控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、動(dòng)作控制方式及特點(diǎn)機(jī)電一體化產(chǎn)品的動(dòng)作控制方式是指其執(zhí)行機(jī)構(gòu)從一點(diǎn)移動(dòng)到另一點(diǎn)的過(guò)程中，對(duì)位 置、速度或加速度等的控制方式。（一）位置控制方式位置控制方式按其控制指令來(lái)分，有絕對(duì)值控制方式和增量值控制方式。絕對(duì)值控制方式是先確定基準(zhǔn)坐標(biāo)系，以此坐標(biāo)系的坐標(biāo)值為位置控制指令。而增量值控制方式則以從當(dāng)前位置向下一個(gè)位置移動(dòng)所需的移動(dòng)量為控制指令。1、 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定位這種定位方式的結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單。它是以步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行單元，用對(duì) 應(yīng)于所需移動(dòng)動(dòng)量的脈沖數(shù)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行定位的，常用于定位精神要求不太高的地方。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)脈沖頻率有上限， 超過(guò)此頻率就會(huì)出現(xiàn)丟步現(xiàn)象、 破壞脈沖與轉(zhuǎn)

2、 角的比例關(guān)系，因此，在使用一定頻率脈沖的情況下，難于提高動(dòng)作速度。在采用計(jì)算機(jī)控制的機(jī)電一體化產(chǎn)品中， 使用計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行運(yùn)算， 可在不丟步的范圍內(nèi)緩慢加速， 接近目 標(biāo)位置時(shí)緩慢減速，達(dá)到目標(biāo)位置時(shí)停止，提高了使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。2、直流（或交流）伺服電動(dòng)機(jī)定位（絕對(duì)值方式）對(duì)于高速度和高精度的定位，需采用反饋控制。檢測(cè)位置反饋信號(hào)的位置檢測(cè)傳感器，也有絕對(duì)值和增量值兩種控制方式。絕對(duì)值方式位置檢測(cè)器多使用感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器等，將檢測(cè)的信號(hào)反饋給給指令輸入端并與絕對(duì)值指令信號(hào)進(jìn)行比較，通過(guò)控制使兩者一致。圖1為其原理框圖，它由計(jì)算機(jī)發(fā)出位置指令信號(hào)，通過(guò) D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，

3、并與檢測(cè)出的位置反饋信號(hào)進(jìn)行比較。3、直流（或交流）伺服電動(dòng)機(jī)定位（增量值方式）這是利用計(jì)算機(jī)的一種增量式脈沖控制直流（交流）伺服電動(dòng)機(jī)的方式，其原理如圖2所示。在直流伺服電動(dòng)機(jī)上裝有脈沖發(fā)生器，由于電動(dòng)機(jī)只能轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)于脈沖數(shù)轉(zhuǎn)角，因此，用直流伺服電動(dòng)機(jī)的高速響應(yīng)性實(shí)現(xiàn)了類似于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功能。這種方法是在要求高性能定位的機(jī)電一體化產(chǎn)品中常用的方 法。敢大往電動(dòng)機(jī)位蚩反饋圖1純對(duì)值控制方武直流啊月民電動(dòng)機(jī)定便圖2増帶俏控制方武直涼伺服電動(dòng)機(jī)定位（二）速度控制方式1、速度的模擬反饋控制速度的模擬控制原理如圖 3所示。電動(dòng)機(jī)為直流（或交流）伺服電動(dòng)機(jī)，采用測(cè)速發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成比例的電壓，

4、作為速度反饋信號(hào)。 其工作原理是利用電壓比較電路，以設(shè)定電壓Ui與測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓 U3之差 U的形式求出廟宇轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速之差。如果實(shí)際轉(zhuǎn)速比設(shè)定轉(zhuǎn)速低，電壓差就大，從而電樞電壓U2增大，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也升高， 于是電動(dòng)機(jī)就以規(guī)定電壓與測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出電壓大致相同時(shí)的轉(zhuǎn) 速連續(xù)旋轉(zhuǎn)。團(tuán)3速度的極擬反饋控制逮度的囲6!反慣揑制庫(kù)團(tuán)轉(zhuǎn)速與時(shí)間的關(guān)系2、速度的數(shù)字反饋控制速度的數(shù)字反饋控制如圖 4所示。這種控制方式為鎖相閉控制，可以實(shí)現(xiàn)高精度的速度控制，適合于音頻設(shè)備的速度控制?？刂扑欧糯笃鞯妮敵雠c輸入脈沖和速度反饋脈沖的相位差a成正比。速度指令脈沖采用頻率為 f2脈沖系列，用相位比較器比較兩個(gè)脈

