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PWM控制技术，直流伺服电机的控制技术
PWM控制技术，也称脉宽调制控制技术，英文全称：Pulse Width Modulation。近年来，直流伺服电机的结构和控制方式都发生了很大变化。随着计算机的发展以及电力电子功率器件的不断出现，采用全控型开关功率元件进行脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)的控制方式已经成为主流。 
图1-12 直流PWM控制的原理图 图1-12是利用开关管对直流电机进行PWM控制的原理图，如图，开关管的栅极输人信号Up为高电平时，开关管导通，直流伺服电机电枢两端电压Ua=Us，电枢两端电流上升；经历时间t1后，栅极输入信号变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0，电枢两端的电流Ia通过二极管 VD2续流并下降，再经历时间t2后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复以上过程。这样，在一个时间周期 T=t1+t2内，直流伺服电机电枢两端的电压平均值为： Ua= (t1Us+0) / (t1+t2) = t1Us / T= αUs 式中：α=t1/T为占空比，表示在一个周期T内，功率开关管导通时间与周期的比值，其取值范围为0≤α≤1。因此，当电源电压Us保持不变时，电枢两端电压平均值Ua取决于占空比α的大小，改变α的值，就可以改变Ua的平均值，从而达到调速的目的，这就是直流PWM调速的控制原理。 在PWM调速中，占空比是一个重要的参数，有3种方法可以改变占空比： 1）、定宽调频法：保持t1不变，只改变t2的值，这样周期T或斩波频率发生改变； 2）、调宽调频法：保持t2不变，只改变t1的值，这样周期T或斩波频率发生改变； 3）、定频调宽法：同时改变t1，t2，而保持周期T或斩波频率不变。 由于前两种方法过程中改变了斩波频率，当斩波频率与系统的固有频率接近时容易引起振荡，因此，这两种方法应用较少，一般采用第三种调速方法，即定频调宽法。 可逆PWM调速系统可使直流伺服电机工作在正反转的场合，可分为单极性和多极性两种驱动方式。 1）、单极性可逆的驱动方式 单极性驱动是指在一个PWM控制周期里，电动机电压极性呈单一性变化。单极性驱动电路有两种。 一种称为T形电路，需要采用正负电源，相当于两个不可逆的组合，因其电路形状像“T”字，故称为T形。由于T形单极性驱动的电流不能反向，并且两个开关管正反转切换的工作条件是电枢电流为0，因此电动机动态性能较差。这种驱动电路已很少采用。 另一种单极性驱动电路称为H形，也即桥式电路。这种电路中电动机动态性能好，因此在各种控制系统中广泛采用。 
图1-13 H形单极性 PWM驱动系统示意图 如上图，系统由4个开关管和4个续流二极管组成，单电源供电。图中Up1~Up4分别为开关管VT1~VT4的触发脉冲。电机正转时，同步触发信号加在VT1，VT2上且状态相反，同时Up3为低电平、Up4为高电平，这样电枢两端的电压UAB≥0；电机反转时，同步触发信号加在VT3，VT4上且状态相反，同时Up1为低电平、Up2为高电平，这样电枢两端的电压UAB≤0。 电机正转时，VT1驱动信号、电枢电压及电流波形如图1-14所示。 
