第2章伺服控制基礎(chǔ)知識(新)

1、嘉興學(xué)院嘉興學(xué)院jaxing University主講主講 張今朝張今朝第第2章章 伺服控制基礎(chǔ)知識伺服控制基礎(chǔ)知識 內(nèi)容提要內(nèi)容提要第一節(jié)第一節(jié) 電力電子器件的應(yīng)用電力電子器件的應(yīng)用 第二節(jié)第二節(jié) 檢測元件檢測元件第一節(jié)第一節(jié) 電力電子器件的應(yīng)用電力電子器件的應(yīng)用一、不可控器件n二極管是一種不可控器件，二極管在電路中常用VD表示。n結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，在整流、逆變電路中廣泛應(yīng)用；n工作原理：與普通的二極管一樣以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)；n外形：主要有螺栓型和平板型兩種封裝； n當PN結(jié)外加正向電壓（正向偏置）時，在外電路上則形成自P區(qū)流入而從N區(qū)流出的電流，稱為正向電流IF，這就是PN結(jié)的正向?qū)?/p>

2、狀態(tài)；n當PN結(jié)外加反向電壓時（反向偏置）時，反向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎沒有電流流過，被稱為反向截止狀態(tài)。n從伏安特性可見，當陽極電壓大于陰極電壓0.7V時二極管導(dǎo)通,當施加反向電壓值達到擊穿電壓時二極管被擊穿。n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。 PNc)JIb) 二、半控型器件二、半控型器件n晶閘管晶閘管(SCR) n雙向晶閘管雙向晶閘管(TRIAC )晶閘管晶閘管(SCR)n晶閘管的結(jié)構(gòu)和符號晶閘管的結(jié)構(gòu)和符號 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

3、符號晶閘管的結(jié)構(gòu)和符號 n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n它是一種可控制的硅整流元件，亦稱可控硅。n外形有螺栓型和平板型兩種封裝型式；n引出陽極A、陰極K和門極G （控制端）三個聯(lián)接端；n螺栓型封裝，螺栓是其陽極，可與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便；n平板型封裝的晶閘管由兩個散熱器將其夾在中間。n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，N1，P2，N2四層半導(dǎo)體材料疊成，形成三個PN結(jié)。圖2-2b)和c)分別為其示意圖和表示符號。SEGP1N1P2P2N1N2 晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理n起始時起始時若控

4、制極不加電壓，則不論陽極加正向電壓還是反向電壓，晶閘管均不導(dǎo)通，這說明晶閘管具有正、反向阻斷能力。n晶閘管的陽極和控制極同時加正向電壓時(正常時6V）晶閘管才能導(dǎo)通，這是晶閘管導(dǎo)通必須同時具備的兩個條件。n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)，必須把陽極正向電壓降低到一定值(或斷開，或反向)。所以說晶閘管是控制導(dǎo)通而不控制關(guān)斷的半控器件。n晶閘管的PN結(jié)可通過幾十至幾百安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。n由于晶閘管導(dǎo)通時，相當于兩只三極管飽和導(dǎo)通，因此，陽極與陰極問的管壓降為1V左右，而電源電壓幾乎全部分配在負載電阻RL上。正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+U

5、A-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM(二二)雙向晶閘管雙向晶閘管(TRIAC )n雙向晶閘管也稱雙向三極半導(dǎo)體開關(guān)元件(Bidirectional Triode Thyristor)n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模?第二，在門極中所加的觸發(fā)信號不管是正的還是負的

