機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)第五章課件

1、12第四章第四章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3圖圖4.1 伺服系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)的組成 4伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件 1. 電氣執(zhí)行元件電氣執(zhí)行元件 電氣執(zhí)行元件包括直流電氣執(zhí)行元件包括直流(DC)伺服電機(jī)、交流（伺服電機(jī)、交流（AC）伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)以及電磁鐵等，是最常用的執(zhí)行元伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)以及電磁鐵等，是最常用的執(zhí)行元件。對(duì)伺服電機(jī)除了要求運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)以外，一般還要求動(dòng)態(tài)件。對(duì)伺服電機(jī)除了要求運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)以外，一般還要求動(dòng)態(tài)性能好，適合于頻繁使用，便于維修等性能好，適合于頻繁使用，便于維修等2液壓式執(zhí)行元件液壓式執(zhí)行元件 液壓式執(zhí)行元件主要包括往復(fù)運(yùn)動(dòng)油缸、回轉(zhuǎn)油缸、液壓式執(zhí)行元

2、件主要包括往復(fù)運(yùn)動(dòng)油缸、回轉(zhuǎn)油缸、液壓馬達(dá)等，其中油缸最為常見。在同等輸出功率的情況液壓馬達(dá)等，其中油缸最為常見。在同等輸出功率的情況下，液壓元件具有重量輕、快速性好等特點(diǎn)下，液壓元件具有重量輕、快速性好等特點(diǎn)3氣壓式執(zhí)行元件氣壓式執(zhí)行元件 氣壓式執(zhí)行元件除了用壓縮空氣作工作介質(zhì)外，與液氣壓式執(zhí)行元件除了用壓縮空氣作工作介質(zhì)外，與液壓式執(zhí)行元件沒有區(qū)別。氣壓驅(qū)動(dòng)雖可得到較大的驅(qū)動(dòng)壓式執(zhí)行元件沒有區(qū)別。氣壓驅(qū)動(dòng)雖可得到較大的驅(qū)動(dòng)力、行程和速度，但由于空氣粘性差，具有可壓縮力、行程和速度，但由于空氣粘性差，具有可壓縮性，故不能在定位精度要求較高的場(chǎng)合使用。性，故不能在定位精度要求較高的場(chǎng)合使用。5

3、6789第二節(jié)第二節(jié) 伺服控制系統(tǒng)中常用伺服控制系統(tǒng)中常用電力電子器件電力電子器件 10111213141516171819202122232425 步進(jìn)電機(jī)是一種把開關(guān)激勵(lì)的變化變換成精確的轉(zhuǎn)子位置增量運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（及步距角）。 步進(jìn)電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩大、慣性小、響應(yīng)頻率高等優(yōu)點(diǎn),因此具有瞬間起動(dòng)與急速停止的優(yōu)越特性。 2627工作原理工作原理282930kmz36031323334353637383940aaaKRIEUncEeaaTIcT41422TeaeKccTRcUn432TeaeKc

4、cTRcUn44454647KTnn0eKcUn 0K)(2TeaccR4849eKcUnn00ndTaKTdRUcTTKTnn02TeaeKccTRcUn50TnKTnTKKKKU5152sKTeaseKTKUKccRTcUn2125354552TeiaccRRK565758圖圖4.32 伺服電動(dòng)機(jī)接線圖伺服電動(dòng)機(jī)接線圖 圖圖4.33 合成磁通矢量末端隨時(shí)間變化的軌跡圖合成磁通矢量末端隨時(shí)間變化的軌跡圖 5960VmUmVUUUK在其幅值方向的分量在其幅值方向的分量616263tUmUsintVmVcos2222)cos()sin(ttVmUmVUVmUm646566 Tfn 6768697

5、0表表4.4 勵(lì)磁（通電）方式控制表勵(lì)磁（通電）方式控制表控制控制電平電平勵(lì)勵(lì) 磁磁 方方 式式A0A1YB013YB014YB015YB01600ABCAABCDAABCDEAABCDEFA01ABBCCAABABBCCDDAABABCBCDCDEABCBCDCDEDEF10AABBBCCAABBBCCCDABABCBCBCDABABCBCBCD11AABBBCCABABCBCBCDABABCBCBCDABCABCDBCDBCDE71圖圖4.37四相八拍脈沖分配控制原理圖四相八拍脈沖分配控制原理圖72圖圖4.384.38單片機(jī)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)接口電路單片機(jī)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)接口電路 737475vfT

