直流电机PWM变换器优化

脉宽调制（PWM）变换器根据直流负载工作方式的不同，主要有单管PWM变换器、改进的双管PWM变换器和可逆H桥PWM变换器3种。

1.单管PWM变换器

图2-37是直流电机的单管PWM变换器。

图2-37中，当MOSFET管Q1导通时，直流电源电压Us加到电机电枢绕组上产生电枢电流，从而形成电磁转矩驱动电机。显然，这时直流电机是作为电动机运行。MOSFET管Q1关断时，绕组上的电流方向还不能改变，因此电枢电流通过二极管D2续流。因为电枢电流方向不变，所以电磁转矩仍然起驱动作用。当负载较轻时，电机转速还可能会不断上升，直到电磁转矩小于负载转矩为止。当控制电枢电流使转子转速上升到目标值时，直流电机的转速就可以稳定下来。但是，如果要使直流电机转速减小，也就是希望电机能够制动，即改变电枢电流方向进行电磁制动，而单管PWM变换器不能使电枢电流反向从而形成电磁制动转矩，只能依赖负载阻转矩使电机转速减小。当负载阻转矩很小而转子转动惯量又比较大时，这种减速过程就会非常漫长。

由此可见，单管控制电路不具备电磁制动能力，只能作为电机单方向运行，即单管PWM变换器驱动的直流电机只能实现第一象限运行控制。

2.改进的双管PWM变换器

单管PWM变换电路存在的问题是直流电机的电枢电流不能反向控制流通，如果能控制电枢电流的方向，那么直流电机就具备电磁制动的能力。图2-38是改进的双管PWM变换器，它不仅能实现电动机运行，而且能实现电磁制动运行。

图2-37　单管PWM变换器

图2-38　改进的双管PWM变换器

图2-38中，有两个功率控制器件Q1和Q2串联后与电源并联，控制过程中为了防止上下两管Q1和Q2同时导通造成电源Us直通短路现象，上下两管Q1和Q2的控制脉冲必须存在一定的死区时间，以确保一个管Q1（或Q2）关断后另一个管Q2（或Q1）才能导通。

当电机作为电动机运行时，与单管变换电路一样，上管Q2可以不起作用，只需下管Q1导通与关断。但是当电机需要电磁制动时，下管Q1关断不起作用，电枢电流通过二极管D2续流。当电枢电流衰减到0时，上管Q2导通，电枢绕组在反电势作用下改变电枢电流方向，电磁转矩方向相反，电机进入能耗制动方式运行。为了防止电流过流并实现快速制动，上管Q2的漏极可以串联一个能耗电阻。如果当反方向电枢电流达到一定大小时，上管Q2关断，那么直流电机就进入发电机回馈制动状态，电机将转子的机械能转变成电能向电源回馈。在反向电磁转矩和负载转矩的共同作用下，电机转速迅速下降，达到快速制动的目的。由此可知，采用改进的双管PWM变换电路虽然电机仍然只能单方向运转，但是电机可以实现快速驱动和电磁制动两种方式运行，即电机能实现在第一和第二这两个象限的运行。

3.可逆H桥PWM变换器

可逆H桥PWM变换器是由四个功率管和四个续流二极管组成的桥式电路。根据功率管的控制方式，可逆H桥PWM变换器分为双极式、单极式和受限单极式三种类型。

1）双极式可逆H桥PWM变换器

双极式可逆H桥PWM变换器主电路如图2-39（a）所示，其中四个电力晶体管分为两组：VT1和VT4一组，VT2和VT3一组，同一组的两个电力晶体管同时导通或关断，两组晶体管则交替地导通和关断。

