第八章

功率放大電路第一節開關功率驅動電路第二節步進電機功率放大電路第三節直流伺服電機的PWM功率放大電路第一節開關功率驅動電路分類：功率器件類型分類，常見的有晶體管驅動電路、場效應管驅動電路和晶閘管驅動電路等類型按照電路所驅動的負載類型分類，常見的有電阻性負載驅動電路和電感性負載驅動電路等類型按照電路所控制的負載電源類型分類，常見的有直流電源負載驅動電路和交流電源負載驅動電路等類型

晶體管直流負載功率驅動電路

晶體管功率驅動電路負載所需的電流不應太大

設計要點:合理確定Ui、R與V的電流放大系數

值之間的數值關系，充分滿足

I

b

I

L/

可確保V導通時工作于飽和區，以降低V的導通電阻及減小功耗b)a)

漏極D

柵極G

VDS

源極SVMOS及TMOS場效應晶體管功率驅動電路圖8-2a是VMOS及TMOS場效應管引出電極的內部關系簡圖，虛線框表示其封裝范圍。其中二極管VDS是在制造過程中形成的。與普通場效應管不同，如果在使用中將漏極D與源極S接反，會導致性能喪失或損壞圖8-2b為典型的功率場效應晶體管直流負載功率驅動電路。當控制信號Ui小于開啟電壓UGS時，V截止，直流負載ZL中電流IL為0；當控制信號Ui大于開啟電壓UGS時，V導通，直流負載RL中電流IL=Ec/（ZL＋RDS）。式中RDS為V漏極D與源極S間的導通電阻。電路中穩壓二極管VS對功率場效應晶體管實施保護晶閘管交流負載功率驅動電路

交流負載的功率驅動電路，通常采用晶閘管來構成晶閘管有單向晶閘管和雙向晶閘管兩種類型

單向晶閘管圖形符號單向晶閘管亦稱單向可控硅（SCR）晶閘管導通條件：在陽極A與陰極K之間加正向電壓，同時在門極G與陰極K之間加正向電壓（觸發），這樣陽極A與陰極K之間即進入導通狀態晶閘管一旦導通，只要陽極A與陰極K之間的電流不小于其維持電流IH，門極G與陰極K之間是否還存在正向電壓，對已經導通的晶閘管完全沒有影響晶閘管關斷條件：主電極陽極A與陰極K之間的電流小于其維持電流IH，晶閘管即進入關斷狀態

雙向晶閘管圖形符號雙向晶閘管亦稱雙向半導體開關元件（TRIAC）

三端雙向交流開關(TRIAC=TRIode（三端）ACsemiconductorswitch）與單向晶閘管相比較，雙向晶閘管的主要區別是：①在觸發之后是雙向導通的②觸發電壓不分極性，只要絕對值達到觸發門限值即可使雙向晶閘管導通

交流半波導通功率驅動電路圖8-4為交流半波導通功率驅動電路。其中V2是單結晶體管，負載ZL與晶閘管V3串聯后接于交流電源u上。當控制信號Ui為高電平時，晶閘管V3導通，負載ZL中有半波交流電流IL通過。當控制信號Ui為低電平時，晶閘管V3截止，負載ZL中電流IL為0。如果控制信號Ui為高電平，光電耦合器VLC中二極管無電流而不發光，使得光敏三極管V1截止，P1與P2間電位差僅取決于負載ZL、電阻R5和穩壓管VS的參數而與VD回路無關。在~u的正半周，P1與P2間的電壓使電容C上的電位逐漸增加到足夠高，導致單結晶體管V2的射極e與第一基極b1間突然導通。e與b1的導通一方面提供正向觸發脈沖使晶閘管V3導通，另一方面使電容C上的電位迅速降低為0。此后晶閘管V3的導通狀態一直延續到~u的正半周基本結束。這時因~u接近零而使晶閘管V3中的電流IL<IH，晶閘管V3進入截止狀態。在~u的負半周，因晶閘管的A、K電極間為反向電壓，不滿足導通條件，晶閘管V3仍處于截止狀態。直至u的下一個正半周，晶閘管V3再觸發導通。如果控制信號Ui為低電平，光電耦合器VLC中發光二極管導通發光，使得光敏三極管V1導通，P1與P2間電位差顯著降低，單結晶體管V2無法建立使晶閘管V3導通的觸發電平，因而負載ZL中的電流IL始終為0。調整C與R2的數值，可改變晶閘管V3在~u正半周的導通角，從而達到改變負載ZL中平均電流IL大小的目的~u實用中應注意:如果驅動的是感性負載，必須設置合理的關斷泄流回路，一方面可保護開關器件，另外也可起到消除對外電磁干擾的作用繼電器與電磁閥驅動電路繼電器廣泛用于生產控制和電力系統中，具有接觸電阻小、流通電流大和耐壓高等優點，至今仍無法用無觸點器件取代對繼電器或接觸器的驅動，實際上是對其勵磁線圈電流通斷的控制。繼電器勵磁線圈所需的勵磁電源有直流與交流兩種。

