第2章 伺服控制基礎(chǔ)知識(shí)

1、伺服控制基礎(chǔ)知識(shí)伺服控制基礎(chǔ)知識(shí) 第 2 篇內(nèi)容提要內(nèi)容提要n電力電子器件的應(yīng)用電力電子器件的應(yīng)用 n檢測(cè)元件檢測(cè)元件電力電子器件的應(yīng)用電力電子器件的應(yīng)用n不可控器件 n半控型器件 n 全控型器件 不可控器件n 二極管是一種不可控器件，其在電路中的圖形符號(hào)和伏安特性如圖2-1所示，二極管在電路中常用D表示。 從伏安特性可見(jiàn)，當(dāng)陽(yáng)極電壓大于陰極電壓0.7V時(shí)二極管導(dǎo)通,當(dāng)施加反向電壓值達(dá)到擊穿電壓時(shí)二極管被擊穿。利用二極管具有的單方向?qū)щ娦?，在電路中廣泛用作：整流、箝位、隔離和續(xù)流。變流電路中用于整流和續(xù)流的二極管是功率二極管。 半控型器件n晶閘管晶閘管(SCR) n雙向晶閘管雙向晶閘管(TRI

2、AC )晶閘管晶閘管(SCR)n晶閘管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)晶閘管的結(jié)構(gòu)和符號(hào) n晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理 n晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 晶閘管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)晶閘管的結(jié)構(gòu)和符號(hào) 晶閘管是在半導(dǎo)體二極管、三極管之后出現(xiàn)的一種新型的大功率半導(dǎo)體器件它是一種可控制的硅整流元件，亦稱可控硅。 晶閘管是由四層半導(dǎo)體構(gòu)成的。圖2-2a)所示為螺栓形晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它主要由單晶硅薄片P1，Nl，P2，N2四層半導(dǎo)體材料疊成，形成三個(gè)PN結(jié)。圖2-2b)和c)分別為其示意圖和表示符號(hào)。晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理1)起始時(shí)若控制極不加電壓，則不論陽(yáng)極加正向電壓還是反向電壓，晶閘管均不導(dǎo)通，這說(shuō)明晶閘管

3、具有正、反向阻斷能力。2)晶閘管的陽(yáng)極和控制極同時(shí)加正向電壓時(shí)晶閘管才能導(dǎo)通，這是晶閘管導(dǎo)通必須同時(shí)具備的兩個(gè)條件。3)在晶閘管導(dǎo)通之后，其控制極就失去控制作用。欲使晶閘管恢復(fù)阻斷狀態(tài)，必須把陽(yáng)極正向電壓降低到一定值(或斷開(kāi)，或反向)。所以說(shuō)晶閘管是控制導(dǎo)通而不控制關(guān)斷的半控器件。 晶閘管的PN結(jié)可通過(guò)幾十至幾百安的電流，因此它是一種大功率的半導(dǎo)體器件，由于晶閘管導(dǎo)通時(shí)，相當(dāng)于兩只三極管飽和導(dǎo)通，因此，陽(yáng)極與陰極問(wèn)的管壓降為1V左右，而電源電壓幾乎全部分配在負(fù)載電阻RL上。晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 晶閘管的陽(yáng)極電壓與陽(yáng)極電流的關(guān)系，稱為晶閘管的伏安特性，如圖2-3所示。 雙向晶閘管雙向

4、晶閘管(TRIAC ) 雙向晶閘管也稱雙向三極半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件(Bidirectional Triode Thyristor)，它和單向晶閘的區(qū)別是：第一，它在觸發(fā)之后是雙向?qū)ǖ?；第二，在門(mén)極中所加的觸發(fā)信號(hào)不管是正的還是負(fù)的都可以使雙向晶閘管導(dǎo)通。雙向晶閘管可看作由兩個(gè)單間晶閘管反向并聯(lián)組成。 雙向晶閘管的特性和單向晶閘管的正向特性有點(diǎn)相近；只不過(guò)多了一個(gè)完全相同的反向特性而已，可見(jiàn)雙向晶閘管具有雙向?qū)翱刂频男再|(zhì)。圖2-5中給出的是第一、三象限的伏安特性，在這兩個(gè)象限中，雙向晶閘管能夠?qū)崿F(xiàn)最可靠觸發(fā)導(dǎo)通。而第二、四象限一般是不用于觸發(fā)工作。雙向晶閘管可以用作固態(tài)繼電器、過(guò)零開(kāi)關(guān)等。作為交