6、oscx5216767778AuAu7980dtuuKusrisrpsc1i10CRipK01RRKp81（2）晶閘管觸發(fā)器）晶閘管觸發(fā)器 晶閘管觸發(fā)器晶閘管觸發(fā)器AT和晶閘管和晶閘管UR作為驅(qū)動(dòng)直流伺服電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)直流伺服電動(dòng)機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)裝置；晶閘管導(dǎo)通需要有一個(gè)觸發(fā)電路來提供的功率驅(qū)動(dòng)裝置；晶閘管導(dǎo)通需要有一個(gè)觸發(fā)電路來提供觸發(fā)脈沖；晶閘管觸發(fā)器觸發(fā)脈沖；晶閘管觸發(fā)器AT的輸出脈沖控制晶閘管的導(dǎo)的輸出脈沖控制晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷。晶閘管觸發(fā)器組成如圖所示。通和關(guān)斷。晶閘管觸發(fā)器組成如圖所示。 1）觸發(fā)電路電路的組成）觸發(fā)電路電路的組成 脈沖形成電路：脈沖形成電路：產(chǎn)生一定功率（一定的幅值與

7、脈寬）的脈沖。常用電路為產(chǎn)生一定功率（一定的幅值與脈寬）的脈沖。常用電路為單結(jié)晶晶體管自激振蕩電路、單穩(wěn)觸發(fā)電路等。單結(jié)晶晶體管自激振蕩電路、單穩(wěn)觸發(fā)電路等。 移相控制電路：移相控制電路：調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖發(fā)生的時(shí)刻（即調(diào)節(jié)控制角的大小），常用調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖發(fā)生的時(shí)刻（即調(diào)節(jié)控制角的大?。Ｓ娩忼X波（或正弦波）與給定信號(hào)電壓進(jìn)行比較來進(jìn)行移相控制。鋸齒波（或正弦波）與給定信號(hào)電壓進(jìn)行比較來進(jìn)行移相控制。 同步電路：同步電路：使觸發(fā)脈沖每次產(chǎn)生的時(shí)刻都能準(zhǔn)確地對(duì)應(yīng)著主電路電壓波形使觸發(fā)脈沖每次產(chǎn)生的時(shí)刻都能準(zhǔn)確地對(duì)應(yīng)著主電路電壓波形上的時(shí)刻。方法：把主電路的電壓信號(hào)直接引入（或通過同步變壓器從主電路上

8、的時(shí)刻。方法：把主電路的電壓信號(hào)直接引入（或通過同步變壓器從主電路引入，或經(jīng)過阻容移相電路從主電路引入）來作為觸發(fā)同步信號(hào)。引入，或經(jīng)過阻容移相電路從主電路引入）來作為觸發(fā)同步信號(hào)。 脈沖功率放大電路：脈沖功率放大電路：若觸發(fā)驅(qū)動(dòng)的晶閘管的容量較大則要求觸發(fā)脈沖有較若觸發(fā)驅(qū)動(dòng)的晶閘管的容量較大則要求觸發(fā)脈沖有較大的輸出功率。若形成的脈沖的功率不夠大時(shí)，這時(shí)還要增加脈沖功率放大環(huán)大的輸出功率。若形成的脈沖的功率不夠大時(shí)，這時(shí)還要增加脈沖功率放大環(huán)節(jié)。通常采用復(fù)合管組成的射極輸出器或采用強(qiáng)功率觸發(fā)脈沖電源。節(jié)。通常采用復(fù)合管組成的射極輸出器或采用強(qiáng)功率觸發(fā)脈沖電源。 2）觸發(fā)電路的工作原理）觸發(fā)電

9、路的工作原理 單結(jié)晶體管自激振蕩電路單結(jié)晶體管自激振蕩電路 組成：組成：由兩個(gè)基極（由兩個(gè)基極（b1和和b2）和一個(gè)陰極構(gòu)成的一種特殊類型的晶體管，）和一個(gè)陰極構(gòu)成的一種特殊類型的晶體管，如圖所示。如圖所示。 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 當(dāng)在兩個(gè)基極（當(dāng)在兩個(gè)基極（b1和和b2）加上一個(gè)電壓）加上一個(gè)電壓Ubb后，第一基極上的電壓后，第一基極上的電壓UAUbb，式中，式中，0.30.9，為分壓比。，為分壓比。 當(dāng)當(dāng)Ueb1UA時(shí)，管內(nèi)的時(shí)，管內(nèi)的PN結(jié)處于反偏而截止，結(jié)處于反偏而截止，e、b1極間無電流；當(dāng)極間無電流；當(dāng)Ueb1UA時(shí)，管內(nèi)的時(shí)，管內(nèi)的PN結(jié)處于正偏導(dǎo)通，結(jié)處于正偏導(dǎo)通，e、b1極間有電流流

