2023/2/3

測控電路張國雄天津大學精密儀器與光電子工程學院精密測試技術及儀器國家重點實驗室電子郵件：gxzhang@控制電路---控制執行機構運動的電路常用的執行機構驅動器件（1）電動機；（2）油（氣）缸；（3）電磁機構（電磁鐵、磁致伸縮）；（4）壓電驅動；（5）熱驅動；（6）其它（化學、生物、核等）。9.連續信號控制電路9.連續信號控制電路電機是最采用的執行機構驅動器件（1）可以驅動各種執行器件，用于各種場合；（2）行程大；（3）變速范圍大；（4）輸出力矩大；（5）控制靈活方便。伺服電動機的類型（1）直流電機需要電刷（2）交流電機控制相對復雜，目前矢量控制理論和技術已較成熟（3）步進電機運動不連續、不平穩9.連續信號控制電路2023/2/39.連續信號控制電路連續控制電路主要指：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、變頻控制電路等。在數控技術高度發展的今天，為什么還要進行連續信號控制？

許多驅動機構還需要連續信號控制，以獲得平穩運動。9.連續信號控制電路位置控制位置指令位置檢測速度調節是控制中的一個重要問題本章首先研究直流電機的速度調節與控制然后研究交流電機的驅動、速度調節與控制9.連續信號控制電路9.連續信號控制電路脈寬調制控制電路導電角控制逆變器變頻控制電路脈寬調制(PulseWidthModulation)控制電路，通常稱為PWM控制電路，是利用半導體功率晶體管或晶閘管等開關器件的導通和關斷，把直流電壓變成一系列幅值相等的電壓脈沖，通過控制電壓脈沖的寬度以達到變壓目的，或者控制電壓脈沖寬度和脈沖列的周期以達到變壓變頻目的的一種變換電路。9.2脈寬調制(PWM)控制電路為什么采用脈寬調制,而不用電壓調速?(1)脈寬調制可以用于直流和交流電機調速,還可以與調頻相結合，通用性強;(2)在電機驅動中功率放大器工作在非線性狀態，脈寬調制讓功率放大器工作在開關狀態，可以減小有功功率消耗，獲得較高的效率與較好的線性;(3)

讓電機始終處在有電狀態,對于電機動態特性有利。9.2脈寬調制(PWM)控制電路脈寬調制控制電路包括電壓-脈寬變換器和開關式功率放大器兩部分。運算放大器N工作在開環或正反饋狀態，實現把連續電壓信號變成脈沖電壓信號。二極管VD在V關斷時為感性負載RL提供釋放電感儲能、形成續流回路。9.2脈寬調制(PWM)控制電路9.2.1脈寬調制控制電路的工作原理

電壓-脈寬功率放大∞++N-R2R3RPR1RLuPu0ucubECuLV

N的反相端輸入三個信號：鋸齒波或三角波調制信號up,控制電壓uc，負偏置電壓u0，其作用是在uc=0時通過RP的調節使比較器的輸出電壓ub為寬度相等的正負方波。

9.2脈寬調制(PWM)控制電路9.2.1脈寬調制控制電路的工作原理

電壓-脈寬功率放大∞++N-R2R3RPR1RLuPu0ucubECuLVuc>0:鋸齒波過零提前，正半波比負半波窄

uc<0:鋸齒波過零的時間后移，正半波比負半波寬9.2脈寬調制(PWM)控制電路9.2.1脈寬調制控制電路的工作原理

a)uc=0tOuPubb)uc>0tOuPubuP+uc+u0c)uc<0ttOttOtOOtOTτtOTτOTτuPubuP+uc+u0uP+uc+u0脈寬變化引起RL上平均電壓變化（一）鋸齒波脈寬調制器9.2脈寬調制(PWM)控制電路9.2.2典型脈寬調制電路鋸齒波發生器51V26TRTHNE5554R7CT8V+N-+∞R1EcR2R3R4R5R10R7R6R8R9C1C2C3u0ucub+電壓比較器改善線性一定電壓放電，形成鋸齒波9.2脈寬調制(PWM)控制電路9.2.2典型脈寬調制電路三角波發生器+-N1+∞∞N2-++R3R1R2CRPR5R6R7R9R8R10R13R11R14R12R15R16R17R18VS1VS2VD1VD2baV1V2V3V4V5uc+Ecuo1-Ecuo2uPR4（二）三角波脈寬調制器遲滯比較器積分器形成一定死區9.2脈寬調制(PWM)控制電路9.2.2典型脈寬調制電路（二）三角波脈寬調制器+1.2V-1.2Vttttttttt000000000uo1uo1uo1uo2uo2uo2uc-uPuc-uPuc-uPucuca)uc=0b)uc>0