交流繼電器的控制第二節步進電機功率放大電路步進電機是一種特殊的機電元件，不能直接接到交直流電源上工作，必須使用專用驅動器步進電機驅動控制系統框圖步進電動機簡稱步進電機，可在開環條件下十分方便地將數字系統的脈沖數轉變成與其相對應的角位移或線位移，因而是控制系統中常用的自動化執行元件附：步進電動機簡介機理：將脈沖信號轉換成線位移或角位移的電機。每來一個電脈沖，電機轉動一個角度，帶動機械移動一小段距離又稱電脈沖馬達特點：(1)脈沖－步距角(2)頻率－轉速(3)脈沖順序－方向結構反應式步進電機主要由兩部分構成：定子和轉子它們均由磁性材料構成，其上分別有六個、四個磁極定子轉子定子繞組種類：可變磁阻型（VR型-Variable）其轉子、定子采用軟磁材料－無勵磁時無保持力利用定子繞組產生的反應電磁力吸引用轉子運行，又稱反應式步進電機永磁型（PM型-PermanentMagnetType）轉子用永久磁鐵，具有記憶能力（斷電后也能保持一定轉矩）利用定子磁場與轉子磁鐵的恒定磁場相互吸引與排斥產生轉矩混合型（HB型-HybridType）、其轉子由永久磁鐵和軟磁鐵芯組成，是具有磁性的多齒結構具有VR型步進電機步距角小、響應頻率高的優點，而且還具有PM型步進電機勵磁功率小、效率高的優點，是永磁型和可變磁阻型相結合的一種形式。故稱為混合型步進電機。定子的六個磁極上有控制繞組，兩個相對的磁極組成一相注意：這里的相和三相交流電中的“相”的概念不同。步進機通的是直流電脈沖，這主要是指線圖的聯接和組數的區別ABC定子轉子IAIBIC下面以反應式步進電機為例說明步進電機的結構和工作原理工作方式步進電機的工作方式可分為：三相單三拍、三相單雙六拍、三相雙三拍等三相單三拍：三相繞組中的通電順序為：A相

B相

C相通電順序也可以為：

A相C相B相

工作過程->A相通電，A方向的磁通經轉子形成閉合回路->若轉子和磁場軸線方向原有一定角度，則在磁場的作用下，轉子被磁化，吸引轉子，使轉子的位置力圖使通電相磁路的磁阻最小，使轉、定子的齒對齊停止轉動A相通電使轉子1、3齒和AA'對齊。CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412同理，B相通電，轉子2、4齒和B相軸線對齊，相對A相通電位置轉30；C相通電再轉30。1C'342CA'BB'A這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電，而且，一個循環周期共包括三個脈沖，所以稱三相單三拍三相單三拍的特點：（1）每來一個電脈沖，轉子轉過30。此角稱為步距角，用S表示。（2）轉子的旋轉方向取決于三相線圈通電的順序，改變通電順序即可改變轉向三相單雙六拍三相繞組的通電順序為：

AABBBCCCAA

共六拍工作過程：A相通電，轉子1、3齒和A相對齊。CA'BB'C'A3412所以轉子轉到兩磁拉力平衡的位置上。相對AA'通電，轉子轉了15°（1）BB'

磁場對2、4齒有磁拉力，該拉力使轉子順時針方向轉動A、B相同時通電（2）AA'

磁場繼續對1、3齒有拉力CA'BB'C'A3412總之，每個循環周期，有六種通電狀態，所以稱為三相六拍，步距角為15CA'BB'C'A3412B相通電，轉子2、4齒和B相對齊，又轉了15三相雙三拍三相繞組的通電順序為：

AB

BC

CA

AB

共三拍。AB通電CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412BC通電以上三種工作方式，三相雙三拍和三相單雙六拍較三相單三拍穩定，因此較常采用工作方式為三相雙三拍時，每通入一個電脈沖，轉子也是轉30，即S=30CA通電CA'BB'C'A3412實際步進電動機實際采用的步進電機的步距角多為3度和1.5度，步距角越小，機加工的精度越高為產生小步距角，定、轉子都做成多齒的，圖中轉子40個齒，定子仍是6個磁極，但每個磁極上也有五個齒轉子的齒距等于360/40=9

，齒寬、齒槽各4.5為使轉、定子的齒對齊，定子磁極上的小齒，齒寬和齒槽和轉子相同工作原理：假設是單三拍通電工作方式（1）A相通電時，定子A相的五個小齒和轉子對齊。此時，B相和A相空間差120，含

120/9=齒A相和C相差240，含240/9=個齒所以，A相的轉子、定子的五個小齒對齊時，B相、C相不能對齊，B相的轉子、定子相差1/3個齒（3），C相的轉子、定子相差2/3個齒（6）若工作方式改為三相六拍，則每通一個電脈沖，轉子只轉1.5