10、過（使管子由極間有電流流過（使管子由截止變?yōu)閷?dǎo)通的截止變?yōu)閷?dǎo)通的Ueb1的數(shù)值相對(duì)較高，稱為峰點(diǎn)電壓的數(shù)值相對(duì)較高，稱為峰點(diǎn)電壓UP）。當(dāng)）。當(dāng)e、b1極間有極間有電流通過后，電流通過后，e、b1間的電阻將大幅度降低（從幾千歐降至幾十歐），間的電阻將大幅度降低（從幾千歐降至幾十歐），e、b1極間的電流將迅速增大而使管子進(jìn)入飽和狀態(tài)。當(dāng)管子導(dǎo)通以后，只有降極間的電流將迅速增大而使管子進(jìn)入飽和狀態(tài)。當(dāng)管子導(dǎo)通以后，只有降到一個(gè)較低的數(shù)值（稱為谷點(diǎn)電壓到一個(gè)較低的數(shù)值（稱為谷點(diǎn)電壓UV），管子才能重新由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?。），管子才能重新由?dǎo)通變?yōu)榻刂埂?22.2.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性雙閉環(huán)

11、調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性PI調(diào)節(jié)器特點(diǎn)：調(diào)節(jié)器特點(diǎn)：調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非輸入調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非輸入為反極性信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和。即飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸為反極性信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和。即飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出之間的聯(lián)系，相當(dāng)于系統(tǒng)開環(huán)。出之間的聯(lián)系，相當(dāng)于系統(tǒng)開環(huán)。 調(diào)節(jié)器不飽和的條件下，調(diào)節(jié)器不飽和的條件下，PIPI的作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)為零，實(shí)的作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)為零，實(shí)現(xiàn)無靜差。系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖現(xiàn)無靜差。系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖4.514.51所示。所示。 圖圖4.51 雙閉環(huán)調(diào)速

12、系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 83.0*nUUUUnnnn*nUn*nUn*nU84.0*LiiiiIUUUU*iLUI*iU*iU85.LILmILI0nLILmI86 （1 1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和情況）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和情況 在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和。穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和。穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏差電壓都是零。因此有如下兩個(gè)關(guān)系式差電壓都是零。因此有如下兩個(gè)關(guān)系式 *nUn LiiIUU*調(diào)調(diào)速速系系統(tǒng)統(tǒng)靜靜特特性性 87由于由于ASRASR不飽和，則不飽和，則（限幅值），由（限幅值），由上式知：上式知：。一般設(shè)計(jì)成。一般設(shè)計(jì)成.（額定

13、（額定值值）。在兩個(gè)調(diào)節(jié)器均不飽和時(shí)運(yùn)行于靜特）。在兩個(gè)調(diào)節(jié)器均不飽和時(shí)運(yùn)行于靜特性性- -段，調(diào)速特性如圖段，調(diào)速特性如圖4.524.52所示。所示。*iU*imULILmILmINI0nA調(diào)調(diào)速速系系統(tǒng)統(tǒng)靜靜特特性性 88 當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASRASR飽和時(shí)，飽和時(shí)，ASRASR輸出達(dá)到限幅值輸出達(dá)到限幅值 ，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響( (即無速度調(diào)節(jié)作用即無速度調(diào)節(jié)作用) )，雙閉環(huán)，雙閉環(huán)系統(tǒng)已經(jīng)變成只有電流內(nèi)環(huán)無靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)，有系統(tǒng)已經(jīng)變成只有電流內(nèi)環(huán)無靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)，有 式中，式

14、中， 為設(shè)計(jì)最大電流。它決定于電動(dòng)機(jī)的允許過載能力和拖動(dòng)為設(shè)計(jì)最大電流。它決定于電動(dòng)機(jī)的允許過載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)所要求的最大加速度。系統(tǒng)所要求的最大加速度。*imU調(diào)調(diào)速速系系統(tǒng)統(tǒng)靜靜特特性性 LmILmimLIUI*89 1 1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù) 式中，式中， 為為PIPI調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。ssKsWsWpin111)()(111CR2 2）晶閘管的傳遞函數(shù)為）晶閘管的傳遞函數(shù)為 sTKsUsUsctd1)()(23 3）由直流伺服電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型經(jīng)簡(jiǎn)化可得其傳遞函數(shù)為）由直流伺服電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型經(jīng)簡(jiǎn)化可得其傳遞函數(shù)為