各电力晶体管的基极驱动信号波形标在图2-39（b）中，在一个开关周期内，当0≤t＜tor时，驱动信号Ub1、Ub4为正，Ub2、Ub3为负，电力晶体管VT1、VT4导通，VT2、VT3截止，这时，电源电压Us加在电机电枢两端，UAB＝Ua，电枢电流ia沿回路1从A到B，电机工作在电动状态。当ton≤t＜T时，Ub1、Ub4为负，VT1、VT4关断；Ub2、Ub3为正，但VT2、VT3不能立即导通，因为在电机电枢电感电势的作用下，电枢电流ia沿回路2经VD2、VD3续流，在VD2、VD3上的压降使VT2、VT3承受反向电压而截止，这时UAB＝—Us。可见，在一个周期内，电枢两端UAB有正、负两种极性，故称为双极式PWM变换器，其电压电流波形如图2-39（b）所示。如果电机的负载较轻（电流会改变方向），在t＝t2时，电枢电流ia衰减到零，那么，在t2≤t＜T期间，VT2、VT3在电源电压Us和电机反电势E的作用下导通，电枢电流ia沿回路3经VT2、VT3从B到A，电机工作在反接制动状态。在T≤t＜T＋ton期间，基极驱动电压改变极性，VT2、VT3关断，电枢电感电势维持ia沿回路4经VD1、VD4续流，电机仍工作在制动状态，VT1、VT4在VD1、VD4压降作用下不能导通。假如在t＝t3时，反向电流—ia衰减到零，则在ta≤t＜T＋ton期间，VT1、VT4在电源电压Us作用下导通，电枢电流ia又沿回路1经VT1、VT4流通，该过程的电流波形见图2-39（b）中的ia2波形。如果电机的负载重，电流ia在工作过程中不会改变方向的话，则电机始终工作在电动状态，该过程的电流波形见图2-39（b）中的ia1波形。

图2-39　双极式可逆H桥PWM变换器

（a）原理图；（b）电压和电流波形

当电机在运行过程中减速或是位势负载时，会产生E＞Us的情况，这时，在0≤t＜ton期间，电流ia沿回路4经VD1、VD4从B流向A，电机工作在再生制动状态；在ton≤t＜T期间，电流ia沿回路3经VT2、VT3从B流向A，电机工作在反接制动状态。

由上面的分析可见，不论电机工作在什么状态，在0≤t＜ton期间，电枢两端电压Ua＝Us，而在ton≤t＜T期间等于—Us。这种在任何一种驱动控制电压的作用下，脉宽调制变换器输出正、负两种极性脉冲电压就是双极式脉宽调制变换器的特征。电枢电压的平均值等于正负脉冲电压平均值之差，即

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若仍以D＝ton/T来定义PWM电压的占空比，则双极式PWM变换器的输出电压平均值为

当需要调速和实现正反转时，D的变化范围为0≤D≤1，当0.5≤D≤1，输出电压平均值为正，电机正转；当0≤D≤0.5，输出电压平均值为负，电机反转。调节D可实现电机的可逆运行，当D＝0.5时，电枢两端平均电压等于零，电机不动，但电枢两端瞬时电压不等于零，因而产生一个交变的电流，这个交变电流平均值为零，不产生转矩，增加了电机的损耗，它能使电机产生高频微振，起着动力润滑的作用，可以消除正、反向时的静摩擦死区。

双极式可逆H桥PWM变换器的优点是：①可使电机在四象限运行；②电枢电流一定连续；③电机静止时有微振电流，能消除摩擦死区；④低速性能好，调速范围大。

双极式可逆H桥PWM变换器的缺点是：在工作过程中，四个电力晶体管都处于开关状态，开关损耗大，而且容易发生同臂的上下两管直通事故，降低了装置的可靠性。实际应用中，为了防止上下两管直通，在一管关断和另一管开通的驱动脉冲之间，应设置先关后开的逻辑延时。