同理，C相通電再轉3……（2）A相斷電、B相通電后，轉子只需轉過1/3個齒（3），使B相轉子、定子對齊f：電脈沖的頻率

轉速步進機通過一個電脈沖,轉子轉過的角度,稱為步距角m:一個周期的運行拍數Zr：轉子齒數如：Zr=40,m=3時步距角減小步距角－增加齒數、運行拍數三相步進電機驅動時序：ABCBCAACBABCCP單三拍驅動三相步進電機驅動時序：雙三拍驅動ABBCCABCCAABABCABCABCCP三相步進電機驅動時序：三相六拍驅動ACBABBABCCAABABCCP一、環形脈沖分配器環形分配器的主要功能（1）脈沖分配把來自控制環節的時鐘脈沖串按一定的規律分配給步進電機各相驅動器的輸入端以控制勵磁繞組的導通或截止每來一個CP脈沖，環形分配器的輸出轉換一次。因此，步進電機轉速的高低、升速或降速、起動或停止都完全取決于CP脈沖的有無或頻率（2）步進電機的轉動方向環形分配器還必須接受控制器的方向信號，從而決定步進電機的轉動方向一、環形脈沖分配器環形分配器的主要功能（3）其它功能：①使能輸入②零狀態輸出③清零輸入④方式輸入一、環形脈沖分配器環形分配器的主要功能（3）其它功能：①使能輸入當使能輸人信號有效時，才可以接受信號輸入時鐘脈沖串及其它信號；無效時，各種輸入信號都不起作用，環分維持原輸出狀態。②零狀態輸出所謂零狀態是指初始狀態，一般指狀態轉換表中的第一種狀態，對應步進電機的一種勵磁狀態。在運轉過程中，每過一次零狀態，該輸出端出現一個脈沖一、環形脈沖分配器環形分配器的主要功能（3）其它功能：③清零輸入該輸入信號有效時將使環形分配器輸出置為零狀態④方式輸入一種步進電動機可能有多種勵磁方式，如四相混合式步進電動機有單四拍、雙四拍、四相八拍勵磁方式，對應的環形分配器應該能提供這幾種勵磁方式的輸出。方式輸入就是對各種勵磁方式輸出的選通信號一、環形脈沖分配器環形分配器的主要功能（3）其它功能：④方式輸入如三相電機：A-B-C-A...

A-AB-B-BC-C-CA-A....

AB-BC-CA-AB....如四相電機：A-B-C-D-A...

A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A....

AB-BC-CD-DA-AB....一、環形脈沖分配器環形分配器的主要功能功能可以用硬件電路實現，也可以用軟件實現硬件：專用集成電路

用JK觸發器或D觸發器構成

用通用的可編程邏輯器件GAL組成環形脈沖分配器的輸出電流很小，需要功率放大才能驅動步進電機功率放大電路有單電壓、雙電壓、斬波型等....

一、環形脈沖分配器環形分配器的主要功能集成電路CH250是一種專為反應式三相步進電機設計的環形分配器，輸出驅動電流能力小于1mA，工作頻率低于2MHz。器件管腳如圖DIP16封裝

CH250的管腳說明如下：A、B、C--A、B、C三相輸出端，R3、R6--分別為雙三拍運行和三相六拍運行的清零端，高電平有效R3=1、R6=0，則輸出ABC=110R3=0、R6=1，則輸出ABC=100CL、EN--脈沖信號CP輸入端，可任選之一使用若選用CL時，上升沿觸發，此時EN為使能端，EN=1時使能，EN=0時時禁止若選用EN時,下降沿觸發，此時CL為使能端CL=0時使能，CL=1時禁止J3r、J3L、J6r、J6L--分別為雙三拍、三相六拍運行正反轉控制端

這四個端必須而且只能有一端為高電平，其余為低電平R3

R6

CLENJ3r

J3L

J6r

J6L

功能

0

0↑11000雙三拍正轉↑10100雙三拍反轉↑10010三相六拍正轉↑10001三相六拍反轉↓1××××鎖定0↓1000雙三拍正轉0↓0100雙三拍反轉0↓0010三相六拍正轉0↓0001三相六拍反轉0↑××××鎖定1××××

鎖定×0××××10××××××A=1,B=1,C=001××××××A=1,B=0,C=0雙三拍三相六拍二、功率放大電路1、單電壓功率放大電路步進電機控制中最簡單的一種驅動電路L是步進電機繞組電感；RL是繞組電阻；D是續流二極管，RC是外接的限流電阻，V是大功率開關晶體管。U電源電壓一般選擇在l0～100V左右，也有高達200V以上的。VU1、單電壓功率放大電路電機繞組L是感性負載，電路的電磁時間常數為:時間常數T越小，晶體管V從截止變成飽和導通時繞組的電流按指數曲線上升越快，達到穩定電流值的時間就越短，時間常數T越大，電流上升越慢，達穩定值時間就越長當導通時間達到3T時，電流上升可以達到穩態值的95%，這時可認為基本達穩態值。其穩態電流為：1、單電壓功率放大電路驅動電路時間常數T對電機繞組的電流到達穩態值的時間有極大關系，它影響到步進電機的工作頻率T越小，電流到達穩態的時間越短，則電機的工作頻率就可越高T越大，電流到達穩態的時間越長，電機的工作頻率就越低簡單改進方法