15、 sTRsIsIsEmLa)()()( 4 4）感應(yīng)電勢(shì)）感應(yīng)電勢(shì) 與轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速 之間的傳遞函數(shù)為之間的傳遞函數(shù)為 )(sEneCsEsn1)()(90 1) 1) 在起動(dòng)過程中，隨著在起動(dòng)過程中，隨著ASRASR從飽和到不飽和，使系統(tǒng)工作于完全從飽和到不飽和，使系統(tǒng)工作于完全不同的狀態(tài)：即當(dāng)不同的狀態(tài)：即當(dāng)ASRASR飽和時(shí)轉(zhuǎn)速開環(huán)，構(gòu)成由飽和時(shí)轉(zhuǎn)速開環(huán)，構(gòu)成由ACRACR實(shí)現(xiàn)恒值電流調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當(dāng)?shù)膯伍]環(huán)系統(tǒng)；當(dāng)ASRASR不飽和時(shí)轉(zhuǎn)速外環(huán)為無靜差調(diào)速系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)為電不飽和時(shí)轉(zhuǎn)速外環(huán)為無靜差調(diào)速系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)為電流跟蹤系統(tǒng)，呈現(xiàn)所謂飽和非線性控制的特征。流跟蹤系統(tǒng)，呈現(xiàn)所謂

16、飽和非線性控制的特征。 2) 2) 起動(dòng)過程的主要階段是恒流升速段。其特征是電流起動(dòng)過程的主要階段是恒流升速段。其特征是電流 恒定，恒定，并設(shè)計(jì)為最大允許值，以便充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的過載能力，以最大電流并設(shè)計(jì)為最大允許值，以便充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的過載能力，以最大電流加速起動(dòng)，實(shí)現(xiàn)起動(dòng)時(shí)間最短。即所謂時(shí)間最優(yōu)控制。加速起動(dòng)，實(shí)現(xiàn)起動(dòng)時(shí)間最短。即所謂時(shí)間最優(yōu)控制。 3) 3) 采用采用PIPI調(diào)節(jié)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)必然有超調(diào)。因調(diào)節(jié)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)必然有超調(diào)。因?yàn)樵谄饎?dòng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段為在起動(dòng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段( (段段) )，必須使，必須使ASRASR退出飽和，按退出飽和，按PIPI

17、的特性只的特性只有轉(zhuǎn)速超調(diào)，才能使有轉(zhuǎn)速超調(diào)，才能使 為負(fù)值，只有為負(fù)值，只有 為負(fù)值，才能使為負(fù)值，才能使ASRASR退退出飽和。出飽和。（2 2）雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動(dòng)過程）雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動(dòng)過程 雙閉環(huán)控制可以獲得接近于雙閉環(huán)控制可以獲得接近于的理想的起動(dòng)過程。當(dāng)突加給定的理想的起動(dòng)過程。當(dāng)突加給定電壓時(shí)，系統(tǒng)由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)電壓時(shí)，系統(tǒng)由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng), ,其其轉(zhuǎn)速和電流的過渡過程曲線如轉(zhuǎn)速和電流的過渡過程曲線如圖圖4.544.54所示。所示。 圖圖4.54 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形 為電流上升段為電流上升段(0(0t t1 1):):ASR

18、ASR由不飽和很快達(dá)到飽和，而由不飽和很快達(dá)到飽和，而ACRACR不飽不飽和，確保電流內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)作用；和，確保電流內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)作用； 為恒流升速段為恒流升速段( (t t1 1t t2 2):): ASRASR處于飽和，轉(zhuǎn)速外環(huán)相當(dāng)于開環(huán)。處于飽和，轉(zhuǎn)速外環(huán)相當(dāng)于開環(huán)。 為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)段為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)段( (t t2 2點(diǎn)以后點(diǎn)以后) )：轉(zhuǎn)速超調(diào)，即轉(zhuǎn)速超調(diào)，即 ，結(jié)果，結(jié)果造成造成 為負(fù)，使為負(fù)，使ASRASR退出飽和狀態(tài)。退出飽和狀態(tài)。 n*nnUnUnUaI91二、直流脈寬調(diào)制型（二、直流脈寬調(diào)制型（PWMPWM）調(diào)速系統(tǒng)）調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：（1 1）主電路簡(jiǎn)單，需用功）主電路簡(jiǎn)單，需用功率元