5、沖信號(hào)的相位差，通過(guò)控制使其相尊達(dá)到一致，從而達(dá)到控制速度之目的。（三）伺服控制的分類按動(dòng)力源來(lái)分，目前使用的伺服控制機(jī)構(gòu)有電氣伺服和電一液（氣）伺服等類型。在電一液伺服控制機(jī)構(gòu)中（見(jiàn)圖 5），目標(biāo)值Pi增加時(shí)，則它與位置反饋信號(hào)F0的偏差E為正，電一液伺服閥的滑閥離開(kāi)中位右移，液壓源的高壓油流入油缸的左側(cè)。同時(shí)，油缸右側(cè)的油經(jīng)伺服閥返回油箱，油缸活塞桿向右移動(dòng)，用位置傳感器（如電位器）檢測(cè)活塞桿的位置， 傳感器的輸出為F0,當(dāng)Fb與目標(biāo)值F的偏差E為零時(shí)，伺服滑閥返回中位，活塞桿停止定位。JVUL遼度反慣處沖廠曲沖一生毋閨孑電-淞何脛聚統(tǒng)電氣伺服機(jī)構(gòu)也是以同樣的方法進(jìn)行位置控制的，如圖6所示

6、。目標(biāo)值 P增加，偏差信號(hào)E為正時(shí)，DC伺服電動(dòng)機(jī)的伺服放大器產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電流 I ,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)減速器減速帶 動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)。負(fù)載軸（或電動(dòng)機(jī)軸）上裝有角度傳感器（如編碼器），產(chǎn)生檢測(cè)信號(hào) Po與目標(biāo)值Pi進(jìn)行比較，負(fù)載軸（或電動(dòng)機(jī)軸）一直 回轉(zhuǎn)到偏差值E為零時(shí)停止。除上述根據(jù)動(dòng)力源對(duì)伺服控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行分 類外，還可以根據(jù)位置，速度及控制信號(hào)的處 理方法進(jìn)行分類。對(duì)電氣伺服機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，可分 為以下幾種：1、模擬伺服控制如圖7所示，偏差的運(yùn)算及電動(dòng)機(jī)的位置、速度信號(hào)等全部使用模擬 信號(hào)控制就是模擬伺服控制。用模擬運(yùn)算回路 進(jìn)行偏差的運(yùn)算，用電位器進(jìn)行位置檢測(cè)，用 測(cè)速發(fā)電機(jī)進(jìn)行速度檢測(cè)。這種伺服方式是最

7、 早被采用的，也是最基本的伺服方式。閤&電豈伺雖垂統(tǒng)板根住制回路 T嗅擬伺服系統(tǒng)2、數(shù)字伺服控制如圖8所示，DC伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角與速度全部用脈沖編碼器檢測(cè)，目標(biāo)值與位置信號(hào)的偏差用計(jì)數(shù)器進(jìn)行運(yùn)算。這種使用數(shù)字控制回路進(jìn)行偏差運(yùn)算及位置與速度檢測(cè)運(yùn)算的方式就是數(shù)字DC伺服控制。控制位置時(shí)，首先由偏差計(jì)數(shù)器對(duì)指令脈沖計(jì)數(shù)，并通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器將這個(gè)數(shù)字信號(hào)值變換成模擬信號(hào)輸入到伺服放大器，伺服放大器的輸出驅(qū)動(dòng)DC伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)脈沖編碼器將電動(dòng)機(jī)的回轉(zhuǎn)鋝變換成脈沖信號(hào)，反饋到 偏差計(jì)數(shù)器，當(dāng)反饋信號(hào)與指令信號(hào)的偏差為零時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止回轉(zhuǎn)。又能由于電動(dòng)機(jī)的回轉(zhuǎn)速度與脈沖編碼器的頻率成比例，所以用F

8、/U （頻率/電壓）轉(zhuǎn)換器將脈沖頻率變換成直 流電壓就可以等到速度信號(hào)。數(shù)控回路位置反期微型門(mén)每機(jī)3、軟件伺服控制如圖9所示，位置與速度反饋環(huán)的運(yùn)算處理全部由微型計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)地用軟件進(jìn)行處理的伺服控制可以稱為軟件伺服。將脈沖編碼器與測(cè)速發(fā)電機(jī)檢測(cè)到的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)角與速度信號(hào)讀入微型計(jì)算機(jī)，并用預(yù)先編好的計(jì)算機(jī)程序?qū)ι鲜鲂盘?hào)（按著采樣周期）進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算處理，然后由計(jì)算機(jī)發(fā)出驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的信號(hào)。從確保伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性來(lái)看， 也可以將速度信號(hào)的一部分直接反饋給伺服放大器。這種方法不但硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且可以用軟件靈活地對(duì)伺服系統(tǒng)做各種補(bǔ)償，這是它的最大特點(diǎn)。 但是，因?yàn)槲⑿陀?jì)算機(jī)的運(yùn)算程序直接插入到伺服系統(tǒng)中