5、流開(kāi)關(guān)它有很廣泛的應(yīng)用。全控型器件 變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展同現(xiàn)代功率開(kāi)關(guān)器件的研制與發(fā)展是密切相關(guān)的。由于晶閘管(SCR)和雙向晶閘管（TRIAC）元件不具備自關(guān)斷能力，且開(kāi)關(guān)速度低，限制了常規(guī)晶閘管變頻器的性能與應(yīng)用范圍。80年代以來(lái)，各種具備自關(guān)斷能力的全控型、高速型功率集成器件不斷研制成功，使得變頻器技術(shù)跨人了電力電子技術(shù)的新時(shí)代。這些器件有：可關(guān)斷晶閘管GTO、電力晶體管GTR、功率場(chǎng)控晶體管SIT、靜電感應(yīng)晶閘管(SITH)，MOS晶閘管MCT及MOS晶體管MGT等。這些現(xiàn)代功率開(kāi)關(guān)的問(wèn)世，使電力電子技術(shù)由順變時(shí)代走入今天的逆變時(shí)代，各種各樣的PWM變頻電路在新型功率開(kāi)關(guān)器件的支持下進(jìn)人

6、了機(jī)電一體化的實(shí)用領(lǐng)域。 全控型器件即具備自關(guān)斷能力的半導(dǎo)體器件，可分為三大類型：雙極型、單極型和混合型。各種全控型器件的符號(hào)及等效電路見(jiàn)表2-1。 n 雙極型器件雙極型器件 可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管GTO(GateTurn-off Thyristor) 功率晶體管功率晶體管GTR(GiantTransistor) 靜電感應(yīng)晶閘管靜電感應(yīng)晶閘管SITH(StaticlnductionThyristor) n單極型器件單極型器件 功率場(chǎng)控晶體管功率場(chǎng)控晶體管(PowerMosfet) 靜電感應(yīng)晶體管靜電感應(yīng)晶體管SIT(Staticlnduction Transistor) n混合型器件混合型器

7、件 MOS門(mén)極晶體管MGT(MOS Gate Transistor) 絕緣門(mén)極晶體管IGBT(1nsulated Gate Bipolar) MOS晶閘管MCT(MOS-Coutrolled Thyristor) 功率集成電路PIC(Power Integrated Circuit) 檢測(cè)元件檢測(cè)元件 n速度檢測(cè) n角度（角位移）檢測(cè) n位置檢測(cè) 速度檢測(cè) 在伺服系統(tǒng)中，機(jī)械的運(yùn)動(dòng)速度控制是最基本的控制內(nèi)容，當(dāng)對(duì)速度的穩(wěn)定精度提出較高要求時(shí)，就要求對(duì)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)能夠?qū)嵭兴俣鹊拈]環(huán)控制。因此速度檢測(cè)元件的正確選擇和構(gòu)成速度負(fù)反饋控制的電路形式，對(duì)是否能滿足系統(tǒng)的要求十分重要。 速度閉環(huán)控制系統(tǒng)中，

8、常用的速度檢測(cè)元件一般分為二類，即：模擬速度檢測(cè)元件和數(shù)字速度檢測(cè)元件。測(cè)速發(fā)電機(jī)就是一種模擬速度檢測(cè)元件，由測(cè)速發(fā)電機(jī)構(gòu)成的速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，其精度控制在3之內(nèi)已屬不易。 測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種微型發(fā)電機(jī)，它的作用是將轉(zhuǎn)速變?yōu)殡妷盒盘?hào)，在理想狀態(tài)下，測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓Uo可以用下式表示： UoK*nK Kd/dt (2-1) 式中 K K-比例常數(shù)(即輸出特性的斜率)；n及 -測(cè)速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度及旋轉(zhuǎn)角度。 可見(jiàn)，測(cè)速發(fā)電機(jī)主要有兩種用途： 1. 測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比，因而可以用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速，故稱為測(cè)速發(fā)電機(jī)； 2. 如果以轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度為參數(shù)變量，則可作為機(jī)電微分、積分器。 因此

9、測(cè)速發(fā)電機(jī)廣泛用于速度和位置控制系統(tǒng)中。 根據(jù)結(jié)構(gòu)和工作原理的不同，測(cè)速發(fā)電機(jī)分為直流測(cè)速發(fā)電機(jī)、異步測(cè)速發(fā)電機(jī)和同步測(cè)速發(fā)電機(jī)，但后者用得極少。異步異步(交流交流)測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī) 異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和空心杯形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)相似，其原理電路圖如圖 2-41所示。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)直流測(cè)速發(fā)電機(jī) 直流測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速的小型他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)，其工作原理見(jiàn)圖2-44。 直流測(cè)速發(fā)電機(jī)與異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的性能比較 n異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是：不需要電刷和換向器，因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)容易，慣量小，無(wú)滑動(dòng)接觸，輸出特性穩(wěn)定，精度高，摩擦轉(zhuǎn)矩小，不產(chǎn)生無(wú)線電干擾，工作可靠，正、反向旋轉(zhuǎn)時(shí)輸出特性

