信号控制电路 • 将交流信号连续变换成直流信号，或者将直流信号连续变换成交流信号来达到控制的目的，实现这种控制的电路称为连续信号控制电路。

3. 在实际应用中，连续信号控制电路主要是指直流电动机调速、交流电动机调速和功率电源控制中的导电角控制电路、脉宽调制控制电路、变频控制电路和电源程控电路等。在实际应用中，连续信号控制电路主要是指直流电动机调速、交流电动机调速和功率电源控制中的导电角控制电路、脉宽调制控制电路、变频控制电路和电源程控电路等。

4. 第一节 导电角控制逆变器 第二节 脉宽调制（PWM）控制电路

5. 第一节 导电角控制逆变器 • 一、120°导电角控制逆变器 • 二、180°导电角控制逆变器

6. 逆变是整流的逆变换，就是把直流电变成交流电，常用于交流电动机的调速系统和不间断电流装置中。在交流电动机的调速系统中，需要用导电角控制电路来控制逆变器晶闸管或功率晶体管的开关顺序和导通时间。 晶闸管或功率晶体管在一个变化周期中导通时间对应的相位角称为导通角或导电角，

7. V1 VD1 VD5 V3 VD3 V5 A M C1A EA ～ B C V2 V4 VD4 VD6 VD2 V6 一、120°导电角控制逆变器 图9-1 晶体管三相桥式逆变器 V1~V6为大功率晶体管 VD1~VD6为续流二极管

8. V1 通 断 通 断 O 120° 240° 480° 600° 360° ωt V4 断 通 断 通 O ωt V3 断 通 断 通 O ωt a) V6 通 通 断 断 O ωt V5 断 通 断 O ωt V2 断 通 断 断 通 O ωt UA E/2 O ωt -E/2 UB E/2 O b) ωt -E/2 UC E/2 O ωt -E/2

9. UA-B E E/2 O ωt -E/2 -E UB-C E E/2 c) O ωt -E/2 -E UC-A E E/2 O ωt -E/2 -E • 图9-2 120°导通型逆变器输出电压波形 • 晶体管开关V1~V6的通断状态 • b) 输出相电压 c) 输出线电压

10. 111100 011110 001111 111001 110011 100111 Ub2 Ub1 Ub5 Ub4 Ub3 Ub6 光电耦合驱动电路 Q Q Q Q D Q Q D D D D D D5 D6 D2 D1 D3 D4 S S S S R R Ub ≥ 1 START LD 1 图9-3 120°导电角控制电路原理图

11. V7 VD1 V3 V9 V1 VD3 V11 V5 VD5 IC IA E LA A M ～ C1 CA LB B CB LC CC C V2 VD6 V10 V4 VD4 V8 VD2 V6 V12 二、180°导电角控制逆变器 图9-4 晶闸管三相桥式逆变器

12. 180导通型逆变器正常工作的必要条件是可靠地换流。即每一相上、下桥臂主晶闸管交换导通时，必须经过短暂的全关断状态，以避免上、下两个主晶闸管同时导通的情况。根据180°导通型开关状态的工作顺序，让微处理机通过一个并口周期输出开关状态值，驱动晶闸管导通或关断，即可让逆变器工作。 • 由于逆变器的输入是直流，一般晶闸管不能通过控制门极电压将它关断换流，因此必须采用强迫换流的方法。

13. 3 12 1 2 4 5 6 7 8 9 1 2 3 5 10 11 4 V1 断 通 通 O ωt V4 断 断 通 O ωt V3 断 断 通 O ωt V6 a) 断 通 通 O ωt V5 断 通 通 断 O ωt V2 断 通 通 O ωt UA 2E/3 E/3 O ωt -E/3 -2E/3 UB 2E/3 E/3 O b) ωt -E/3 -2E/3 UC 2E/3 E/3 O ωt -E/3 -2E/3 UA-B E O ωt -E UB-C E O c) ωt -E UC-A E O ωt -E 图9-5 180º导通型逆变器输出电压波形

14. iV1 iVD4 IA iV1 O t0 t1 t2 t3 t4 ωt ic iVD1, Im ic IA iVD1 Im-IA O t2 t3 t1 ωt t0 IA A 相负载电流 O ωt t3 t4 图9-7 换流过程波形图