9、，采樣周期一長(zhǎng)，對(duì)伺服系統(tǒng)的特性就有影響，不但使控制性能變 差，還使伺服系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。為此，就要求微型計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)要具有高速運(yùn)算和調(diào)整處理的能力。微型計(jì)算機(jī)圖9軟件伺服系統(tǒng)二、伺服驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)（一）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性與配套使用的驅(qū)動(dòng)電源有密切關(guān)系。驅(qū)動(dòng)電源由脈沖分配器和功率放大器組成，如圖10所示。驅(qū)動(dòng)電源是將變頻信號(hào)源（計(jì)算機(jī)或數(shù)控裝置等）送來(lái)的脈 沖信號(hào)及方向信號(hào)按照要求的配電方式自動(dòng)地循環(huán)供給電動(dòng)機(jī)各相繞組，以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子正反向旋轉(zhuǎn)。變頻信號(hào)源是可以提供從幾赫茲（HL）到幾萬(wàn)赫茲（HL）的頻率信號(hào)連續(xù)可調(diào)的脈沖信號(hào)發(fā)生器。因此，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量和頻率就可精

10、確控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角和速度。hho步進(jìn)電動(dòng)機(jī)餾動(dòng)電酒俎應(yīng)圖11眾三拍正反轉(zhuǎn)桂制的詢那分配器電粒原珪圖1、脈沖分配器步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各相繞組必須按一定的順序通電才能工作。這種使電動(dòng)機(jī)繞組的通電方式按一定規(guī)律變化的電子部件稱為脈沖分配器或環(huán)形分配器。實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配的方法有三種。一種是采用計(jì)算機(jī)軟件利用查表或計(jì)算方法進(jìn)行脈沖分配的環(huán)行分配器，簡(jiǎn)稱“軟環(huán)分”。表1為三相六拍分配狀態(tài)，可將表中狀態(tài)代碼01H, 03H, 02H, 06H, 05H列入程序數(shù)據(jù)表中，通過(guò)軟件可依次提取數(shù)據(jù)并經(jīng)脈沖分配具有更多的優(yōu)點(diǎn)。由于“軟環(huán)分” 占用計(jì)算機(jī)的運(yùn)行時(shí)間， 故會(huì)使插補(bǔ)一次的時(shí)間增加，易影響步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度。另

11、一種是采用小規(guī)模集成電路（三個(gè)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器）搭接成脈沖環(huán)形分配器，如圖11所示為三相六拍環(huán)形分配器。第三種是采用專用環(huán)形分配器集成電路器件，如CH250即為一種三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)環(huán)形分配器，它可以實(shí)現(xiàn)三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各種環(huán)形分配，使用方便，接口簡(jiǎn)單。表1三相六拍分配狀態(tài)轉(zhuǎn)向1-2相通電CPCBA代碼轉(zhuǎn)向A000101HAB101103H正B201002H反BC311006HC410004HJCA510105HA000101H0-R2、 功率放大器從計(jì)算機(jī)輸出口或從環(huán)形分配器輸出的信號(hào)脈沖電流一般只有幾個(gè)毫安，不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，必須采用功率放大器將脈沖電流進(jìn)行放大，使其到幾電培至十幾安培，從而

12、驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。由于電動(dòng)機(jī)各相繞組都是繞在鐵心上的線圈，所以電感較大，繞組通電時(shí)，電流上升受到限制，因而影響電動(dòng)機(jī)繞組電流的大小。繞組斷電時(shí)， 電感中磁場(chǎng)的儲(chǔ)能元件將維持繞組中已有的電流不能突變，在繞組斷電時(shí)會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)， 為使電流盡快衰減，并釋放反電動(dòng)勢(shì)，必須增加適當(dāng)?shù)睦m(xù)流回路。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所使用的功率放大電路有電壓型和電流型。電壓型又分為單電壓型、 又電壓型(高低壓型)，電流型中有恒流驅(qū)動(dòng)、 斬波驅(qū)動(dòng)等。單電壓電路如圖12所示，圖中W、W WB分別為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的三相繞組，每相繞組由一組放大器驅(qū)動(dòng)。放大器輸入端與脈沖環(huán)型分配器相連。沒(méi)有脈沖輸入時(shí)，功率放大器3DK4和3DK15均截止。繞