6、都可以使雙向晶閘管導(dǎo)通。雙向晶閘管可看作由兩個單向晶閘管反向并聯(lián)組成。n雙向晶閘管的特性和單向晶閘管的正向特性有點相近；只不過多了一個完全相同的反向特性而已，可見雙向晶閘管具有雙向?qū)翱刂频男再|(zhì)。n圖2-5中給出的是第一、三象限的伏安特性，在這兩個象限中，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。n雙向晶閘管可以用作固態(tài)繼電器、過零開關(guān)等。作為交流開關(guān)它有很廣泛的應(yīng)用。圖圖2-52-5晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件, ,還包括：還包括：光強度強弱b)AGKa)OUAKIA三、全控型器件三、全控型器件 n變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展同現(xiàn)代功率開關(guān)器件的研制與發(fā)展是密切相關(guān)的

7、。n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。n80年代以來，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)的新時代。(一) 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(Giant Transistor) 靜電感應(yīng)晶閘管靜電感應(yīng)晶閘管SITH(Staticlnduction Thyristor) 1.1.門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管 GTO(20GTO(20世紀世紀6060年代年代

8、) )GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號（的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號（a）各單元的陰極、門極間隔排列的）各單元的陰極、門極間隔排列的圖形圖形 （b）并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖）并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 （c）電氣圖形符號）電氣圖形符號結(jié)間電容結(jié)間電容擴散電阻擴散電阻GTO額定參數(shù)為額定參數(shù)為200A、600V門極導(dǎo)通門極導(dǎo)通門極關(guān)斷門極關(guān)斷反偏電路反偏電路主要用于三相主要用于三相GTO逆變器逆變器600A GTO開通、關(guān)斷的實例開通、關(guān)斷的實例脈沖變壓器門極電路可提脈沖變壓器門極電路可提供較大的門極負電流。供較大的門極負電流。使用時使用時注意注意脈沖變壓器的脈沖變壓器的漏抗以及傳送脈沖的寬度，漏抗以及傳送

9、脈沖的寬度，盡量采用高頻脈沖列觸發(fā)，盡量采用高頻脈沖列觸發(fā)，以便減小體積。以便減小體積。注意注意VT 和和VD3的作用的作用適用于逆變器上下橋臂觸發(fā)電路適用于逆變器上下橋臂觸發(fā)電路 20kHz開通指令開通指令解決脈沖變壓器上升率和采用大電容解決脈沖變壓器上升率和采用大電容 放電而增大電路問題放電而增大電路問題 bcii bce在共發(fā)射極接法時的典型輸出在共發(fā)射極接法時的典型輸出 特性分為截止區(qū)、放大區(qū)和飽特性分為截止區(qū)、放大區(qū)和飽 和區(qū)三個區(qū)域。和區(qū)三個區(qū)域。 在電力電子電路中，在電力電子電路中，GTRGTR工作工作 在在開關(guān)狀態(tài)開關(guān)狀態(tài)，即工作在截止區(qū)，即工作在截止區(qū) 或飽和區(qū)?；蝻柡蛥^(qū)。

10、在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和 飽和區(qū)之間過渡時，一般要經(jīng)飽和區(qū)之間過渡時，一般要經(jīng) 過放大區(qū)。過放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib2ib3Uce共發(fā)射極接法時共發(fā)射極接法時GTR的輸出特性的輸出特性BUBUBUBUBUceocercescexcbo目前常用的目前常用的GTR器件有單管達林頓和達林頓模塊兩大系列器件有單管達林頓和達林頓模塊兩大系列達林頓達林頓GTR和和GTR模塊模塊基極驅(qū)動電路直接影響基極驅(qū)動電路直接影響GTR的工作狀況，基極驅(qū)動的工作狀況，基極驅(qū)動需考慮三個方面需考慮三個方面:最優(yōu)化驅(qū)動、驅(qū)動方式最優(yōu)化驅(qū)動、驅(qū)動方式和和自動快速

