上爵成道人华 上评良总大当 第三章电机功率驱动与系统 3.1、控制电机驱动电路 一般的运算放大器输出电压为10~15V, ◆控制电机的功率驱动 电流10~15mA,不能满足驱动电机的要 ◆电机调速系统 ◆电机随动系统 功率驱动电路将具有固定电压的电源变成 了由信号控制的能源，利用其可控制的 大容量电压或电流可驱动电机正常运行。 上承道大修 上活文丝大坐 3.1.1、概述 功率放大器件的一般选择 驱动电路的基本要求 ◆线性功率放大器(100W以内) ◆开关式功率放大器(25~5000W) ◆足够的电流和电压。 ◆晶闸管功率放大器(500W以上) ◆失真小（无交越失真），线性度好。 (后续进一步有：功率晶体管GTR、功 ◆有良好的快速响应特性。 率场效应管MOSFET、绝缘栅三极管 ◆必要时，可以限流。 IGBT、智能功率模块IPM等) 上评克1大岁 典型电路(1)：互补推挽电路 上海文总人号 3.1.2、线性功率放大器 特点： ◆使用正负电源，结构简单， 线性度好、频带宽，但效率较低（易产生 ◆电机有一端接地（加一电阻 热) 后可构成电流负反馈)。 ◆用射极跟随器来放大电流。 只放大电流，不放大电压 ◆可实现正、反向电机驱动。 1
1 控制电机的功率驱动 电机调速系统 第三章 电机功率驱动与系统 电机随动系统 3.1、控制电机驱动电路 一般的运算放大器输出电压为10～15V， 电流10～15mA，不能满足驱动电机的要 求。 功率驱动电路将具有固定电压的电源变成 了由信号控制的能源，利用其可控制的 大容量电压或电流可驱动电机正常运行。 3.1.1、概述 驱动电路的基本要求 足够的电流和电压。 失真小（无交越失真），线性度好。 有良好的快速响应特性。 必要时，可以限流。 功率放大器件的一般选择 线性功率放大器（100W以内） 开关式功率放大器（25～5000W） 晶闸管功率放大器（500W以上） （后续进一步有：功率晶体管GTR、功 率场效应管MOSFET、绝缘栅三极管 IGBT、智能功率模块IPM等） 3.1.2、线性功率放大器 特点： 线性度好、频带宽，但效率较低（易产生 热） 典型电路（1）：互补推挽电路 使用正负电源，结构简单， 电机有一端接地（加一电阻 后可构成电流负反馈）。 用射极跟随器来放大电流。 只放大电流，不放大电压 可实现正、反向电机驱动
典型电路(2)：桥式电路 上爵成道人华 电路 上证良总大当 实例 (H型电路) 输出级放大： 名0 前置放大 000 T-T6 00 ◆使用单电源 ◆如果电机反接制动时， 电源电压和反电势被两个 三极管的导通管平分，不 000 电流负反 易被击穿。 前置放大A,「 输入： 集成功率放大器 上承文总大坐 ◆L272:线性集成功放器： 3.1.3、开关式功率放大器 上活文大些 Umax=28V,Imax=1A 饱和区 1eo-lBs ◆LM1875音频集成功率放大器 LM1785参数 ic/mA 性能 LM175行建 单 制咨电克 POUT-OW 10 mA 供电电正 1660W 入夫漫电压 VCM-OV 1 mV 开环情猫 R,垂@0 90 dB I/ 出电压 R,=B0 21 输出功军 THD=1等0=1tR=80 25 这速夷真 P0=20M,F0=1We 0015 四个区域：截止、放大、饱和、击穿 诺产帮宽 55 20W,709e 三极管的开关工作原理 上证克生大孝 上海文总人孝 脉宽调制的基本原理 三极管作为开 关元件，工作 改变占空比，进 Uo9 在饱和与截止 而政变平均值 两种状态，相 当于一个由基 极信号控制的 B R UCER-0.3V 无触点开关， 周期不变脚不变 0 其作用对应于 触点开关的“闭 采样控制理论中一条结论： 合”与“断开” 冲量相等而形状不同的岸脉冲加在具有惯性的 环节上时，其效果基本相同。冲量即毕脉冲的 面积，效果基本相同是指环节的喻出响应波形 基本相同。 三极管截止与饱和状态下的等效电路 上述原理称为面积签效厚理。 2