15. 第二节 脉宽调制（PWM）控制电路 • 一、脉宽调制控制电路的工作原理 • 二、典型脉宽调制电路 • 三、PWM功率转换电路 • 四、同步式与异步式脉宽调制控制电路

16. EC R2 UP ∞ RP - Ub u0 + V uk UL + N R1 R3 RL VD 一、脉宽调制控制电路的工作原理 图9-8 PWM控制电路原理

17. uP uP uP O O O t t t uP+uk+u0 uP+uk+u0 uP+uk+u0 O O O t t t ub ub ub O O O τ τ τ T T T t t t a) b) c) 图9-9 锯齿波脉宽调制波形图 式中 ukm——控制信号uk的最大值。

18. uL E UL O τ T T+τ 2T t uL E UL O τ T+τ t T 2T 图9-10 PWM控制负载的波形图

19. 二、典型脉宽调制电路 • 脉宽（脉冲宽度）调制器是一个自动的电压-脉宽变换器(亦称V/W电路)。对它的基本要求是死区要小，调宽脉冲的前后沿的斜率要大，也就是比较器的灵敏度要足够高。 • 在设计脉宽调制器的实际电路时，应使其简单、可靠，且不受外界干扰。比较器的灵敏度与系统的控制模式、实际控制系统的具体要求等有关，应综合考虑，否则在整个系统的线路处理上会带来一定困难。同时还需考虑与功率转换电路的耦合问题。

20. 典型电路 • (一) 锯齿波脉宽调制器 • (二)三角波脉宽调制器 • (三)数字式脉宽调制器

21. Ec u0 uk R1 C3 RP R2 4 8 R6 R4 ∞ R 7 - ct V + ub R3 NE555 + N R7 6 TH R5 V C2 TR 1 5 2 R9 C1 R8 (一) 锯齿波脉宽调制器 图9-11 锯齿波脉冲宽度调制器

22. +Ec uk R9 V3 R3 R8 R10 C R13 a R1 uo1 V1 ∞ R4 R14 + + R5 VD1 ∞ RP VS1 - - b N1 + uP R7 VD2 R2 VS2 + R15 N2 R6 V2 V5 R16 R11 R17 uo2 V4 R12 R18 -Ec (二) 三角波脉宽调制器 图9-12 三角波脉宽调制器电路

23. uk-uP uk-uP uk-uP +1.2V uk O O O t t t -1.2V uk uo1 uo1 uo1 O O O t t t uo2 uo2 uo2 O O O t t t b) c) a) 图9-13 单极性脉宽调制器输出波形 a) uk=0 b) uk>0 c) uk<0

24. (三) 数字式脉宽调制器 • 数字式脉宽调制器可随控制信号的变化而改变脉冲序列的占空比τ/T。在数字式脉宽调制器中，控制信号是数字，其值确定脉冲的宽度。当维持调制脉冲序列的周期不变，通过改变脉冲的宽度，就能达到改变占空比τ/T的目的。

25. 用微处理机来实现数字脉宽调制极其容易，通常的方法有两种：用微处理机来实现数字脉宽调制极其容易，通常的方法有两种： • 用软件方式来实现，即通过执行软件延时循环程序交替改变端口某个二进制位输出逻辑状态来产生脉宽调制信号，设置不同的延时时间得到不同的占空比。 优点：简单、灵活、省硬件 缺点：需要占用CPU许多处理时间，对微处理机的速度要求很高，于控制不利； • 用硬件电路自动产生PWM信号，不占用CPU处理的时间。

26. Uc PWM输出 > A B 13 4 CD4585 Uc 14 10 PA7 14 D7 D7 13 PA6 1 7 12 PA5 16 2 9 PA4 11 2 15 11 5 6 CD4520 8255A D0 D0 10 12 3 A0 A0 14 6 PA3 10 A1 A1 5 7 7 PA2 1 IOR RD PA1 2 4 9 WR IOW 9 15 PA0 11 3 15 RESET RESET PC7 CD4585 CS CP 8 4 5 6 Uc 地址 译码器 & φ 分频器 图9-14 计数比较式PWM电路

27. 三、PWM功率转换电路 • 根据调制脉冲的极性可分为单极式和双极式调制两种； • 根据载波信号和基准信号的频率之间的关系，又可分为同步式和异步式两种。

28. (一) 简单的不可逆PWM控制电路 • (二) 制动不可逆PWM控制电路 • (三) H型双极式可逆PWM控制电路 • (四) T型双极式可逆PWM控制电路

