1、 在直流电机的动力驱动中，尤其是在大功率驱动中，通常采用晶闸管驱动。当晶闸管用于直流电机的控制中时，最常用的形式是采用可控整流的方式，通过控制晶闸管的导通角而将交流电直接转换成电压或电流可调的直流电，从而实现对电机的电枢电流进行控制，获得高性能的直流拖动控制。6.3.1直流电机的晶闸管驱动控制直流电机的晶闸管驱动控制在许多工业和商业应用中，直流电机是由直流电压直接供电的，如无轨电车、电动叉车、电瓶拖车等，需要将这些直流电转换成不同的直流电压来满足直流电机的调速要求。有许多方法可以完成这种功能，而其中比较先进的技术是采用晶闸管的直流斩波器。直流斩波器（D.C.Chopper）又称为截波器，它是将
2、电压值固定的直流电，转换为电压值可变的直流电源装置，是一种直流对直流的转换器（DC to DC Converter）。直流斩波器能直接将一种电压的直流电根据直流电机拖动的需要而转换成另一种电压的直流电，从而实现对电机的高性能控制。优点：控制平滑效率高响应速度快能再生等斩波器是一种将负载与电源接通继而又断开的晶闸管通断开关，其作用是把固定的电源电压转换成满足负载变化要求的可变电压。其原理如图61所示，斩波器用虚线框内的一晶闸管代表。1）降压斩波器的工作原理v图61降压直流斩波器原理 第7章动力驱动及其计算机控制 6tOTuotontoffURuoS+_uaE设一个工作周期为T，在ton时间内，晶
3、闸管导通，负载与电源接通。在toff时间内，斩波器断开，负载依靠续流二极管VD续流，以保持负载电流的连续性。就这样依靠电动机电枢自身的滤波作用，在负载两端得到经过斩波的直流电压。其平均电压可由下式表示：aonononoffttUEEEttT（1）式中：ton导通时间；toff关断时间；T 斩波周期，T=ton+toff；工作率，=ton/T。由式（1）可见，负载电压受斩波工作率的控制。工作率的变更方法有两种：（1）恒频系统。f=1T保持斩波周期不变，只改变晶闸管的导通时间ton。这种方法称为脉冲宽度调制（PWM）。（2）变频系统。改变斩波周期T，同时保持导通时间ton和关断时间toff两者之一
4、不变。这种系统叫做频率调制。频率调制有以下缺点：频率调制必须在宽范围内改变，以满足输出电压范围的要求，变频调制滤波器设计比较难，对信号传输和通信干扰的可能性比较大；在输出电压很低的情况下，较长的关断时间会使直流电动机的负载电流断续。因此，对于斩波器转动系统，恒频调制是最优的选用方案。图61中直流斩波器的电路结构所产生的输出电压低于所用电源的电压。然而，若将电路设计为如图62所示的结构，则可以得到较高的负载电压。2）升压斩波器EVRLVDCioi1iGuol 原理图：保持输出电保持输出电压压储存电能储存电能为了实现升压变换和能量传递，在脉冲升幅斩波电路和负载之间接一逆止二极管VD。图62升压直流
5、斩波器原理当斩波器导通时，电感器与电源接通，来自电源的电能被储存在电感中。当斩波器关断时，就强制电流通过二极管和负载，此时电感器两端的电压EL为负，这个电压加在电源上，强制电感器的电流进入负载。如果忽略电源电流脉动，那么在斩波器导通期间由电源输入给电感器的电能为oniEItW（2）当斩波器关断时，电感器释放给电动机的电能为 ooffOW(UE)It（3）假设系统无损耗，则在稳态时这两项电能相等，即 onooffEIt(UE)It（4）可得：oonoffoffonttT1UEEEtTt1（5）因此，当在（0，1）范围内变化时，电压Uo的变化范围就是E，+）。斩波器最主要的用途是工业或交通运输传动