11、保護自動快速保護1)最優(yōu)化驅(qū)動最優(yōu)化驅(qū)動過驅(qū)動電流過驅(qū)動電流IB1驅(qū)動維持電流驅(qū)動維持電流IB2反向基極驅(qū)動電流反向基極驅(qū)動電流IB32) 驅(qū)動方式驅(qū)動方式基極驅(qū)動電路驅(qū)動方式基極驅(qū)動電路驅(qū)動方式:直接驅(qū)動直接驅(qū)動 隔離驅(qū)動隔離驅(qū)動后兩種為改進形式，目的是為了獲得的近乎理想的基極驅(qū)動電流波形后兩種為改進形式，目的是為了獲得的近乎理想的基極驅(qū)動電流波形R3、R4分壓電阻產(chǎn)生功耗分壓電阻產(chǎn)生功耗RC為加速環(huán)節(jié)為加速環(huán)節(jié)采用推拉式不需采用推拉式不需R3R4分壓電阻，分壓電阻，減小功耗減小功耗開關(guān)頻率開關(guān)頻率1KHZ以上常用以上常用電磁隔離電磁隔離 光電隔離光電隔離3.3.靜電感應(yīng)晶閘管靜電感應(yīng)晶閘管

12、(SITH)(SITH)又稱場控晶閘管又稱場控晶閘管在柵極上加在柵極上加反向偏壓時為阻斷狀態(tài)反向偏壓時為阻斷狀態(tài)，除去反向偏除去反向偏壓即為導(dǎo)通狀態(tài)壓即為導(dǎo)通狀態(tài)。其工作溫度高，動態(tài)特性均勻，導(dǎo)通電阻小，正向其工作溫度高，動態(tài)特性均勻，導(dǎo)通電阻小，正向壓降低，開關(guān)速度快，開關(guān)損耗小，壓降低，開關(guān)速度快，開關(guān)損耗小， 、耐量大。但制造工藝復(fù)雜，耐量大。但制造工藝復(fù)雜，目前尚未達到實用階段目前尚未達到實用階段。/di dt/dv dt1.功率場控晶體管功率場控晶體管(Power MOSFET)2.靜電感應(yīng)晶體管靜電感應(yīng)晶體管SIT(Staticlnduction Transistor)3.功率集成

13、電路功率集成電路(Power Integrated Circuit,PIC)4.絕緣門極晶體管絕緣門極晶體管(Insulated Gate Bipolar Thyristor,IGBT) (二二)單極型器件單極型器件 單極型器件是指器件內(nèi)部只有多數(shù)載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體功率器件單極型器件是指器件內(nèi)部只有多數(shù)載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體功率器件1.1.功率場效應(yīng)晶體管功率場效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)電壓控制器件，驅(qū)動功率小、工作速度高、開關(guān)時間短，一般為電壓控制器件，驅(qū)動功率小、工作速度高、開關(guān)時間短，一般為ns數(shù)量級，工作頻率可達數(shù)量級，工作頻率可達30kHz。耐壓等級為耐壓等級為100

14、0V，電流等級電流等級為為200AN 溝道增強型溝道增強型MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)和的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號電氣圖形符號N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19 輸出特性輸出特性飽和壓降特性飽和壓降特性轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性VGS 與與IDVGS 、ID與與VDS可調(diào)電阻區(qū)可調(diào)電阻區(qū)I、飽和區(qū)飽和區(qū)II、雪崩區(qū)雪崩區(qū)III非線性非線性 通態(tài)電阻通態(tài)電阻Ron 開啟電壓開啟電壓Vgs(th) （非線性（非線性)跨導(dǎo)跨導(dǎo)gm 漏極擊穿電壓漏極擊穿電壓BVDS 柵源擊穿電壓柵源擊穿電壓BVGS 最大漏極電流最大漏極電流IDMDmgsdIgdV20V測量條件為測量條