c)uc<0

9.2脈寬調制(PWM)控制電路9.2.2典型脈寬調制電路8255A分頻器譯碼器地址IOWIORRESETCSWRRESETRDD7916122CD4520465&36CD4585101572121556141119385411101115CP792CD4585PA7107414113>1314PWM輸出D7D0D0A0A0A1A1PA6PA5PA4PA3PA2PA1PA0PC7ABEcEcEcφ計數器比較器數據輸入接口AB輸出高電平脈寬調制頻率變換（三）數字式脈寬調制器功用（1）電機驅動；（2）調速9.2.3PWM功率轉換電路9.2脈寬調制(PWM)控制電路9.2脈寬調制(PWM)控制電路9.2.3PWM功率轉換電路幾個概念：可逆和不可逆：可逆就是電機即可正轉也可反轉；不可逆就是電機只能一個方向轉動。反電動勢：是電機轉動產生的，與轉速有關。自感電動勢：流過電樞電流變化產生的感應電勢。電動：電機轉動方向與流過電樞的電流方向相同。制動：電機轉動方向與流過電樞的電流方向相反。回饋制動：流過電樞的電流與電機轉動方向相反且流入電源，即將能量回饋給電源。工作原理9.2.3PWM功率轉換電路（一）簡單的不可逆PWM控制電路E加到電動機電樞兩端

b）電流和電壓波形a）電路原理圖tOTτVD1M-ubVD2V+iaED+ECiaua,EuaUaEDia靠VD1續流9.2.3PWM功率轉換電路（一）簡單的不可逆PWM控制電路占空比；Ua

平均電壓；ED

轉動反電勢

在重載（負載力矩大、ia大）情況下，僅是ia減小，感應電勢維持ia>0在輕載情況下可能斷流不能反轉、不能制動（電流不能反向通過電樞）9.2.3PWM功率轉換電路（一）簡單的不可逆PWM控制電路9.2.3PWM功率轉換電路（二）H型雙極式可逆PWM控制電路b)電壓電流波形a)電路原理圖ub1,ub4411-E2211tttttOOOOOub2,ub3TτEiauABia3（重載）（輕載）4ub2ub44M2V1V3V4V2VD3VD2VD1VD4ub1ub3EiaAB13

0≤t<τ期間，V1、V4飽和導通，V2、V3截止，E加在電樞AB兩端，UAB=+E；τ≤t<T期間，V1、V4截止，但V2、V3并不能立即導通，電樞電流ia沿回路經VD2、VD3續流。9.2.3PWM功率轉換電路（二）H型雙極式可逆PWM控制電路若電動機的負載較重，即電樞電流ia大，在續流階段電流始終為正，則電動機始終工作在電動狀態，ia只流經1、2兩支回路，如圖中“重載”情況所示。若負載輕，則ia小，續流時電流可能很快衰減到零，于是V2、V3在電源電壓和反電動勢的共同作用下導通，電樞電流反向，沿回路3流通，電動機處于反接制動狀態。僅僅是制動，產生反向力矩，還不是反轉。9.2.3PWM功率轉換電路（二）H型雙極式可逆PWM控制電路9.2.3PWM功率轉換電路（二）H型雙極式可逆PWM控制電路b)電壓電流波形a)電路原理圖ub1,ub4411-E2211tttttOOOOOub2,ub3TτEiauABia3（重載）（輕載）4ub2ub44M2V1V3V4V2VD3VD2VD1VD4ub1ub3EiaAB13在t>T時，ub1、ub4變正，但由于電樞反電動勢的作用，V1、V4不能立即導通，ia沿回路經VD4、VD1續流。反向電流ia降至零后，VD4、VD1切斷，V1、V4導通。電流ia流經1、2、3、4四支回路。9.2.3PWM功率轉換電路（二）H型雙極式可逆PWM控制電路雙極式可逆PWM控制電路的可逆性由正、負脈沖電壓的寬窄而定。當正脈沖寬度τ>T/2時，電樞兩端的平均電壓為正，電動機正轉；當τ<T/2時，平均電壓為負，電動機反轉；當τ=T/2時，平均電壓為零，電動機停轉。9.2.3PWM功率轉換電路（二）H型雙極式可逆PWM控制電路9.1導電角控制逆變器逆變器的基本概念

