专利名称：Pwm脉冲控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及六种PWM (脉宽调制)脉冲控制器，简称PWM控制器或脉冲控制 器，属电力电子设备与自控技术领域。
背景技术：
电力电子设备在生产装备、电力传输、电气传动、汽车电子、电子消费品等各种 产品中占据的比重日益增大，在生产实践与人类生活中作用也日趋重要，但由于电力 电子器件热量耗散能力的限制、大功率电动装备节能的需要，PWM控制的高效率的 电力驱动装置日益受到重视。
PWM脉冲控制器主要有数字电路与模拟电路二种形式。
数字形式的PWM控制器通常采用单片机系统的方式实现，与外部设备信号传输 还需要模拟数字转换接口，其电路与算法都比较复杂、成本相对较高，其系统可靠性 对于电力驱动设备的电磁干扰较为敏感。
模拟形式的PWM控制器通常采用PI (或PID)调节器(或类似功能的调节器)、 由三角波发生器构成的PWM脉冲发生器及模拟运算电路等组成，结构相对数字形式 的PWM控制器要简单些，电力驱动设备的电磁干扰对其可靠性的影响也相对较小， 成本相对较低，但普通PWM控制器的结构仍然太过复杂，且效能相对较差。
发明内容
本发明的目的是提供六种PWM脉冲控制器。 本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种惯性型PWM脉冲控制器，采用双电源的方式供电，即双电源惯性型PWM 脉冲控制器，有一个接地端GND、 二个电源端即负电源端-Pv和正电源端+Pv、 二个 信号输入端即反相信号输入端psl和同相信号输入端ps2、 一个信号输出端ps3、 一 个误差极性输出端Epol、 一个时间常数调整端Tadj;其特征在于双电源惯性型PWM 脉冲控制器由电压比较器Bl、接地型惯性环节、接地型微分滞环比较器、反相功率 驱动器B4、 二极管D41与D42组成，接地型惯性环节有一个信号输入端gs21和一 个信号输出端gs22、一个接地端GND，接地型微分滞环比较器有一个信号输入端zs31 和一个信号输出端zs32、 二个电源端即负电源端-Pv和正电源端+Pv、 一个接地端
GND;比较器Bl的负输入端与正输入端分别接为PWM控制器的反相输入端psl与 同相输入端ps2，比较器Bl的输出端与惯性环节的输入端gs21连接并接为PWM控 制器的误差极性输出端Epol，惯性环节的输出端gs22与滞环比较器的输入端zs31连 接并接为PWM控制器的时间常数调整端Tadj，滞环比较器的输出端zs32与驱动器 B4的输入端连接，驱动器B4的输出端接为PWM控制器的信号输出端ps3， 二极管 D41的正负端分别接PWM控制器的负电源端-Pv与输出端ps3， 二极管D42的正负 端分别接PWM控制器的输出端ps3与正电源端+Pv，惯性环节、滞环比较器的接地 端相连接并接为PWM控制器的接地端GND，比较器Bl、滞环比较器、驱动器B4 的正负电源端分别相连接并分别接为PWM控制器的正负电源端+Pv与-Pv;所述的 接地型惯性环节由电阻R21与R22、电容C21组成，电阻R21与R22、电容C21接 成星型形式即各有一端连接在一起，电阻R21与R22的另一端分别接为惯性环节的 输入端gs21与输出端gs22，电容C21的另一端接为惯性环节的接地端GND;所述的 接地型微分滞环比较器由电压比较器B3、电阻R30与R31、电容C31组成，比较器 B3的负输入端接为滞环比较器的输入端zs31，比较器B3的正输入端通过电阻R30 接滞环比较器的接地端GND，电容C31与电阻R31串联并跨接在比较器B3的输出 端与正输入端之间，比较器B3的输出端接为滞环比较器的输出端zs32，比较器B3 的正负电源端分别接为滞环比较器的正负电源端+Pv与-Pv。
双电源惯性型PWM脉冲控制器的结构框图如图l所示，双电源惯性型PWM脉 冲控制器的结构原理图如图2所示。
一种惯性型PWM脉冲控制器，采用单电源的方式供电，即单电源惯性型PWM 脉冲控制器，有二个电源端即负电源端-Pv和正电源端+Pv、 二个信号输入端即反相 信号输入端psl和同相信号输入端ps2、 一个信号输出端ps3、 一个误差极性输出端 Epol、 一个时间常数调整端Tadj;其特征在于单电源惯性型PWM脉冲控制器由电 压比较器B1、电源型惯性环节、电源型微分滞环比较器、反相功率驱动器B4、 二极 管D41与D42组成，电源型惯性环节有一个信号输入端gs21和一个信号输出端gs22、 二个电源端即负电源端-Pv和正电源端+Pv，电源型微分滞环比较器有一个信号输入 端zs31和一个信号输出端zs32、 二个电源端即负电源端-Pv和正电源端+Pv;比较器 Bl的负输入端与正输入端分别接为PWM控制器的反相输入端psl与同相输入端ps2， 比较器B1的输出端与惯性环节的输入端gs21连接并接为PWM控制器的误差极性输 出端Epol，惯性环节的输出端gs22与滞环比较器的输入端zs31连接并接为PWM控