15、件為VGS=10V，VDS為某個適當數(shù)值為某個適當數(shù)值在確定的柵壓下，功率在確定的柵壓下，功率MOSFET由可調(diào)電阻區(qū)由可調(diào)電阻區(qū)進入飽和區(qū)時的直流電阻為通太電阻進入飽和區(qū)時的直流電阻為通太電阻主要影響功率主要影響功率MOSFET的開關(guān)瞬態(tài)過程的開關(guān)瞬態(tài)過程動態(tài)特性與參數(shù)包含動態(tài)特性與參數(shù)包含:開關(guān)過程、開關(guān)時間開關(guān)過程、開關(guān)時間、極間電容極間電容、源漏二極管特性、漏源極、源漏二極管特性、漏源極 耐量耐量/dv dt極間電容極間電容 CGS 、CGD 和和 CDS CissCossCrs Ciss CGS CGD Crss CGD Coss CDS CGDCiss輸入電容等效電路輸入電容等效電

16、路開關(guān)時間與器件的極間電容和寄生電感有關(guān)，它們之間的關(guān)系開關(guān)時間與器件的極間電容和寄生電感有關(guān)，它們之間的關(guān)系都是非線性的。都是非線性的。開通時間開通時間ton延時時間延時時間td上升時間上升時間tr關(guān)斷時間關(guān)斷時間toff存儲時間存儲時間ts下降時間下降時間tf(3(3）柵極驅(qū)動電路）柵極驅(qū)動電路1)1)柵極驅(qū)動的特點柵極驅(qū)動的特點功率功率MOSFET的驅(qū)動電路要比的驅(qū)動電路要比GTR的驅(qū)動電路簡單得多的驅(qū)動電路簡單得多功率功率MOSFET為單極型器件，沒有少數(shù)載流子的存儲效應(yīng)，輸入為單極型器件，沒有少數(shù)載流子的存儲效應(yīng)，輸入阻抗高，因為阻抗高，因為開關(guān)速度可以很高，驅(qū)動功率小開關(guān)速度可以很

17、高，驅(qū)動功率小，電路簡單，但極，電路簡單，但極間電容較大，因而工作速度與驅(qū)動源內(nèi)阻抗有關(guān)。間電容較大，因而工作速度與驅(qū)動源內(nèi)阻抗有關(guān)。兩只電阻分壓驅(qū)動兩只電阻分壓驅(qū)動推拉式電路和貝克推拉式電路和貝克鉗位電路鉗位電路 來保證開關(guān)速度來保證開關(guān)速度MTM2N90MJ8085GTR開通開通的基極驅(qū)動電流應(yīng)使其處于的基極驅(qū)動電流應(yīng)使其處于準飽和導(dǎo)通準飽和導(dǎo)通狀態(tài)，狀態(tài)，使之不進入放大區(qū)和深飽和區(qū)。使之不進入放大區(qū)和深飽和區(qū)。 關(guān)斷關(guān)斷時，施加一定的時，施加一定的負基極電流有利于減小關(guān)斷負基極電流有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗時間和關(guān)斷損耗，關(guān)斷后同樣應(yīng)在基射極之間施，關(guān)斷后同樣應(yīng)在基射極之間施加一定幅值

18、（加一定幅值（6V左右）的負偏。左右）的負偏。 直接驅(qū)動電路直接驅(qū)動電路 隔離驅(qū)動電路隔離驅(qū)動電路由于功率由于功率MOSFTE的輸入阻抗極高，所以可以用的輸入阻抗極高，所以可以用TTL器件或器件或CMOS器件直接驅(qū)動器件直接驅(qū)動 隔離驅(qū)動電路隔離驅(qū)動電路電磁隔離電磁隔離R1限流電阻限流電阻R2防止柵極開路防止柵極開路光隔離光隔離VT3光耦輸出接成射極跟隨器光耦輸出接成射極跟隨器當當VT3導(dǎo)通，導(dǎo)通，VT2截止截止射極跟隨器：信號從基極輸入，從發(fā)射極輸出的放大器。射極跟隨器：信號從基極輸入，從發(fā)射極輸出的放大器。特點特點:輸入阻抗高，輸出阻抗低，因而從信號源索取的電流小而輸入阻抗高，輸出阻抗低，