图1-14 VT1驱动信号、电驱电压及电流波形 当要求电机在较大负载下加速运行时，电枢平均电压大于反电动势，即Ua>Ea。在每个PWM控制周期中当0≤t<t1时，VT1导通，VT2截止，电流Ia方向沿回路1流动，经VT1、VT4从A到B流过电枢绕组。当t1≤t<T时，VT1截止，电源断开，在反电动势的作用下，电流Ia方向沿回路2流动，经VT4，VD2续流，电枢电流方向为从A到B。此外，由于二极管的钳位作用，虽然Up2为高电平，VT2实际不导通，平均电流Ia>0。 当电动机空载或轻载运行时，平均电压与电动势几乎相当，即Ua≈Ea。在每个PWM控制周期中当0≤t<t1时，VT2截止，电流Ia方向先沿回路4流动，先经VD4，VD1流向电源，方向从B到A，电动机工作于再生制动状态；当电流减小到0后，VT1导通，电流Ia方向沿回路1流动，方向为从A到B并经VT1，VT4，电动机处于电动状态。当t1≤t<T时，VT1截止，电流Ia方向先沿回路2流动，通过VT4，VD2续流，方向为从A到B，电动机工作于续流电动状态；当电流减小到0后，在反电动势的作用下，电流Ia方向再沿回路3流动，经VD4，VT2从B到A，电动机工作在能耗制动状态。 由上述分析可知，在每个PWM控制周期中，电动机依次运行在再生制动、电动、续流电动和能耗制动四种状态，电流围绕横轴上下波动。 当电动机减速运行时，电枢平均电压小于反电动势，即Ua< Ea。在每个PWM控制周期中当0≤t<t1时，在反电动势的作用下，电流Ia方向沿回路4流动，经VD1~VD4流向电源，方向从B到A，电动机处于再生制动状态。当t1≤t<T时，VT2导通，VT1截止，在反电动势的作用下，电流Ia方向沿回路3流动，经VD4、VT2从B到A，电动机工作在能耗制动状态。 单极性可逆PWM驱动的特点是驱动脉冲仅需两路，电路较简单，驱动的电流波动较小，可以实现四象限运行，是一种应用广泛的驱动方式。 2）、双极性可逆的驱动方式 双极性驱动是指在一个PWM控制周期内，电枢两端的电压呈正负交替变化。与单极性一样，双极性驱动电路也分为T形和H形。 由于在T形等效电路中，开关管要承受较高的反向电压，因此在功率较大的伺服电动机系统中应用受到限制，H形驱动电路不存在这个问题，应用较为广泛。 H形双极性驱动可逆PWM 驱动系统的主电路同图1-13。四个开关管 VT1~VT4分为两组，VT1，VT4为一组，VT3，VT2为另一组。同组开关管同步导通或截止，而不同组的开关管则与另一组的开关管状态相反。 在每个PWM控制周期，当控制信号Up1，Up4为高电平时，Up2，Up3为低电平，VT1，VT4导通，VT2，VT3截止，电压UAB=Us；当控制信号Up2，Up3为高电平时，Up1，Up4为低电平，VT2，VT3导通，VT1，VT4截止，电压UAB=-Us。因此电枢两端正负交变，称其为“双极性”。 在一个PWM控制周期中电枢电压经历了正负两次变化，电枢平均电压为：Ua=(t1/T) * Us - (T-t1)/ T * Us = (2α-1) * Us 由上述公式可知，双极性PWM控制的驱动，电枢平均电压取决于占空比α的大小。当α=0时，Ua=-Us，电动机反转，且转速最高；当α=½时，Ua=0，电动机停转，但电机中仍有交变电流流过，使电动机产生高频振荡，该振荡有利于克服电动机负载的静摩擦，提高电动机的动态特性；当α=1时，Ua=Us，电动机正转，且转速最高。 
图1-15 双极性驱动信号Up1和电流波形 图1-15为电机正转、反转和不转三种情况下驱动信号Up1和电流波形。 当要求电机在较大负载下正转运行时，电枢平均电压大于反电动势，即Ua>Ea。在每个 PWM控制周期中当0≤t< t1时，VT1、VT4 导通，VT2、VT3 截止，电流Ia方向从A到B；当 t1≤t< T时，VT2、VT3 导通，VT1、VT4 截止，虽然绕组两端加反向电压，但由于绕组负载电流较大，电流方向不会发生变化，但电流幅值的下降幅度比单极性驱动要大，因此电流波动较大，电流波形如图1-15(a)所示。 当要求电机在较大负载下反转运行时，情况刚好相反，电流波形如图1-15(b)所示。 当要求电机不转时，α=1/2，平均电枢电压Ua=0。在每个PWM周期中当0≤t<t1时， VT1、VT4导通，VT2、VT3截止，电流Ia方向从A到B；当t1≤t<T时，VT2、VT3导通， VT1、VT4截止，电流Ia方向从B到A，因此电流围绕横轴波动，平均值为0，电流波形如图1-15(c)所示。 双极性驱动时，电动机可以在四象限上运行，低速平稳性好，但在运行过程中，由于4个开关管都处于开关状态，功率损耗较大，因此双极性驱动仅适用与中小型直流伺服电机，使用时要加“死区”保护，防止同一桥路上下开关管直通。