10、對(duì)稱。其主要缺點(diǎn)是：存在剩余電壓和相位誤差，且負(fù)載的大小和性質(zhì)會(huì)影響輸出電壓的幅值和相位。n直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是：沒(méi)有相位波動(dòng)，沒(méi)有剩余電壓，輸出特性的斜率比異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的大。其主要缺點(diǎn)是：由于有電刷和換向器，因而結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)不便，摩擦轉(zhuǎn)矩大，有換向火花，產(chǎn)生無(wú)線電干擾信號(hào)，輸出特性不穩(wěn)定，且正、反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，輸出特性不對(duì)稱。實(shí)際選用時(shí)，應(yīng)注意以上特點(diǎn)。n在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，測(cè)速發(fā)電機(jī)常用來(lái)作調(diào)速系統(tǒng)、位置伺服系統(tǒng)中的校正元件，用來(lái)檢測(cè)和自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，它產(chǎn)生速度反饋電壓以提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。 光電測(cè)速盤(pán) n光電測(cè)速原理光電測(cè)速原理 n電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向辨別電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向辨別

11、n數(shù)字測(cè)速方法數(shù)字測(cè)速方法 光電測(cè)速原理光電測(cè)速原理電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向辨別電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向辨別數(shù)字測(cè)速方法數(shù)字測(cè)速方法 在閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)中，根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法有M法測(cè)速T法測(cè)速和M/T法測(cè)速三種：nM法測(cè)速是指：在規(guī)定時(shí)間間隔Tg內(nèi)，測(cè)量所產(chǎn)生的脈沖數(shù)來(lái)獲得被測(cè)速度值；nT法測(cè)速是指：測(cè)量相鄰二個(gè)脈沖的時(shí)間Ttach來(lái)確定被測(cè)速度值；nM/T法測(cè)速是指：同時(shí)測(cè)量檢測(cè)時(shí)間和在此檢測(cè)時(shí)間內(nèi)脈沖發(fā)生器發(fā)送的脈沖數(shù)來(lái)確定被測(cè)速度值。 角度（角位移）檢測(cè) 在伺服系統(tǒng)中測(cè)角（位移)的方法很多，常用的有電位計(jì)、差動(dòng)變壓器、微同步器、自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器等，這里介紹部分測(cè)角(位移)元件。 差動(dòng)變壓器和微

12、同步器差動(dòng)變壓器和微同步器 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器 位置檢測(cè) 在伺服系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)部件的位置檢測(cè)分角位移和直線位移檢測(cè)。上述介紹的角位移傳感器一般用于小角位移（速度）檢測(cè)。而大角位移檢測(cè)或直線位移檢測(cè)，常用感應(yīng)同步器、光柵、磁尺等。感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 應(yīng)用舉例 感應(yīng)同步器的應(yīng)用電路有鑒相型和鑒幅型兩種。 n鑒相型測(cè)量電路的基本原理是：用正弦波基準(zhǔn)信號(hào)對(duì)滑尺的sin和cos兩個(gè)繞組進(jìn)行激磁時(shí)，則從定尺繞組取得的感應(yīng)電勢(shì)將對(duì)應(yīng)于基準(zhǔn)信號(hào)的相位，并反映滑尺與定尺的相對(duì)位移。將感應(yīng)同步器測(cè)得的反饋信號(hào)的相位與給定的指令信號(hào)相位相比較，如有相位差存在，則控制設(shè)備繼續(xù)移動(dòng)，直至相位差為零才停止。n鑒幅型測(cè)量電

13、路的基本原理是：在感應(yīng)同步器的滑尺兩個(gè)繞組上，分別給以兩個(gè)頻率相同，相位相同但幅值不同的正弦波電壓進(jìn)行激磁，則從定尺繞組輸出的感應(yīng)電勢(shì)的幅值隨著定尺和滑尺的相對(duì)位置的不同而發(fā)生變化，通過(guò)鑒幅器可以鑒別反饋信號(hào)的幅值，用以測(cè)量位移量。圖2-52是鑒相型測(cè)量控制電路原理框圖。n圖2-53為應(yīng)用感應(yīng)同步器閉環(huán)系統(tǒng)電路的例子。注意圖中通過(guò)放大器后給滑尺sin，cos兩個(gè)繞組激磁電壓的幅值為峰峰值1V(UP-P =1V)，而從定尺感應(yīng)的電壓通過(guò)前置放大器后，獲得信號(hào)波形的幅值為峰峰值10V(UP-P =10V)。反饋測(cè)量得到的信號(hào)在鑒相器與指令值進(jìn)行比較，得到的誤差值通過(guò)DA轉(zhuǎn)換器，變成位置控制的指令去伺服驅(qū)動(dòng)部件。光光 柵柵 n光柵的基本工作源理n圖2-55是光柵測(cè)量裝置的邏輯框圖。 習(xí)題和思考題習(xí)題和思考題n2-1 使晶閘管導(dǎo)通的條件是什么？n2-2 維持晶閘管導(dǎo)通的條件是什么？怎樣才能使晶閘管由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷？n