直流伺服系统的PWM功率放大器应用研究

摘要

摘要在高精度伺服控制系统中， 大多采用基于电力电子器件的脉宽调制型功率放大器，简称 P WM功率放大器。它能实现宽范围的速度和位置控制并具有优良的性能。然而在 P WM功率放大器的主回路中电力电子器件工作在开关状态，易产

生过压、过流现象，器件承受较高d/t d/t vd, d并产生较大的损耗，影响器件 i本身的性能和寿命，同时 d/t d/t vd, d还会产生严重的电磁干扰，如在光学测 i量设备中，这种干扰将会影响其它系统正常运行。因此开展 P WM功率放大器的

研究，设计出性能可靠、电磁兼容性好的P WM功率放大器具有重要的工程实用意义。

论文简要介绍 P WM功率放大器的组成、工作原理、特点及存在问题；对常见H型双极性模式 P WM功率放大器的工作特性作了定性和定量的分析，指出了电枢电流脉动量和电枢电流连续与否是衡量 P WM控制方案优劣的两个本质参

数。然后在围绕P WM功率放大器的电磁兼容性、可靠性及灵活控制等方面进行了以下工作：

为增加 P WM功率放大器控制的灵活性，能够方便实现各种直流 P WM控制

模式，利用可编程逻辑器件的可重复编程和在线下载特性、 V D用 H L语言设计了基于可编程逻辑器件的P WM控制器。该控制器具有成本低、可靠性好及集成度高等特点。对直流 P WM功率放大器的电磁兼容性进行了分析，提出了抑制 P功率 WM放大器千扰的几种措施；在现有的P WM功率放大器上做了R D吸收电路实验， C

实验结果表明， C R D吸收电路能有效抑制电机两端电压浪涌和 d/t d/t vd, d引 i起的电磁干扰。

选用富士公司集驱动和保护于一体的智能功率模块( M IB ) ( - T制作了 I G PP WM功率转换电路，设计了上下阐值可单独调节的泵升电压检测电路，并利用内部集成的制动用 IB G T和外接耗能电阻构成了泵升限制回路，使整机具有电路简单、体积小、可靠性高等特点。

关键词：P WM功率放大器，电磁兼容， C R D吸收电路， P D P C L, WM控制器，I M- P I GBT

ABS TRACT

ASR C BTAT

I h h c i C o t, WM w r li b e o pw r eio D s v ssm t P n p s n e y e h i r g r e p e a p fr d o e o m ie a n s e c oi

dv e im iy d Icn le wd r g cnoo sed l t n ei s a lue. a r i t i a e t l pe ad e r c c s n s t e z h a e e n o r f npsi ad s eet aitsB t p w r coi dv e i P oio n h ecln cpbli . te e e t n ei s WM t n a x l a ie u h o l r c c n e

pw r li a w rn it o- s t e i poui t oevlg ad o ea pfr ok g h n f e a l r c g vr oae m ie r e i n o t, y d n h e a s e - t n

oecrn vru et户eo ea U dr cni n pw r coi dv e a - r nm n. e t odi t o e e tn ei s n h e t h o e l r c c r e e ban h hr d dd ad r ee y s, uni ie c aiy er g e d/, t m e r l e i ec g l a bi ad i i g v t i n o ng o s n/ s l f n t f l n s p t

l - a. h s e et d/, t c s t s e eco antm i s nA t a t, v t ddao e e r ltm ges f p t m i h d i l a h v e r e e m e/ s u e e id tracssc a e t bne i te te c i t oot wlm k t iubne, h t d u acs h pool tc dle l e s u s h ir s n h e r h e i i a h e

o e ss m w ri ip pr. t r er o E ad i iy P t r t s k g r eyS h e a h MC r a l o WM h ye o n m o l o s c f n e bi f e l t

a pfr t iprneg e i m ai . m l ehs m oat nen en g i ah i e t ni rg n T e pnn, k g n p, at e ad e s WM w r oet w rn pi ie avn gs df t o P h cm o s o i rc l d a n e c f p e o a pfr ir ue bi y t d s ao. w r n ca c rts m li a no c rf i h ie tn Te k g r tii o ie r td d e n

s r i h o i h a esc f e l e t 1b de pw r li idulpli m d iaa zd l te ad 1 rg P - i WM ea pfr ob - at oe nl e qati l n o m i n e o r e y s y u i v y a qati l ad cnl i t t t n m gid ad nnos s o ul te n t oc s n fc at nue c tuun s i v y h a e uo h l u a u a t n oi e fam tr cr n ae es tl a e r w i cn ue t ea a P r a e r t t s n a pr t s c a b s o l t WM u u e r h e i a m e h h e d v u e e

cn o m dsTe wt r a t E, bi ad t l il o P ot l e. n h r o ri i y cn o fx iy WM r o h i e d MC ea l n o r l bi f g l t e t pw r li, f l i cn n a s d d o ea p frh oo n ot t r t i . m ie t lw g e s u e e e T ipo t ot l il o WM ea pfr r i a i s e cno fx iy P pw r li ad le k d o rv h m e r l bi f e t o m ie n e z l n a l oP f cn o m d, WM noe i ds nd s o C L b ui WM t l e a c t lr ei e b e n D s g or o P o r l s g a d P y n V D, i hs f teo l cs h h aiy ier i H L w c at e u s o ot i ri l ad g tn h h h a r f e w, e bi n n ao g l t t

