第九章

連續信號控制電路

連續信號控制電路將交流信號連續變換成直流信號，或者將直流信號連續變換成交流信號來達到控制的目的，實現這種控制的電路稱為連續信號控制電路。在實際應用中，連續信號控制電路主要是指直流電動機調速、交流電動機調速和功率電源控制中的導電角控制電路、脈寬調制控制電路、變頻控制電路和電源程控電路等。

第一節導電角控制逆變器第二節脈寬調制（PWM）控制電路一、120°導電角控制逆變器二、180°導電角控制逆變器

第一節導電角控制逆變器逆變是整流的逆變換，就是把直流電變成交流電，常用于交流電動機的調速系統和不間斷電流裝置中。在交流電動機的調速系統中，需要用導電角控制電路來控制逆變器晶閘管或功率晶體管的開關順序和導通時間。晶閘管或功率晶體管在一個變化周期中導通時間對應的相位角稱為導通角或導電角，

一、120°導電角控制逆變器

～MVD3ABCEAC1AVD1VD5V5V3V1V4VD4V6VD6V2VD2圖9-1晶體管三相橋式逆變器

V1~V6為大功率晶體管

VD1~VD6為續流二極管

b)a)斷通斷通斷V1斷通120°斷斷通通斷通通通斷斷斷通斷斷斷通通ωtωtωtωtωtωtωtωtωtOOOOOOOOV4V3V6V5V2240°480°360°600°OUCUBUA-E/2E/2E/2E/2-E/2-E/2c)ωtωtωtE/2OOOUA-BUC-AUB-CEEE-E-E/2-E-E/2E/2-E-E/2E/2圖9-2120°導通型逆變器輸出電壓波形晶體管開關V1~V6的通斷狀態

b)輸出相電壓c)輸出線電壓圖9-3120°導電角控制電路原理圖Ub5Ub4Ub1Ub3Ub2Ub6DDQSD1DQQDSD2SD3DQD4SQDQRD5RD6光電耦合驅動電路STARTLDUb1≥1111100011110001111111001110011100111二、180°導電角控制逆變器圖9-4晶閘管三相橋式逆變器V10V4V7V1VD1V12V6VD6V8V2VD2～MV3V9VD3V11V5VD5EIAICCALAALBCBBLCCCC1VD4C180導通型逆變器正常工作的必要條件是可靠地換流。即每一相上、下橋臂主晶閘管交換導通時，必須經過短暫的全關斷狀態，以避免上、下兩個主晶閘管同時導通的情況。根據180°導通型開關狀態的工作順序，讓微處理機通過一個并口周期輸出開關狀態值，驅動晶閘管導通或關斷，即可讓逆變器工作。由于逆變器的輸入是直流，一般晶閘管不能通過控制門極電壓將它關斷換流，因此必須采用強迫換流的方法。

圖9-5180o導通型逆變器輸出電壓波形a)b)斷21345通斷斷通通斷5斷通通7810911通斷斷112234ωtωtωtωtωtωtωtωtωtOOOOOOOOOV1V4V6V3V2V56UAUBUC-E/3E/3-E/3-E/3E/3E/32E/32E/32E/3-2E/3-2E/3斷通通斷通通-2E/3ωtOUA-BE-Ec)ωtωtOOUC-AUB-CE-E-EE圖9-7換流過程波形圖

iVD1,Im相負載電流AiciV1iV1IAiVD4ωtωtωtt3t3t3t4t4t2t2t1t1t0t0iVD1icIAIm-IAIAOOO第二節脈寬調制（PWM）控制電路一、脈寬調制控制電路的工作原理二、典型脈寬調制電路三、PWM功率轉換電路四、同步式與異步式脈寬調制控制電路一、脈寬調制控制電路的工作原理∞++N-R2R3RPR1RLUPu0ukUbECULVVD圖9-8PWM控制電路原理圖9-9鋸齒波脈寬調制波形圖