在實際中使用更多的是交流電機逆變器是一種將直流電能轉變為交流電能的設備。

為什么要逆變？

為了控制的需要，例如變頻、脈沖調寬。

這里需要大功率交流驅動。9.1導電角控制逆變器逆變器的基本概念

逆變器的工作原理UCD0tK1

K2

K3

K4K1

K2

K3

K4ZCDCDUdUdZ在逆變器中，要正常工作必須保持晶閘管之間的可靠換流。也就是說，晶閘管的通斷，由外加觸發電壓控制。只要陽極A與陰極K之間的電流不小于其維持電流IH觸發電壓撤消后，仍保持導通9.1導電角控制逆變器單向晶閘管雙向晶閘管

陽極A

門極G

陰極K

電極MT2

門極G

電極MT1

～

MVD3

A

BCEC1VD1

VD5

V5V3

V1

V4VD4

V6VD6

V2

VD2

120°導電角控制逆變器9.1導電角控制逆變器接通順序：每隔60°，接通

1－2－3－4－5－6

每管導通120°，同相的兩個管子不能同時導通9.1導電角控制逆變器120°導電角控制逆變器斷通斷通斷V1斷通120°斷斷通通斷通通通斷斷斷通斷斷斷通通ωtωtωtωtωtOOOOOV4V3V6V5V2240°480°360°600°OωtωtωtωtωtωtωtE/2OOOOOOUCUBUAUA-BUC-AUB-CEEE-E-E/2-E-E/2E/2-E-E/2E/2-E/2E/2E/2E/2-E/2-E/2Ub5Ub4Ub1Ub2Ub6DDQSD1DQQDSD2SD3DQD4SQDQRD5RD6光電耦合驅動電路STARTLDUb1≥1Ub39.1導電角控制逆變器120°導電角控制逆變器111100011110001111111001110011100111同步電機9.3變頻控制電路9.3.1基本原理和分類異步電機p

——

電動機極對數；f——

定子電源頻率(Hz)；n0

——

同步轉速(r/min)；

s——轉差率。通過調頻可以在寬范圍內實現無級調速9.3變頻控制電路

E1——定子相電動勢(V)；

N1——定子相繞組串聯總匝數；

k1——基波繞組系數(V?s?Wb-1)；

Φ——每極氣隙磁通(Wb)。

忽略定子阻抗壓降時，加到定子上的相電壓

如電源電壓U1不變，隨著電源頻率f增加，磁通Φ將減小引起電動機輸出轉矩的減小，在調頻同時需要調壓

9.3.1基本原理和分類9.3變頻控制電路9.3.1基本原理和分類M+可控整流器逆變器~不控整流器+M逆變器a)PAM控制方式b)PWM控制方式~~~~~幅值控制脈寬控制9.3變頻控制電路

電流型AC-DC-AC變頻器

U/f調整器電壓調節器環形計數器壓控振蕩器電流調節器發電路脈沖變壓器逆變器晶閘管門極控制電路整流器晶閘管門極控制電路VF指令-+-+移相觸CdV4V3VD5C6V1VD3VD1V6V5V2VD4VD6～MVD2～+可控整流器調頻逆變器電流檢測器電壓檢測器C5C1C3C2C4LIdABCV1~V6主晶閘管C1~C6換流電容器VD1~VD6隔離二極管

9.3.2PAM變頻器9.3變頻控制電路

電流型AC-DC-AC變頻器

U/f調整器電壓調節器環形計數器壓控振蕩器電流調節器發電路脈沖變壓器逆變器晶閘管門極控制電路整流器晶閘管門極控制電路VF指令-+-+移相觸電流檢測器器電壓檢測獲得所需頻率信號

9.3.2PAM變頻器Ub5Ub4Ub1Ub2Ub6DDQSD1DQQDSD2SD3DQD4SQDQRD5RD6光電耦合驅動電路STARTLDUb1≥1Ub31111000111100011111110011100111001119.3變頻控制電路

電流型AC-DC-AC變頻器環形計數器

逆變器晶閘管門極控制電路9.3.2PAM變頻器IdCdV4V3VD5C6V1VD3VD1V6V5V2VD4VD6～MVD2～+可控整流器調頻逆變器電流檢測器電壓檢測器C5C1C3C2C4LABC逆變器晶閘管門極控制電路9.3變頻控制電路

電流型AC-DC-AC變頻器9.3.2PAM變頻器9.3變頻控制電路

電流型AC-DC-AC變頻器

U/f調整器電壓調節器環形計數器壓控振蕩器電流調節器發電路脈沖變壓器逆變器晶閘管門極控制電路整流器晶閘管門極控制電路VF指令-+-+移相觸電流檢測器器電壓檢測根據f確定所需U以滿足力矩要求通過與實際測量得到的U比較進行電壓調節通過與實際測量得到的電流比較實現過載保護控制可控整流器的導通角9.3.2PAM變頻器CdV4V3VD5C6V1VD3VD1V6V5V2VD4VD6～MVD2～+可控整流器調頻逆變器電流檢測器電壓檢測器C5C1C3C2C4LIdABC控制可控整流器的導通角9.3變頻控制電路