19、因而從信號源索取的電流小而且?guī)ж撦d能力強，所以常用于多級放大電路的輸入級和輸出級；且?guī)ж撦d能力強，所以常用于多級放大電路的輸入級和輸出級；也可用它連接兩電路，減少電路間直接相連所帶來的影響，起也可用它連接兩電路，減少電路間直接相連所帶來的影響，起緩沖作用。緩沖作用。VT1和和VT2為脈沖放大器為脈沖放大器 實用的推拉式驅(qū)動電路實用的推拉式驅(qū)動電路正向驅(qū)動正向驅(qū)動VT1、VT3Vi高電平高電平反向驅(qū)動反向驅(qū)動VT2、VT4Vi低電平低電平R1C1與功率與功率MOSFET鉗位時間長短有關(guān)。鉗位時間長短有關(guān)。優(yōu)點優(yōu)點:提供較大的驅(qū)動提供較大的驅(qū)動電流，較快的開關(guān)速度。電流，較快的開關(guān)速度。加速網(wǎng)絡(luò)加

20、速網(wǎng)絡(luò)VT1鉗位時間有鉗位時間有R1C1決定決定特點特點: 利用正反饋來加速開通過程利用正反饋來加速開通過程是一種高速開關(guān)電路。是一種高速開關(guān)電路。開通過程中，二次側(cè)開通過程中，二次側(cè)繞組不停地給柵極施繞組不停地給柵極施以正反饋電壓，從而以正反饋電壓，從而加速了加速了VT1的開通過的開通過程，縮短了開通時間程，縮短了開通時間VT2VT3雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器VT1VT2正反饋互鎖電路記憶開關(guān)信號正反饋互鎖電路記憶開關(guān)信號C0C1C2儲能儲能Rd防誤導(dǎo)通防誤導(dǎo)通R6、VD3、VD4組成組成自保護電路自保護電路 高速關(guān)斷驅(qū)動電路高速關(guān)斷驅(qū)動電路主開關(guān)主開關(guān)VT0輔助開關(guān)輔助開關(guān)VT1控制開關(guān)控制

21、開關(guān)VT2輸出變壓器輸出變壓器T1控制變壓器控制變壓器T2特點特點:主電路給主電路給VT0一個很大的反向柵極一個很大的反向柵極電流，電流，可以形成高峰值反向柵極電流，使可以形成高峰值反向柵極電流，使關(guān)斷速度提高。關(guān)斷速度提高。VT2開通時開通時VT0開通開通VT1關(guān)斷關(guān)斷VT2關(guān)斷時關(guān)斷時- VT1開通開通- VT0關(guān)斷關(guān)斷-W1W2 電動勢相反電動勢相反-VD1阻斷阻斷主開關(guān)主開關(guān)VT0輔助開關(guān)輔助開關(guān)VT1控制開關(guān)控制開關(guān)VT2輸出變壓器輸出變壓器T1控制變壓器控制變壓器T2特點特點:主電路給主電路給VT0一個很大的反向柵極一個很大的反向柵極電流，電流，可以形成高峰值反向柵極電流，使可以形

22、成高峰值反向柵極電流，使關(guān)斷速度提高。關(guān)斷速度提高。VT2開通時開通時+通通+斷斷主開關(guān)主開關(guān)VT0輔助開關(guān)輔助開關(guān)VT1控制開關(guān)控制開關(guān)VT2輸出變壓器輸出變壓器T1控制變壓器控制變壓器T2特點特點:主電路給主電路給VT0一個一個很大的反向柵極很大的反向柵極電流，電流，可以形成高峰值反向柵極電流，使可以形成高峰值反向柵極電流，使關(guān)斷速度提高。關(guān)斷速度提高。VT2關(guān)斷時關(guān)斷時-斷斷+通通(三三) 混合型器件混合型器件混和型器件又稱復(fù)合型器件，是指雙極型和單極型器件的集成混合器件?；旌闲推骷染邆浠旌托推骷址Q復(fù)合型器件，是指雙極型和單極型器件的集成混合器件?；旌闲推骷染邆潆p極型器件電流密度高