6、用直流电动机的转速控制。下面讨论斩波器供电的串激和他激电动机的工作特性。斩波器供电的串激直流电动机的基本电路如图 61所示。假设电动机电流ia是连续的，ton、toff分别是一个控制周期内的导通时间和关断时间，并且转速是固定不变的。在0tton时，晶闸管导通，电压方程为3）斩波器供电的直流电动机式中：C1 串激电动机励磁绕组系数；E 直流电源电压；Ra 电枢及励磁线圈电阻；ia 电枢电流；La 电枢及励磁线圈电感；n 电机转速；C2 串激电动机机械刚度系数。ddaaaa1 a2IER ILC i nC nt（6）而当晶闸管关断时，即tonttoff，晶闸管关闭，电压方程为 d0daaaa1 a
7、2IR ILC i nC nt（7）在稳态时，晶闸管导通时刻电流最小，晶闸管关断时刻电流最大。设电动机电枢电流的最大值和最小值分别Imax和Imin，则可求得上述微分方程（6）和（7）的解为：当0tton时，min1ee-t/t/2aaEC ni(1)IRC n（8）当tonttoff时，max1e-t/t/2aa1C ni(e)IRC n（9）式中：t=t-ton=La/（Ra+C1n）。由此可以求出Imax和Imin，从而求出机电传动系统中（或执行装置）任意时刻的电磁转矩。在直流电机的伺服驱动控制中，通常采用全控型的驱动元件，如大功率晶体管、MOSFET、IGBT等。与晶闸管之类的半控元件
8、相比，这些元件具有驱动电路简单、开关频率高、体积小等优点，随着功率的增加其价格也非常昂贵。但在伺服驱动中，通常功率较小，因此价格因素并不影响对这些全控元件的选用。6.3.2直流电机的全桥驱动控制直流电机的全桥驱动控制在伺服驱动中，最常用的控制方式为调压调速控制方式。在这种控制方式中，当负载一定时，电机的转速与电枢电压成线性关系，这种关系决定了直流电机具有优良的控制性能。根据他励直流电机原理，电机运行的决定因素是电枢电流。电枢电流与电机驱动转矩成正比，因此，只要控制电机的电枢电流，就能对电机的驱动转矩进行控制，进而控制机电传动系统的动态响应过程。有多种控制电路可以实现直流电机电枢电流的控制，包括
9、电机的正、反转控制。其中，最常用的当属T型桥驱动和H型桥驱动电路，如图63所示。T型桥驱动需要有正、负电源，两个功率元件必须是互补的；H型桥驱动只需要单一电源，但需要4个功率元件。目前，H型桥由于只需要单电源而获得了更广泛的应用，虽然其驱动比T型桥复杂，但由于避免了采用更复杂的正负电源结构，因此在成本上还是合算的。v图63直流电机驱动原理 v线性功率放大可使电机在四象限下工作。v但因调速时两只晶体管工作在放大状态，管压降总是存在的，电源功率有相当一部分变成了晶体管发出的热量，效率较低。v晶体管是电流放大器件，驱动电路较复杂。v需要双电源供电。vT1、T2是一对互补晶体管。v双电源供电。v当Ub
10、为正时，T1导通，T2截止，加到电机电枢绕组上的电压为正，电流ia产生正向力矩使电机正向旋转。v当Ub为负电压时，T1截止，T2导通，加到电枢绕组上的电压为为。电流ia产生反向力矩使电机反向旋转v电机在正向运行过程中需要减速时，可降低Ub电压值，这时由于电机转速不能突变，初始瞬时Ua维持原电压，并出现Ua Ub的情况，这使T1截止，T2导通，产生反向电枢电流使电机工作在制动状态，电机开始减速，Ua逐渐下降，直到再次出现T2截止，T1导通的状态。vH H桥驱动电路桥驱动电路 下图中所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，
11、而电机就是H中的横杠（注意：该图只是示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如下图所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。H桥电路