13、組中無(wú)電流通過(guò)，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)；當(dāng)A相通電，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步。脈沖依次加入A B C三個(gè)輸入端時(shí)，三組放大器分別 驅(qū)動(dòng)不同的繞組，使電動(dòng)機(jī)一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)。電路中與繞組并聯(lián)的二極管D起續(xù)流作用，即在功放管截止時(shí)， 使儲(chǔ)存在繞組中的能量通過(guò)二極管形成續(xù)流回路泄放，從而保護(hù)功放管。與繞組串聯(lián)的電阻 R為限流電阻，限制通過(guò)繞組的電流不致超過(guò)其額定值，以免電動(dòng)機(jī)過(guò)度發(fā)熱甚至被燒壞。 R的阻值一般在520 Q范圍內(nèi)選取。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但電阻 R 串在大電流回路中，要消耗能量，使放大功率降低，同時(shí)由于繞組電感L較大，電路對(duì)脈沖電流的反應(yīng)較慢，因此，輸出脈沖波形差、輸出功率低。這種放大器主要用于對(duì)速度要求 不高的

14、小型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 目前實(shí)際采用的電路大多選用改進(jìn)型電路，如高低雙電源供電， 恒流供電和斬波供方式，在應(yīng)用過(guò)程中可參考相關(guān)資料。3、細(xì)分驅(qū)動(dòng) 上述提到的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各種功率放大電路都是按照環(huán)形分配器決定的分配方式，控制電動(dòng)機(jī)各相繞組的導(dǎo)通或截止，從而使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)行，步距角的大小只有兩種，即整步工作或半步工作。 步距角由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)確定。如果要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有更小的步距角或者為減小電動(dòng)機(jī)振動(dòng)、噪聲等原因，可以在每次輸入脈沖切換時(shí)，不是將繞組電流全部通入或切除， 而是分級(jí)地改變相應(yīng)繞組中的電流大小，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的每步運(yùn)行也只有步距角的一部分。這里繞陰電流不是一個(gè)方波，而是階梯波，額定電流是臺(tái)階

15、式的投 入或切除，若電流分成 n個(gè)臺(tái)階，則轉(zhuǎn)子步距角普為正常值的1/n。這種將一個(gè)步距解細(xì)分成若干步的驅(qū)動(dòng)方法稱為細(xì)分驅(qū)動(dòng)。細(xì)分驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是：(1) 在不改動(dòng)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的情況下，能使步距角減小。但細(xì)分后的步距角精度不高， 功率放大電路也變得復(fù)雜；(2) 能使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平衡，提高勻速性，并能減弱或消除振蕩。要實(shí)現(xiàn)細(xì)分，需要將繞組中的矩形電流波改成階梯形電流波，即設(shè)法使繞組中的電流以若干個(gè)等幅等寬度階梯上升到額定值，并以同樣階梯從額定值下降到零。圖13 (a)為四階梯細(xì)分電路原理，它利用4只功率晶體管作為開(kāi)關(guān)元件，其基極開(kāi)關(guān)電壓UiU4的波形如圖13(b)所示。在繞組電流上升過(guò)程中，4只功率晶

16、體管按順序?qū)ā?每導(dǎo)通一個(gè)，繞組中電流便上升一個(gè)臺(tái)階。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)也跟著轉(zhuǎn)動(dòng)一小步。接高壓Udd的晶體管，其作用是加快各晶體管導(dǎo)通初期繞組電流上升速度。在繞組電流下降過(guò)程中，4只功率晶體管按順關(guān)斷。為使每關(guān)斷一個(gè)晶體管，電流都能 快速下降一個(gè)臺(tái)階，在關(guān)斷任一個(gè)低壓管前，可先將剩下的全部關(guān)斷一段時(shí)間，使繞組通過(guò)泄放回路放電，然后再重新開(kāi)通。(二) 微處理器的問(wèn)世，給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)開(kāi)辟了新的途徑，各種單片微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展和普及， 為設(shè)計(jì)功能很強(qiáng)而價(jià)格低廉的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器提供了條件。使用微型計(jì)算機(jī)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)進(jìn)行控制有串行和并行兩種方式。1、串行控制 具有串行控制功能的單片機(jī)系統(tǒng)與步進(jìn)電動(dòng)