29. ua, ia + ED ua M VD1 E - + ia E C Ua ED V ub ia VD2 (一) 简单的不可逆PWM控制电路 图9-15 简单不可逆PWM控制电路及其波形 a） 电路原理图 b） 电流和电压波形

30. 在这种简单的PWM控制电路中，电动机的电枢电流是不能反向流动的，即无制动工作状态，一般仅适用于快速性要求不高的场合。而且，这种电路在轻载(或空载)情况下还可能出现电枢电流断续的现象。

31. E + - ub1 C ub2 ub1=-ub2 V1 V1 VD2 V1 ub1 1 O τ T t VD1 A M B ED ia ia,u V2 3 ub2 E 4 VD2 Ua ED ia 1 1 2 a) O τ T t b) 2 (二) 制动不可逆PWM控制电路 b) 电动状态电压和电流波形 a)电路原理图

32. ub1 ub2 ub1=-ub2 VD1 V2 V2 VD1 O τ T t ia,u ia E ED 1 1 Ua 2 T O O t2 t1 t τ t 4 4 3 4 4 3 3 ia τ T τ d) c) c) 制动状态电压和电流波形 d) 电动和制动交替状态电流波形 图9-16 制动不可逆PWM控制电路及其波形

33. (三) H型双极式可逆PWM控制电路 • H型控制电路在控制方式上分双极式、单极式和受限单极式三种。

34. ub1,ub4 E O τ T t V2 ub2,ub3 VD1 V1 VD2 ub1 1 3 ub2 O ia t uAB M A B E O t ub3 -E ub4 （重载） 4 VD4 VD3 2 ia V3 V4 1 1 2 O （轻载） t ia 1 1 2 O t 3 4 4 图9-17 H型双极式PWM控制电路及其波形 a）电路原理图b）电压电流波形

35. +E V1 1 ub1 4 VD1 M A B V2 3 ub2 2 VD2 -E (四) T型双极式可逆PWM控制电路 图9-18 T型双极式PWM控制电路

36. 四、同步式与异步式脉宽调制控制电路 • 定义：调制控制中，若载波信号为等腰三角波，基准信号采用正弦波，则称为正弦波脉宽调制，简称SPWM。

37. u uc -uc uP V1 V2 M C A B E O V3 V4 ωt UAB E 比较器 比较器 三角波 uP O 振荡器 π 半波整 半波整 ωt 流电路 流电路 -E 正弦波基准 倒相器 -uc uc 信号振荡器 b) a) 图9-19 单极性正弦波脉宽调制

38. 单极性: 指载波信号与基准信号始终保持同极性的关系，即正弦波处于正半周时，载波信号在正值范围内变化，产生正的调制脉冲列。而正弦波处于负半周时，产生负的调制脉冲列。

39. 采用正弦波调制后的输出电压脉冲UAB具有以下特点：在半个周期内，两边的脉冲宽度小，中间的脉冲宽度大，各脉冲的宽度基本上按正弦分布。它比单极性直流脉宽调制的输出电压波形更接近于正弦。采用正弦波调制后的输出电压脉冲UAB具有以下特点：在半个周期内，两边的脉冲宽度小，中间的脉冲宽度大，各脉冲的宽度基本上按正弦分布。它比单极性直流脉宽调制的输出电压波形更接近于正弦。

40. 定义载波频率fp与调制波频率fk之比为载波比N，即N=fp/fk。用三角波up幅值Upm与正弦波uk幅值Ukm之比m=Upm/Ukm表示调节脉冲宽度的能力，m愈大，uk幅值就愈小，则等高不等宽脉冲宽度变窄，输出电压减小。根据载波比的变化与否可分为同步式调制控制与异步式调制控制。定义载波频率fp与调制波频率fk之比为载波比N，即N=fp/fk。用三角波up幅值Upm与正弦波uk幅值Ukm之比m=Upm/Ukm表示调节脉冲宽度的能力，m愈大，uk幅值就愈小，则等高不等宽脉冲宽度变窄，输出电压减小。根据载波比的变化与否可分为同步式调制控制与异步式调制控制。