制器的时间常数调整端Tadj，滞环比较器的输出端zs32与驱动器B4的输入端连接， 驱动器B4的输出端接为PWM控制器的信号输出端ps3， 二极管D41的正负端分别 接PWM控制器的负电源端-Pv与输出端ps3， 二极管D42的正负端分别接PWM控 制器的输出端ps3与正电源端+Pv，比较器B1、惯性环节、滞环比较器、驱动器B4 的正负电源端分别相连接并分别接为PWM控制器的正负电源端+Pv与-Pv;所述的 电源型惯性环节由电阻R21与R22、电容C21a与C21b组成，电阻R21与R22、电 容C21a与C21b接成星型形式即各有一端连接在一起，电阻R21与R22的另一端分 别接为惯性环节的输入端gs21与输出端gs22，电容C21a与C21b的另一端分别接为 惯性环节的负电源端-Pv与正电源端+Pv;所述的电源型微分滞环比较器由电压比较 器B3、电阻R30a与R30b及R31、电容C31组成，比较器B3的负输入端接为滞环 比较器的输入端zs31，比较器B3的正输入端通过电阻R30a与R30b分别接滞环比较 器的负电源端-Pv与正电源端+Pv，电容C31与电阻R31串联并跨接在比较器B3的 输出端与正输入端之间，比较器B3的输出端接为滞环比较器的输出端zs32，比较器 B3的正负电源端分别接为滞环比较器的正负电源端+Pv与-Pv。
单电源惯性型PWM脉冲控制器的结构框图如图3所示，单电源惯性型PWM脉 冲控制器的结构原理图如图4所示。
一种积分型PWM脉冲控制器，采用双电源的方式供电，即双电源积分型PWM 脉冲控制器，有一个接地端GND、 二个电源端即负电源端-Pv和正电源端+Pv、 二个 信号输入端即反相信号输入端psl和同相信号输入端ps2、 一个信号输出端ps3、 一 个误差极性输出端Epol、 一个时间常数调整端Tadj;其特征在于双电源积分型PWM 脉冲控制器由电压比较器B1、双电源积分环节、双电源分压滞环比较器、二极管D41 与D42组成，双电源积分环节有一个信号输入端gs21和一个信号输出端gs22、 二个 电源端即负电源端-Pv和正电源端+Pv、 一个接地端GND，双电源分压滞环比较器有 一个信号输入端zs31和一个信号输出端zs32、 二个电源端即负电源端-Pv和正电源 端+Pv、 一个接地端GND;比较器Bl的负输入端与正输入端分别接为PWM控制器 的反相输入端psl与同相输入端ps2，比较器Bl的输出端与积分环节的输入端gs21 连接并接为PWM控制器的误差极性输出端Epol，积分环节的输出端gs22与滞环比 较器的输入端zs31连接并接为PWM控制器的时间常数调整端Tadj，滞环比较器的 输出端zs32接为PWM控制器的信号输出端ps3， 二极管D41的正负端分别接PWM 控制器的负电源端-Pv与输出端ps3， 二极管D42的正负端分别接PWM控制器的输
出端ps3与正电源端+Pv，积分环节、滞环比较器的接地端相连接并接为PWM控制 器的接地端GND，比较器B1、积分环节、滞环比较器的正负电源端分别相连接并分 别接为PWM控制器的正负电源端+Pv与-Pv;所述的双电源积分环节由运算放大器 A2、电阻R20与R21及R22、电容C21及双向稳压管D21组成，运放A2的正输入 端通过电阻R20接积分环节的接地端GND，运放A2的负输入端通过电阻R21接积 分环节的输入端gs21，电容C21与稳压管D21并联并跨接在运放A2的输出端与负 输入端之间，运放A2的输出端通过电阻R22接积分环节的输出端gs22，运放A2的 正负电源端分别接为积分环节的正负电源端+Pv与-Pv;所述的双电源分压滞环比较 器由电压比较器B3、电阻R30与R31组成，比较器B3的负输入端接为滞环比较器 的输入端zs31，比较器B3的正输入端通过电阻R30接滞环比较器的接地端GND， 电阻R31跨接在比较器B3的输出端与正输入端之间，比较器B3的输出端接为滞环 比较器的输出端zs32，比较器B3的正负电源端分别接为滞环比较器的正负电源端+Pv 与-Pv。
双电源积分型PWM脉冲控制器的结构框图如图5所示，双电源积分型PWM脉 冲控制器的结构原理图如图6所示。
一种积分型PWM脉冲控制器，采用单电源的方式供电，即单电源积分型PWM 脉冲控制器，有二个电源端即负电源端-Pv和正电源端+Pv、 二个信号输入端即反相 信号输入端psl和同相信号输入端ps2、 一个信号输出端ps3、 一个误差极性输出端 Epol、 一个时间常数调整端Tadj;其特征在于单电源积分型PWM脉冲控制器由电 压比较器B1、单电源积分环节、单电源分压滞环比较器、二极管D41与D42组成， 单电源积分环节有一个信号输入端gs21和一个信号输出端gs22、 二个电源端即负电 源端-Pv和正电源端+Pv，单电源分压滞环比较器有一个信号输入端zs31和一个信号 输出端zs32、 二个电源端即负电源端-Pv和正电源端+Pv;比较器B1的负输入端与正 输入端分别接为PWM控制器的反相输入端psl与同相输入端ps2，比较器Bl的输出 端与积分环节的输入端gs21连接并接为PWM控制器的误差极性输出端Epol，积分 环节的输出端gs22与滞环比较器的输入端zs31连接并接为PWM控制器的时间常数 调整端Tadj，滞环比较器的输出端zs32接为PWM控制器的信号输出端ps3， 二极管 D41的正负端分别接PWM控制器的负电源端-Pv与输出端ps3， 二极管D42的正负 端分别接PWM控制器的输出端ps3与正电源端+Pv，比较器B1、积分环节、滞环比 较器的正负电源端分别相连接并分别接为PWM控制器的正负电源端+Pv与-Pv;所