可用增大RC的方法減小驅動電路時間常數繞組電流I

L的波形a）Ui頻率低時b）Ui頻率高時1、單電壓功率放大電路簡單改進方法：可用增大RC方法但RC增大又會使穩態電流值減小，從而影響電機的電磁轉矩，因此在增大RC的同時，也應同時提高供電的電源電壓U保護回路：在V從飽和突然變成截止時，繞組中會產生一個很大的反電勢，這個反電勢和電源U迭加在一起加在晶體管V的集電極上時，很容易使晶體管擊穿，將續流二極管D反向接在V的集電極和電源U之間，使得在晶體管V在截止瞬間電機繞組產生的反電勢通過二極管D續流作用而衰減掉，從而保護了晶體管T不受損壞1、單電壓功率放大電路電路特點：結構簡單，工作效率低，高頻特性差。外接電阻RC消耗相當大的一部分能量，一般只用于小功率步進電機的驅動。2、單電壓基本型改進電路在外接電阻RC的兩端并聯了一個電容C，同時在續流回路中串聯一個電阻Rd2、單電壓基本型改進電路在RC上并聯電容C可以改善步進電機繞組的電流脈沖前沿特性。在功率晶體管V導通瞬間，電容相當于短路，迫使流通過繞組的電流上升進一步加快，這樣可使電流的前沿明顯變陡，從而提高了步進電機的高頻性能。不過這種電路也有不足的地方，這就是在低頻工作時會使振蕩有所增加，導致低頻性能較差在續流回路中串聯一個抑制電阻Rd，可以改善續流回路的放電時間常數Td。如忽略了續流二極管D的內阻，則有：2、單電壓基本型改進電路顯然，Rd越大，Td越小，所以Rd可減少回路的放電時間常數Td，使繞組中電流脈沖的后沿變陡，電流下降時間變小，從而提高高頻工作時的性能但Rd選得太大，會使步進電機的低頻性能明顯變壞，電磁阻尼作用減弱，共振加劇，晶體管V被擊穿的可能性增加一般情況下，抑制電阻Rd的最大值可以用晶體管V的集射極的極限電壓UCEO來計算，即：

3、單電壓恒流功率放大電路3、單電壓恒流功率放大電路用晶體管構成的恒流源代替了外接電阻RC圖(a)中，晶體管V1、V2和L、RL、D1、Rd組成單電壓的基本功率放大電路，在電路中V1是功率放大管，V2是電流放大管,它們構成復合管，組成了放大倍數足夠大的動放級晶體管V3、二極管D2、D3、電阻Rb、Re組成了恒流源電路在電路中二極管D2、D3處于正向工作狀態，它們起穩壓作用。設V3的基射極電壓為Ueb，電阻Re的壓降為URe，二極管D2、D3的正向壓降均為UD，即有:3、單電壓恒流功率放大電路在通常的情況下，二極管的飽和壓降UD為0.7V，UD=Ueb，所以流過Re的電流Ie為:

則流過電阻Re的電流Ie為:3、單電壓恒流功率放大電路只要Re是恒定的，則電流Ie也是恒定的。而Ie也就是流過電機繞組L的電流在恒流電路中晶體管V3工作在放大區，因而它有較大的等效電阻，對回路的時間常數有較大的改善電阻Re的取值一般很小，故在Re上的功耗很小。為了使V3的功耗下降，一般可采用較低電壓的電源。這樣可做到功耗小、特性好的效果3、單電壓恒流功率放大電路(b)是另一種恒流方法。其恒流原理與圖（a）一樣，只是恒流源接在電源端。恒流回路用穩壓管取代二極管采用恒流功放電路和基本型單電壓功放電路相比，頻率特性基本一致，但是功耗大為降低，提高了電源的效率3、單電壓恒流功率放大電路3、雙電壓功率放大電路電機的控制繞組中串聯電阻可以減小時間常數，但會增加電路的功耗當步進電機的工作頻率較高，且需要進一步需要加快電流上升率時，可采用加大電源電壓的強迫的過壓勵磁的方法即在通電的瞬間用高電壓過壓驅動，當電流上升到步進電機正常工作時所需要的電流時再轉入由低電壓供電因此雙電壓功率放大電路采用兩種電壓電源，一個是高電壓電源，另一個是低壓電源，故也稱高低壓功率放大電路。如圖3、雙電壓功率放大電路U1為高壓電源，大約為80～150V，U2是低壓電源，一般為5～20V左右V1是高壓電源的開關管，V2是功率驅動管V1基極加上高壓電源開關控制信號UH，同時在V2的基極加上步進控制信號UL。而且要求UH和UL上升沿的上升時刻一致，且UH的持續時間要比UL的短的多，其時間可以根據高壓源U1、電路的電磁時間常數來計算在一般的控制系統中，UH的信號是由UL信號產生的。把UL經過一個微分電路之后再整形定時得到UH，在計算機控制系統中也可以用定時器或軟件產生UH及UL3、雙電壓功率放大電路（1）高電壓工作狀態當UH、UL同時為高電平時，V1和V2同時飽和導通。由于V1導通，高壓電源U1加到二極管D1的負極，二極管D1因反向偏置而截止。高壓電源U1加在繞組和外接電阻RC上。這樣應有穩態電流I1為:高電源電壓U1對繞組供電，有利于提高電流的上升率，可以提高了步進電機的工作頻率和高頻的力矩3、雙電壓功率放大電路（2）低電壓工作狀態當UH由高電平變為低電平時，UL繼續為高電平，V1截止，V2繼續導通，低電壓電源U2通過二極管D1繼續對電機的繞組供電，故繞組中保持一定的穩態電流。從而使電機這段時間內保持相應的電磁轉矩以完成步進過程。在這段時間內，繞組的電流基本保持為:

此電流不允許超過步進電機的額定電流或者說可以將電機的額定電流代入上式來確定供電電源電壓U23、雙電壓功率放大電路（3）關斷狀態當UH和UL都為低電平時，晶體管V1和V2均處于截止狀態，高電壓電源U1和低電壓電源U2都被關斷，無法向電機繞組供電。但由于電機繞組是感性負載，在電源突然關斷時會產生較大的反電動勢，該電勢力圖保持電流的原有大小和方向在電路中二極管D1、D2提供了泄放回路。反電勢通過RL、RC、D2、U2、U1、D1電流回路而泄放。在這個回路中，U1和U2是反向相接的，其等效電路如圖所示3、雙電壓功率放大電路（3）關斷狀態如果仍以二極管D1的負極端看作電源端，則加在繞組L上的電壓是

U=U2-U1＜0，說明在晶體管V1、V2截止的瞬間，加在繞組L上的電壓是負電壓，和原來加在繞組上的正電壓相反，加速了繞組內反電勢的泄放過程，因此有較好的電流下降沿3、雙電壓功率放大電路(4)電路特點高速率的上升和下降沿。高頻特性相當好，電源效率也較好高功耗較低，高頻工作時有較大的轉動力矩高壓產生的電流上沖作用在低頻工作時會導致輸入能量過大，使電機的低頻振蕩加重在高、低壓切換時電流不夠平滑，存在有谷點，影響步進電機運行的平穩性在中功率和大功率步進電機驅動中常用end4、斬波恒流功率放大電路雙電壓功率放大電路的缺點是在高低壓連接處電流出現谷點，這樣必然引起電磁轉矩在谷點時下降斬波恒流功率放大電路可以有效地克服這種不足，并且提高步進電機的效率和電磁轉矩如圖一種典型的斬波恒流動放電路

4、斬波恒流功率放大電路UI為步進電機一相的脈沖信號，當UI為高電平時，V5導通，D1發光，V1導通，V2截止，V3、V4導通。UI為高電平也將使V6、V7、V8導通。電機得電，繞組L中的電流上升，因此采樣電阻R12上的電壓降也隨電流的上升而增加，即電位US升高，當繞組中的電流升到額定值以上時，US的電位將高于比較器A的同相輸入端的參數電壓UP，比較器A輸出負電壓，二極管D2導通。D2導通:將使V5截止，V1截止，V2導通，V3、V4截止，即關閉了電源U，電機斷電，但V7、V8仍然導通，故這時的反電勢有兩個泄放回路，4、斬波恒流功率放大電路兩個泄放回路：一個回路是L、RL、V8、R12、D3，另一個回路是L、RL、R13、D4、U、D3。由于RL是繞組電阻，R13是泄放電阻，兩個泄放回路的并聯電阻很小，所以泄放時間常數較大，繞組L中的電流泄放緩慢。當電流降到額定值以下時，采樣電阻R12上產生的壓降US低于參考電壓UP，比較器A輸出高電平。二極管D2截止，晶體管V5又導通，并有V1導通、V2截止，V3、V4導通。電源U又加于繞組L，使其電流又上升。4、斬波恒流功率放大電路繞組L中的電流保持在額定值上下似鋸齒形波動的很小的范圍內。調整電阻R11或R12的值都可以改變電流的額定值。比較器A的開環增益對電流的平滑性有影響。增益越大，波動越小。

4、斬波恒流功率放大電路當UI為低電平時，V5截止，V1截止，V2導通，使V3、V4截止。V6、V7、V8截止，則電機斷電。繞組L中的電流通過RL、R13、D4、U、D3回路泄放這時相當于對繞組L加上一個負電源-U，使電流下降速率提高，故電流泄放時間較短。4、斬波恒流功率放大電路從提高高頻工作頻率和電源效率的角度上看，斬波恒流功放電路是一種較好的功放電路。它可以用較高的電源電壓，同時無需外接電阻來限定額定電流和減少時間常數。由于電流波形頂部呈鋸齒波波動，所以會產生較大的電磁噪聲。第三節

直流伺服電機的PWM功率放大電路功率放大電路主要有兩種類型一種是晶閘管功率放大電路一種是晶體管脈沖寬度調制（PWM）功率放大電路基本組成：磁極、電樞、電刷及換向片