41. （一）同步式调制控制 • 在同步式调制控制方式中，N为常数，即变频时控制电路的三角载波频率与正弦调制波的频率要同步变化，从而保持脉宽调制信号波形数和相位不变。如果取N等于3的倍数，则同步调制控制能保证逆变器输出波形的正、负半波始终保持对称，对于三相逆变器能严格保证三相输出波形间具有互差120°的对称关系。 • 但是，当输出频率很低时，由于相邻两脉冲间的间距增大，谐波会显著增加，使负载电动机产生较大的脉动转矩和较强的噪声，这是同步式调制控制方式的主要缺点。

42. （二）异步式调制控制 • 当三角载波信号频率一定时，若只改变正弦波基准信号的频率，即让载波比N不为常数，同样可以改变输出电压的频率，这样正、负半周的脉冲数和相位在不同的输出频率下，就不完全对称，把这种控制方式称为异步式脉宽调制控制方式。

43. 由于正、负半周输出脉冲不对称，会出现偶次的高次谐波，但是在低频输出时，每周内所包含的脉冲数增多，相应地可减少负载电动机的转矩脉动，改善了低频工作的特性。在改善低频工作的同时，异步式调制不会失去同步式调制的优点，即在半个周期内，各脉冲的宽度基本上按正弦分布。但当载波比随着输出频率的降低而连续变化时，使逆变器输出电压的波形及其相位都发生变化，很难保持三相输出间的对称关系，因而引起电动机工作的不平稳。由于正、负半周输出脉冲不对称，会出现偶次的高次谐波，但是在低频输出时，每周内所包含的脉冲数增多，相应地可减少负载电动机的转矩脉动，改善了低频工作的特性。在改善低频工作的同时，异步式调制不会失去同步式调制的优点，即在半个周期内，各脉冲的宽度基本上按正弦分布。但当载波比随着输出频率的降低而连续变化时，使逆变器输出电压的波形及其相位都发生变化，很难保持三相输出间的对称关系，因而引起电动机工作的不平稳。

44. 9-1 何谓PAM调速？何谓PWM调速？这两种调速方式有什么不同？ 将变压与变频分开完成，即在把交流电整流为直流电的同时改变直流电压的幅值，而后将直流电压逆变为交流电时改变交流电频率的变压变频控制方式称为PAM调速。 将变压与变频集中于逆变器一起完成，即交流电整流为直流电时电压恒定，然后由逆变器既完成变频又完成变压的控制方式称为PWM调速。 PAM调速要采用可控整流器，并对可控整流器进行导通角控制，而PWM调速则采用不控整流器，工作时无需对整流器进行控制。

45. 9-2 在120°导电角控制电路中(见图9-3)环形移位寄存器的状态只能有六个，为什么？当因某种干扰出现其它状态，如001110时，逆变器工作会出现什么情况？如何防止这种情况的发生？ 由于120°导通型逆变器正常工作的条件是每相上桥臂晶体管与下桥臂晶体管各导通 120°，上、下桥臂晶体管导通状态相互间隔 60°，而且各项之间的相位差为120°，因而其开关导通状态只能有六个。图9-3移位寄存器在LD脉冲作用下产生初始状态111100，在ub脉冲驱动下进行环形移位，刚好六个状态为一循环。当出现其它状态时，120°导通型逆变器将不能正常工作。为避免这种情况发生，必须在给逆变器加电之前将环形移位寄存器置于初始状态。

46. 9-3 180导通型逆变器正常工作的必要条件是什么？ • 180°导通型逆变器正常工作的必要条件是可靠地换流，即每一相上、下桥臂主晶闸管交换导通时，必须经过短暂的全关断状态，以避免上、下两个主晶闸管同时导通的情况。根据180°导通型开关状态的工作顺序，让微处理机通过一个并口周期输出开关状态值，驱动晶闸管导通或关断，即可让逆变器工作。

47. 9-4 简述典型PWM控制电路的基本结构。 典型的PWM控制电路主要有模拟式PWM控制电路和数字式PWM控制电路。 模拟式PWM控制电路主要由脉冲频率发生器和电压比较器构成，脉冲频率发生器一般用锯齿波发生器或三角波发生器。 数字式PWM控制电路主要由计数器和数字比较器或由定时电路和触发器构成。

48. 9-5 PWM控制电路在双极式工作时会不会发生电流断续现象？为什么？ • PWM控制电路在双极式工作时不会发生电流断续现象。因为四个大功率管分为两组，同一组中的两个晶体管同时导通、同时关断，两组晶体管之间交替地轮流导通和截止，电流可以反向，使得电枢电流始终是连续的。