Te C C p e a pfr nl e a e r m a r t o D P M wr le iaa zd s e l u s hE M f W o m i s y n v a e e o i d sr ti t d t bne o P e rn iu acs WM w r pfr pt w r B s o t sa h s r e f p e a li a u f a . e n o m ie r e o d a d h r e

P pw r l eieiec, C s becci xem nic rd WM ea pfr x t et R D br u epr et re ot o

m i n sn h i e n u i t i s i u r aad rslso s t R D ubr u cn t i t vlg sre n te ut w tat C s be cci a r rn o ae g ad h e h h h e n i t e a h t u n r s ete tra c s d/t d/t h ds b n e o vd, d. iu f i

T e pw r -C neo bs o I - B idvl e. hP WM e D D c vrr e n I T ee pd Te o C o t a d P G s o M hm aui cci n r tin cci f p t e a o i e. ete e r g u ad rn g u o pm vlg a l ds ndT e i s n i t e a i i t u oa r s e g r s r e h nr ss m s avn gs ip cci m l i ad h ai y yt h t dat eos l iu, a s e h ri l . e ah e a f e t l n i e b i m r s z g l t K y rs P e w d: o WM o e a pfr E, D ubr ci C L, pw r l e MC R s be c u, D P m i, i C n i t P r WMc nrlrIM- B o t l, I T oe P G

第一章绪论

第一章绪论Il ' P”直流 W控制技术国内外发展概况

P WM功率放大器是伺服系统的重要组成部分，它的性能之优劣对整个伺服系统的性能影响较大，其造价在伺服系统中经常占较大比例。目前基于全控型电力电子器件的P WM功率放大器驱动永磁式直流电动机，是高精度伺服控制领域中应用最为广泛的形式。国外于二十世纪六十年代开始应用 P WM伺服控制技术，起初用于飞行器中

小功率伺服系统。七十年代中后期，在中等功率的直流伺服系统上较为广泛地使用 P驱动装置，到八十年代， WM驱动在直流伺服系统中的应用己 WM P经非常

广泛了。现在各工业先进的国家竟相发展 P伺服机构，如美国 K l o e WM om r n l g公司Iad电机部为本公司所生产的直流伺服电 nn l机研制了各种 H BA D M R -N P W驱动装置，德国 A G公司为坦克火炮稳定器、舰载平台、雷达天线、自行火炮 E

等伺服系统研制了G A RV“ E D IE系列晶体管 P WM驱动装置，对于近 2吨重的 0大惯量坦克

武器，其低速平稳跟踪速度优于 0 ma/,最大跟踪速度达 .rs 2 d0 8r/其它一些国外制造商还很多， .5d。 7 as如日本三菱电机、瑞士的 B C公司等. B

国内有些高校、 研究所和工厂于上世纪七十年代末期相继开展了P WM系统的研究。 P在 WM控制电路、驱动电路、功率转换电路以及系统的分析和设计等方面作了很多工作，并取得了一定研究成果，在一定范围内达到了工业推广的水

平。96 5 18年月中国电工技术学会电控系统与装置专业委员会召开的全国性“直流P WM控制技术学术交流会”,为推动我国的 P技术的发展作出了重要贡 WM献。

目前以全控型电力电子器件作为功率转换元件的P WM系统，在我国己经广

泛地用于数控机床、精密机床、仿型机床、重型机床的进给、机器人驱动装置、精密速度控制以及快速跟踪高精度武器伺服系统中。特别需要指出的是，我国在国防工业上，现有装备武器的伺服系统大多数为电液驱动、交磁电机扩大机驱动或早期的晶闸管系统，无论技术性能和战术使用要求，都不能适应现代武器装备的要求，用直流 P WM控制技术来改造武器装备的伺服系统，使旧武器焕发青春，已成为旧式装备改造的潮流。随着电力电子和半导体集成技术的发展，电力电子器件的电压、电流等级、

直流伺服系统的 P WM功率放大楼应用研究

开关频率及集成度的不断提高，制造出的P WM系统容量也越来越大，可靠性越高，P WM控制技术应用范围也将日益广泛。2直流 PM W功率放大器的原理、组成及特点在现代直流伺服系统中，P WM功率放大器是利用全控型电力电子器件的开

关特性来调制固定电压的直流电按一个固定的频率来接通和断开，源，并根据需要改变一个周期内“接通”“和断开”的时间长短，通过改变直流伺服电动机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速，因此这

种P WM功率放大器又称为“开关驱动装置”。P WM控制的示意图如图曰所示。

芝

图 1 P M控制示意图 - W 1可控开关 s以一定的时间间隔重复地接通和断开，当 s接通时，供电电源 U通过开关 5施加到电动机两端，电源向电机提供能量，电动机储能；当开关 s

s断开时，中断了供电电源 U向电动机提供能量，但在开关 s S接通期间电枢电感所储存的能量此时通过

续流二极管 D使电动机电流继续流通。

在电动机两端得到的电压波如图 1所示。电机两端电压的平均值玩可用 - 2下式表示： U

二 u二a=、 u, t

(lro

式中 I一开关每次接通时间； -no T开关通断工作周期( TI+f; 一即=o t)_ “占比一 a t一，, T空 -

第一章绪论

图1 P - WM控制电 2压波形由式( 1 ( ) 1可见，改变开关接通时间 t和开关周期 T - -的比例，即占空比。,电动机两端电压的平均值也随之改变，因而电动机转速得到控制。直流 P WM功率放大器组成原理图如图 1所示。 - 3