電流型AC-DC-AC變頻器9.3.2PAM變頻器9.3變頻控制電路

電流型AC-DC-AC變頻器初始狀態V1、V2導通電樞電流A－CCdV4V3VD5C6V1VD3VD1V6V5V2VD4VD6～MVD2～+可控整流器調頻逆變器

U/f調整器電壓調節器環形計數器壓控振蕩器電流調節器發電路脈沖變壓器逆變器晶閘管門極控制電路整流器晶閘管門極控制電路VF指令-+-+電流檢測器電壓檢測器移相觸C5C1C3C2C4LIdABC++----++++--電容充電極性如圖9.3.2PAM變頻器9.3變頻控制電路

電流型AC-DC-AC變頻器V3、V2導通B1電位升高使V1截止C1促使換流電樞電流B－CCdV4V3VD5C6V1VD3VD1V6V5V2VD4VD6～MVD2～+可控整流器調頻逆變器

U/f調整器電壓調節器環形計數器壓控振蕩器電流調節器發電路脈沖變壓器逆變器晶閘管門極控制電路整流器晶閘管門極控制電路VF指令-+-+電流檢測器電壓檢測器移相觸C5C1C3C2C4LIdABC++--B1----++++9.3.2PAM變頻器9.3變頻控制電路

電流型AC-DC-AC變頻器V3、V2導通電樞電流B－CC1、C4極性改變CdV4V3VD5C6V1VD3VD1V6V5V2VD4VD6～MVD2～+可控整流器調頻逆變器

U/f調整器電壓調節器環形計數器壓控振蕩器電流調節器發電路脈沖變壓器逆變器晶閘管門極控制電路整流器晶閘管門極控制電路VF指令-+-+電流檢測器電壓檢測器移相觸C5C1C3C2C4LIdABC-+-+B1+--+-++-9.3.2PAM變頻器9.3變頻控制電路

電流型AC-DC-AC變頻器V3、V4導通A1電位下降使V2截止電樞電流B－ACdV4V3VD5C6V1VD3VD1V6V5V2VD4VD6～MVD2～+可控整流器調頻逆變器

U/f調整器電壓調節器環形計數器壓控振蕩器電流調節器發電路脈沖變壓器逆變器晶閘管門極控制電路整流器晶閘管門極控制電路VF指令-+-+電流檢測器電壓檢測器移相觸C5C1C3C2C4LIdABC-+-+B1+--+++--A19.3.2PAM變頻器9.3變頻控制電路

電流型AC-DC-AC變頻器CdV4V3VD5C6V1VD3VD1V6V5V2VD4VD6～MVD2～+可控整流器調頻逆變器

U/f調整器電壓調節器環形計數器壓控振蕩器電流調節器發電路脈沖變壓器逆變器晶閘管門極控制電路整流器晶閘管門極控制電路VF指令-+-+電流檢測器電壓檢測器移相觸C5C1C3C2C4LIdABCV3、V4導通電樞電流B－AC2、C5極性改變-+-+B1+--+++--A19.3.2PAM變頻器9.3變頻控制電路

電流型AC-DC-AC變頻器V5、V4導通電樞電流C－AC1電位升高使V3截止CdV4V3VD5C6V1VD3VD1V6V5V2VD4VD6～MVD2～+可控整流器調頻逆變器

U/f調整器電壓調節器環形計數器壓控振蕩器電流調節器發電路脈沖變壓器逆變器晶閘管門極控制電路整流器晶閘管門極控制電路VF指令-+-+電流檢測器電壓檢測器移相觸C5C1C3C2C4LIdABC-+-+B1+--+++--A1C19.3.2PAM變頻器9.3變頻控制電路

電流型AC-DC-AC變頻器V5、V4導通電樞電流C－AC3、C6極性改變CdV4V3VD5C6V1VD3VD1V6V5V2VD4VD6～MVD2～+可控整流器調頻逆變器

U/f調整器電壓調節器環形計數器壓控振蕩器電流調節器發電路脈沖變壓器逆變器晶閘管門極控制電路整流器晶閘管門極控制電路VF指令-+-+電流檢測器電壓檢測器移相觸C5C1C3C2C4LIdABC-+-+B1+-+-++--A1C19.3.2PAM變頻器9.3變頻控制電路

