直流电机
PWM调速
脉冲宽度调制 - Pulse Width Modulation
• 利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的 一种非常有效的技术 • 应用：测量、通信、功率控制与变换
PWM
V T T/2
0
t
PWM
PWM变换器和PWM-M系统开环机械特性 脉宽调制原理
脉冲宽度调制（PWM）是通过功率管的开关作用，将恒定 直流电压转换成频率一定，宽度可调的方波脉冲电压，通过 调节脉冲电压的宽度而改变输出电压平均值的一种功率变换 技术。由脉宽调制器向电机供电的系统称为脉宽调速系统， 简称PWM-M调速系统。
（二）可逆PWM变换器 其主电路结构有H型，T型等，常用H型变换器，它由4个 电力晶体管和 4个续流二极管组成桥式电路。在控制方式上 分双极式、单极式和受限单极式三种。着重分析双极式H型 PWM变换器，然后再简要说明其它方式的特点。 1、双极式可逆PWM变换器
+
Us
（1）构成特点 4个VT的基极驱动分两组。 VTl 和 VT4 同时导通和关断，
n0
U s
Ce
调速系统的空载转速，与占空比成正比；
n
Id R 负载电流造成的转速降。 Ce
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2、有制动作用的PWM变换器 （1）电路组成 需制动时须有反向电流-id的通路，应设置控制反向的第 二个电力晶体管，形成VT1和VT2交替开关的电路，如图（a） 所示。电路由VT1和VT2，VD1和VD2组成。VT1是主管，起 控制作用；VT2是辅助管，构成电机的制动电路。
8
Ud
ton U s U s T
图3-2（b）中绘出了电枢的脉冲端电压ud、平均电压Ud和 电枢电流id的波形。id 是脉动的。因开关频率较高，电流脉 动幅值不会很大，影响到转速n和反电动势E的波动就更小了。
电压平衡方程 机械特性方程
Ud E Id R
n E U s I d R n0 n Ce Ce Ce
ub1 U b2
VD1
VT2
VD 2
U b1 U b2
3 2 0
+
VT1
VD 2
VT1
U b2
VD1
E M +
t
Ud E id
0
VT2
1
VT1
U b1
U i d Us
U i Us d
0
4
C Us +
(a)
ton
4
0
1
2
1
T (b)
ton
t
(
（2）工作原理
VT1 和 VT2 的驱动电压 Ub1=-Ub2 ，电动运行时，正脉冲比负 脉冲宽，平均电流为正值，一个周期内分两段变化。 在 0≤t<ton期间， Ub1 为正， VT1饱和导通； Ub2为负， VT2截 止。Us加到电枢两端，电流id 沿图中的回路1流通。有
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Ub
0
t
Ub ud
VT
M
Us
+ ~
ud ,id
Us
ud Ud E id tonT
C
VD (a)
0
id
t
(a) 原理图 (b)电压和电流波形 图 4-24 简单的不可逆 PWM这换器
（2）工作原理
VT的基极由脉宽可调的电压Ub驱动。在一个周期内，当 0≤t<t0n时，Ub为正，VT饱和导通，Us通过VT加到电枢端。 t0n≤t<T时，Ub为负，VT截止，电枢失去电源，经VD续流。 电机得到的平均端电压为：
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did2 Rid2 L E0 dt
如在电动运行中要降低转速，则应使 Ub1的正脉冲变窄，
负脉冲变宽，从而使 Ud降低，由于惯性作用，转速和反电势 还来不及变化，造成E>Ud。这时希望VT2能发挥作用。 制动过程分析： ①在ton≤t<T阶段。由于Ub2变正，VT2导通，E-Ud产生反向 电流-id沿回路3通过VT2流通，产生能耗制动，直到t=T止。 ②在T≤t<T+ton阶段。VT2截止，-id沿回路4通过VD1续流， 对电源回馈制动，同时在VD1上的压降使VT1不能导通。 ③结论：在整个制动状态中，VT2、VD1轮流导通，而VT1 始终截止，电压和电流波形示于图3-3（c）。反向电流的制动 作用使电机转速下降，直到新的稳态。