12、驱动电机顺时针转动下图所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。H桥电路驱动电机逆时针转动在H型桥驱动中，要避免单桥臂短路，即防止同一桥臂上的两个功率元件同时导通，否则将导致功率元件烧毁。有多种模式的控制信号可以防止上、下桥臂直通，在机电一体化系统的直流驱动控制中，较常用的控制模式是对上、下桥臂加互补的导通信号，即上桥臂导通时下桥臂一定要关断，下桥臂导通时上桥臂也一定要关断，如图64所示。从机电系统驱动的观点来看，这种控制可以实现更高的响应速度，原因是这种控制模
13、式能对直流电机的电枢电流进行更快、更精确的控制。从逻辑上来讲，这种控制模式上、下桥臂的功率元件不可能同时导通，但考虑到功率元件实际的开关过程，则这种模式是不可靠的。这是因为，对于任何种类的功率元件，其导通和关断过程都需要一定时间，在这段时间内，功率元件究竟是处于导通状态还是关断状态是不确定的，因此导致了上、下桥臂在导通和关断的瞬间有可能产生直通的现象，导致功率元件的损坏。为避免这种现象，需要在上、下桥臂的导通控制上加死区时间，使之在任何情况下都不能同时导通。具体的死区控制形式如图64所示，将桥臂上每一个功率元件的关断时间都加一个提前量，这个提前量称为死区时间，死区时间用td表示。这样就能保证在
14、一个功率元件可靠关断后，另一个功率元件才能打开，有效地避免了两个功率元件同时导通的情况发生。v图64H型桥驱动信号的波形 死区时间由于在H型桥驱动中，每个桥臂上所采用的功率元件都是相同的，不像T型桥驱动那样是互补的，这就给上、下桥臂功率元件的驱动带来了一定的难题。在T型桥驱动中，由于上、下桥臂的功率元件具有互补性，因此可以用同一个信号进行驱动，如图63（a）所示；而在H型桥驱动中，由于上、下桥臂的功率元件是一样的，因此每个功率元件必须单独设置驱动电路，如图63（b）所示。H桥驱动和T桥驱动相比较：从图中63（b）还可以看出，在上桥臂功率元件和下桥臂功率元件的驱动中，各自驱动信号的低压端分别接在
15、了被驱动功率元件的发射极，这就意味着上桥臂的驱动电压比下桥臂的驱动电压要高。有两个途径可以解决这一问题：其一是对上、下桥臂驱动电路分别采用互相隔离的电源；其二是对上桥臂驱动电路采用升压技术。H桥驱动和T桥驱动相比较：1）直流电机调速控制与晶闸管相比，晶体管控制电路简单，不需要附加关断电路，开关特性好,而且功率晶体管的耐压性能已大大提高。因此，在中、小功率直流伺服系统中，晶体管脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）方式驱动系统已得到了广泛应用。6.3.3直流电机调速和伺服控制直流电机调速和伺服控制所谓脉宽调制，就是使功率晶体管工作于开关状态，开关频率恒定，用改变开关导通时间的方法来调整晶体管的输出，使电机两端得到宽度随时间变化的电压脉冲。当开关在单周期内的导通时间随时间发生连续变化时，电机电枢得到的电压平均值也随时间连续发生变化，而由于内部的续流电路和电枢电感的滤波作用，电枢上的电流则连续改变，从而达到调节电机转速的目的。图65为脉宽调制系统的组成原理图。该系统由控制部分、功率晶体管放大器和全波整流器三部分组成。控制部分包括速度调节器、电流调节器、固定频率振荡器及三角波发生器、脉宽调制器和基极驱动电路。其中控制部分的速度调节器和电流调节器与晶闸管调速系统相同，控制方法仍采用双环控制，不同部分是脉宽调制和功率放大。v图65PWM直流调速系统 控制部分
