的磁场能量经二极管VD释放（续流）。电动机电枢两端得到的电压
UAB为脉冲波，
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8.1 直流脉宽调制电路的工作原理

其平均电压为
ton U d U S U S T
式中, ＝ton /T为一个周期T中，大功率晶体管导通时间的比
率，称为负载电压系数或占空比, 的变化范围在0~1之间。一般情 况下周期T固定不变，当调节ton ，使ton 在0~T范围内变化时，则电

电枢电流id从电源US的正极→VT1→电动机电枢 →VT4→到电
源US的负极。

当ton ≤t<T时，ub1和ub4变负，VT1和VT4截止；ub2和ub3变正，
但VT2和VT3并不能立即导通，因为在电动机电枢电感向电源US 释放 能量的作用下，电流id沿回路2经VD2和VD3形成续流，在VD2和VD3上
流一id的通路。因此应该设置控制反向通路的第二个功率晶体管， 如图8－4(a)所示。这种电路组成的PWM传动系统可在一、二两个象 限运行。
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8.1 直流脉宽调制电路的工作原理

此时，功率晶体管 VT1、和VT2的驱动电压大小相等、方向相反，
即UG1 ＝ －UG2 。当电机在电动状态下运行时，平均电压应为正值， 一个周期内分两段变化。
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8.1 直流脉宽调制电路的工作原理

同时在VD1上的压降使VT1不能导通。在制动过程中VT2和VD1轮流
导通，而VT1始终截止，电压和电流波形如图8－4(c)所示。反向电 流的制动作用使电机转速下降，直到新的稳态。

最后应该指出，当直流电源采用半导体整流装置时，在回馈制
动阶段电能不可能通过它回送电网，只能向滤波电容C充电，从而造
采用了全控式的电力晶体管，开关频率可达数十千赫。直流电压US
由不可控整流电源提供，采用大电容滤波，二极管VD在晶体管VT关 断时为电枢回路提供释放电感储能的续流回路。

大功率晶体管VT的基极由脉宽可调的脉冲电压ub驱动，当ub为
正时，VT饱和导通，电源电压Us 通过VT的集电极回路加到电动机电 枢两端；当ub为负时，VT截止，电动机电枢两端无外加电压，电枢

由于在一个周期内，电枢两端电压正负相间，即在0≤t<ton期
间为＋US ，在ton<t<T期间为－US所以称为双极性PWM变换器。利用
双极性PWM变换器，我们只要控制其正负脉冲电压的宽窄，
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8.1 直流脉宽调制电路的工作原理

就能实现电动机的正转和反转。当正脉冲较宽时（ton>T/2），
则电枢两端平均电压为正，电动机正转；当正脉冲较窄时 （ton<T/2） ，电枢两端平均电压为负，电动机反转；如果正负脉 冲电压宽度相等（ton＝T/2） ，平均电压为零，则电动机停止。此 时电动机的停止与四个晶体管都不导通时的停止是有区别的，四个 晶体管都不导通时的停止是真正的停止。平均电压为零时的电动机 停止，电动机虽然不动，但电动机电枢两端瞬时电压值和瞬时电流 值都不为零，而是交变的，电流平均值为零，不产生平均力矩，但
通。右边两管VT3 和VT4的驱动脉冲与双极性时不同，改成因电动机 的转向不同而施加不同的直流控制信号。

如果电动机正转，就使ub3恒为负，ub4恒为正，使VT3 截止，
VT4饱和导通，VT1和VT2仍工作在交替开关状态。这样，在0≤t≤ton
期间，电动机电枢两端电压uAB =US，而在ton≤t<T期间，uAB=0。在
由于晶体管开关频率较高，利用二极管VD的续流作用，电枢电
流Id是连续的，而且脉动幅值不是很大，对转速和反电势的影响都 很小，为突出主要问题，可忽略不计，即认为转速和反电势为恒值。


8．1．2．不可逆、有制动力PWM变换器
图8－2所示的简单不可逆电路中，电流id不能反向，因此不能
产生制动作用，只能作单象限运行。需要制动时，必须具有反向电
8.2 脉宽调速系统的控制电路


8．2．1．直流脉宽调制器
在直流脉宽调速系统中，晶体管基极的驱动信号是脉冲宽度可
调的电压信号。脉宽调制器实际上是一种电压一脉冲变换器，由电
流调节器的输出电压UC 控制，给PWM装置输出脉冲电压信号，其脉 冲宽度和 UC 成正比。常用的脉宽调制器有以下几种：
上可分双极式、单极式和受限单极式三种。

1.双极式PWM变换器

双极式PWM变换器主电路的结构形式有H型和T型两种，我们主
要讨论常用H型变换器。如图8—5所示，双极式H型PWM变换器由四个 晶体管和四个二极管组成，其连接形状如同字母H，因此称为“H 型”PWM变换器。它实际上是两组不可逆PWM变换器电路的组合。
电动机带有高频微振，因此能克服静摩擦阻力，消除正反向的静摩
擦死区。
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8.1 直流脉宽调制电路的工作原理