23、、導(dǎo)通壓降低的優(yōu)點，又具備單極型器件輸入阻抗高、開關(guān)速度快的雙極型器件電流密度高、導(dǎo)通壓降低的優(yōu)點，又具備單極型器件輸入阻抗高、開關(guān)速度快的優(yōu)點，其中優(yōu)點，其中IGBT器件也不存在二次擊穿問題。器件也不存在二次擊穿問題。1.MOS門極晶體管門極晶體管2.MOS晶閘管晶閘管3.功率集成電路功率集成電路 4.4.絕緣門極晶體管絕緣門極晶體管( (絕緣柵雙極晶體管）絕緣柵雙極晶體管）IGBT，電流容量為電流容量為10400A,電壓等級為電壓等級為5001400V，工作頻率達工作頻率達1030KHZ，在中頻以上交流電源、各種直流開關(guān)電源及其他要求在中頻以上交流電源、各種直流開關(guān)電源及其他要求高速度、低

24、損耗的領(lǐng)域，高速度、低損耗的領(lǐng)域，IGBT有取代有取代GTR、MOSFET的趨勢。的趨勢。EGCN+NPN+N+PN+N+P+J3J2J1+-+-+-IDRNICVJ1IDRonEGCN+NPN+N+PN+N+P+J3J2J1+-+-+-IDRNICVJ1IDRonRN 調(diào)制電阻調(diào)制電阻O有源區(qū)有源區(qū)正向阻斷區(qū)正向阻斷區(qū)飽飽和和區(qū)區(qū)反向阻斷區(qū)反向阻斷區(qū)a)b)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加增加轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性輸出特性輸出特性。O有源區(qū)有源區(qū)正向阻斷區(qū)正向阻斷區(qū)飽飽和和區(qū)區(qū)反向阻斷區(qū)反向阻斷區(qū)a)b)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE

25、(th)UGE增加增加轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性輸出特性輸出特性由圖可知，由圖可知，IGBT的伏安特性與的伏安特性與GTR基本相似，不同之處是，基本相似，不同之處是，控制參數(shù)是門源電壓控制參數(shù)是門源電壓VGS，而不是基極電流。伏安特性分為而不是基極電流。伏安特性分為飽和區(qū)飽和區(qū)、放大區(qū)放大區(qū)和和擊穿區(qū)擊穿區(qū)。bce門源門源(柵射柵射)電壓電壓VGS基極電流基極電流IbGTRIGBT（1）開通時間）開通時間 ton開通延遲時間開通延遲時間 td(on) 電流上升時間電流上升時間 tri 電壓下降時間電壓下降時間 tfv（2）關(guān)斷時間）關(guān)斷時間 toff 關(guān)斷延遲時間關(guān)斷延遲時間 td(off) 電壓上升時

26、間電壓上升時間 trv 電流下降時間電流下降時間tfi 因因 IGBT 中雙極型中雙極型PNP晶體管晶體管 的存在，帶來了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的存在，帶來了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng) 的好處；但也引入了少子儲存的好處；但也引入了少子儲存 現(xiàn)象，因而現(xiàn)象，因而 IGBT 的開關(guān)速度的開關(guān)速度 低于電力低于電力 MOSFET。 在電壓在電壓1000V以上時，開關(guān)損耗只有以上時，開關(guān)損耗只有GTR 的的1/10，與，與 IGBTIGBT、GTRGTR、GTOGTO和電力和電力MOSFETMOSFET的驅(qū)動電路特點的驅(qū)動電路特點nIGBT驅(qū)動電路的特點：驅(qū)動電路具有較小的輸出電阻，IGBT是電壓驅(qū)動型器件，IGBT的驅(qū)動多