2 典型电路（2）：桥式电路 （H型电路） 使用单电源 如果电机反接制动时， 电源电压和反电势被两个 三极管的导通管平分，不 易被击穿。 电路 实例 前置放大 T1~T6 输出级放大： T7~T12 前置放大A 输入：ui 1 电流负反 馈 集成功率放大器 L272：线性集成功放器： Umax＝28V，Imax＝1A LM1875 音频集成功率放大器 LM1785参数 性能 3.1.3、开关式功率放大器 四个区域：截止、放大、饱和、击穿 三极管的开关工作原理 三极管作为开 关元件，工作 在饱和与截止 两种状态，相 当于一个由基 极信号控制的 无触点开关， 其作用对应于 触点开关的"闭 合"与"断开" 三极管截止与饱和状态下的等效电路 脉宽调制的基本原理 脉宽 脉宽 脉宽 脉宽 改变占空比，进 而改变平均值 U ωt 周期不变 周期不变 采样控制理论中一条结论： 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的 环节上时，其效果基本相同。冲量即窄脉冲的 面积，效果基本相同是指环节的输出响应波形 基本相同。 上述原理称为面积等效原理
上爵成道人华 上评良总大当 典型电路 常用的的脉宽调制器种类 H型桥式电路 ◆用锯齿波作调制信号 ◆用三角波作调制信号 ◆用多谐振荡器和单稳态触发器组成的脉 宽调制器 ◆数字式脉宽调制器 24 锯齿波脉宽调制器的原理 PWM功率放大电路模块 上播文生大坐 Usa为输入据齿波 用三角波作调 大功率稳 U.G 调制信号，由据齿 压电路 波发生器提供 为负偏 制信号的PWM →电压放大→ 移电压 c为控制 功放模块图 电压信号 三角波发生器→ H桥电路→负我 是步改脉宽满制清(UFW) ◆连续电压变 成脉冲电压的 转换作用。 ◆运算放大器 工作在开环， 略有输入信号 就使输出饱和。 ◆开关调制频 6) 率一般为1 波肤宽制波形图 4kHz 波形关系 a)Ue=0b)U>0"c)U.<0 开关功率放大器 ,上评克生大步 上海文总人孝 主回路：可逆H型双极式PWM 开关功率放大悬 3.1.4、晶闸管基本电路 电略图：由四个大功率晶体管 T1、T2、T3、及四个铁流 二授管组成的桥式电暗。 晶闸管，又叫可控 硅。 为调制悬 轴出，经脉冲 特点：大功率半导 分配、基极驱 体器件，可开断 动转换过来的 的功率达到兆瓦 脉冲电压，分 级，比功率晶体 管高几个数量级。 3
3 典型电路 H型桥式电路 US Ub3 Ub4 Ub1 Ub2 A B D1 D2 D3 D4 M T1 T2 T4 T3 常用的的脉宽调制器种类 用锯齿波作调制信号 用三角波作调制信号 用多谐振荡器和单稳态触发器组成的脉 宽调制器 数字式脉宽调制器 锯齿波脉宽调制器的原理 连续电压变 成脉冲电压的 Usa为输入锯齿波 调制信号，由锯齿 波发生器提供 Uc为控制 电压信号 Ub为负偏 移电压 成脉冲电压的 转换作用。 运算放大器 工作在开环， 略有输入信号 就使输出饱和。 开关调制频 率一般为1～ 4kHz PWM功率放大电路模块 用三角波作调 制信号的PWM 功放模块图 电压放大 三角波发生器 比较器 H桥电路 大功率稳 压电路 负载 输 入 波形关系 开关功率放大器 主回路：可逆H型双极式PWM 开关功率放大器 电路图: 由四个大功率晶体管 T 1 、T 2 、T 3 、T4 及四个续流 二极管组成的桥式电路。 Ub1、 Ub2、Ub3 Ub4 –为调制器 输出 经脉冲 Ub3 Ub4 Ub1 Ub2 US A B D1 D2 D3 D4 M T1 T2 T4 T3 Ub1 Ub 4 输出，经脉冲 t 分配、基极驱 动转换过来的 脉冲电压。分 别加到T1 、T2、 T3 、T4的基极。 t US -US Ud UAB O t Ub 4 Ub2 Ub3 O O t t t1 T id id1 id2 id1 id2 O O O O O t3 t1 t2 T t3 t1 Ub1、Ub 4 Ub2、Ub 3 Ud UAB id t t t t id1 id1 id4 id2 id3 id4 id2 3.1.4、晶闸管基本电路 晶闸管，又叫可控 硅。 特点：大功率半导 体器件，可开断 的功率达到兆瓦 级，比功率晶体 管高几个数量级