「川一川刹川川动与保护电路驱

图朋

阵蹂三

川洲酬到日

噶整

相

1口司流

阳进桥

阵 11粼

￣v

图 1 P M功率放大器原理图 - W 3在研制 P WM功率放大器时，选用的智能功率模块己集成了图 1虚线框中 - 3

的电路，使整体电路设计变得简单些。

与一般晶闸管系统(- ) VM相比，基于全控型电力电子器件的 P M功率放大 W器路具有如下特点：

(主回路线路简单，需用的功率器件少； 1 ) (开关频率高，电 2 )流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小； (低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽： 3 ) (系统频带宽，快速响 4 )应性能好，动态抗扰能力强； (主电路元件工作于开关状态，导通损耗小，装置效率高； 5 )(直流电源采用不控三相整流时，电网功率因数高。 6 )

直流伺服系统的 P WM功率放大器应用研究

但在直流P WM功率放大器中，主回路即功率转换电路的器件工作在开关状态，是系统的严重干扰源，尤其是开关频率高时更为严重，对其设计和布线必须

非常小心，引线电感和祸合电容会引起线路的干扰，所以电磁兼容性设计是P WM功率放大器设计中特别需要注意的问题。另外功率转换电路的供电电源通常为不可控制的整流电路，其二极管单向导电特性使电动机能量不能回馈给交流电网。当电动机突然制动时，会引起供电电源母线上电压升高，即所谓的“泵升”现象，它将影响并联于电源母线上其它器件的耐压。因此从可靠性出发，在设计P WM功率放大器时，对功率转换电路供电电源泵升现象也加以

注意。13功率器件！B简介 . GT

P WM功率放大器是直流伺服系统核心部分，其功率器件的质量、工作条件直接影响着整个系统的技术性能和工作可靠性。P WM功率放大器的设计任务就是根据实际工程要求，选择功率器件和控制方案，分析其安全因素，通过电路设计来改善其工作条件，确保 P WM功率放大器的可靠运行。直流 P 功率放大器中选用的功率器件大致经历了可关断晶闸管 GI, WM ' O电力晶体管 G R T、场效应晶体管 MO F T和绝缘栅双极性晶体管 IB SE G T等几个

阶段。前，目在直流P M功率放大器中 W采用的开关功率器件主要是IB . B G TI T G是二十世纪八十年代出现的一种复合型全控电力电子器件，它既具有 M SE O FT高输入阻抗、高速、热稳定性好，驱动功率小的特点，又具有 G R通态电压低， T导通损耗小而耐压高的优点。在以IB为核心的P GT WM功率放大器设计中， B I T G的栅极驱动与保护电路是关键。IB G T的静态特性与动态特性与门极驱动条件密

切相关。门极的正偏电压+ c、负偏压-v: vr u和门极电阻凡的大小，对 1B GT的通态电压、开关时间、开关损耗、承受短路能力以 d/电流等参数有不同及 vt d程度的影响。门极驱动条件与器件特性的关系如表 1所示。 - 1表 1门极驱动条件与器件特性的关系 - 1特性不F个S

t En 1, l负载短路能力 o n, o o E f o l降低略减小增加增加降低

dl电流 vt d增加减少减少

+ G增大 VE-G增大 VE

降低

R增大 G

第一章绪论

为了提高功率器件和整机系统的可靠性， 电路设计者大都采用集驱动与保护

功能于一身的集成电如日路，本富士电机公司的E B4系列、本三菱电 X 81日机公司的 M599 75系列、日本英达公司的 H 05 R 6系列以及美国I R公司的I20 R 1系列

等。有关 IB的驱动集成电 GT路应用可参阅文献囚，对各种集成驱动集成电文中路的驱动与保护特性进行深入研究，探讨了IB G T保护电路的设计思想。近年来，

由IB G T单元构成的功率模块在智能化方面得到了迅速发展，出现了智能功率模

块 ( M IB )它不仅包括基本组合单元和驱动电路， I - T, P G而且具有保护和报警功能，也已广泛用于变频器、直流伺服系统等领域中。第四章设计的直流 PM W

放大

器的主回路功率转换电路正是基于富士R系列IB - P GT I M.14 .论文研究意义及内容 P WM控制技术因其显著的特点在光测设备，尤其是低速、高精度光测设备中获得了广泛应用。 WM功率放大器是光测设备伺服系统的重要组成部分。功 P率放大器设计的好坏直接关系光测设备的整体性能。 P在 WM功率放大器的主回路中全控型电力电子器件 IB G T工作在开关状态，易产生过压、过流现象，器件承受较高d/,, v t it产生较大的损耗， d dd/影响器件本身的性能和寿命，同时d/, vt d dd还会产生严重的电磁千扰，影响光测设备中的其它系统、部件的正常运行。 it/因此开展 P WM功率放大器的研究，设计出性能可靠、电磁兼容性好的伺服系统