述的单电源积分环节由运算放大器A2、电阻R20a与R20b及R21和R22、电容C21 及双向稳压管D21组成，运放A2的正输入端通过电阻R20a与R20b分别接积分环 节的负电源端-Pv与正电源端+Pv，运放A2的负输入端通过电阻R21接积分环节的 输入端gs21，电容C21与稳压管D21并联并跨接在运放A2的输出端与负输入端之 间，运放A2的输出端通过电阻R22接积分环节的输出端gs22，运放A2的正负电源 端分别接为积分环节的正负电源端+Pv与-Pv;所述的单电源分压滞环比较器由电压 比较器B3、电阻R30a与R30b及R31组成，比较器B3的负输入端接为滞环比较器 的输入端zs31，比较器B3的正输入端通过电阻R30a与R30b分别接滞环比较器的负 电源端-Pv与正电源端+Pv,电阻R31跨接在比较器B3的输出端与正输入端之间， 比较器B3的输出端接为滞环比较器的输出端zs32，比较器B3的正负电源端分别接 为滞环比较器的正负电源端+Pv与-Pv。
单电源积分型PWM脉冲控制器的结构框图如图7所示，单电源积分型PWM脉 冲控制器的结构原理图如图8所示。
一种简约型PWM脉冲控制器，采用双电源的方式供电，即双电源简约型PWM 脉冲控制器，有一个接地端GND、 二个电源端即负电源端-Pv和正电源端+Pv、 二个 信号输入端即反相信号输入端psl和同相信号输入端ps2、 一个信号输出端ps3、 一 个误差极性输出端Epol、 一个时间常数调整端Tadj;其特征在于双电源简约型PWM 脉冲控制器由电压比较器B1与B3、反相功率驱动器B4、电阻R21与R30及R31、 电容C21、二极管D41与D42组成，比较器Bl的负输入端与正输入端分别接为PWM 控制器的反相输入端psl与同相输入端ps2，比较器Bl的输出端接为PWM控制器的 误差极性输出端Epol，电阻R21跨接在比较器B1的输出端与比较器B3的负输入端 之间，比较器B3的负输入端接为PWM控制器的时间常数调整端Tadj、同时通过电 容C21接PWM控制器的接地端GND，比较器B3的正输入端通过电阻R30接PWM 控制器的接地端GND，电阻R31跨接在比较器B3的输出端与正输入端之间，比较 器B3的输出端与驱动器B4的输入端连接，驱动器B4的输出端接为PWM控制器的 信号输出端ps3， 二极管D41的正负端分别接PWM控制器的负电源端-Pv与输出端 ps3， 二极管D42的正负端分别接PWM控制器的输出端ps3与正电源端+Pv，电压比 较器Bl与B3、反相功率驱动器B4的正负电源端分别相连接并分别接为PWM控制 器的正负电源端+Pv与-Pv。
双电源简约型PWM脉冲控制器的电路原理图如图9所示。
一种简约型PWM脉冲控制器，采用单电源的方式供电，即单电源简约型PWM 脉冲控制器，有二个电源端即负电源端-Pv和正电源端+Pv、 二个信号输入端即反相 信号输入端psl和同相信号输入端ps2、 一个信号输出端ps3、 一个误差极性输出端 Epol、 一个时间常数调整端Tadj;其特征在于单电源简约型PWM脉冲控制器由电 压比较器Bl与B3、反相功率驱动器B4、电阻R21与R30a和R30b及R31、电容 C21a与C21b、 二极管D41与D42组成，比较器Bl的负输入端与正输入端分别接为 PWM控制器的反相输入端psl与同相输入端ps2，比较器Bl的输出端接为PWM控 制器的误差极性输出端Epol，电阻R21跨接在比较器B1的输出端与比较器B3的负 输入端之间，比较器B3的负输入端接为PWM控制器的时间常数调整端Tadj、同时 通过电容C21a与C21b分别接PWM控制器的负电源端-Pv与正电源端+Pv，比较器 B3的正输入端通过电阻R30a与R30b分别接PWM控制器的负电源端-Pv与正电源 端+Pv，电阻R31跨接在比较器B3的输出端与正输入端之间，比较器B3的输出端与 驱动器B4的输入端连接，驱动器B4的输出端接为PWM控制器的信号输出端ps3， 二极管D41的正负端分别接PWM控制器的负电源端-Pv与输出端ps3， 二极管D42 的正负端分别接PWM控制器的输出端ps3与正电源端+Pv，电压比较器Bl与B3、 反相功率驱动器B4的正负电源端分别相连接并分别接为PWM控制器的正负电源端 +Pv与-Pv。
单电源简约型PWM脉冲控制器的电路原理图如图10所示。 所述的双电源惯性型PWM脉冲控制器或双电源积分型PWM脉冲控制器或双电 源简约型PWM脉冲控制器集成在一个单片上作为一个通用单片控制器件使用，双电 源PWM脉冲单片控制器共有八个引脚 一个接地端GND、 二个信号输入端即反相 输入端与同相输入端、 一个误差极性输出端Epol、 一个时间常数调整端Tadj、 二个 电源端即负电源端-Pv与正电源端+Pv、 一个PWM脉冲信号输出端。
双电源PWM脉冲控制器的电路图形符号如图lla所示，简约符号如图llb所示。 所述的单电源惯性型PWM脉冲控制器或单电源积分型PWM脉冲控制器或单电 源简约型PWM脉冲控制器集成在一个单片上作为一个通用单片控制器件使用，单电 源PWM脉冲单片控制器共有七个引脚二个信号输入端即反相输入端与同相输入 端、 一个误差极性输出端Epol、 一个时间常数调整端Tadj、 二个电源端即负电源端 -Pv与正电源端+Pv、 一个PWM脉冲信号输出端。
单电源PWM脉冲控制器的电路图形符号如图12a所示，简约符号如图12b所示。