19、件少；（率元件少；（2 2）開關(guān)頻率高，電）開關(guān)頻率高，電流易于連續(xù)，諧波成分少，使電流易于連續(xù)，諧波成分少，使電機(jī)損失?。唬C(jī)損失??；（3 3）低速性能好，穩(wěn)）低速性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，調(diào)速范圍寬；（態(tài)精度高，調(diào)速范圍寬；（4 4）系）系統(tǒng)頻帶寬，快速響應(yīng)好，動(dòng)態(tài)抗統(tǒng)頻帶寬，快速響應(yīng)好，動(dòng)態(tài)抗擾性能強(qiáng)；（擾性能強(qiáng)；（5 5）主電路元件工作）主電路元件工作于開關(guān)狀態(tài)，損耗小，效率高。于開關(guān)狀態(tài)，損耗小，效率高。 基本原理是：基本原理是：利用大功率器件的開關(guān)作用，將直流電壓轉(zhuǎn)換成一利用大功率器件的開關(guān)作用，將直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的方波電壓，通過對(duì)方波脈沖寬度的控制，改變輸出電壓的平定頻率的方波電

20、壓，通過對(duì)方波脈沖寬度的控制，改變輸出電壓的平均值。均值。PWMPWM晶體管功率放大器由兩部分組成，一部分是電壓晶體管功率放大器由兩部分組成，一部分是電壓- -脈寬變換脈寬變換器，另一部分是開關(guān)功率放大器，其結(jié)構(gòu)如圖器，另一部分是開關(guān)功率放大器，其結(jié)構(gòu)如圖4.564.56所示。所示。 1.PWM1.PWM晶閘管功率放大器晶閘管功率放大器 圖圖4.56 PWM晶體管功率放大器結(jié)構(gòu)框圖晶體管功率放大器結(jié)構(gòu)框圖 9293 1 1）三角波電壓）三角波電壓- -脈寬變換器原理：脈寬變換器原理：三角波發(fā)生器用于產(chǎn)生一定頻三角波發(fā)生器用于產(chǎn)生一定頻率的三角波率的三角波 ，該三角波經(jīng)加法器與輸入的指令信號(hào)，該

21、三角波經(jīng)加法器與輸入的指令信號(hào) 相加，產(chǎn)相加，產(chǎn)生信號(hào)生信號(hào) ，然后送入比較器。比較器是一個(gè)工作在開環(huán)狀態(tài)，然后送入比較器。比較器是一個(gè)工作在開環(huán)狀態(tài)下的運(yùn)算放大器，具有極高的開環(huán)增益及限幅開關(guān)特性。兩個(gè)輸入端下的運(yùn)算放大器，具有極高的開環(huán)增益及限幅開關(guān)特性。兩個(gè)輸入端的信號(hào)差的微弱變化，會(huì)使比較器輸出對(duì)應(yīng)的開關(guān)信號(hào)。當(dāng)?shù)男盘?hào)差的微弱變化，會(huì)使比較器輸出對(duì)應(yīng)的開關(guān)信號(hào)。當(dāng) 0 0時(shí)，比較器輸出滿幅度的正電平；當(dāng)時(shí)，比較器輸出滿幅度的正電平；當(dāng) 0 0時(shí)，比較器輸時(shí)，比較器輸出滿幅度的負(fù)電平。出滿幅度的負(fù)電平。 TUIUTIUU TIUU TIUU 94圖圖4.57 PWM脈寬調(diào)制波形脈寬調(diào)制波

22、形 當(dāng)當(dāng) 0 0時(shí)，輸出信號(hào)時(shí)，輸出信號(hào) 為正負(fù)寬度相等的矩形脈沖。為正負(fù)寬度相等的矩形脈沖。 當(dāng)當(dāng) 0 0時(shí)，時(shí)， 的正脈寬大于負(fù)脈寬。的正脈寬大于負(fù)脈寬。 當(dāng)當(dāng) 0 0時(shí)，時(shí)， 的負(fù)脈寬大于正脈寬。的負(fù)脈寬大于正脈寬。 當(dāng)當(dāng) ( (是三角波的峰是三角波的峰- -峰值峰值) )時(shí)，時(shí)， 為一正直為一正直流信號(hào)；當(dāng)流信號(hào)；當(dāng) 時(shí)，時(shí)， 為一負(fù)直流信號(hào)。為一負(fù)直流信號(hào)。IU2/UTPPSUIU2/UTPPSUIUSUIUSUIUSU95 1 1）鋸齒波電壓）鋸齒波電壓- -脈寬變換器原理（脈寬變換器原理（UPWUPW） 三個(gè)輸入信號(hào)：三個(gè)輸入信號(hào)： 為由鋸齒波發(fā)生器提供的鋸齒波信號(hào)，頻率為由鋸齒