17、機(jī)驅(qū)動(dòng)電源之間具有較小的連線。在種系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)電源中必須含有環(huán)形分配器?？刂品绞饺鐖D14所示。2、并行控制 使用微機(jī)系統(tǒng)的數(shù)個(gè)端口直接控制步進(jìn)電動(dòng)各相的導(dǎo)通與截止，導(dǎo)通與截止的順序通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此可不用硬件環(huán)形分配器，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向由軟件邏輯決定。這種控制方式（見(jiàn)圖 15），簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)，充分利用了計(jì)算機(jī)資源，但占用了計(jì) 算機(jī)的運(yùn)行時(shí)間。（三）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)速度控制對(duì)于點(diǎn)位控制系統(tǒng)，從起點(diǎn)至終點(diǎn)的運(yùn)行速度都有一定要求。如果要求運(yùn)行的速度小于系統(tǒng)的極限啟動(dòng)頻率，則系統(tǒng)可以按要求的速度直接啟動(dòng)，運(yùn)行至終點(diǎn)后可立即停發(fā)脈沖串而令其停止工作，系統(tǒng)在這樣的運(yùn)行方式下速度可認(rèn)為是恒定的。但在一般情

18、況下，系統(tǒng)的極限啟動(dòng)頻率是比較低的，而要求的運(yùn)行速度往往較高。如果系統(tǒng)以要求的速度直接啟動(dòng)該 速度已超過(guò)極限啟動(dòng)頻率而不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或根本不能運(yùn)行的情況。系統(tǒng)運(yùn)行起來(lái)之后，如果到達(dá)終點(diǎn)時(shí)突然停發(fā)脈沖串，令其立即停止，則因?yàn)橄到y(tǒng)的慣性原因，會(huì)發(fā)生沖過(guò)的現(xiàn)象，使點(diǎn)位控制發(fā)生偏差。因此在點(diǎn)位控制過(guò)程中，運(yùn)行速度都需要一個(gè)加速一 恒速一減速一（低恒速）一停止的過(guò)程。如圖16所示。各種系統(tǒng)在工作過(guò)程中，都要求加減速過(guò)程時(shí)間盡量短，而恒速埋單盡量長(zhǎng)。特別是在要求快速響應(yīng)的工作中，從起點(diǎn)至終點(diǎn)運(yùn)行的時(shí)間要求最短，而恒速的速度最高。升速規(guī)律一般可有兩種選擇一是按照直線規(guī)律升速； 升速時(shí)加速度為恒值

19、， 轉(zhuǎn)速不是很高的范圍內(nèi)， 矩將有所下降，如按指數(shù)規(guī)律升速，加速度的變化接近電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律。對(duì)升速過(guò)程的控制有很多種方法，軟件編程也十分靈活，技巧很多。此外，利用模擬 數(shù)字集成電路也可能實(shí)現(xiàn)升降速控制，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)復(fù)雜且不靈活。（四）直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方法直流伺服電動(dòng)機(jī)在機(jī)電一體化設(shè)備中作為動(dòng)力元件，其功能是將輸入的受控電壓 能量，轉(zhuǎn)換為電樞軸上的角位移或錯(cuò)落角速度輸出。直流伺服電動(dòng)機(jī)用直流供電， 為調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和方向， 需要對(duì)其直流電壓的大小和方 向進(jìn)行控制。目前常用可控硅直流調(diào)速驅(qū)動(dòng)和晶體管脈寬調(diào)速驅(qū)動(dòng)兩種方式。要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩為恒值。 輸出的轉(zhuǎn)矩可認(rèn)為基本恒定。二是

20、按指數(shù)規(guī)律升速。按直線規(guī)律 從電動(dòng)機(jī)本身的矩一頻特性來(lái)看， 在 但實(shí)際上電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，輸出轉(zhuǎn)/電流1、可控硅（SCR）直流驅(qū)動(dòng)方式可控硅又稱為晶閘管， 是一種大功率的半導(dǎo)體器件。既有單向?qū)щ姷恼髯饔?，又有可控的開(kāi)關(guān)作用。可能用作整流電路給直流電動(dòng)機(jī)供電，若將專用的觸發(fā)電路與整流電路相結(jié)合起來(lái)，可以實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。（1）SCR是半控型器件，只能控制其開(kāi)通，不能控制其關(guān)斷。（2） 它的工作頻率也不能太高（小于400Hz）,這限制了它的應(yīng)用。（3）通態(tài)損耗小，控制功率大。（4）起開(kāi)關(guān)作用時(shí)，沒(méi)有機(jī)械抖動(dòng)現(xiàn)象。20世紀(jì)70年代后期，可關(guān)斷晶閘管（GTO ）、功率晶閘管（GTR）、功率場(chǎng)控晶