为了便于集成化，组成PWM脉冲控制器的电容可采用小容量电容，需较长延迟 时可通过时间常数调整端Tadj外接电容来增加时间常数；或将电容二端连接至PWM 控制器的外部引脚(接线端)，电容外置，以便将整个电路集成在一个单芯片上。
PWM脉冲控制器的误差极性输出端Epol输出为PWM脉冲控制器输入信号误差 的极性信号。时间常数调整端Tadj可外接电容，用于调节PWM脉冲控制器的时间 常数。误差极性输出端Epol与时间常数调整端Tadj还也可以通过外接电路来实现其 它不同的功能。
组成惯性型PWM脉冲控制器的微分滞环比较器也可采用分压滞环比较器代替， 而组成积分型PWM脉冲控制器的分压滞环比较器也可采用微分滞环比较器代替。
PWM控制器与控制对象及反馈变换环节(控制对象与反馈变换环节的组合通常 为惯性或近似惯性的系统)组成同相自控系统，如图13所示。PWM控制器的一个 信号输入端接控制给定，PWM控制器的另一个信号输入端通过电阻Rl接地、同时 通过电阻R2接反馈变量，PWM控制器的信号输出端输出PWM脉冲信号用于调节 控制对象的输出，控制对象的直接受控变量经反馈变换环节输出一个反馈变量接入 PWM控制器的信号输入端从而构成一个闭环控制系统。反馈变量通过电阻R2与 PWM控制器二个信号输入端之一的具体连接应使自控系统的整个闭环回路呈负反馈 形式。
PWM控制器与控制对象及反馈变换环节(控制对象与反馈变换环节的组合通常 为惯性或近似惯性的系统)组成反相自控系统，如图14所示。PWM控制器的一个 信号输入端接地，PWM控制器的另一个信号输入端通过电阻Rl接控制给定、同时 通过电阻R2接反馈变量，PWM控制器的信号输出端输出PWM脉冲信号用于调节 控制对象的输出，控制对象的直接受控变量经反馈变换环节输出一个反馈变量接入 PWM控制器的信号输入端从而构成一个闭环控制系统。反馈变量通过电阻R2与 PWM控制器二个信号输入端之一的具体连接应使自控系统的整个闭环回路呈负反馈 形式。
控制对象的直接受控变量经反馈变换环节输出一个反馈变量，反馈变量与控制给 定输入通过PWM控制器的比较器Bl进行比较输出一个脉冲信号，脉冲信号经积分 环节或惯性环节产生一个三角波或近似三角波或锯齿波的信号波形，该信号波形通过 滞环比较器生成一个PWM脉冲控制信号，PWM控制器输出的PWM脉冲控制信号 作用于控制对象从而调节其输出变量大小。
惯性型PWM脉冲控制器的工作波形如图15所示，积分型PWM脉冲控制器的 工作波形如图16所示，简约型PWM脉冲控制器的工作波形如图17所示。
由于给定输入的改变、负载变化、参数变化、电源电压变化等因素的影响导致反 馈变量偏离给定输入时，PWM控制器的比较器B1输出脉冲信号经惯性环节与滞环 比较器及驱动器(或积分环节与滞环比较器)输出一个控制信号，使控制对象的输出 变量朝着输入给定的目标变化，而当输出脉冲的持续作用使控制对象的输出变量超越 输入给定的目标时，即反馈变量从另一方向偏离给定输入时，比较器B1输出一个极 性相反的脉冲信号，经惯性环节与滞环比较器及驱动器(或积分环节与滞环比较器) 输出一个极性相反的控制信号，使控制对象的输出变量朝着相反的方向(即输入给定 目标的方向)变化，从而使控制对象的输出跟踪输入给定的目标。输出控制信号是一 个占空比根据给定输入得到并自动补偿由于负载、参数或电源电压等因素变化对输出 产生影响的PWM脉冲信号波形。
在PWM脉冲控制器驱动的控制对象串有电感(如LC滤波器等)而呈感性时， 二极管D41与D42具有续流作用，可以避免过电压冲击导致末级功放管被击穿。
组成PWM控制器的电压比较器可以用运算放大器或具有类似功能的电路代替。 惯性型PWM控制器与简约型PWM控制器的反相功率驱动器可采用功率运算放大 器、功率电压比较器或功率开关电路等组成功率放大电路或脉冲开关电路(其电压放 大倍数的绝对值应大于1)，或组成输出与输入反相的滞环比较器电路实现反相功率 驱动器的功能。在无需大电流驱动及相关功能时，反相功率驱动器可以省略，由滞环 比较器的电压比较器直接输出，但在使用时需要注意由连接关系决定的PWM控制器 输出与输入的极性关系。当PWM脉冲控制器采用滞环比较器的电压比较器直接输出 时，电压比较器也可采用功率运算放大器、功率电压比较器或功率开关电路等组成功 率型滞环比较器以增强PWM脉冲控制器的功率或电流输出能力。
电容外置、反相功率驱动器省略的双电源简易PWM脉冲控制器如图18所示。 电容外置、反相功率驱动器省略的单电源简易PWM脉冲控制器如图19所示。
组成同相自控系统的电阻Rl阻值通常(但不限于)取5KQ ooQ， ooQ的电阻 即为开路；电阻R2阻值通常(但不限于)取0Q 50KQ， 0Q的电阻即为短路。
组成反相自控系统的电阻R1、 R2阻值通常(但不限于)取5KQ 50KQ。
PWM脉冲控制器的电阻R20、 R21、 R22阻值通常(但不限于)取5KQ 50KQ， 通常(但不限于)取电阻R20a=R20b，电阻R20a、 R20b阻值通常(但不限于)取5KQ 100KQ，电阻R30、 R31阻值通常(但不限于)取5KQ 50KQ，通常(但不 限于)取电阻R30a=R30b，电阻R30a、 R30b阻值通常(但不限于)取5KQ 100KQ， 通常(但不限于)取电容C21a-C21b，电容C21、 C21a、 C21b、 C31容值取决于PWM 输出脉冲信号波形所需的振荡频率，双向稳压管可以采用二个反向串联的普通稳压管 代替，双向稳压管D21的工作电压可取略低于运放A2的输出饱和电压值以避免积分 环节进入饱和状态，在性能要求不高时双向稳压管D21也可以省略。