在A、B兩電刷間加直流電壓時，電流便從A刷流入，由B刷流出。載流導體在磁場中受到電磁力，而產生電磁轉距附：直流電動機工作原理直流電動機控制方式->電樞控制：（恒轉矩調速方式）對于它激式直流電動機，當激磁電壓恒定，而負載轉矩一定時，升高電樞電壓，電機的轉速隨之增高，反之，減小電樞電壓，電機的轉速就降低

當電樞電壓極性改變后，電機的旋轉方向也隨之改變。這種控制方式稱為電樞控制式，電樞繞組稱為控制繞組->勵磁磁場控制：（恒功率調速方式）電動機的轉速與磁通Ф（也就是勵磁電流）成反比，即當磁通減小時，轉速n升高；反之，則n降低與此同時，由于電動機的轉矩Te是磁通Ф和電樞電流Ia的乘積（即Te=CTФIa），電樞電流不變時，隨著磁通Ф的減小，其轉速升高，轉矩也會相應地減小所以，在這種調速方法中，隨著電動機磁通Ф的減小，其轉速升高，轉矩也會相應地降低。在額定電壓和額定電流下，不同轉速時，電動機始終可以輸出額定功率，因此這種調速方法稱為恒功率調速直流電動機靜態特性機械特性：指控制電壓恒定時，電機的轉速隨轉矩變

化的關系TmTd1Td2Td3ω01ω02ω03ω0Ua1Ua2Ua3直流電動機靜態特性調節特性：指轉矩恒定時，電機的轉速隨控制電壓變

化的關系。UaTm1=0Tm2Tm3ω01ω02ω03ωUa1=0Ua2Ua3第三節

直流伺服電機的PWM功率放大電路脈寬調制使功率放大器中的晶體管工作在開關狀態下，開關頻率保持恒定，通過調整開關周期內晶體管導通時間的方法來改變輸出，使電機電樞兩端獲得寬度隨時間變化的電壓脈沖脈寬的變化，使電樞電壓的平均值也發生改變，從而達到調節速度的目的PWM方式的速度控制系統主要組成脈沖寬度調制器脈沖功率放大器第三節

直流伺服電機的PWM功率放大電路一、脈寬調制器作用：根據控制指令信號對脈沖寬度進行調制，以便用寬度隨指令變化的脈沖信號去控制大功率品體管的導通時間，實現對電樞繞組兩端電壓的控制組成：由三角波發生器、加法器和比較器組成一、脈寬調制器三角波發生器用于產生一定頻率的三角波UT，經加法器與輸入的指令信號UI相加，產生信號UI+UT，然后送入比較器脈寬調制器對信號波形的調制電路如下圖一、脈寬調制器

一、脈寬調制器(a)當指令信號UI=0時，輸出信號UB為正負脈沖寬度相等，即占空比為50%的矩形脈沖(b,c)當UI>0或UI<0時，輸出電壓的波形占空比已不在是50%，改變指令信號UI即可改變輸出電壓波形的脈沖寬度當UI>0時，UB的正脈寬大于負脈寬，當UI<0時，UB的負脈寬大于正脈寬,從而實現了脈寬調制。當UI≥UTPP/2（UTPP是三角波的峰峰值）時，UB為一正直流信號；當UI≤-UTPP/2時，UB為一負的直流信號有集成化的脈寬調制器芯片，如LM3524等有些單片機本身也具有PWM輸出功能，如80C552、8098、Atmega系列等，其輸出脈沖寬度及頻率可由編程確定二、開關功率放大電路作用：對脈寬調制器輸出的信號進行放大，輸出具有足夠功率的信號，以驅動直流伺服電動機開關功率放大器常采用大功率晶體管構成根據其功能分類，有單向的和雙向的根據其結構分類，單極性的、雙極性的、有限單極性的1、單向驅動放大電路最簡單的一種形式-電動機只作單方向轉動時其中一種是：電動機的電壓和電流均為正，兩者的方向都是不可逆的特點：具有高的加速系統，減速性能卻很差，控制電路本身無減速制動功能，僅僅靠系統的摩擦力和粘滯-阻尼來減速1、單向驅動放大電路最簡單的一種形式-電動機只作單方向轉動時另一種是：單向驅動放大電路加上動力制動電路可使電機在兩象限運行電機單方向轉動，但能通過改變驅動電流而使電機的電流反向而形成制動電流，產生制動轉矩制動電流是反電勢的函數，高速時有較大的制動能力，而在零速附近電流將減少到零（1）直流電機無制動狀態的不可逆PWM系統由大功率晶體管V1和二極管Dl、D2組成功率管的基極加脈寬調制信號Ub，則電動機電樞兩端電壓Ua的波形如圖UbUa（1）直流電機無制動狀態的不可逆PWM系統電動機的轉速由平均電壓Ua決定當改變功率晶體管在一個開關周期T內的導通時間t1的長短，即可改變電樞兩端的平均電壓Ua的大小，從而控制了電動機的轉速（1）直流電機無制動狀態的不可逆PWM系統電樞電流是不能反向流動的，它不能進入第二象限運行，即無制動工作狀態這種系統在輕載(或空載)情況下還可能出現電樞電流斷續的現象（1）直流電機無制動狀態的不可逆PWM系統