23、波發(fā)生器提供的鋸齒波信號(hào)，頻率一般為一般為1 14kHz4kHz，由主電路開關(guān)頻率決定；另一個(gè)輸入信號(hào)是控制電，由主電路開關(guān)頻率決定；另一個(gè)輸入信號(hào)是控制電壓壓 ，其極性和大小隨系統(tǒng)控制要求隨時(shí)可變；第三個(gè)為負(fù)偏移，其極性和大小隨系統(tǒng)控制要求隨時(shí)可變；第三個(gè)為負(fù)偏移電壓，其值調(diào)整為電壓，其值調(diào)整為 saUctUmax21sbUU 要求當(dāng)要求當(dāng) 0 0，電機(jī)電摳電壓，電機(jī)電摳電壓 0 0。應(yīng)調(diào)整負(fù)偏壓。應(yīng)調(diào)整負(fù)偏壓 ，使使 的正、負(fù)向脈寬相等。當(dāng)?shù)恼?、?fù)向脈寬相等。當(dāng) 0 0時(shí)，時(shí)， 與與 和和 相疊加，使合成電壓正向?qū)挾仍龃螅?jīng)運(yùn)算放大器倒相后，相疊加，使合成電壓正向?qū)挾仍龃?，?jīng)運(yùn)算放大器倒相

24、后， 正正半波變窄。當(dāng)半波變窄。當(dāng) 0 0時(shí)，情況相反，時(shí)，情況相反， 的正半波增寬。的正半波增寬。 的極的極性改變，也改變了性改變，也改變了PWMPWM變換器輸出電壓平均值的極性，因而改變了電變換器輸出電壓平均值的極性，因而改變了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向。動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向。ctUctUaUbUPWUctUctUbUsaUPWUctUPWU96 開關(guān)功率放大器的作用開關(guān)功率放大器的作用是對(duì)電壓是對(duì)電壓- -脈寬變換器輸出的信號(hào)脈寬變換器輸出的信號(hào) 進(jìn)行進(jìn)行放大，輸出具有足夠功率的信號(hào)放大，輸出具有足夠功率的信號(hào) ，以驅(qū)動(dòng)直流伺服電動(dòng)機(jī)。，以驅(qū)動(dòng)直流伺服電動(dòng)機(jī)。 開關(guān)功率放大器常采用大功率晶體管構(gòu)成。根據(jù)各晶體管

25、基極所開關(guān)功率放大器常采用大功率晶體管構(gòu)成。根據(jù)各晶體管基極所加的控制電壓波形，可分為加的控制電壓波形，可分為單極性輸出、雙極性輸出和有限單極性單極性輸出、雙極性輸出和有限單極性輸輸出三種方式。出三種方式。 SUPU 四種工作狀態(tài)：四種工作狀態(tài)： 1 1）當(dāng)）當(dāng) 0 0時(shí)，時(shí)， 的正、負(fù)脈寬相等，直流分量為零，的正、負(fù)脈寬相等，直流分量為零，VTlVTl和和VT4VT4的導(dǎo)通時(shí)間與的導(dǎo)通時(shí)間與VT2VT2和和VT3VT3的導(dǎo)通時(shí)間相等，流過電樞繞組中的平的導(dǎo)通時(shí)間相等，流過電樞繞組中的平均電流等于零，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)。但在交流分量作用下，電動(dòng)機(jī)在停止均電流等于零，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)。但在交流分量作用下，電動(dòng)

26、機(jī)在停止位置處微振，這種微振有動(dòng)力潤(rùn)滑作用，可消除電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的靜位置處微振，這種微振有動(dòng)力潤(rùn)滑作用，可消除電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的靜摩擦，減小啟動(dòng)電壓。摩擦，減小啟動(dòng)電壓。 IUSU 四種工作狀態(tài)：四種工作狀態(tài)： 2 2）當(dāng)）當(dāng) 0 0時(shí)，時(shí)， 的正脈寬大于負(fù)脈寬，直流分量大于零，的正脈寬大于負(fù)脈寬，直流分量大于零，VTlVTl和和VT4VT4的導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)于的導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)于VT2VT2和和VT3VT3的導(dǎo)通時(shí)間，流過繞組中的電流的導(dǎo)通時(shí)間，流過繞組中的電流平均值大于零，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，且隨著平均值大于零，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，且隨著 增加，轉(zhuǎn)速增加。增加，轉(zhuǎn)速增加。 SUIUIUIU 四種工作狀態(tài)：四種工作狀態(tài)： 3

27、 3）當(dāng)）當(dāng) 0 0時(shí)，時(shí)， 的直流分量小于零，電樞繞組中的電流平的直流分量小于零，電樞繞組中的電流平均值也小于零，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，且反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速隨著均值也小于零，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，且反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速隨著 減小而增加。減小而增加。 SUIU 四種工作狀態(tài)：四種工作狀態(tài)： 4 4）當(dāng)）當(dāng) 或或 時(shí)，時(shí)， 為正為正或負(fù)的直流信號(hào)，或負(fù)的直流信號(hào)，VT1VT1和和VT4VT4或或VT2VT2和和VT3VT3始終導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)在最高轉(zhuǎn)始終導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)在最高轉(zhuǎn)速下正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。速下正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。 2/UTPPSU2/UTPPIUIU97圖圖4.59 4.59 雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)原理框圖雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)原理框圖 98 鋸齒波電壓鋸