2）单极式可逆H桥PWM变换器

单极式可逆H桥PWM变换器主电路和双极式一样，由四个电力晶体管构成，不同之处仅在于电力晶体管的基极驱动信号不同，如图2-40所示。

图2-40　单极式可逆H桥PWM变换器

（a）原理图；（b）电压和电流波形

从图2-40可见，左边两个晶体管的驱动脉冲Ub1＝—Ub2，且有和双极式一样正负交替的脉冲波形，使VT1和VT2交替地导通，右边两个晶体管不是正负交替的脉冲，而是上管Ub3恒为负，下管Ub4恒为正，使VT3截止，VT4饱和导通，电机实现正转。若要控制电机反转，则应使上管Ub3恒为正，下管Ub4恒为负，使VT3饱和导通，VT4截止。

下面分析控制电机正转时，单极式PWM变换器的工作情况。

在0≤t＜ton期间，Ub1为正，Ub2为负，故VT1导通，VT2截止。当Us＞E时，电枢电流ia沿回路①从A流向B，电机工作在电动状态。在ton≤t＜T期间，Ub1为负，VT1关断，去掉加在电机电枢上的电压Ua，电枢电感的自感电势维持电流ia沿回路②流动，电机仍工作在电动状态，这时，Ub2虽为正，但VD2的正向压降使VT2不能导通，电机电枢电压Ua和电流ia波形如图2-40（b）所示。

若在ton≤t＜T期间的某一时刻t2，电枢电流ia衰减到零，则在tom≤t＜T期间，电机的反电势E使VT2导通，电流ia沿回路③从B到A，电机进行能耗制动，电流波形ia1如图2-40（b）所示。

对于电机运行过程中的减速或位势负载E＞Us时，在0≤t＜ton期间，电枢电流ia沿回路④从B到A，电机进行再生制动。在ton≤t＜T期间，电流ia沿回路③从B到A，电机进行能耗制动，电流波形ia2同样如图2-40（b）所示。

以上的分析表明，不论电机工作在什么状态，当控制电机正转时，电枢电压UAB在0≤t＜ton期间为＋Us。在ton≤t＜T期间等于零。当控制电机反转时，VT3常通，VT4截止，故在0≤t＜ton期间，UAB为—Us，在ton≤t＜T期间等于零。这样，在一种极性控制作用下，PWM变换器只输出单一极性脉冲电压，故称之为单极式PWM变换器。

单极式PWM变换器输出电压的平均值为

式中，占空比D＝ton/T，其变化范围为0～1。

由于单极式PWM变换器的电力晶体管VT3和VT4两者之中总有一个常通，另一个截止，运行中不用频繁交替导通，因此，单极式变换器的开关损耗要比双极式小，装置的可靠性有所提高。但低速时，由于基极驱动信号较窄，会使系统的低速性能差些。

3）受限单极式可逆H桥PWM变换器

单极式PWM变换器在减少开关损耗和提高装置可靠性方面要比双极式好，但仍有一对晶体管VT1和VT2交替地导通或关断，存在直通的危险。从分析图2-40中单极式PWM变换器的工作情况可知，当电机正转时，在0≤t＜ton期间，VT2是截止的，在ton≤t＜T期间，由于VD2续流，VT2也不导通，既然如此，不如让Ub2恒加负电压，使VT2一直截止。同样，当要电机反转时，让Ub1恒为负，VT1一直截止，这样，就不会产生VT1和VT2直通的故障了，这种控制方式称为受限单极式。

受限单极式可逆PWM变换器除在电机正转时Ub2恒为负或电机反转时Ub1恒为负之外，其他管的驱动信号都和一般的单极式变换器相同。在负载较重时，电流ia在一个方向连续变化，所有的电压、电流波形也和一般单极式变换器一样，但是，当负载较轻时，由于有两个晶体管恒加负电压而不能导通，因而不会出现电流反向的情况，在续流期间电流ia衰减到零时，波形便中断了，这时电枢两端电压UAB＝E。这种负载电流断续的现象将使Pw M变换器的外特性变软，从而使调速系统的静态和动态性能变差。