21、體管（功 率MOS FET、等全控型（既可控制開(kāi)通又可控制關(guān)斷）器件及其模塊的出現(xiàn)和實(shí)用化使 得對(duì)電能的控制和轉(zhuǎn)近進(jìn)入嶄新的領(lǐng)域。特別是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的絕緣門(mén)極雙極晶體管（1GBT ）,兼有 GTR和功率 MOSFET兩者的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，因而獲得廣泛的應(yīng)用。圖17是它的結(jié)構(gòu)示意圖和圖形符號(hào)。它是PNPN4層半層體3端器伯，有3個(gè)PN結(jié)、J2、J3； 3個(gè)引出電極A、K、G。電極名稱： A為陽(yáng)極：K為陰極；G為門(mén)極（也稱控制極）。它的等效電路如圖 17所示。門(mén)極電流Ig 的注入，使T2產(chǎn)生Ic2 , Ic2又使T1產(chǎn)生Ic1,這進(jìn)一步增大了 T2的基極電流，從而加速了 晶閘管的飽和導(dǎo)通。對(duì)圖1

22、7進(jìn)行分析可行出如下三點(diǎn)結(jié)論：（1） 晶閘管導(dǎo)通必須具備兩個(gè)條件：一是陽(yáng)極A與陰極K之間要加正向電壓 （圖中為 Ua）；二是門(mén)極G與陰極K之間也要有足夠的正向電壓和正向電流（圖中為 Ug和lc）。（2）晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)極即失去控制作用，只要維持陽(yáng)極電位高于陰極電位和陽(yáng)極 電流Ia大于維持電流Ik就可繼續(xù)導(dǎo)通。（3） 為使晶閘管關(guān)斷，必須使陽(yáng)極電流Ia減小到維持電流Ik以下，這只有使陽(yáng)極電壓 減小到零或者反射的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。普通晶閘管可以用于可控整流（ AC DC）電路，逆變（DC AC）電路和其他開(kāi)關(guān)電 路。圖18是單相全控橋式整流電路。圖19是整流電壓波形，其中 Ug是觸發(fā)脈沖波形，a為觸發(fā)

23、角，要由觸發(fā)電路提供。所以整流電路的控制實(shí)際上就是觸發(fā)控制角a的控制，在直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速過(guò)程中實(shí)際上也是通過(guò)調(diào)整a角來(lái)進(jìn)行控制的。2、晶體管脈寬調(diào)制（PWA）直流調(diào)速驅(qū)動(dòng)晶體管脈寬調(diào)制直流調(diào)速系統(tǒng)與用頻率信號(hào)作開(kāi)關(guān)的晶閘管系統(tǒng)相比，具有以下特點(diǎn)：（1）由于系統(tǒng)主電源采用整流濾波，因而對(duì)電網(wǎng)波形影響小，幾乎不產(chǎn)生諧波影響。（2） 由于晶體管開(kāi)關(guān)工作頻率很高（在2KHz左右），因此系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)速精度 等性能指標(biāo)都較好。（3）電樞電流的脈動(dòng)量小，容易連接，不必外加濾波電抗器也可平衡工作。（4）系統(tǒng)的調(diào)速范圍很寬，并使傳動(dòng)裝置具有較好的線性。使用寬調(diào)速伺服電動(dòng)機(jī)， 可達(dá)1000倍以上調(diào)速范圍。（

24、5） 系統(tǒng)使用的功率元件少，線路簡(jiǎn)單，用4個(gè)功率三極管就可組成可逆式直流脈寬 調(diào)速系統(tǒng)。由于晶體管直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)具有上述特點(diǎn)，所以它一出現(xiàn)就受到廣泛的應(yīng)用和重視， 發(fā)展非常迅速。晶體管PWM直流調(diào)速系統(tǒng)工作原理：晶體管 PWM直流調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)際上是利用晶體 管的開(kāi)關(guān)工作特性，調(diào)制恒定電壓的直流源，按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通與斷開(kāi)放大器，并根據(jù)外加控制信號(hào)來(lái)改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”與“斷開(kāi)”時(shí)間的長(zhǎng)短，使加在電動(dòng)機(jī)電樞上電 壓“占空比”改變，即改變電樞兩端平均電壓大小，從而達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。要了 解PWM調(diào)速系統(tǒng)的工作原理，關(guān)鍵要了解PWM放大器的工作原理。 PWM放大器都是由脈沖頻率發(fā)生器

25、、電壓一脈沖變換與分配器、功率放大器等部分組成，如圖20所示。脈沖頻率發(fā)生器可以是三角波脈沖發(fā)生器或者為鋸齒波脈沖發(fā)生器，它的作用是產(chǎn)生一個(gè)頻率發(fā)生器送來(lái)三角波電壓 U。在其中混合后，產(chǎn)生一個(gè)寬度被調(diào)制了的開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)。分配器的 作用是將電壓一脈沖變換器輸出的脈沖信號(hào)按一定的邏輯關(guān)系分別送到功率放大器的各個(gè) 晶體管基極，以保證各晶體管協(xié)調(diào)工作。功率放大器工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其對(duì)寬度被調(diào)制了的 脈沖信號(hào)進(jìn)行功率放大以驅(qū)動(dòng)主電路的功率晶體管。圖21所示是一個(gè)電壓一脈沖變換器線路及調(diào)制原理的波形圖。當(dāng)控制電壓Ue為零時(shí)，輸出電壓 Ua和Ub的脈沖寬度相同，且等于T/2（ T為三角波的周期）。當(dāng)Ue為正時(shí)