a)b)c)ttttttttOOOOOtOOOOTTTτττuPuPuPubububuP+uk+u0uP+uk+u0uP+uk+u0式中ukm——控制信號uk的最大值。圖9-10PWM控制負載的波形圖tt2T2TTTT+τT+τττOOuLuLULULEE二、典型脈寬調制電路脈寬（脈沖寬度）調制器是一個自動的電壓-脈寬變換器(亦稱V/W電路)。對它的基本要求是死區要小，調寬脈沖的前后沿的斜率要大，也就是比較器的靈敏度要足夠高。在設計脈寬調制器的實際電路時，應使其簡單、可靠，且不受外界干擾。比較器的靈敏度與系統的控制模式、實際控制系統的具體要求等有關，應綜合考慮，否則在整個系統的線路處理上會帶來一定困難。同時還需考慮與功率轉換電路的耦合問題。典型電路(一)鋸齒波脈寬調制器(二)三角波脈寬調制器(三)數字式脈寬調制器(一)鋸齒波脈寬調制器51V26TRTHNE5554R7ct8V+N-+∞R1EcR2R3R4R5RPR7R6R8R9C1C2C3u0ukub圖9-11鋸齒波脈沖寬度調制器(二)三角波脈寬調制器+-N1+∞∞N2-++R3R1R2CRPR5R6R7R9R8R10R13R11R14R12R15R16R17R18VS1VS2VD1VD2baV1V2V3V4V5uk+Ecuo1-Ecuo2uPR4圖9-12三角波脈寬調制器電路

+1.2V-1.2VtttttttttOOOOOOOOOuo1uo1uo1uo2uo2uo2uk-uPuk-uPuk-uPukuk圖9-13單極性脈寬調制器輸出波形

a)uk=0b)uk>0c)uk<0a)b)c)(三)數字式脈寬調制器數字式脈寬調制器可隨控制信號的變化而改變脈沖序列的占空比τ/T。在數字式脈寬調制器中，控制信號是數字，其值確定脈沖的寬度。當維持調制脈沖序列的周期不變，通過改變脈沖的寬度，就能達到改變占空比τ/T的目的。

用微處理機來實現數字脈寬調制極其容易，通常的方法有兩種：用軟件方式來實現，即通過執行軟件延時循環程序交替改變端口某個二進制位輸出邏輯狀態來產生脈寬調制信號，設置不同的延時時間得到不同的占空比。優點：簡單、靈活、省硬件缺點：需要占用CPU許多處理時間，對微處理機的速度要求很高，于控制不利；用硬件電路自動產生PWM信號，不占用CPU處理的時間。

圖9-14計數比較式PWM電路8255A分頻器譯碼器地址IOWIORRESETCSWRRESETRDD7916122CD4520465&36CD4585101572121556141119385411101115CP792CD4585PA7107414113>1314PWM輸出D7D0D0A0A0A1A1PA6PA5PA4PA3PA2PA1PA0PC7ABUcUcUcφ三、PWM功率轉換電路根據調制脈沖的極性可分為單極式和雙極式調制兩種；根據載波信號和基準信號的頻率之間的關系，又可分為同步式和異步式兩種。

(一)簡單的不可逆PWM控制電路(二)制動不可逆PWM控制電路(三)H型雙極式可逆PWM控制電路(四)T型雙極式可逆PWM控制電路

(一)簡單的不可逆PWM控制電路

VD1M-ubVD2V+iaED+ECiaua,EuaUaEDia圖9-15簡單不可逆PWM控制電路及其波形a）電路原理圖b）電流和電壓波形在這種簡單的PWM控制電路中，電動機的電樞電流是不能反向流動的，即無制動工作狀態，一般僅適用于快速性要求不高的場合。而且，這種電路在輕載(或空載)情況下還可能出現電樞電流斷續的現象。(二)制動不可逆PWM控制電路+-Ea)BMV1V2VD1VD2ACEDub1ub21234b)ub1=-ub2ub1ub2TtOV1V1VD2τtTτEEDUaiaia,u112Oiaa)電路原理圖b)電動狀態電壓和電流波形c)tTτOtTτub2ub1ub1=-ub2VD1VD1V2V2OτEEDUaia3344ia,ud)tOia34121τTt1t24圖9-16制動不可逆PWM控制電路及其波形c)制動狀態電壓和電流波形d)電動和制動交替狀態電流波形(三)H型雙極式可逆PWM控制電路