（1）直流電機無制動狀態的不可逆PWM系統為簡化，圖中電流變化曲線用直線代替指數曲線。當0≤t≤t1時，Vl飽和導通，并將電動機與電源電壓Us接通,這時Us＞Eg,電流ia1按指數規律增長，電動機將電源能量轉變為機械能傳遞給負載。同時因電流ia1的增加，向電樞回路中的電感La儲存磁能。當t1＜t1≤T時，Vl管截止，則電動機和電源斷開。這時電樞電感電動勢eL=-La(dia1/dt)通過續流二極管D2將維持ia2的續流，電動機將消耗儲存的磁能，電流減小。

（1）直流電機無制動狀態的不可逆PWM系統在PWM方波信號的作用下，電樞電壓中包含有直流分量和交流分量，通常PWM的開關頻率比電動機的截止頻率要高得多，因此電樞電壓中的交流分量將被電動機所衰減，真正起作用的是直流分量，交流分量對轉速的影響是極其微小的。（2）帶制動回路的不可逆PWM系統在工程實際中，直流伺服電動機的不可逆驅動，多采用快速性能好的帶制動回路的不可逆控制。Vl是主控管，V2是輔助管兩路脈寬調制信號Ub1、Ub2加到Vl、V2的基極，且極性相反(a)基極電壓波形(b)電樞電壓波形

(c)電動狀態電流波形(d)發電狀態電流波形

(e)輕載時的電流波形

(f)狀態圖有制動的不可逆PWM控制電路0≤t＜t1期間Ub1為正，Ub2為負，V1飽和導通，V2截止，電動機與電源Us接通；t1≤t＜T期間，Ub1為負，Ub2為正，V1截止，電動機與電源Us斷開，V2飽和導通，提供了電流閉合通路。當控制電壓的占空比α一定時，根據電動機反電動勢Eg與PWM功率轉換電路輸出的平均電壓Ua之間的關系，電機可能出現不同的工作狀態。有制動的不可逆PWM控制電路當Ua＞Eg，Ia＞0時，電流的近似變化曲線如圖c所示，電動機工作在電動狀態。0≤t＜t1，電流ia沿回路1從A點流向B點，電流逐漸增加。t1≤t＜T，盡管Vl管截止，但電樞電感La中的自感電動勢將維持電流ia沿回路2繼續流動。有制動的不可逆PWM控制電路Eg＞Ua時:當脈寬調制器的控制電壓突然減小，或者電動機在位能負載轉矩帶動下工作，會出現Eg＞Ua的情況，電動機處于發電運行狀態，這時電樞電流變化如圖d所示t1≤t＜T，V2在反電動勢Eg和控制信號Ub2的作用下飽和導通，電流ia3經V2沿回路3流動，ia3的方向由B到A與反電動勢Eg同向，產生制動轉矩(能耗制動狀態)。0≤t＜t1，V2截止，這時因電樞電感的作用，電樞電流不允許突變，使Ladia/dt+Eg＞Us，電樞電流ia4維持在反方向由B到A，流動的通路只能經二極管Dl沿回路4閉合，將能量回饋給電源。有制動的不可逆PWM控制電路由于某種原因，或者電動機工作在輕載情況下，I≈0時，電動和制動狀態交替出現，電流的近似變化曲線如圖e所示，在一個開關周期之內，四個電流閉合通路交替工作。為敘述方便，假設從t=t1開始，t1≤t＜T，開始時Vl管截止，續流電流ia2通過D2由A到B沿回路2減小到在t2時刻為零，然后在反電動勢Eg的作用下，晶體管V2導通，電流ia3改變方向由B到A，沿回路3流動，電動機由電感放電的電動狀態變為能耗制動狀態。有制動的不可逆PWM控制電路由于某種原因，或者電動機工作在輕載情況下，I≈0時，電動和制動狀態交替出現，電流的近似變化曲線如圖e所示，T≤t＜T＋t1，回饋制動電流ia4沿回路4由B至A在t3時刻減小到零后，Vl管導通將電動機和電源接通，電樞電流再次改變方向由A到B沿回路1流動，電動機又由回饋制動狀態轉變為電動狀態。具有制動回路的不可逆PWM控制系統的電樞電流始終是連續的。2、雙向驅動放大電路雙向驅動放大電路能夠使電動機以兩個方向運行，可在四個象限控制。可逆PWM控制有三種工作模式：雙極模式、單極模式受限單極模式1)、雙極模式T型PWM功率轉換電路在一個開關周期內，作用到電樞上的電壓極性是正負交替的，雙極工作模式由此而得名。典型的雙極模式T型PWM功率轉換電路如圖