+
图3-1 PWM-M调速系统 (a)系统原理图 (b)输出电压波形
VT
ud
Id
Us Ud
M
Us
VD (a)
Ud
0
-
ton
toff
T
t
(b)
假定VT先导通ton，这期间电源电压全部加到电枢上，然后关断toff，电枢失去电源，
经VD续流。如此周而复始，则电枢端电压波形如图3-1( b )所示。电机电枢端电压 的平均值为：
④结论：双极式可逆 PWM 变换器的电流波形和不可逆但有制动电流通路的 PWM变换器差不多。 怎样才能反映出“可逆”的作用呢？这要视正、负脉冲电压的宽窄而定。 当正脉冲较宽时，ton>T／2，则电枢两端的平均电压为正，电机正转。 当正脉冲较窄时，ton<T／2，平均电压为负，电机反转。 当正、负脉冲宽度相等，ton=T／2，平均电压为零，电动机停止。 图3-5所示的电压、电流波形都是在电动机正转时的情况。
VT1
VD1
U b1
1
VD3
VT3
驱 动 电 压 Ub1=Ub4 ； VT2 和 VT3 同 时 动 作 ， 驱 动 电 压 U b2=Ub3=-Ub1。波形于图3-5。
VT2
A
VD 2
M
U b3
B
VD 4
VT4
U b4
U b2
2
图3-4
双极式H型PWM变换器电路
（2）工作原理
①当0≤t<ton时，Ub1和Ub4为正，晶体管VT1和VT4饱和导 通，而 Ub2 和 Ub3 为负， VT2 和 VT3 截止。这时 +Us 加在电枢 AB两端，UAB=US，电枢电流id沿回路1流通。 ②当ton≤t<T 时，Ub1和Ub4变负，VT1和VT4截止；Ub2、 Ub3 变正，但 VT2 、 VT3 并不能立即导通，因在电枢电感释 放储能的作用下，id沿回路2经VD2，VD3续流， VD2、 VD3 上的压降使 VT2 和 VT3 的 c-e 端承受反压，这时 UAB=-US 。 UAB 在一个周期内正负相间，双极式 PWM 变换器的特征， 其电压、电流波形示于图3-5。
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U b1 U b4
0
VD 2 VD VT VT1 VD2 VD 3 1 3 VT4 VT4 t on T
t
U b2 U b3
0
U AB
U s
t
0
-5 1 1 2 2 3 4 1 1
id1 id2
id
0
t
双极式PWM变换器 电压和电流波形
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③UAB 的正、负变化，使电流存在两种情况，如图 3-5 中 的id1和id2。 id1 相当于负载较重情况，平均电流大，在续流阶段电流 仍维持正方向，电机始终工作在电动状态。 id2 相当于负载很轻的情况，平均电流小，在续流阶段电 流很快衰减到零，于是VT2和VT3的c-e两端失去反压，在(Us)和电枢反电势的合成作用下导通，电枢电流反向，沿回 路3流通，电机处于制动状态。同理，在0≤t<ton期间，负载 轻时，电流也有一次倒向。
did1 U s Rid1 L E dt
在ton≤t<T 期间，Ub1和Ub2都变极性，VT1截止，但VT2却不
能导通，因 id 沿回路 2 经 VD2 续流，在 VD2 两端产生的压降给 VT2 施加了反压。实际上是 VT1 、 VD2 交替导通，而 VT2 始终 不通，其电压和电流波形如图3-3（b）所示。此时，有
t on 1 ton ton Ud Usdt Us US US T 0 t on t off T

t on ton t on t off T
为PWM的占空比。改变
改变占空比的方法
可调压，实现电机调速。
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二、脉宽调制变换器
PWM变换器分：不可逆和可逆两类。 可逆变换器分：双极式、单极式和受限单极式多种。 （一）不可逆PWM变换器 1、无制动作用的PWM变换器 （1）电路组成 图3-2所示为变换器的主电路原理图。采用全控型的GTR 代替半控型的晶闸管，电源电压 Us 为不可控整流电源，采 用大电容C滤波，VD在VT关断时为电枢提供续流回路。