功率放大器具有重要的工程实用意义。论文研究目 标是研制一台有良好的电磁兼容性和可靠性、控制方式灵活的直

流P WM功率放大器供实验用，具体要求如下：具有过压、过流保护功能；具有制动功能；具有良好的电磁兼容性；配备灵活可变的 P WM波产生及控制电路；

有良好的实用性，可望用于工程实践中。围绕这些目论文主要开展研究内容标，如下：分析了直流 P WM功率放大器的电磁兼容性，提出了抑制千扰的几种措施：在现有直流 P WM功率放大器上进行了R D吸收电路实验，实验结果表明 R D C C

吸收电路可有效抑制电枢电机电压浪涌和 d/td/t起的 vd,id引千扰；选用智能功率模块设计了P WM功率放大器的功率转换电路和泵升电压检测和抑制回路。利

用可编程逻辑器件的可重复编程和在线下载特点， H L用V D语言设计了P M控 W制器。

直流伺服系统的P WM功串放大器应用研究

第二章直流 PM W功率放大器工作特性分析21 .引言直流 P WM系统可分为可逆和不可逆系统， P在 WM功率放大器中分别对应

不同的功率转换电路结构。其中不可逆系统有两种工作形式：无制动状态和有制动状态，可逆系统有三种工作模式：双极性、单极性和受限单极性。它们的控制

特性不尽相同，但分析方法大同小异。本章着重讨论可逆系统 P WM功率放大器的工作特性，其分析方法可推广至其它情形。由于功率放大器设计的好坏直接影响到整个系统的技术指标和性能，因此对 P WM功率放大器工作特性进行分析，对选择合适的 P控制方案具有重要指导意义。 WM在分析直流 P功率放大器 WM

工作特性时，

假定控制信号己给定，仅对其主回路P WM功率转换电路进行分析。直流可逆 P WM功率放大器中典型的功率转换电路结构如图21 -所示：

岁

j乎们川

坐处 c-_」卜 Z, '

图21 -可逆P WM系统功率转换电路由图可知， 功率转换电路的输入电压通常是经由电网电压整流、大电容滤波

得到的不控直流输入电压 U, S通过控制全控型电力电子器件(1 V,和V ) (, V V 2 3 4的开关时间，功率转换电路的功能是将不控的直流输入变为可控的直流输出，从而达到调节电机转速的目的。

在分析直流P WM功率转换电路的工作特性时，如下假设！作了‘ !:(全控型电力电子器件是无惯性的，即忽略其开关过程所需时间。 1 )() 2脉宽调制的开关周期 T远小于电动机的时间常数，即忽略 P WM控制的

传递延迟对系统的影响。个开关周期内，在一电动机转速变化很小，可把反电动

势E看作处理。 R常数 (电机电路用电 a感L和反电 枢回可阻R、电。 3动 )动势凡等示 流效表直输入电压 U内阻为零且有很大的滤波能力，即认为在不同的工作状态下 U都为常

第三章直流 P WM功率放大器工作特性分析

数。

(当电动机的平均电 4 )磁转矩 T= T和负载转矩 T平衡时，,KI v t i .系统工作在准稳定状态，这时电枢电流 i s呈周期性脉动变化。 22 .双极性 PM功率放大器工作特性分析 W

双极性模式P M控制特点 W是在一个开关周期内，作用到电枢上的电压的极性是正负交替的，双极模式由此得名。双极性模式可由T型和 H型两种功率转换电路实现。 T型电路结构简单，便于实现电能的反馈，但要求以双电源供电，且电力电子器件承受的反向电压较高，为电源电压的两倍。因此 T型电路只适用

于小功率的低压伺服电动机系统。本节着重对应用较广泛的H型双极模式P WM功率放大器工作特性作定性和定量分析。22 1 .. H型双极模式 PM工作原理 W

H型双极模式 P WM功率放大器主回路功率转换电路如图2所示。 -2

城〕训勺

「[ -巨「

巨4 - -2 -! D}D。 1一飞！叠三{书 L=买{落可}本}}月！,「仁L _

讹」一’{

图2 H型双极模式P - 2 WM功率转换电路图中V1V为全控型电力电子

开关器件， - 4 4 - DID为起续流作用的快速恢复

二极管，电源电压为认， lu u-4为开关器件的驰动电压，双极模式工作时满足u=3 -u二 4 lu= 2一u,输出电压和电流波形如图2所示。 -3在 0 rr ,<<期间，u,为正，u,为负，故V,导通，V,截 l0 2u 4 1V 3 2 V 4

止，电枢平均电 .机反电 )电流i路1当机电压U写电>势时，枢电 Q沿回从A流向B,如图2所示。 I t 7 - 2在，<’ -<期间，u,为负，而u,为正。V,截 lu 3 2u 4 1V 3止，在电枢电感L作用下，电枢电流沿回路 2 D,继续维持从 A流向。经 2D 4 B,电机仍处在电动机状态，在此期间受D,导通的限制， 2 V不会导 2D 4 V, 4

直流伺服系统的P WM功率放大撰应用研究

UIu,J

a )

祝，1 2u

b )

c )

l a

d )