PWM脉冲控制器与控制对象及反馈变换环节等组成的PWM脉冲闭环自动控制 系统，简称PWM控制系统或脉冲控制系统。PWM控制系统的输入为模拟电压给定 值，PWM控制器输出为PWM脉冲电压波形，控制对象输出为一个受控的物理变量， 输入给定与反馈变量一起经过PWM脉冲控制器输出一个控制量来调节控制对象的 输出变量的大小。
本发明的PWM脉冲控制器仅采用半导体器件与阻容元件构成，具有结构简单、 成本低廉、性能稳定、可靠性好、系统效率高、响应速度快、易于集成化等特点，在 交流变频器、直流电机控制器、伺服系统、开关电源、功率放大器等电气自控系统与 电力电子设备中有着广泛的应用价值。
图l双电源惯性型PWM脉冲控制器结构框图。
图2双电源惯性型PWM脉冲控制器结构原理图。
图3单电源惯性型PWM脉冲控制器结构框图。
图4单电源惯性型PWM脉冲控制器结构原理图。
图5双电源积分型PWM脉冲控制器结构框图。
图6双电源积分型PWM脉冲控制器结构原理图。
图7单电源积分型PWM脉冲控制器结构框图。
图8单电源积分型PWM脉冲控制器结构原理图。
图9双电源简约型PWM脉冲控制器电路原理图。
图10单电源简约型PWM脉冲控制器电路原理图。
图lla、 lib双电源PWM脉冲控制器电路符号与简约符号图。
图12a、 12b单电源PWM脉冲控制器电路符号与简约符号图。
图13同相PWM脉冲自控系统结构框图。
图14反相PWM脉冲自控系统结构框图。
图15惯性型PWM脉冲控制器的工作波形。
图16积分型PWM脉冲控制器的工作波形。
图17简约型PWM脉冲控制器的工作波形。
图18电容外置双电源简易PWM脉冲控制器电路原理图。
图19电容外置单电源简易PWM脉冲控制器电路原理图。
图20 PWM波形发生器结构原理图。
图21 PWM波形发生器输出脉冲波形。
图22 PWM开关电源结构原理图。
图23 PWM开关电源输出电压波形。
图24 D类音频功放结构原理图。
图25 D类音频功放输出电压波形。
图26动圈式扬声器的D类音频功放结构原理图。
图27直流电机调速控制系统结构框图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明进行详细描述。 实施例l
PWM波形发生器
PWM波形发生器结构原理图如图20所示。
PWM波形发生器由PWM脉冲控制器、RC滤波器、输出缓冲单元组成，PWM 波形发生器输入一个给定信号，并与反馈变量输入一起经PWM控制器输出一个 PWM脉冲信号，PWM脉冲信号经RC滤波器输出一个脉动的直流电压反馈变量。
设脉冲信号波形的脉宽差合比(简称差合比)2为正脉宽"与负脉宽77的
差(72-77)与整周期(rvr"之比。
—71
即0 = :^i
2在正负脉冲宽度相同时为o，仅有正脉冲时为i，仅有负脉冲时为-i。
则PWM控制器输出脉冲信号波形的差合比0与给定输入电压"及PWM控制 器输出脉冲的峰值电压t/p的关系为
PWM脉冲控制器输出一个差合比受给定输入控制的PWM脉冲信号，经输出缓 冲单元输出一个可控的PWM脉冲信号波形。 PWM控制器输出脉冲波形如图21所示。
PWM波形发生器在信号处理与自控系统中有着广泛的应用价值。 实施例2
PWM开关电源
PWM开关电源结构原理图如图22所示。
PWM开关电源由可变电阻R0、 PWM脉冲控制器Pl、反相大功率驱动器P2、 LC滤波器等组成。PWM开关电源由可变电阻RO输入一个电压给定信号，与反馈变 量输入一起经PWM控制器PI输出一个PWM脉冲信号，PWM脉冲信号经大功率驱 动器P2的功率放大及LC滤波器的波形平滑输出一个脉动的直流电压波形，并将经 电阻R1、 R2分压的输出作为反馈变量接入PWM控制器P1的输入端。
PWM开关电源的工作波形如图23所示。
选择适当的PWM输出脉冲信号的振荡频率与LC滤波器参数，可以降低输出直 流电压的纹波，达到直流电源所需的要求。
可调电阻R0的输出电压给定的可调范围可正可负，PWM开关电源的电压输出 范围正负可调，此PWM开关电源为一低成本、高效率、正负可调的高性能开关电源。
PWM开关电源在实验室与电气装备中有着广泛的应用价值。 实施例3
D类音频功率放大器
D类音频功率放大器结构原理图如图24所示。
D类音频功率放大器由PWM脉冲控制器、LC滤波器等组成。D类音频功率放 大器输入一个音频电压信号，与反馈变量分别经电阻R1、R2输入PWM控制器，PWM 控制器输出一个PWM脉冲信号，PWM脉冲信号经LC滤波器的波形平滑输出一个 功率音频电压，推动扬声器发出声音。PWM脉冲信号波形如图25所示。
由于电阻R1、 R2的作用，此D类音频功率放大器的输出电压相对输入音频信号 呈比例关系，其输出电压U。与输入电压f/!之间的关系为
电磁线绕制的动圈式扬声器有一定漏感，选取适当的PWM脉冲振荡频率，可以
用PWM脉冲输出电压直接驱动扬声器发音，此时将扬声器直接连PWM控制器的输 出，直接驱动式D类音频功率放大器结构原理图如图26所示。