電流型AC-DC-AC變頻器V5、V6導通電樞電流C－BB電位下降使V4截止CdV4V3VD5C6V1VD3VD1V6V5V2VD4VD6～MVD2～+可控整流器調頻逆變器

U/f調整器電壓調節器環形計數器壓控振蕩器電流調節器發電路脈沖變壓器逆變器晶閘管門極控制電路整流器晶閘管門極控制電路VF指令-+-+電流檢測器電壓檢測器移相觸C5C1C3C2C4LIdABC-+-+B1+-+-++--A1C19.3.2PAM變頻器9.3變頻控制電路

電流型AC-DC-AC變頻器V5、V6導通電樞電流C－BC1、C4極性改變CdV4V3VD5C6V1VD3VD1V6V5V2VD4VD6～MVD2～+可控整流器調頻逆變器

U/f調整器電壓調節器環形計數器壓控振蕩器電流調節器發電路脈沖變壓器逆變器晶閘管門極控制電路整流器晶閘管門極控制電路VF指令-+-+電流檢測器電壓檢測器移相觸C5C1C3C2C4LIdABC++--B1+-+-+--+A1C19.3.2PAM變頻器9.3變頻控制電路

電流型AC-DC-AC變頻器V1、V6導通電樞電流A－BA電位升高使V5截止CdV4V3VD5C6V1VD3VD1V6V5V2VD4VD6～MVD2～+可控整流器調頻逆變器

U/f調整器電壓調節器環形計數器壓控振蕩器電流調節器發電路脈沖變壓器逆變器晶閘管門極控制電路整流器晶閘管門極控制電路VF指令-+-+電流檢測器電壓檢測器移相觸C5C1C3C2C4LIdABC++--B1+-+-+--+A1C19.3.2PAM變頻器9.3變頻控制電路

電流型AC-DC-AC變頻器V1、V6導通電樞電流A－BC2、C5極性改變CdV4V3VD5C6V1VD3VD1V6V5V2VD4VD6～MVD2～+可控整流器調頻逆變器

U/f調整器電壓調節器環形計數器壓控振蕩器電流調節器發電路脈沖變壓器逆變器晶閘管門極控制電路整流器晶閘管門極控制電路VF指令-+-+電流檢測器電壓檢測器移相觸C5C1C3C2C4LIdABC+-+-B1+-+---++A1C19.3.2PAM變頻器9.3變頻控制電路

電流型AC-DC-AC變頻器V1、V2導通電樞電流A－CC電位下降使V6截止CdV4V3VD5C6V1VD3VD1V6V5V2VD4VD6～MVD2～+可控整流器調頻逆變器

U/f調整器電壓調節器環形計數器壓控振蕩器電流調節器發電路脈沖變壓器逆變器晶閘管門極控制電路整流器晶閘管門極控制電路VF指令-+-+電流檢測器電壓檢測器移相觸C5C1C3C2C4LIdABC+-+-B1+-+---++A1C19.3.2PAM變頻器9.3變頻控制電路

電流型AC-DC-AC變頻器V1、V2導通電樞電流A－CC3、C6極性改變回到初始狀態CdV4V3VD5C6V1VD3VD1V6V5V2VD4VD6～MVD2～+可控整流器調頻逆變器

U/f調整器電壓調節器環形計數器壓控振蕩器電流調節器發電路脈沖變壓器逆變器晶閘管門極控制電路整流器晶閘管門極控制電路VF指令-+-+電流檢測器電壓檢測器移相觸C5C1C3C2C4LIdABC+-+-B1-+-+--++A1C19.3.2PAM變頻器切換步驟（1）在逆變器晶閘管門極控制電路輸出的觸發脈沖控制下使下一個該接通的晶閘管導通；（2）靠存儲在電容上的電荷使原來接通的陰陽極之間形成反向電壓而截止，從而電動機中有電流通過的繞組改變，形成旋轉磁場；（3）使存儲在電容上的電荷極性發生變化，為下一次切換做好準備。每一個供電周期切換6次。9.3變頻控制電路

電流型AC-DC-AC變頻器9.3.2PAM變頻器CdV4V3VD5C6V1VD3VD1V6V5V2VD4VD6～MVD2～+可控整流器調頻逆變器電流檢測器電壓檢測器C5C1C3C2C4LIdABC控制可控整流器的導通角9.3變頻控制電路

電流型AC-DC-AC變頻器9.3.2PAM變頻器

U/f調整器電壓調節器環形計數器壓控振蕩器電流調節器發電路脈沖變壓器逆變器晶閘管門極控制電路整流器晶閘管門極控制電路VF指令-+-+移相觸電流檢測