0

e— )电流方向导通管

工作状态动

电电动

反接制动动制馈

回

图23 -H型双极模式 P WM电压、电流波形

a V,驱动电压b 2 V驱动电压c枢电压波形 ) V 1 3 ), V 4 )电 d电流波形e )枢电 )工作状态表示8

第二章直流P WM功率放大器工作特性分析

通。假定在12=时刻正向电 u t流i衰减到零，在t i T则 2<期间， 2 V在电< V, 4源

电压认和电反电机的势凡作用通，枢电沿回经V,从B下导电流路3 2 V 4流向A机处于制动状态。 T tl,电在<<j期间， l u为正， 2 u u, 3 u, 4为负，V, 2V 4截止，电枢电感维持电枢电流 i s沿回路4 D,从 B流向A电机仍处于制经 1D 3,

动状态。若在 t3=时刻， t反向电流幅值也衰减到零，那么在t t l 3<,<期间， 1 V,V重又导通，其波形又同0 t t期间一样，见图23 3<<, -所示。

由以上分析可知， 在双极模式工作条件，由于电枢电感的作用，电枢的电流 i。波形是连续的。假定电机正处于高速正向转动状态，此时突然将 P WM的控制指令减为零，即u-4的正负脉宽相等，于是电 lu枢平均电压 U也为零。但电机 a

转存惯电反势凡不突若<<,间于电子在量，机的电能变。在0 tt,由感的几期

作也电电、能变会致，+>,是流沿路用使枢流不突，导L E U于电、回 4嘱},经 D, l

D 3从 B流向 A,把能量回馈给电源，电机处于再生制动状态。而在 1 1<<T t期间，V,导通，电流 i 2 V 4 Q沿回路 3 V,从 B流向 A经 2V 4,电机处于

反动状当到稳接制态。达态时，机使电停转， K零。 E变为这时由枢电于电压瞬时值 u。 .不等于零， a而是正负脉冲电压的宽度相等，电枢回路中将会流过一个交变的电流 i这个交变电流会使电动机发生高频微颤， s,这有利于减小静摩擦，改善系统的低速性能，同时也增加了电动机的空载损耗。

可见，通过改变 P M正负脉冲宽度即可改变电机平均电枢电压 U的大小 W和极性，从而达到双向调速的目的。 212双极模式 PM .. W控制电枢电流计算

由上小节内 容可知，在双极模式 P WM控制下，一个开关周期内，电枢电压是正、负交替的，当控制信号正负脉冲宽度相等时，电枢回路仍有脉动电流。可见，电流的性质与使用的P WM模式有关，它对伺服系统的工作特性有显著的影响。为了评价 P模式的性能， WM便于实践正确选择 P WM的控制模式，因此对

P WM控制模式下的电枢电流进行计算分析是非常必要的。

从图2 c 波形可以， -) 3看出无论电机处于状态，哪种在在0 tt<<,期间， . AB两点瞬态电压总为+U, S而在在 t t T,<期间，< -总为一U。 S故可列出回路方程：

+=令 R+。L+ E,a} K e

0<t _t,

(-) 21

直流f服系统的 P司 WM功率放大器应用研究

一， d十 +, 117 U= !大 C L ‘; 1< <由 2 ) (- ) (-1 2 2,式可解出不同时刻1的41 )值。‘几

d_ _ i _

_

(-) 22

(l) (t) 气

, -} - . _ E+-0一一‘ E 1( 0 i t (-)竺-「() U一 .e << 1 23,},i}R

L一

) j? a

_ E]旱) . _竺三+一二 sr u十 .卜R e

1, '“ t () r) R“ +, 2 户」 - - ( t ' 7< 4

在电机转速达到稳定状态时，a ) 7, rO= )为最小值；'1 ( i ' ( i) (为最大值， ( 1则 2一3,一4 )( 2 )式可求得：

、二百 (。 2、 (。 () (异！卜一。 E一一 2。,+

一]x1 ) - )一+ 51) L十一一首‘十” () a 1。 2I一“ 2 (二 .、。},一 - t井万， i - (,‘+ 6( 3, ) ( 5 ( 6 2 ) (4, ) 2 ) - 2 - 2,式中 - -1 UI。最大堵转电流；, R,E

7 L R机电 e。电 a I磁时间常数；kT,=脉宽周期与 T之比； I T,

k 1T正脉冲宽度与 7之比；,,,=I e则电枢电流的脉动值为：2, 1△= I 1 -一ek

1e一“ek 1 e -』+‘一 k -一",

(-) 27

对(-7 ( ) 2求导可知当i=1 l/ l 2时，即正负脉冲宽度相等，电 T机不转时，△枯为最大值，

_2,、_ 2 一1 1「% -。 1e一」 1一 -几’‘ o将(- ) ( 8 2式指数函数展开级数，并取一次项得1T,}a、 k tn玉= i a z 2T,

(-) 28

(-) 29

式(- )双极性模式下，电流的脉动量与 ( 9 2表明枢电最大堵转电 S流1成正比，与时间常数 TL R) eJ . (和开关频率A 1成反比。 1) 7这表明要减小电枢电流的脉动量可通过在电枢回路串联电感或提高开关频率来达到，此结论可推广至其它场合。