H型控制電路在控制方式上分雙極式、單極式和受限單極式三種。ub1,ub4411-E2211tttttOOOOOub2,ub3TτEiauABia3ub2ub44M2V1V3V4V2VD3VD2VD1VD4ub1ub3EiaAB13（重載）（輕載）4圖9-17H型雙極式PWM控制電路及其波形a）

電路原理圖

b）

電壓電流波形

(四)T型雙極式可逆PWM控制電路圖9-18T型雙極式PWM控制電路VD2+EM3241V2V1VD1ABub1ub2-E四、同步式與異步式脈寬調制控制電路定義：調制控制中，若載波信號為等腰三角波，基準信號采用正弦波，則稱為正弦波脈寬調制，簡稱SPWM。圖9-19單極性正弦波脈寬調制a)b)UAB倒相器正弦波基準信號振蕩器三角波振蕩器半波整流電路比較器V1M半波整流電路比較器V2V3V4ECABuPuc-ucE-ucucuPuOO-Eωtωtπ單極性:指載波信號與基準信號始終保持同極性的關系，即正弦波處于正半周時，載波信號在正值范圍內變化，產生正的調制脈沖列。而正弦波處于負半周時，產生負的調制脈沖列。

采用正弦波調制后的輸出電壓脈沖UAB具有以下特點：在半個周期內，兩邊的脈沖寬度小，中間的脈沖寬度大，各脈沖的寬度基本上按正弦分布。它比單極性直流脈寬調制的輸出電壓波形更接近于正弦。

定義載波頻率fp與調制波頻率fk之比為載波比N，即N=fp/fk。用三角波up幅值Upm與正弦波uk幅值Ukm之比m=Upm/Ukm表示調節脈沖寬度的能力，m愈大，uk幅值就愈小，則等高不等寬脈沖寬度變窄，輸出電壓減小。根據載波比的變化與否可分為同步式調制控制與異步式調制控制。

（一）同步式調制控制在同步式調制控制方式中，N為常數，即變頻時控制電路的三角載波頻率與正弦調制波的頻率要同步變化，從而保持脈寬調制信號波形數和相位不變。如果取N等于3的倍數，則同步調制控制能保證逆變器輸出波形的正、負半波始終保持對稱，對于三相逆變器能嚴格保證三相輸出波形間具有互差120°的對稱關系。但是，當輸出頻率很低時，由于相鄰兩脈沖間的間距增大，諧波會顯著增加，使負載電動機產生較大的脈動轉矩和較強的噪聲，這是同步式調制控制方式的主要缺點。（二）異步式調制控制

當三角載波信號頻率一定時，若只改變正弦波基準信號的頻率，即讓載波比N不為常數，同樣可以改變輸出電壓的頻率，這樣正、負半周的脈沖數和相位在不同的輸出頻率下，就不完全對稱，把這種控制方式稱為異步式脈寬調制控制方式。

由于正、負半周輸出脈沖不對稱，會出現偶次的高次諧波，但是在低頻輸出時，每周內所包含的脈沖數增多，相應地可減少負載電動機的轉矩脈動，改善了低頻工作的特性。在改善低頻工作的同時，異步式調制不會失去同步式調制的優點，即在半個周期內，各脈沖的寬度基本上按正弦分布。但當載波比隨著輸出頻率的降低而連續變化時，使逆變器輸出電壓的波形及其相位都發生變化，很難保持三相輸出間的對稱關系，因而引起電動機工作的不平穩。

將變壓與變頻分開完成，即在把交流電整流為直流電的同時改變直流電壓的幅值，而后將直流電壓逆變為交流電時改變交流電頻率的變壓變頻控制方式稱為PAM調速。將變壓與變頻集中于逆變器一起完成，即交流電整流為直流電時電壓恒定，然后由逆變器既完成變頻又完成變壓的控制方式稱為PWM調速。

PAM調速要采用可控整流器，并對可控整流器進行導通角控制，而PWM調速則采用不控整流器，工作時無需對整流器進行控制。9-1何謂PAM調速？何謂PWM調速？這兩種調速方式有什么不同？

9-2在120°導電角控制電路中(見圖9-3)環形移位寄存器的狀態只能有六個，為什么？當因某種干擾出現其它狀態，如001110時，逆變器工作會出現什么情況？如何