28、齒波電壓- -脈寬變換器原理（脈寬變換器原理（UPWUPW） 三個(gè)輸入信號(hào)：三個(gè)輸入信號(hào)： 為由鋸齒波發(fā)生器提供的鋸齒波信號(hào)，頻率為由鋸齒波發(fā)生器提供的鋸齒波信號(hào)，頻率一般為一般為1 14kHz4kHz，由主電路開關(guān)頻率決定；另一個(gè)輸入信號(hào)是控制電，由主電路開關(guān)頻率決定；另一個(gè)輸入信號(hào)是控制電壓壓 ，其極性和大小隨系統(tǒng)控制要求隨時(shí)可變；第三個(gè)為負(fù)偏移，其極性和大小隨系統(tǒng)控制要求隨時(shí)可變；第三個(gè)為負(fù)偏移電壓，其值調(diào)整為電壓，其值調(diào)整為 saUctUmax21sbUU圖圖4.60 鋸齒波脈寬調(diào)制器鋸齒波脈寬調(diào)制器 99 可逆可逆PWMPWM變換器正常工作時(shí)，是上、下兩電力晶體管交替導(dǎo)通和關(guān)變換器正

29、常工作時(shí)，是上、下兩電力晶體管交替導(dǎo)通和關(guān)斷，如果發(fā)生兩個(gè)晶體管同時(shí)導(dǎo)通，則產(chǎn)生極為嚴(yán)重的電源短路情況，斷，如果發(fā)生兩個(gè)晶體管同時(shí)導(dǎo)通，則產(chǎn)生極為嚴(yán)重的電源短路情況，導(dǎo)致晶體管損壞，為了確保不產(chǎn)生同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象，在控制電路與驅(qū)導(dǎo)致晶體管損壞，為了確保不產(chǎn)生同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象，在控制電路與驅(qū)動(dòng)電路之間設(shè)立了邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)。動(dòng)電路之間設(shè)立了邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)。 對(duì)對(duì)邏輯延遲電路的要求是：邏輯延遲電路的要求是：讓原導(dǎo)通的晶體管先關(guān)斷，然后讓原讓原導(dǎo)通的晶體管先關(guān)斷，然后讓原關(guān)斷的晶體管導(dǎo)通。因此它們的基極控制信號(hào)（如關(guān)斷的晶體管導(dǎo)通。因此它們的基極控制信號(hào)（如Ub1Ub1和和Ub2Ub2）不能在）不能在同一時(shí)刻

30、由同一時(shí)刻由“1”1”到到“0”0”或或“0”0”到到“1”1”，而是應(yīng)先是，而是應(yīng)先是“1”1”到到“0”0”，經(jīng)過一個(gè)很小的時(shí)間后，使另一個(gè)由經(jīng)過一個(gè)很小的時(shí)間后，使另一個(gè)由“0”0”到到“1”1”，如圖，如圖6-516-51所示，所示，一般一般DLDDLD由由R R、C C延遲電路組成，見圖延遲電路組成，見圖6-526-52所示。所示。 100101 1. 1.異步電機(jī)的變頻調(diào)速原理異步電機(jī)的變頻調(diào)速原理 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速方程為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速方程為 式中，式中， 為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速； 為定子轉(zhuǎn)速磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速；為定子轉(zhuǎn)速磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速； 為為定子供電頻率；定子供電頻率； 為轉(zhuǎn)差

31、率。為轉(zhuǎn)差率。 由上式可見，改變異步電動(dòng)機(jī)的供電頻率由上式可見，改變異步電動(dòng)機(jī)的供電頻率 ，可以改變其同步，可以改變其同步轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速 ，實(shí)現(xiàn)調(diào)速運(yùn)行，也稱為變頻調(diào)速。，實(shí)現(xiàn)調(diào)速運(yùn)行，也稱為變頻調(diào)速。 )1 ()1 (6011snspfnn1n1fs1f1n102 2.異步電機(jī)的變頻特性異步電機(jī)的變頻特性 異步電動(dòng)機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)有效值異步電動(dòng)機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)有效值E1為：為： 式中，式中， 為每極氣隙磁通；為每極氣隙磁通； 為定子相繞組有效匝數(shù)。為定子相繞組有效匝數(shù)。 由上式可見，只要控制好由上式可見，只要控制好 和和 ，可達(dá)到控制磁通，可達(dá)到控制磁通 的的目的。要保持目的。要保持 不變，當(dāng)電源