第二章直流 P WM功率放大游工作特性分析

当电机工作在稳态时， 电枢电流呈周期性变化，电枢电感两端的平均电压为零，故电机电枢平均电压 U为：

U= p}凡 aI+ R而 U与占空比a的关系可图2 3波形计算得： -c )

(-0 21)

U= '一 (。= a。 1 ,一 )“(一) a“ 1 U 2 (1 21 -)2 -之间变化时，U。 A由一U- U,并与 a .+ l成线由 (一1)可见，当a由 0 1 1性关系

电枢的平均电流由 (-1)得： 2 01=以2一一 a a 1x )

E:R

(-2 21)

23 M .控制方案的比较 P W在直流伺服系统中， 评价某 P WM功率放大器的控制方案优劣，通常主要考虑以下几个因素：

(电 1枢电流是否可能断续，该因素影响P ) WM系统的机械特性； (波形系数F= .> ,11) l为电 2 ) ( o1 a . .枢电；流有效值， o枢电 t为电流平均值； (平均失控时间： ( 1, 3 ) m T) T= 2为开关周期； (损耗△包括电 ( 4 ) P机N

耗);

(平均无故障时间M B( 5 )丁F可靠性)。实际上， 一旦选定了具体的模式，也就决定了电枢电机电流是否可能断续的性质，而 F, ;o P与电流脉动量有关，减小电流脉动量有须助于改善波形系数，减小功率损耗。提高开关频率可展宽频带，缩短失控时间，有效减小电流脉动量。由此可见，电枢电流的性质 (断续可能性与脉动量大小)直接或间接反映了控制方案的好坏程度。

231 ..电流连续和断续临界分析在无制动状态的不可逆 P WM控制系统中，电流断续出现在轻载或空载，以及因某种原因电动机反电势高于 P WM功率转换电路平均输出电压 U的情况。 a

图2 4 -为电枢电流断续和临界波形图。

直流伺服系统的 P WM功率放大器应用研究

I -,.

△五 .

图2电流断续和临界 - 4波形 a流断 )电续波形b流临界波形 )电由图2 4 - b )波形写出临界状态电枢电流的平均值的表达式为

1上 i -e _ - i一t司 d 1 i了无制动状态不可逆 P WM系统的电机电枢电流脉动量I l lU T, ,、 e- i=—似一c- z)丈 。

(-3 21)

(-4 21)

将(一1式代入( 1计算公式得电流断续与连续的边界方程为 2 3 ) 24 -)T oU一 a U (、 U ) 2,, LU(-5 21)

满足(-1的 U和1 ( 5 a . 2 )就构成了电流断续和电流连续区的边界，是一条二次曲线如图2中虚线所示。 -4

图2电流不可逆 P -5 WM系统的伏安特性

式(-1表明，电 ( 5 2 )流断续区的大小与参数 T L有关，和 a提高开关频率f或加大电枢回路的电 L,都能缩小断续区，感 a此结论可推广至其它场合。对(-1求 ( 5 2 )极值，可得出临界电流平均值的最大值为r J,一 0八

tm二 o .、

凡 L

了

一 1口

(-6 21)

式(-1) ( 6 2提供了保证电流连续时，选择开关频率和回路电感的依据。只要保证

第二章直流P WM功率放大器工作特性分析

临界电流平均值的最大值 I小于最小负载电流 1m或电机空载电流 1 ) .￣ Lm( . ., n目 nI, __=—

U. T

8, L

丛 I, I,. .

(-7 2 1)

据 (-1)式，即可得出保证电流连续时参量 T L的计算公式： 2 7,。 r} .} T

)8 I. (、T m土’‘ /

I , .

(-8 21) (-9 21)

L> a

RI o, . T 8, 1m,}

从图 2 -5可知，在 I区域内，电流连续，调节占空比a可得到一族平行直

线，类似于电动机的调压特性，n区域内，电流断续，当占空比a一定时，伏安特性是一条双曲线， WM系统的机械特性变软。此结论可推广至其它场合。 P232,.三种控制模式的对比

在工程实践中， 直流 P WM功率放大器常用控制模式主要有三种：双极性模

式、单极性模式和受限单极模式，它们有主要特点总结如下U l . (双极模式控制较其它两种模式的电 1 )流脉动量大，特别是在控制信号为零时呈最大。尽管零位颤动特性有助于克服静静擦，改善系统的低速平稳性，但大功率系统中，对电动机的发热和换向不利，有时是不能接受的。另一方面，同侧对管瞬时切换的可靠性要认真对待，需附加延时、保护电路，限制了开关频率的提高。再则，电磁脉冲千扰较严重，工艺布局要考究。 50以下高精度快速对 0W响应的伺服系统，可优先选取双极模式 P WM方案。

(单极 2模式控制较双极 )模式控制时电流脉动要减小一半倍频单 (极模式要减小到 1 )/,因而波形系数近似为 1有利于电动机换向 4,和减小热损耗，这对大功率系统应用是有价值的。但在系统过零时，可能出现死区。同样，桥路同侧对管也存在直通短路电路的危险，延时电路必不可少。