26、，Ua的寬度大于T/2，Ub的寬度小于T/2，如圖 21（b）所示；當(dāng)Ue為負(fù)時(shí)，情況則相反。由此可得到Ua、Ub兩種不同的被調(diào)制直流電壓。（五）交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方法由于交流伺服電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上分為兩類，因此在控制方式上也采用不同的方法。1、同步（SM）開(kāi)明伺服電動(dòng)機(jī)控制方法采用永久磁鐵磁場(chǎng)的同步電動(dòng)機(jī)不需要磁化電流控制，只要檢測(cè)磁鐵轉(zhuǎn)子的位置即可， 故比IM型伺服電動(dòng)機(jī)容易控制。轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理與直流伺服電動(dòng)機(jī)相同。SM型伺服電動(dòng)機(jī)的控制框圖如圖22所示。2、異步（IM ）型伺服電動(dòng)機(jī)的控制方法感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，制造簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，因而具有很好的發(fā)展前景，代表了將來(lái)的伺服技術(shù)的方向。

27、該電動(dòng)機(jī)相對(duì)同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)控制比較復(fù)雜，而且電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)還存在著效率低、發(fā)熱嚴(yán)重等有待克服的技術(shù)問(wèn)題。該電動(dòng)機(jī)常用的控制方法有：(1)矢量控制 即利用微處理器和計(jì)算機(jī)數(shù)控( CNC )對(duì)交流電動(dòng)機(jī)作磁場(chǎng)的矢量控 制。把交流電動(dòng)機(jī)的作用原理看作和直流電動(dòng)機(jī)相似，像直流電動(dòng)機(jī)那樣實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制。M=C Mia式中Cm轉(zhuǎn)矩系數(shù)；氣隙磁通，Wb對(duì)于補(bǔ)償較好的電動(dòng)機(jī)， 電樞反應(yīng)影響很小， 當(dāng)激勵(lì)電流不變時(shí)， 轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正 比，控制電流就等于控制轉(zhuǎn)矩， 所以比較容易實(shí)現(xiàn)良好的動(dòng)態(tài)性能。 而交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn) 矩與轉(zhuǎn)子電流I 2的關(guān)系為M=C m 12COS?式中，氣隙磁通 ，轉(zhuǎn)子電流12,轉(zhuǎn)子

28、功率因數(shù) COS?是滑差系數(shù) S函數(shù)，難以直接控 制。比較容易控制的是定子電流11,而定子電流Il又是轉(zhuǎn)子電流I2的折合值與激勵(lì)電流 Io的矢量和。因此，要準(zhǔn)確地動(dòng)態(tài)控制轉(zhuǎn)矩顯然比較困難。矢量變換控制方式設(shè)法在交流電動(dòng)機(jī)上模擬直流電動(dòng)機(jī)控制轉(zhuǎn)矩的規(guī)律，以使交流電動(dòng)機(jī)具有同樣產(chǎn)生控制電磁轉(zhuǎn)矩的能力。矢量變換控制的基本思路是按照產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)這一等效原則建立起來(lái)的。眾所周知，三相固定的對(duì)稱繞組A、B、C,通以三相正弦平衡交流電流ia, ib, ic時(shí)，即產(chǎn)生轉(zhuǎn)速為3 0的旋轉(zhuǎn)磁通 ，如圖23所示。產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁通不一定非要三相不可，除三相以外。二相、四相對(duì)稱繞組，通以兩相平衡電流ia和ib (時(shí)間

29、上相差90)時(shí)，所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁通，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的大小和轉(zhuǎn)速都相等時(shí)，圖23 (a)、(b)兩套繞組等效。圖 23(c)中有兩個(gè)匝數(shù)相等、互相垂直的繞組 M和T,分別通以直流電流iM和iT,產(chǎn)生位置固定的磁通 。 如果使兩個(gè)繞組以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，磁通也隨著旋轉(zhuǎn)起來(lái)，可以和圖23 (a)、(b)繞組等效。當(dāng)觀察者站在鐵心上和繞組一起旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)認(rèn)為是通以直流的互相垂直的固定繞組。如果取磁通的位置和M繞組的平面正交，就和等效的直流電動(dòng)機(jī)繞組沒(méi)有差別了，如圖24所示，其中Fa是電樞磁勢(shì)，F(xiàn)1是激磁磁勢(shì)，繞組1-1是等效的激磁繞組， 繞組a-a是與帶換向器的 電樞繞組等效的繞組。這時(shí)圖23(c)中的M繞組，T

