伺服系统课第五章.doc

直流脉宽调速控制系统 §5-1 概述 PWM是脉冲宽度调制的英文缩写。它和晶闸管移相触发是并列的；只是两种不同的驱动方式。至于组成闭环控制系统以及动态，静态分析和前面阐述基本相同。 建立一个控制系统，首先得可控，其次就是寻找控制量。对于调速系统，控制量就是电枢电流，无论是移相触发，还是PWM，它们最终都是调节电枢电流，因为电流与电机产生的转矩成正比，调节电流使它与负载阻力矩平衡（），达到一个新的给定转速。 图示（图5-1）就是PWM的原理；一个固定的电压（），由不停地开断，从而调节电机绕组内的电流。PWM有两个参数;一个是PWM的频率，一般选好就固定不变（从几百赫芝到几千赫芝）。另一个是占空比，这是调节量，对于移相触发,它的调节量就是移相角（被“切割”的是工频正弦波）。 PWM如果驱动对象是一个纯电阻，那么仅仅是一种脉冲方波的复现，但现在对象是电机，其运行过程没有那么简单；有两个因素直接影响（制约）其过渡过程：一个是大的绕组电感量，在管子关断时，电感电流的续流（电感电流不能瞬变）必须有个通道（否则断流），这是依靠与管子并联倒置的快恢管。 图5-1不可逆直流PWM变换器 另一种就是因转速n变化感应到电枢回路中的反电动势E；这就牵涉到可逆不可逆（能否正反转）以及电动与制动的四象限工作问题。因而出现H型，T型电路结构。 §5-2 PWM的H桥驱动 1）脉宽调制原理 先以图5-1说明占空比是如何控制。（图5-1中的负值是为了可靠地截止开关管 电机电枢两端所得到的综合效果，应该是其平均值，即 但产生的电流波形并非如此；应按照VT导通与截止的两段分析。 图5-1为不可逆直流PWM变换器，真实波形如图b）所示，在两个阶段，电路平衡公式为 此处说明一下第二阶段；为了保持平衡，按现有电回路结构应该是 在关断期间反电动势E仍然为正，因为电机轴继续在转，制动是不可能实现的。为了平衡，不可能为负，因为电回路中没有反向电流的通道，剩下耒只有可能 为负，也就是说电流将快速下降，这个速度很快，否则不足以平衡量，而快恢管VD正好提供续流通道。 由此可见：占空的截止段时间不能太长，否则快速下降的电流将很快到零，继而进入电流负值，而反向电流通路也没有；意味着这种电路只能正转，如果正转速度过低也不行的，反转就更不可能，故名为不可逆，只能在Ⅰ象限内工作。 图5-2为具有制动能力的不可逆PWM变换器。 图5-2 具有制动能力的不可逆PWM变换器 过程分析，特别说明： 三种状态即电动，制动与轻载。这是指发生在的占空比变化的时候，例如截止段大于导通段，说明控制者要求减速，而为了减速，必须加大负脉冲宽度。因此，出现电流反向，即负电流（见图5-2（c），因为必须加反向转矩，速度才能慢下耒）。特别要注意一个概念；电机绕组内出现反方向的电流，并不是电机反转，这是因为减速时，占空比下降，下降，由于机械轴负载的惯性，转速还耒不及下降，，保持原耒的大小，使整个方程失衡 ，为了平衡，只有变负，同时下降（才能为负）才能达到新的平衡，这就是通常所述的电机制动状态，因为惯性电机轴继续保持原耒转速；这时电机只有将电流反向才能产生反向转矩，将转速放慢。 2）针对上述情况，首先电路上要存在一个通道让其反向流通。现观察原理图（a），假如起始是电动状态，导通时，正向电流走1，如果继续为电动，即正脉冲维持比负脉冲宽，轮换到导通，截止时，电流方向不变，走路线（图中2），所以，这时名为导通，实际被饱和压降短掉，失去偏置而截止。 如果这时，控制方要求突然减速，即负脉冲时间段突然加长；这时迅速下降（因为只有变负，才能平衡），并且，单下降还不够，必须快速下降，很快到零，进入负值，也即电流反向。（对内电流下降这一项变负还不够，再增加负的压降以平衡因惯性一直不变的反电动势，对于外部力学环境；产生反向转矩，以遏止继续转动的轴），这时，正好导通，反向电流籍此通道，而通道则被废止，（这时电机轴并未反转，只是减速，即反电动势没有变负，仍处于制动状态）当回到正脉冲时，和前面一样，导通也是形同虚设，已经被导通而遏止（图中4路径）。 以上分析即为从电动→制动的全过程。其中间过渡过程，类似于轻载，轻载的区别就是：电流下降不是很负，就又进入到正脉冲阶段，整个电流在零线上下较小地波动，说明续流时间不是太长，制动时间也不长，当然负载电流比较小。（图d电流波形） 3）上述线路实际是一个不可逆的PWM，即电机不能反转，只能工作于二象限（Ⅰ象限和Ⅱ象限）。为了构成可逆PWM，只要再加一半，这就是H桥。如图5-3 §5-3双极性工作制的优缺点 H桥即按双极性工作制。 图5-3 双极