D类音频功率放大器成本低、效率高、易于集成化，在家用电器与音响设备中有 着广泛的应用价值。 实施例4
直流电机调速控制系统
直流电机调速控制系统结构原理图如图27所示。
直流电机调速控制系统由误差比较环节、速度调节环节、PWM脉冲控制器、功 率开关单元、电流检测与速度检测环节等组成。PWM控制器、功率开关单元、电流 检测环节组成内闭环作为电流控制器，速度调节环节、电流控制器、速度检测环节组 成外闭环即速度闭环作为速度控制器(即调速控制系统)。
电流控制器输入为电流给定，电流检测环节将输出电流变换为相应的反馈变量输 入PWM控制器，PWM控制器输出一个PWM脉冲控制信号，经功率开关单元输出 一个PWM脉冲电压，控制输出电流跟踪电流给定。电流控制器输出大电流驱动直流 电机工作。由于直流电机有一定的漏感，选取适当的PWM脉冲振荡频率，电流控制 器输出电压虽为PWM脉冲电压，但电流控制器输出电流近似为连续控制电流。
直流电机调速控制系统输入为速度给定值，速度检测环节将电机转速变换为相应 的反馈变量，经误差比较环节将速度给定值与速度反馈变量的差值输入速度调节环 节，速度调节环节输出一个电流给定信号，经电流控制器输出一个大电流驱动直流电 机并带动机械负载工作，并使直流电机的速度保持在速度给定值所确定的目标值上。
直流电机调速控制系统是一个电流为内环、速度为外环的双闭环控制器，具有响 应速度快、系统效率高等特点，在电力传动等自动控制装备中有着广泛的实用价值。
权利要求
1. 一种双电源惯性型PWM脉冲控制器，采用双电源的方式供电，有一个接地端GND、二个电源端即负电源端-Pv和正电源端+Pv、二个信号输入端即反相信号输入端ps1和同相信号输入端ps2、一个信号输出端ps3、一个误差极性输出端Epol、一个时间常数调整端Tadj；其特征在于双电源惯性型PWM脉冲控制器由电压比较器B1、接地型惯性环节、接地型微分滞环比较器、反相功率驱动器B4、二极管D41与D42组成，接地型惯性环节有一个信号输入端gs21和一个信号输出端gs22、一个接地端GND，接地型微分滞环比较器有一个信号输入端zs31和一个信号输出端zs32、二个电源端即负电源端-Pv和正电源端+Pv、一个接地端GND；比较器B1的负输入端与正输入端分别接为PWM控制器的反相输入端ps1与同相输入端ps2，比较器B1的输出端与惯性环节的输入端gs21连接并接为PWM控制器的误差极性输出端Epol，惯性环节的输出端gs22与滞环比较器的输入端zs31连接并接为PWM控制器的时间常数调整端Tadj，滞环比较器的输出端zs32与驱动器B4的输入端连接，驱动器B4的输出端接为PWM控制器的信号输出端ps3，二极管D41的正负端分别接PWM控制器的负电源端-Pv与输出端ps3，二极管D42的正负端分别接PWM控制器的输出端ps3与正电源端+Pv，惯性环节、滞环比较器的接地端相连接并接为PWM控制器的接地端GND，比较器B1、滞环比较器、驱动器B4的正负电源端分别相连接并分别接为PWM控制器的正负电源端+Pv与-Pv；所述的接地型惯性环节由电阻R21与R22、电容C21组成，电阻R21与R22、电容C21接成星型形式即各有一端连接在一起，电阻R21与R22的另一端分别接为惯性环节的输入端gs21与输出端gs22，电容C21的另一端接为惯性环节的接地端GND；所述的接地型微分滞环比较器由电压比较器B3、电阻R30与R31、电容C31组成，比较器B3的负输入端接为滞环比较器的输入端zs31，比较器B3的正输入端通过电阻R30接滞环比较器的接地端GND，电容C31与电阻R31串联并跨接在比较器B3的输出端与正输入端之间，比较器B3的输出端接为滞环比较器的输出端zs32，比较器B3的正负电源端分别接为滞环比较器的正负电源端+Pv与-Pv。
2. —种单电源惯性型PWM脉冲控制器，采用单电源的方式供电，有二个电源端即 负电源端-Pv和正电源端+Pv、 二个信号输入端即反相信号输入端psl和同相信号 输入端ps2、 一个信号输出端ps3、 一个误差极性输出端Epol、 一个时间常数调整 端Tadj;其特征在于单电源惯性型PWM脉冲控制器由电压比较器B1、电源型 惯性环节、电源型微分滞环比较器、反相功率驱动器B4、 二极管D41与D42组 成，电源型惯性环节有一个信号输入端gs21和一个信号输出端gs22、 二个电源端 即负电源端-Pv和正电源端+Pv，电源型微分滞环比较器有一个信号输入端zs31 和一个信号输出端zs32、 二个电源端即负电源端-Pv和正电源端+Pv;比较器B1 的负输入端与正输入端分别接为PWM控制器的反相输入端psl与同相输入端 ps2，比较器Bl的输出端与惯性环节的输入端gs21连接并接为PWM控制器的误 差极性输出端Epol，惯性环节的输出端gs22与滞环比较器的输入端zs31连接并 接为PWM控制器的时间常数调整端Tadj，滞环比较器的输出端zs32与驱动器 B4的输入端连接，驱动器B4的输出端接为PWM控制器的信号输出端ps3， 二极 管D41的正负端分别接PWM控制器的负电源端-Pv与输出端ps3， 二极管D42 的正负端分别接PWM控制器的输出端ps3与正电源端+Pv，比较器Bl、惯性环 节、滞环比较器、驱动器B4的正负电源端分别相连接并分别接为PWM控制器的 正负电源端+Pv与-Pv;所述的电源型惯性环节由电阻R21与R22、电容C21a与 