双极式可逆PWM变换器电枢平均端电压可用公式表示为
Ud ton T ton 2t US U S ( on 1)U S T T T
以

=Ud/US来定义PWM电压的占空比，则与ton的关系为
的压降使VT2 和VT3 的集电极—发射极间承受反压，当id过零后，
VT2和VT3导通，id反向增加，到t＝T时id达到反向最大值，这期间电 枢AB两端电压uAB＝－US。

由于电枢两端电压uAB 的正负变化，使得电枢电流波形根据负
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载大小分为两种情况。
8.1 直流脉宽调制电路的工作原理

在0≤ t≤ TON 期间(TON为VT1导通时间)，UG1 为正，VT1饱和导
通；UG2为负，VT2截止。此时，电源电压US加到电枢两端，电流id沿
图中的回路1流通。

在TON ≤ t ≤ T期间，UG1、UG2 都变极性，VT1截止，但由于电
流i d沿回路2经二极管VD2 续流。在VD2 两端产生的压降(其极性如

受限单极式PWM变换器在负载较重时，电流单方向连续变化，
因而电压、电流波形与单极式电路一样；但当负载较轻时，若通过 VD的续流电流衰减到零，电流会出现断续的现象，这时电动机电枢
两端的电压uAB跳变为US。断续现象将使PWM调速系统的动、静态特性
变差，换来的好处是系统的可靠性得到了提高。
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3．受限单极式PWM变换器

在单极式PWM变换器电路中有一对晶体管开关元件VT1和VT2交替
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导通，仍有上下管直通的危险。
8.1 直流脉宽调制电路的工作原理

如果将控制方式进行适当的改进，当电动机正转时，让ub2恒为
负，使VT2一直截止，VT1则处于开关工作状态；当电动机反转时， 让ub1恒为负，使VT1一直截止，VT2 处于开关工作状态，其它晶体管 的驱动信号与单极式电路相同，这样就不会产生上下管直通的故障 了，这种控制方式称为受限单极式。
成瞬间的电压升高，称“泵升电压”。如果回馈能量大，泵升电压
太高，将危及功率开关器件和整流二极管，必须采取措施加以限制。
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8.1 直流脉宽调制电路的工作原理


8．1．3．可逆PWM变换器
为了克服Байду номын сангаас可逆变换器的缺点，提高调速范围，使电动机在四
个象限中运行，可采用可逆PWM变换器。可逆PWM变换器在控制方式

2．单极式PWM变换器 单极式PWM变换器的电路和双极式PWM变换器的电路一样，只是
驱动脉冲信号不一样。在单极式PWM变换器中，四个晶体管基极的驱 动电压是：左边两管VT1 和VT2 的驱动脉冲ub1＝－ub2，
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8.1 直流脉宽调制电路的工作原理

具有与双极式一样的正负交替的脉冲波形；使VT1和VT2交替导

2ton 1 T
调速时， 的变化范围变成 －1≤≤ 1 。当

为正值时，
电动机正转；当
停止。

为负值时，电动机反转；当
＝0 时，电动机
双极式PWM变换器的优点是：电流连续，可使电动机在四个象
限中运行，电动机停止时，有微振电流，能消除静摩擦死区，低速 时每个晶体管的驱动脉冲仍较宽，
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一个周期内电动机电枢两端电压uAB总是大于零的，所以称为单极式 PWM变换器。电动机正转时的电压电流波形如图8－7所示。

如果希望电动机反转，就使ub3恒为正，ub4恒为负，使VT3饱和
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导通，VT4截止，VT1和VT2仍工作在交替开关状态。
8.1 直流脉宽调制电路的工作原理

这样，在0≤t≤ton期间，电动机电枢两端电压uAB=0 ；而在
Ud的局面。这时VT2就在电机制动中发挥作用。

现在分析处于制动状态的工作情况。在TON≤t≤T期间，UG2变正，
VT2导通，产生的反向电流－id沿回路3通过VT2流通，产生能耗制动，
直到t＝T为止。在T≤t≤T＋TON（也就是0≤t≤TON）期间，VT2截止，
－id沿回路4通过VD1续流，对电源回馈制动，
图8－4(a)所示)给VT2施加反压，VT2并不导通。因此，实际上是VT1、
VD2交替导通，VT2而始终不通，
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8.1 直流脉宽调制电路的工作原理

其电压和电流波形如图8－4(b)所示，波形和图8－3的情况一
样。

如果在电动运行中要降低转速，则应该先减小控制电压，使UG1
的正脉冲变窄，负脉变宽，从而使平均电枢电压Ud降低。但由于惯 性的作用，转速和反电动势还来不及立即变化，造成反电动势E >