27、采用專用的混合集成驅(qū)動器。nGTR驅(qū)動電路的特點：驅(qū)動電路提供的驅(qū)動電流有足夠陡的前沿，并有一定的過沖，這樣可加速開通過程，減小開通損耗，關(guān)斷時，驅(qū)動電路能提供幅值足夠大的反向基極驅(qū)動電流，并加反偏截止電壓，以加速關(guān)斷速度。nGTO驅(qū)動電路的特點：GTO要求其驅(qū)動電路提供的驅(qū)動電流的前沿應(yīng)有足夠的幅值和陡度，且一般需要在整個導(dǎo)通期間施加正門極電流，關(guān)斷需施加負門極電流，幅值和陡度要求更高，其驅(qū)動電路通常包括開通驅(qū)動電路，關(guān)斷驅(qū)動電路和門極反偏電路三部分。n電力MOSFET驅(qū)動電路的特點：要求驅(qū)動電路具有較小的輸入電阻，驅(qū)動功率小且電路簡單。n混合型器件混合型器件 MOS門極晶體管MGT(MOS

28、 Gate Transistor) 絕緣門極晶體管IGBT(Insulated Gate Bipolar) MOS晶閘管MCT(MOS-Coutrolled Thyristor) 功率集成電路PIC(Power Integrated Circuit) 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件集成門極換流晶閘管集成門極換流晶閘管IGCTIGCT功率集成電路PICn功率集成電路PIC（Power Integrated Circuits）是將輸出的功率器件及其驅(qū)動電路、保護電路和接口電路等外圍電路集成在一個或幾個芯片上，也稱為智能功率集成電路。 n從電壓、電流來看，PIC可分為三個領(lǐng)域：n低壓大電流

29、PIC，主要用于汽車點火、開關(guān)電源和同步發(fā)電機等。n高壓小電流PIC，主要用于平板顯示、交換機等。n高壓大電流PIC，主要用于交流電機控制、家用電器等。第二節(jié)第二節(jié) 檢測元件檢測元件 n速度檢測 n角度（角位移）檢測 n位置檢測 一、速度檢測n在伺服系統(tǒng)中，機械的運動速度控制是最基本的控制內(nèi)容。n速度檢測元件的正確選擇和構(gòu)成速度負反饋控制的電路形式，對是否能滿足系統(tǒng)的要求十分重要。n速度閉環(huán)控制系統(tǒng)中，常用的速度檢測元件一般分為二類，即：模擬速度檢測元件和數(shù)字速度檢測元件。n測速發(fā)電機就是一種模擬速度檢測元件，由測速發(fā)電機構(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。n測速發(fā)電機是一種微

30、型發(fā)電機，它的作用是將轉(zhuǎn)速變?yōu)殡妷盒盘?，在理想狀態(tài)下，測速發(fā)電機的輸出電壓Uo可以用下式表示： UoK*nKKd/dt 式中，KK比例常數(shù)(即輸出特性的斜率)；n及 測速發(fā)電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度及旋轉(zhuǎn)角度。n測速發(fā)電機主要有兩種用途： n測速發(fā)電機的輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比，因而可以用來測量轉(zhuǎn)速，故稱為測速發(fā)電機；n如果以轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度為參數(shù)變量，則可作為機電微分、積分器。n測速發(fā)電機廣泛用于速度和位置控制系統(tǒng)中。n根據(jù)結(jié)構(gòu)和工作原理的不同，測速發(fā)電機分為直流測速發(fā)電機、異步測速發(fā)電機和同步測速發(fā)電機，但后者用得極少。( (一一) )異步異步( (交流交流) )測速發(fā)電機測速發(fā)電機 n異步測速發(fā)電機的結(jié)