1)、雙極模式T型PWM功率轉換電路1)、雙極模式T型PWM功率轉換電路由大功率晶體管Vl、V2，二極管Dl、D2及兩個電源+Us、-Us組成。在0≤t＜t1期間，Vl飽和導通，V2截止，電動機的電樞A、B兩端加上+Us。在t1≤t＜T期間，V2飽和導通，Vl截止，電動機電樞A、B兩端加上-Us。當控制信號為零時，t1=T/2，Vl和V2導通時間相等，電樞電壓的平均值Ua=UAB=0，電動機不轉，此時平均電流為零。當控制信號為正時，有t1＞T/2，Ua＞0,電動機正轉當控制信號為負時，有t1＜T/2，Ua＜0,電動機反轉其波形如圖

2)、雙極模式H型PWM功率轉換電路由四個大功率晶體管和四個續流二級管組成。四個大功率管分為兩組，Vl和V4為一組，V2和V3為另一組。同一組中的兩個晶體管同時導通、同時關斷，兩組晶體管之間交替地輪流導通和截止。輸出電壓和電流波形如圖8-2-12：

(a)V1、V4基極電壓(b)V2、V3基極電壓(c)電樞電壓波形

(d)電樞電流波形

(e)工作狀態圖圖表示在信號電壓為正時輕載情況下的波形。

圖表示在信號電壓為正時輕載情況下的波形。在0≤t＜t1期間，Ub1、Ub4為正，Ub2、Ub3為負，Vl和V4導通，V2、V3截止。當Ua>Eg時，電樞電流ia沿回路1經Vl和V4從A流向B，電動機工作在電動狀態。在t1≤t＜T期間，Ub1、Ub2為負，晶體管Vl、V4截止；Ub2、Ub3為正，在電樞電感La的作用下，電樞電流ia沿回路2經D3、D2繼續維持電流在原方向從A流向B，電動機仍然工作在電動狀態。受二極管D3、D2正向導通電壓降的限制，晶體管V2、V3并不能導通。

假若在t=t2時刻正向電流ia衰減到零，則在t2≤t＜T期間，晶體管V2和V3在電源Us和反電動勢Eg的作用下導通，電樞電流ia反向流通，亦即ia沿回路3經晶體管V2、V3從B流向A，電動機工作在反接制動狀態。在T＜t≤t3期間，晶體管基極電壓改變極性，V2、V3截止，電樞電感La維持電流ia沿回路4經二極管D4、Dl繼續從B流向A，電動機仍工作在制動狀態。假若在t=t3時刻，反向電流(-ia)衰減到零，那么在t3＜t＜t4期間，在電源電壓Us作用下，晶體管Vl、V4導通，電樞電流ia又沿回路1經Vl、V4從A流向B，電動機又工作在電動狀態。

由此可見，即使在輕載情況下，電樞電流仍然是連續的，不會出現電流斷續，但其工作狀態呈電動和制動交替出現。

若電動機的負載較重，或者最小負載電流大于電流脈動量，則在工作過程中ia不會改變方向，電動機始終都工作在電動狀態，電壓、電流波形如圖（b）所示。假定電動機原來處于高速正轉狀態，當控制指令突然減小，電樞電壓Ua立即降低，使Eg>Ua。若在0＜t＜t1期間，由于電流不能突變，Ladia/dt+Eg＞Ua，電樞電流ia沿回路4經由二極管D4、Dl從B流向A，把能量回饋給電源，電動機工作在再生制動狀態。若在t1≤t＜T期間，晶體管V2、V3導通，電流ia沿回路3經V2、V3從B流向A，電動機工作在反接制動狀態。

從上面的簡單分析不難看出，電動機不論運行在何種工作狀態。在0≤t＜t1期間電樞電壓UAB總是等于+Us，在t1≤t＜T期間電樞電壓UAB總是等于-Us。雙極模式PWM控制的電樞電流無斷續現象。即使電動機不轉電樞，電壓瞬時值不等于零，而是正、負脈沖電壓的寬度相等，電樞回路中流過一個交變的電流ia這個電流可使電動機發生高頻顫動，有利于減小靜摩擦，但同時也增大了電動機的空載損耗。H型雙極模式PWM功率轉換電路只需要單一電源供電，晶體管的耐壓相對要求較低，缺點是電樞兩端電壓懸浮，不便于引出反饋，且基極驅動回路數比T型電路多。高壓伺服電動機較普遍采用H型電路。

H型雙極模式PWM功率轉換電路只需要單一電源供電，晶體管的耐壓相對要求較低，缺點電樞兩端電壓懸浮，不便于引出反饋，基極驅動回路數比T型電路多。高壓伺服電動機較普遍采用H型電路。三、同步式與異步式脈寬調制控制電路上面介紹的均是直流脈寬調制控制方法，并不改變輸出電壓的頻率。這種調制方法在低頻輸出時，諧波所產生的影響比較大，使調速系統的穩定性變差。三、同步式與異步式脈寬調制控制電路在PWM控制中，常常用一系列等幅而不等寬的脈沖來代替正弦波，將正弦半波波形分成N等分，于是正弦半波可看成由N個彼此相連的