C21b组成，电阻R21与R22、电容C21a与C21b接成星型形式即各有一端连接 在一起，电阻R21与R22的另一端分别接为惯性环节的输入端gs21与输出端gs22， 电容C21a与C21b的另一端分别接为惯性环节的负电源端-Pv与正电源端+Pv; 所述的电源型微分滞环比较器由电压比较器B3、电阻R30a与R30b及R31、电容 C31组成，比较器B3的负输入端接为滞环比较器的输入端zs31，比较器B3的正 输入端分别通过电阻R30a与R30b接滞环比较器的负电源端-Pv与正电源端+Pv， 电容C31与电阻R31串联并跨接在比较器B3的输出端与正输入端之间，比较器 B3的输出端接为滞环比较器的输出端zs32，比较器B3的正负电源端分别接为滞 环比较器的正负电源端+Pv与-Pv。
3. —种双电源积分型PWM脉冲控制器，采用双电源的方式供电，有一个接地端 GND、 二个电源端即负电源端-Pv和正电源端+Pv、 二个信号输入端即反相信号输 入端psl和同相信号输入端ps2、 一个信号输出端ps3、 一个误差极性输出端Epol、 一个时间常数调整端Tadj;其特征在于双电源积分型PWM脉冲控制器由电压 比较器B1、双电源积分环节、双电源分压滞环比较器、二极管D41与D42组成， 双电源积分环节有一个信号输入端gs21和一个信号输出端gs22、t个电源端即负 电源端-Pv和正电源端+Pv、 一个接地端GND，双电源分压滞环比较器有一个信 号输入端zs31和一个信号输出端zs32、 二个电源端即负电源端-Pv和正电源端 +Pv、 一个接地端GND;比较器B1的负输入端与正输入端分别接为PWM控制器 的反相输入端psl与同相输入端ps2，比较器B1的输出端与积分环节的输入端gs21 连接并接为PWM控制器的误差极性输出端Epol，积分环节的输出端gs22与滞环 比较器的输入端zs31连接并接为PWM控制器的时间常数调整端Tadj，滞环比较 器的输出端zs32接为PWM控制器的信号输出端ps3， 二极管D41的正负端分别 接PWM控制器的负电源端-Pv与输出端ps3， 二极管D42的正负端分别接PWM 控制器的输出端ps3与正电源端+Pv，积分环节、滞环比较器的接地端相连接并接 为PWM控制器的接地端GND，比较器B1、积分环节、滞环比较器的正负电源 端分别相连接并分别接为PWM控制器的正负电源端+Pv与-Pv;所述的双电源积 分环节由运算放大器A2、电阻R20与R21及R22、电容C21及双向稳压管D21 组成，运放A2的正输入端通过电阻R20接积分环节的接地端GND，运放A2的 负输入端通过电阻R21接积分环节的输入端gs21，电容C21与稳压管D21并联 并跨接在运放A2的输出端与负输入端之间，运放A2的输出端通过电阻R22接积 分环节的输出端gs22，运放A2的正负电源端分别接为积分环节的正负电源端+Pv 与-Pv;所述的双电源分压滞环比较器由电压比较器B3、电阻R30与R31组成， 比较器B3的负输入端接为滞环比较器的输入端zs31，比较器B3的正输入端通过 电阻R30接滞环比较器的接地端GND，电阻R31跨接在比较器B3的输出端与正 输入端之间，比较器B3的输出端接为滞环比较器的输出端zs32，比较器B3的正 负电源端分别接为滞环比较器的正负电源端+Pv与-Pv。
4. 一种单电源积分型PWM脉冲控制器，采用单电源的方式供电，有二个电源端即 负电源端-Pv和正电源端+Pv、 二个信号输入端即反相信号输入端psl和同相信号 输入端ps2、 一个信号输出端ps3、 一个误差极性输出端Epol、 一个时间常数调整 端Tadj;其特征在于单电源积分型PWM脉冲控制器由电压比较器B1、单电源 积分环节、单电源分压滞环比较器、二极管D41与D42组成，单电源积分环节有 一个信号输入端gs21和一个信号输出端gs22、 二个电源端即负电源端-Pv和正电 源端+Pv，单电源分压滞环比较器有一个信号输入端zs31和一个信号输出端zs32、 二个电源端即负电源端-Pv和正电源端+Pv;比较器B1的负输入端与正输入端分 别接为PWM控制器的反相输入端psl与同相输入端ps2，比较器Bl的输出端与 积分环节的输入端gs21连接并接为PWM控制器的误差极性输出端Epol，积分环节的输出端gs22与滞环比较器的输入端zs31连接并接为PWM控制器的时间常数 调整端Tadj，滞环比较器的输出端zs32接为PWM控制器的信号输出端ps3， 二 极管D41的正负端分别接PWM控制器的负电源端-Pv与输出端ps3， 二极管D42 的正负端分别接PWM控制器的输出端ps3与正电源端+Pv，比较器B1、积分环 节、滞环比较器的正负电源端分别相连接并分别接为PWM控制器的正负电源端 十Pv与-Pv;所述的单电源积分环节由运算放大器A2、电阻R20a与R20b及R21 和R22、电容C21及双向稳压管D21组成，运放A2的正输入端分别通过电阻R20a 与R20b接积分环节的负电源端-Pv与正电源端+Pv,运放A2的负输入端通过电 阻R21接积分环节的输入端gs21，电容C21与稳压管D21并联并跨接在运放A2 的输出端与负输入端之间，运放A2的输出端通过电阻R22接积分环节的输出端 gs22，运放A2的正负电源端分别接为积分环节的正负电源端+Pv与-Pv;所述的 单电源分压滞环比较器由电压比较器B3、电阻R30a与R30b及R31组成，比较 器B3的负输入端接为滞环比较器的输入端zs31，比较器B3的正输入端分别通过 电阻R30a与R30b接滞环比较器的负电源端-Pv与正电源端+Pv，电阻R31跨接 在比较器B3的输出端与正输入端之间，比较器B3的输出端接为滞环比较器的输 出端zs32，比较器B3的正负电源端分别接为滞环比较器的正负电源端+Pv与-Pv。