(受限单极模式控制方案的优点在于运行可靠性高， 3 )不需附加延时电路，因而开关频率可相对适当提高。频率在 4 H左右， Kz对一般情况是不会出现电路断续现象。

直流伺服系统的 P WM功率放大撰应用研究

24 .本章小结本章分析了直流 P WM功率放大器双极性模式工作原理并对其电枢电流的

计算公式进行了推导，其分析方法推广到其它控制方案。然后对电流断续临界情况进行了分析，得出了电流断续与连续边界方程，最后对三种直流 P WM控制方案的特点进行了总结。另外，从电枢电流计算公式的推导和电流连续的临界分析

过程中，可以得出P WM开关频率和电枢电感是影响P WM控制特性的两个重要的参数。从本质上说，增大 P系统开关频率和加大电枢电感，可减小电流脉 WM动量和避免电流断续，提高 P系统的性能。 WM

第三章基于可编程逻辑器件的P WM控制器

第三章基于可编程逻辑器件

的PM W控制器3 1引言 .

P M控制器是直流P M功率放大器的重要组成部分， W W给主回路功率转换电路提供控制信号，使其按指定的控制方案工作。传统的P WM控制器是通过专用的集成芯片或是中小规模的数字集成电路搭成的。存在着电路设计复杂、体积大、抗干扰能力差以及设计困难和周期长等缺点。P控制电路的模块化、集 WM

成化已成为发展 l它不仅可统的体积小、量轻且功耗低，趋势1 1,使系重更重要的是使系统的可靠性大大提高。着电随子技术的发展，特别是专用集成电 A I路(S ) C设计技术的日趋完善，推动了数字系统的迅猛发展。子设计自 ( A工具电动化( ) E D给电子设计带来了巨大变革，尤其是硬件描述语言的出现和发展，解决了传统用电路原理图设计系统工程的诸多不便。针对以上情况，本章给出了一种基于复杂

可编程器件(PD的P ( L ) WM控制器设计，并给出了仿真波形和实验结果。 C32 .可编程逻辑器件设计方法

可编程逻辑器件( D是专用集成电 A I) ( ) P L路(S的一个重要分支，是厂家作为 C一种通用性器件生产的半定制电路，用户可通过对器件编程实现所需要的逻辑。当今应用最为广泛的两类可编程逻辑器件是复杂可编程逻辑器件 C L和现场 PD可编程门阵列 FG P A。它们都具有集成度高、通用性好、工作频率高、设计灵活和可重复编程等多方面优点。 321 A . E硬件电路设计方法 . D

传统的 路设计方法采用自上(oo -p硬件电底向 ( tmU) B设计方法，其基本思路是先选用标准通用集成电路芯片，再由这些芯片和其它元件自下而上地构成电

路、子系统和系统，最终完成整个系统的硬件设计。这样设计出的电子系统所用元件种类和数量均较多，体积与功耗大，可靠性差。随着集成电路技术的不断进

步，半导体集成电路的规模己由早期的单元集成、部件电路集成发展到整机电路

集成和系统电路集成，以及各种新兴的E A工具的出特别是硬件描述语言 D现，

1 L Ida Dsii Lnu e现， - (a wr e rtn ga ) I I d cpo a g的出使得电系统的方法由自 D r子设计底向

直流伺服系统的 P WM功率放大器应用研究

上的设计方法改变为自下( p o n设计方法，即E A设计方法。在这种顶向 T - w ) oD D新设计方法中，整机系统用户对整个系统进行方案设计和功能划分，由系统的关

键电路用一片或几片专用集成电路A I S C来实现，且这些专用集成电路是由系统和电路设计师亲自参与设计的，直至完成电路到芯片版图的设计，再交由I C工厂投片加工，或是用编程 A I(PD或 FG ) S CL C P A现场编程实现。图 3所示为一1硬件电路设计时采取的两种不同的设计方法和步骤。

行为设计

系统分解

结构设计

单元设计

逻辑设计

功能划分

电路设计

子系统设计

版图设计

系统集成

图3 1 p on与“oo -”计方步 p设法与骤一"o- w” BtmU T D t在“o-o n的设计中， w” Tp D首先需要进行行为设计，确定该电子系统或V S LI芯片的功能、性能及允许的芯片面积和成本等。接着进行结构设计，根据该电子系统或芯片的特点，将其分解为接口清晰、相互关系明确、尽可能简单的子系统，得到一个总体结构。这个结构可能包括算术运算单元、控制单元、数据通道、各

种算法状态机等。下一步是把结构转换成逻辑图，即进行逻辑设计。在这一步中，希望尽可能采用规则的逻辑结构或采用自己经过考验的逻辑单元或模块。接着进

行电路设计，逻辑图将进一步转换成电路图，在很多情况下，需进行硬件仿真，以最终确定逻辑设计的正确性。最后是进行版图设计，即将电路图转换成版图。可编程逻辑器件的 E A设计技术具有如下主要特点： D

第三章基于可编程逻辑器件的P WM控制器

(电 1路设计更趋合理。 )硬件设计人员在设计硬路时用PD器件，件电使 L就可自行设计所需的专用功能模块，而无需受通用器件的限制，从而使电路设计更趋合理，其体积和功耗也可大大缩小。