PWM控制原理
直流伺服电机的转速控制方法可分为两类：对磁通进行控制的励磁控制和对电枢电压进行控制的电枢电压控制。绝大多数直流伺服电机采用电枢电压控制方式，现以电枢电压控制方式的直流伺服电机为分析对象，介绍通过PWM控制技术来控制电枢电压实现调速的方法。 图1-12 直流PWM控制的原理图 图1-12是利用开关管对直流电机进行PWM控制的原理图，如图，开关管的栅极输人信号Up为高电平时，开关管导通，直流伺服电机电枢两端电压Ua=Us，电枢两端电流上升；经历时间t1后，栅极输入信号变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0，电枢两端的电流Ia通过二极管 VD2续流并下降，再经历时间t2后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复以上过程。这样，在一个时间周期 T=t1+t2内，直流伺服电机电枢两端的电压平均值为： Ua= (t1Us+0) / (t1+t2) = t1Us / T= αUs 式中：α=t1/T为占空比，表示在一个周期T内，功率开关管导通时间与周期的比值，其取值范围为0≤α≤1。因此，当电源电压Us保持不变时，电枢两端电压平均值Ua取决于占空比α的大小，改变α的值，就可以改变Ua的平均值，从而达到调速的目的，这就是直流PWM调速的控制原理。 在PWM调速中，占空比是一个重要的参数，有3种方法可以改变占空比： 1）、定宽调频法：保持t1不变，只改变t2的值，这样周期T或斩波频率发生改变； 2）、调宽调频法：保持t2不变，只改变t1的值，这样周期T或斩波频率发生改变； 3）、定频调宽法：同时改变t1，t2，而保持周期T或斩波频率不变。 由于前两种方法过程中改变了斩波频率，当斩波频率与系统的固有频率接近时容易引起振荡，因此，这两种方法应用较少，一般采用第三种调速方法，即定频调宽法。 可逆PWM调速系统可使直流伺服电机工作在正反转的场合，可分为单极性和多极性两种驱动方式。 1）、单极性可逆的驱动方式 单极性驱动是指在一个PWM控制周期里，电动机电压极性呈单一性变化。单极性驱动电路有两种。 一种称为T形电路，需要采用正负电源，相当于两个不可逆的组合，因其电路形状像“T”字，故称为T形。由于T形单极性驱动的电流不能反向，并且两个开关管正反转切换的工作条件是电枢电流为0，因此电动机动态性能较差。这种驱动电路已很少采用。 另一种单极性驱动电路称为H形，也即桥式电路。这种电路中电动机动态性能好，因此在各种控制系统中广泛采用。 图1-13 H形单极性 PWM驱动系统示意图 如上图，系统由4个开关管和4个续流二极管组成，单电源供电。图中Up1~Up4分别为开关管VT1~VT4的触发脉冲。电机正转时，同步触发信号加在VT1，VT2上且状态相反，同时Up3为低电平、Up4为高电平，这样电枢两端的电压UAB≥0；电机反转时，同步触发信号加在VT3，VT4上且状态相反，同时Up1为低电平、Up2为高电平，这样电枢两端的电压UAB≤0。 电机正转时，VT1驱动信号、电枢电压及电流波形如图1-14所示。 图1-14 VT1驱动信号、电驱电压及电流波形 当要求电机在较大负载下加速运行时，电枢平均电压大于反电动势，即Ua>Ea。在每个PWM控制周期中当0≤t<t1时，VT1导通，VT2截止，电流Ia方向沿回路1流动，经VT1、VT4从A到B流过电枢绕组。当t1≤t<T时，VT1截止，电源断开，在反电动势的作用下，电流Ia方向沿回路2流动，经VT4，VD2续流，电枢电流方向为从A到B。此外，由于二极管的钳位作用，虽然Up2为高电平，VT2实际不导通，平均电流Ia>0。 当电动机空载或轻载运行时，平均电压与电动势几乎相当，即Ua≈Ea。