32、頻率不變，當(dāng)電源頻率 從工頻額定頻率從工頻額定頻率 向向低調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低電動(dòng)勢(shì)低調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低電動(dòng)勢(shì) ，使，使上式稱為恒定電動(dòng)勢(shì)頻率比。采用這種調(diào)速控制方式一般稱為恒定電上式稱為恒定電動(dòng)勢(shì)頻率比。采用這種調(diào)速控制方式一般稱為恒定電動(dòng)勢(shì)頻率比的控制方式。動(dòng)勢(shì)頻率比的控制方式。11fE常值常值 1E1fNf11f1EmmmNfE11144. 4m1N103 然而，繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)難以直接控制，但當(dāng)電動(dòng)勢(shì)值較高時(shí)然而，繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)難以直接控制，但當(dāng)電動(dòng)勢(shì)值較高時(shí)定子繞組的漏磁壓降可忽略不計(jì)，并認(rèn)為定子相電壓定子繞組的漏磁壓降可忽略不計(jì)，并認(rèn)為定子相電壓 則恒則恒電動(dòng)勢(shì)頻率比可近似

33、為電動(dòng)勢(shì)頻率比可近似為上式稱為上式稱為恒壓頻比恒壓頻比。11EU 11fU常值常值)1041. 1.變頻器的基本工作原理變頻器的基本工作原理 （1 1）變頻器電路）變頻器電路105 異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速控制特性：異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速控制特性： 在工頻以下按恒壓頻比控制方式，維持勵(lì)磁磁通在工頻以下按恒壓頻比控制方式，維持勵(lì)磁磁通 不變，屬不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速性質(zhì)；于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速性質(zhì)； 在工頻以上是維持在工頻以上是維持 （額定電壓），增加頻率，減小（額定電壓），增加頻率，減小磁通的恒功率調(diào)速性質(zhì)的控制方式。磁通的恒功率調(diào)速性質(zhì)的控制方式。其綜合控制特性如圖其綜合控制特性如圖4.644.64所示。所示

34、。m1UNU1變變頻頻調(diào)調(diào)速速控控制制特特性性曲曲線線 106107（3 3）變頻器工作原理）變頻器工作原理108109 2.2.逆變器控制電路逆變器控制電路 圖圖4.674.67單極式脈寬調(diào)制波形圖單極式脈寬調(diào)制波形圖 圖圖4.68 4.68 雙極式雙極式SPWMSPWM逆變器三相輸出波形圖逆變器三相輸出波形圖 電路原理電路原理 SPWMSPWM的波形分析的波形分析 單、雙極兩種控制方式單、雙極兩種控制方式 逆變器輸出波形：逆變器功率開關(guān)管的控制信號(hào)作用使逆變器輸逆變器輸出波形：逆變器功率開關(guān)管的控制信號(hào)作用使逆變器輸出波形與控制信號(hào)波形相同，其幾何意義如圖所示。出波形與控制信號(hào)波形相同，其

35、幾何意義如圖所示。 SPWMSPWM逆變器三相輸出波形原理：逆變器三相輸出波形原理： 如如 時(shí)時(shí)VTlVTl導(dǎo)通，導(dǎo)通， ； 時(shí)時(shí)VT4VT4導(dǎo)通，導(dǎo)通， 。同理。同理 波形是由波形是由VT3VT3和和VT6VT6交替導(dǎo)通得交替導(dǎo)通得到，到， 的波形是由的波形是由VT5VT5和和VT2VT2交替導(dǎo)通得到。圖中同時(shí)畫出逆變器輸交替導(dǎo)通得到。圖中同時(shí)畫出逆變器輸出的線電壓波形出的線電壓波形 ，是由，是由 得到，脈沖得到，脈沖幅值為幅值為 和和 。 rUutu0Uu2sUrUutu0Uu2sU0Vu0WuUVu)(tf0Uu0VusUsU參考信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生對(duì)稱的三相正弦參考電壓信號(hào)參考信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生對(duì)稱的三相正弦參考電壓信號(hào) ；三角波發(fā)生器產(chǎn)生三角波載波信號(hào)電壓三角波發(fā)生器產(chǎn)生三角波載波信號(hào)電壓u ut t ；參考電壓信號(hào)參考電壓信號(hào) 與三角波電壓信號(hào)進(jìn)行比較（調(diào)制）與三角波電壓信號(hào)進(jìn)行比較（調(diào)制）得出控制逆變器功率開關(guān)管的控制信號(hào)。