(采用系统的早期仿真。在自下的设计过程中，每级都进行仿真人， 2 )顶向从而可以在系统设计早期发现设计存在的问这样就可以题，大大缩短系统的设计周期，降低费用。

(降低了 3 )硬件开发难度。传纹的硬件电路设计，一往往要求设计人员设计电路前应写出该电路的逻辑表达式和真值表 (或时序状态图),然后进行简化等，这一工作是相当困难和繁杂的，特别是在设计复杂系统时，大量工作也易出错。

如采用 H L D语言，就可免除编写逻辑表达式或真值表的过程，使设计难度大幅度下降。

(各公司的E A工具基本上都支持两种标准的H L D 4 ) D,即V D和Vr g H L el i oH L利用它们编写源程序和传统的

电路原理图相比， D。具有归档文件容量小、可继承性好，理解容易等优点。

322 ..可编程逻辑器件器件设计流程可编程逻辑器件的设计是指利用 E A开发软件和编程工具对器件进行开发 D的过程。如图 3所示为 C L -2 P D或 F G P A的设计流程，它包括设计准备，设计

输入、功能仿真、设计处理、时序仿真和器件编程与测试等七个步骤。

(设计准备 1 )在系统设计之前， 设计人员根据任务要求，如系统的功能和复杂度、对工作的速度和器件本身的资源、成本及边线的可布性等方面进行衡量，选择合适的设计方案和器件。

(设计输入 2 )设计输入通常有以 下几种形式。 1 输入 )原理图原理图输入是一种最直接的设计描述方式， 这种设计要求设计人员有丰富的

电路知识及 P D的结构比 L较熟悉。其主要优点是容易实现仿真，便于信号的观察和电路的调整；缺点是效率低，特别是产品有所改动时，需选用另一公司的器件时，就需重新输入原理图。

直流伺服系统的 P WM功半放大；应用研究； a

2 )硬件描述语言输入目 前常用的硬件描述语言有V D和 Vr g L H L el H两个IE标准。 i D o EE其突出的优点有：语言与器件无关，可使设计人员在系统设计、逻辑难阶段便确立方案的可行性；语言的公开可利用性，便于实现大规模系统的设计：具有很强的逻辑描述和仿真功能，而具输入效率高等。设计准备

图3可编程逻辑器件的设计流程 一2

3 )波形输入波形输入方式主要用来建立和编辑波形设计文件， 以及输入仿真向量和功能测试向量。

(功能仿真 3 )功能仿真也叫前仿真。 用户对所设计的电路必须在编译之前进行逻辑功能验证，此时的仿真没有延时信息，对初步的功能检测非常方便。仿真前需建立波形文件或测试向量，仿真结果会生成报告文件和输出信号波形，从中发现错误。如有错误，再返回设计输入中修改逻辑设计。

(设计处理 4 )设计处理是器件设计的核心环节。 在设计处理过程中，编译软件将对设计输入文件进行逻辑简化、综合优化和适配，最后生成编程所需的编程文件。

第三章纂于可编程逻辑器件的 P WM控制器

(时序仿真 5 )时序仿真又称后仿真或延时仿真。 由于不同器件的内部延时不一

样，不同的

布局布线方案也给延时造成不同的影响，因此在设计处理以后，对系统和各模块进行时序仿真，分析其时序关系，估计设计的性能，以及检查和消除竞争冒险等是非常必要的。实际上这也是器件工作情况基本相同的仿真。

(器件编程与测试 6 )时序仿真完毕， 软件就可产生供器件编程的数据文件。 P D来说是产生对C L熔丝图文件，即 JD文件，对 FG来说，是产生位流数据文件(ita E PA Btr m se

G nri ) ee tn然后将编程数据放到对应的具体可编程器件中去。器件编程完毕后， ao,可以用编译时产生的文件对器件进行校验、加密工作。对于支持 JA T G技术，具

有边界扫描测试 B TBudr Sa Tsn) S(ona - n tg能力和在线编程能力的器件来说， y c ei测试起来就更加方便了。

33 M .控制器实现方式 P W

P WM控制器主要为P WM功率放大器的功率转换电路提供驱动信号，满足不同的P WM控制方案。 W P M控制器实现方式可分为两种：模拟控制方式和数字控制方式。

(模拟控制方式 1 )模拟控制方式是采用模拟电路来组成的 P WM控制器。这种实现方式一般都是根据自然采样法原理，用载波 (三角波)和控制波 (输入信号)比较，由其交点确定 P WM波形。由分立元件组成时，需三角波发生器、比较器、逻辑

保护等大量的模拟器件，整个系统调整困难，可靠性差。另外也可用采用模拟集成电路来组成这样的一个系统，如美国 S G公司S 1 1 G 7,它是一个专门针对 3

直流电动机控制而单片集成电路，这种集成电路将原来许多分立元件组成的控制电路集成到一个芯片上，使用时只需外加少量的外围电路即可工作.与分立元件组成的系统相比，需要的元件少、可靠性高，但其控制更改也较困难。

(数字控制方式 2 )与模拟控制方式相比， 数字控制方式具有电路结构简单，性能可靠的优点。不存在模拟控制中因器件老化引起的控制偏差问题。数字实现 P控制器通 WM常有两种方法：软件方案和硬件方案。前者占用微机的许多处理时间，对微机

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/jxe4.html