30、繞組相當(dāng)于電樞繞組。這樣以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為準(zhǔn)則，圖23 (a)中三相繞組、圖 23(b)的二相繞組與圖 23(c)中的直流繞組等效。三相電流ia, ib, ic與i a i a以及iM和H之間存在著確定的關(guān)系，即矢量變換關(guān)系。要保持和為某一定值，則流ia, ib, ic必須按一定的規(guī)律變化。只要按照這個(gè)規(guī)律去控制三相電流ia, ib, ic,就可以等效地控制iM和達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩的目的，從而得到和直 流電動(dòng)機(jī)一樣的性能。如圖24所示，矢量控制系統(tǒng)的工作原理如下：由插補(bǔ)器發(fā)出速度指令，在比較器與檢 測(cè)器來(lái)的信號(hào)(經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換)相與之后，再經(jīng)放大器磅出轉(zhuǎn)矩指令 M( M=3/2Ksl2,式中， Ks為

31、比例系數(shù)，I2為電樞電流，為有效磁場(chǎng)束)，至矢量處理電路，該電路由轉(zhuǎn)角計(jì)算回 路、乘法器、比較器等組成。另一方面，檢測(cè)器的輸出信號(hào)也被送到矢量處理電路中的轉(zhuǎn)角計(jì)算回路，將電動(dòng)機(jī)的回轉(zhuǎn)位置Er變換成Sine,sin( e2n3)和sin(4 n3)信號(hào)，由矢量處理電路輸出Msin E, Msin( & 2 M3)和Msin( E4 n3)3個(gè)電流信號(hào)，經(jīng)放大并與電動(dòng)機(jī)回路的 電流檢測(cè)信號(hào)比較之后，經(jīng)脈寬調(diào)制(PWM )電路放大之后，控制三相橋式晶體管電路，使交流伺服電動(dòng)機(jī)按規(guī)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，并輸出所需要的轉(zhuǎn)矩值。檢測(cè)器檢測(cè)出的信號(hào)還可送到位置控制回路，與插補(bǔ)器來(lái)的脈沖信號(hào)進(jìn)行比較，完成位置環(huán)控制。

32、60fP(1 _s)式中 n電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min ;?外加電源頻率，Hz;P電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)；S滑差率。要改變交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，則可根據(jù)實(shí)際需要，采用改變電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)p、滑差率S或電動(dòng)機(jī)的外加電源頻率？三種方法。目前高性能的交流調(diào)速時(shí)電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩不變，需要 維持磁通恒定，這時(shí)就要求定子供電電壓做相應(yīng)調(diào)節(jié)。因此對(duì)交流電動(dòng)機(jī)供電的變頻器 （VFD一般都要求兼有調(diào)壓調(diào)頻兩種功能。近年來(lái)，由于晶閘管以及大功率晶體管等半導(dǎo)體電力開(kāi)關(guān)的問(wèn)世，它們具有接近理想開(kāi)關(guān)的性能，促使變頻器迅速發(fā)展。 根據(jù)改變定子電壓 U及定子供電頻率的不同比例關(guān)系，具有不同的變頻調(diào)速方法，從而研制了各種類型的大容量、高性能變頻器

33、，使交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在工業(yè)上得到推廣應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的方法很多，可分為交一直一交變頻、交一交變頻、脈寬調(diào)制（PWM變頻等。PWA變頻調(diào)速是最近發(fā)展起來(lái)的，其觸發(fā)電路輸出是一系列頻率可調(diào)的脈沖波。脈沖的 幅值恒定而寬度可調(diào)，因而可以根據(jù)Ui/?1比值在變頻的同時(shí)改變電壓，并可按一定規(guī)律調(diào)制脈沖寬度，如按正弦波規(guī)律調(diào)制，這就是SPwMe頻調(diào)速。SPW變頻的工作原理可用圖 24和圖25加以說(shuō)明。若希望變頻輸出為圖 24（ a）所示的 正弦波電壓，則它可以用圖 24（ b）所示一系列幅值不變的矩形脈沖來(lái)等效，只要對(duì)應(yīng)時(shí)間 間隔內(nèi)的矩形脈沖的面積和正弦波與橫軸包含的面積相等即可。可以理解，單位周波內(nèi)的脈沖數(shù)越多，等效的精度越高，諧波分量也越小。與直流PWM目似，