在每个PWM控制周期中当0≤t<t1时，VT2截止，电流Ia方向先沿回路4流动，先经VD4，VD1流向电源，方向从B到A，电动机工作于再生制动状态；当电流减小到0后，VT1导通，电流Ia方向沿回路1流动，方向为从A到B并经VT1，VT4，电动机处于电动状态。当t1≤t<T时，VT1截止，电流Ia方向先沿回路2流动，通过VT4，VD2续流，方向为从A到B，电动机工作于续流电动状态；当电流减小到0后，在反电动势的作用下，电流Ia方向再沿回路3流动，经VD4，VT2从B到A，电动机工作在能耗制动状态。 由上述分析可知，在每个PWM控制周期中，电动机依次运行在再生制动、电动、续流电动和能耗制动四种状态，电流围绕横轴上下波动。 当电动机减速运行时，电枢平均电压小于反电动势，即Ua< Ea。在每个PWM控制周期中当0≤t<t1时，在反电动势的作用下，电流Ia方向沿回路4流动，经VD1~VD4流向电源，方向从B到A，电动机处于再生制动状态。当t1≤t<T时，VT2导通，VT1截止，在反电动势的作用下，电流Ia方向沿回路3流动，经VD4、VT2从B到A，电动机工作在能耗制动状态。 单极性可逆PWM驱动的特点是驱动脉冲仅需两路，电路较简单，驱动的电流波动较小，可以实现四象限运行，是一种应用广泛的驱动方式。 2）、双极性可逆的驱动方式 双极性驱动是指在一个PWM控制周期内，电枢两端的电压呈正负交替变化。与单极性一样，双极性驱动电路也分为T形和H形。 由于在T形等效电路中，开关管要承受较高的反向电压，因此在功率较大的伺服电动机系统中应用受到限制，H形驱动电路不存在这个问题，应用较为广泛。 H形双极性驱动可逆PWM 驱动系统的主电路同图1-13。四个开关管 VT1~VT4分为两组，VT1，VT4为一组，VT3，VT2为另一组。同组开关管同步导通或截止，而不同组的开关管则与另一组的开关管状态相反。 在每个PWM控制周期，当控制信号Up1，Up4为高电平时，Up2，Up3为低电平，VT1，VT4导通，VT2，VT3截止，电压UAB=Us；当控制信号Up2，Up3为高电平时，Up1，Up4为低电平，VT2，VT3导通，VT1，VT4截止，电压UAB=-Us。因此电枢两端正负交变，称其为“双极性”。 在一个PWM控制周期中电枢电压经历了正负两次变化，电枢平均电压为：Ua=(t1/T) * Us - (T-t1)/ T * Us = (2α-1) * Us 由上述公式可知，双极性PWM控制的驱动，电枢平均电压取决于占空比α的大小。当α=0时，Ua=-Us，电动机反转，且转速最高；当α=½时，Ua=0，电动机停转，但电机中仍有交变电流流过，使电动机产生高频振荡，该振荡有利于克服电动机负载的静摩擦，提高电动机的动态特性；当α=1时，Ua=Us，电动机正转，且转速最高。 图1-15 双极性驱动信号Up1和电流波形 图1-15为电机正转、反转和不转三种情况下驱动信号Up1和电流波形。 当要求电机在较大负载下正转运行时，电枢平均电压大于反电动势，即Ua>Ea。在每个 PWM控制周期中当0≤t< t1时，VT1、VT4 导通，VT2、VT3 截止，电流Ia方向从A到B；当 t1≤t< T时，VT2、VT3 导通，VT1、VT4 截止，虽然绕组两端加反向电压，但由于绕组负载电流较大，电流方向不会发生变化，但电流幅值的下降幅度比单极性驱动要大，因此电流波动较大，电流波形如图1-15(a)所示。 当要求电机在较大负载下反转运行时，情况刚好相反，电流波形如图1-15(b)所示。 当要求电机不转时，α=1/2，平均电枢电压Ua=0。在每个PWM周期中当0≤t<t1时， VT1、VT4导通，VT2、VT3截止，电流Ia方向从A到B；当t1≤t<T时，VT2、VT3导通， VT1、VT4截止，电流Ia方向从B到A，因此电流围绕横轴波动，平均值为0，电流波形如图1-15(c)所示。 双极性驱动时，电动机可以在四象限上运行，低速平稳性好，但在运行过程中，由于4个开关管都处于开关状态，功率损耗较大，因此双极性驱动仅适用与中小型直流伺服电机，使用时要加“死区”保护，防止同一桥路上下开关管直通。