上爵成道人华 上评良总大当 晶闸管工作原理 晶闸管工作的 基本电路(1)：触发电路 必要条件 ◆阳极A电位高 ◆电压极性：门极一阴极为正极。 于阴极K电位 ◆常用脉冲来触发（一般不用交流和直流 ◆在控制极（门 触发信号，以减小门极损耗) 极)G和阴极间 加上适当的正向 ◆须与交流电源同步（触发信号应保持规 电压（即触发信 定的相位关系) 号。 》 ◆在一定范围内可移相，使触发角能按要 ◆一旦导通后， 控制极就失去控 求变化 阳极A、门极G、阴极K 制能力) 上承文总大坐 上活文丝大坐 基本电路(2)：整流电路 双半波可控整流电路 特点：副边绕组中 可控整流，即将交流电变换为电压大小可 每个线圈在一个 调节的直流电的过程。可控整流电路可 以用来控制直流电机。 电源电压周期中 只有一半的时间 通过电流，变压 器利用率不高。 桥式全波可控整流电路及波形烤 海文总人孝 两相交流伺服电机的晶闸管电路 两组调压电路 控制绕组有一中 心抽头，使绕 触发器 控制绕组 组分成两部分 R (AM和BM): 中心抽头处加有 交流电源山1 触发器 控制信号u通过 触发回路产生 电阻负载型 务被冲，加 4
4 晶闸管工作原理 阳极A电位高 于阴极K电位 在控制极（门 极）G和阴极间 晶闸管工作的 必要条件 极）G和阴极间 加上适当的正向 电压（即触发信 号。 一旦导通后， 控制极就失去控 制能力） 阳极A、门极G、阴极K 基本电路 （1）：触发电路 电压极性：门极－阴极为正极。 常用脉冲来触发（一般不用交流和直流 触发信号，以减小门极损耗） 须与交流电源同步（触发信号应保持规 定的相位关系） 在一定范围内可移相，使触发角能按要 求变化 基本电路（2）：整流电路 可控整流，即将交流电变换为电压大小可 调节的直流电的过程。可控整流电路可 以用来控制直流电机。 双半波可控整流电路 特点：副边绕组中 每个线圈在一个 电源电压周期中 只有一半的时间 通过电流，变压 器利用率不高。 桥式全波可控整流电路及波形 电阻负载型 两相交流伺服电机的晶闸管电路 两组调压电路 控制绕组有一中 心抽头，使绕 组分成两部分 （AM和BM）； 中心抽头处加有 交流电源u1 控制信号uin通过 触发回路产生 触发脉冲，加 到门极
两相交流伺服电机的调压电路波形 上评良总大当 0电家电压 3.2、调速系统 速度调节控制，闭 环控制时一般用 测速发电机、光 发量 电码盘等传感器 进行反馈。 JS-5056型家用豪华电动跑步机 整机占用空间：1550×660×1440(mm 低噪音直流驱动电机：功率0.75k A P调速系统，调速范围：1.0-10km/h 黑白液品显示屏（速度、里程、时间、 热量、心)参数一体化 等效调节交流电压的平均幅值 连续运行时间：<2h 负载最大重量：100kg 上发道大博 (1)晶闸管开环调速系统 上活文丝大坐 3.2.1、直流电机调速系统 L为平稳负载电流脉动的平 波电抗器。可避免电感较 小时负线电流出现断续 变电压（产生可变的平均电压）调速是直 流调速系统的主要方法。 ◆基于晶闸管的调速系统 ◆脉宽调制变换器的调速系统 回-的{ GT为品间管触发装置， 其控制触发装置输出脉 冲的控制角 V为品何管 整流装置。 (2)晶闸管单闭环调速系统 上证克1大岁 整流电路：变交流电压为直流电压 闭环系统方块图 上海文总人孝 触发电路：将放大器放大后的 电压信号变为脉冲型号去控制 输出电压大小由触发电路输出脉冲 信号所决定，整流电路的输出为直 品闹管触发和整流装 电机为二阶 整流电路的输出大小。 流电动机电枢的外加电压 置的传递函数近似为 一阶惯性环节 振环节 RTH+1 1/G y 测速发电机 5
5 两相交流伺服电机的调压电路波形 等效调节交流电压的平均幅值 3.2、调速系统 速度调节控制，闭 环控制时一般用 测速发电机、光 电码盘等传感器 进行反馈。 JS-5056型家用豪华电动跑步机 整机占用空间：1550×660×1440(mm) 低噪音直流驱动电机：功率0.75kw PWM调速系统,调速范围：1.0-10km/h 黑白液晶显示屏(速度、里程、时间、 热量、心率)参数一体化 连续运行时间：＜2h 负载最大重量:100kg 3.2.1、直流电机调速系统 变电压（产生可变的平均电压）调速是直 流调速系统的主要方法。 基于晶闸管的调速系统 脉宽调制变换器的调速系统 (1)晶闸管开环调速系统 T晶闸管整流装置 的整流变压器 L为平稳负载电流脉动的平 波电抗器。可避免电感较 小时负载电流出现断续 V为晶闸管 整流装置。 GT为晶闸管触发装置， 其控制触发装置输出脉 冲的控制角α (2)晶闸管单闭环调速系统 触发电路：将放大器放大后的 电压信号变为脉冲型号去控制 整流电路的输出大小。 整流电路：变交流电压为直流电压， 输出电压大小由触发电路输出脉冲 信号所决定，整流电路的输出为直 流电动机电枢的外加电压 测速发电机 闭环系统方块图 晶闸管触发和整流装 置的传递函数近似为 一阶惯性环节 电机为二阶 振荡环节