5. —种双电源简约型PWM脉冲控制器，采用双电源的方式供电，有一个接地端 GND、 二个电源端即负电源端-Pv和正电源端+Pv、 二个信号输入端即反相信号输 入端psl和同相信号输入端ps2、 一个信号输出端ps3、 一个误差极性输出端Epol、 一个时间常数调整端Tadj;其特征在于双电源简约型PWM脉冲控制器由电压 比较器B1与B3、反相功率驱动器B4、电阻R21与R30及R31、电容C21、 二 极管D41与D42组成，比较器Bl的负输入端与正输入端分别接为PWM控制器 的反相输入端psl与同相输入端ps2，比较器Bl的输出端接为PWM控制器的误 差极性输出端Epol，电阻R21跨接在比较器Bl的输出端与比较器B3的负输入 端之间，比较器B3的负输入端接为PWM控制器的时间常数调整端Tadj、同时通 过电容C21接PWM控制器的接地端GND,比较器B3的正输入端通过电阻R30 接PWM控制器的接地端GND，电阻R31跨接在比较器B3的输出端与正输入端 之间，比较器B3的输出端与驱动器B4的输入端连接，驱动器B4的输出端接为 PWM控制器的信号输出端ps3， 二极管D41的正负端分别接PWM控制器的负电 源端-Pv与输出端ps3， 二极管D42的正负端分别接PWM控制器的输出端ps3与 正电源端+Pv，电压比较器B1与B3、反相功率驱动器B4的正负电源端分别相连 接并分别接为PWM控制器的正负电源端+Pv与-Pv。
6. —种单电源简约型PWM脉冲控制器，采用单电源的方式供电，有二个电源端即 负电源端-Pv和正电源端+Pv、 二个信号输入端即反相信号输入端psl和同相信号 输入端ps2、 一个信号输出端ps3、 一个误差极性输出端Epol、 一个时间常数调整 端Tadj;其特征在于单电源简约型PWM脉冲控制器由电压比较器B1与B3、 反相功率驱动器B4、电阻R21与R30a和R30b及R31、电容C21a与C21b、 二 极管D41与D42组成，比较器Bl的负输入端与正输入端分别接为PWM控制器 的反相输入端psl与同相输入端ps2，比较器B1的输出端接为PWM控制器的误 差极性输出端Epol，电阻R21跨接在比较器Bl的输出端与比较器B3的负输入 端之间，比较器B3的负输入端接为PWM控制器的时间常数调整端Tadj、同时通 过电容C21a与C21b分别接PWM控制器的负电源端-Pv与正电源端+Pv，比较器 B3的正输入端通过电阻R30a与R30b分别接PWM控制器的负电源端-Pv与正电 源端+Pv，电阻R31跨接在比较器B3的输出端与正输入端之间，比较器B3的输 出端与驱动器B4的输入端连接，驱动器B4的输出端接为PWM控制器的信号输 出端ps3， 二极管D41的正负端分别接PWM控制器的负电源端-Pv与输出端ps3， 二极管D42的正负端分别接PWM控制器的输出端ps3与正电源端+Pv，电压比较 器Bl与B3、反相功率驱动器B4的正负电源端分别相连接并分别接为PWM控 制器的正负电源端+Pv与-Pv。
7. 按权利要求1或权利要求3或权利要求5所述的PWM脉冲控制器，其特征在于 双电源PWM脉冲控制器集成在一个单片上作为一个通用单片控制器件使用，双 电源PWM脉冲单片控制器共有八个引脚 一个接地端GND、 二个信号输入端即 反相输入端与同相输入端、 一个误差极性输出端Epol、 一个时间常数调整端Tadj、 二个电源端即负电源端-Pv与正电源端+Pv、 一个PWM脉冲信号输出端。
8. 按权利要求2或权利要求4或权利要求6所述的PWM脉冲控制器，其特征在于 单电源PWM脉冲控制器集成在一个单片上作为一个通用单片控制器件使用，单 电源PWM脉冲单片控制器共有七个引脚二个信号输入端即反相输入端与同相 输入端、 一个误差极性输出端Epol、 一个时间常数调整端Tadj、 二个电源端即负 电源端-Pv与正电源端+Pv、 一个PWM脉冲信号输出端。
全文摘要
本发明涉及六种PWM(脉宽调制)脉冲控制器，属于电力电子与自控技术领域。PWM脉冲控制器由电压比较器、惯性环节或积分环节、滞环比较器等组成。由PWM控制器、控制对象与反馈变换等组成PWM脉冲控制系统，控制对象的受控变量经反馈变换环节输出反馈变量，与控制给定一起通过比较器输出一个脉冲信号，经惯性或积分环节产生类三角波信号，再通过滞环比较器生成PWM脉冲控制信号，作用于控制对象调节其输出变量大小。当条件变化或输出脉冲持续作用导致反馈变量偏离给定时，PWM控制器输出脉冲控制信号，使控制对象的输出跟踪给定的目标。PWM脉冲控制器结构简单可靠、成本低、系统响应快效率高，有着广泛的应用价值。
文档编号H02M1/00GK101388595SQ20081009289
公开日2009年3月18日 申请日期2008年5月6日 优先权日2008年1月8日
发明者霞 司, 张金龙, 明 朱, 梅卫东 申请人:上海大学