31、構(gòu)如圖：輸出繞組感應(yīng)產(chǎn)生的電勢實際就是交流異步測速發(fā)電機輸出的空載電壓，其大小正比于轉(zhuǎn)速，其輸出繞組感應(yīng)產(chǎn)生的電勢實際就是交流異步測速發(fā)電機輸出的空載電壓，其大小正比于轉(zhuǎn)速，其頻率為勵磁電源的頻率。頻率為勵磁電源的頻率?？招谋D(zhuǎn)子交流測速發(fā)電機原理圖空心杯轉(zhuǎn)子交流測速發(fā)電機原理圖( (二二) )直流測速發(fā)電機直流測速發(fā)電機 n直流測速發(fā)電機是一種用來測量轉(zhuǎn)速的小型他勵直流發(fā)電機，其工作原理如圖。 nRRCULaea/11.基本原理基本原理空載時空載時 電樞兩端電壓電樞兩端電壓2.特性特性0aeUEC n負載電阻負載電阻越小和轉(zhuǎn)速越高越小和轉(zhuǎn)速越高，輸出特性曲線彎曲得越厲害輸出特性曲線彎曲得越厲

32、害，因此，在精度要求高的場合，因此，在精度要求高的場合，負載電阻必須選得大些，轉(zhuǎn)速也應(yīng)工作在較低的范圍。負載電阻必須選得大些，轉(zhuǎn)速也應(yīng)工作在較低的范圍。3.直流測速發(fā)電機與異步測速發(fā)電機的性能比較 n異步測速發(fā)電機n優(yōu)點：不需要電刷和換向器，因而結(jié)構(gòu)簡單，維護容易，慣量小，無滑動接觸，輸出特性穩(wěn)定，精度高，摩擦轉(zhuǎn)矩小，不產(chǎn)生無線電干擾，工作可靠，正、反向旋轉(zhuǎn)時輸出特性對稱。n缺點：存在剩余電壓和相位誤差，且負載的大小和性質(zhì)會影響輸出電壓的幅值和相位。n直流測速發(fā)電機n優(yōu)點：沒有相位波動，沒有剩余電壓，輸出特性的斜率比異步測速發(fā)電機的大。n缺點：由于有電刷和換向器，因而結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護不便，摩擦轉(zhuǎn)

33、矩大，有換向火花，產(chǎn)生無線電干擾信號，輸出特性不穩(wěn)定，且正、反向旋轉(zhuǎn)時，輸出特性不對稱。 (三)光電測速盤 n光電測速原理光電測速原理 n電動機旋轉(zhuǎn)方向辨別電動機旋轉(zhuǎn)方向辨別 n數(shù)字測速方法數(shù)字測速方法 1.光電測速原理光電測速原理60cNnf 脈沖頻率脈沖頻率2.電動機旋轉(zhuǎn)方向辨別電動機旋轉(zhuǎn)方向辨別觸發(fā)器是上升沿觸發(fā)：觸發(fā)器是上升沿觸發(fā)：即觸發(fā)器的狀態(tài)等于即觸發(fā)器的狀態(tài)等于C C上升沿前上升沿前D D的狀態(tài)。的狀態(tài)。C CC C*D觸發(fā)器工作原理觸發(fā)器工作原理3.3.數(shù)字測速方法數(shù)字測速方法 n在閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)中，根據(jù)脈沖計數(shù)來測量轉(zhuǎn)速的方法有M法測速T法測速和M/T法測速三種：nM法測速

34、是指：在規(guī)定時間間隔Tg內(nèi)，測量所產(chǎn)生的脈沖數(shù)來獲得被測速度值；nT法測速是指：測量相鄰二個脈沖的時間Ttach來確定被測速度值；nM/T法測速是指：同時測量檢測時間和在此檢測時間內(nèi)脈沖發(fā)生器發(fā)送的脈沖數(shù)來確定被測速度值。 對分辨率而言，對分辨率而言，T法測速時較高，隨著速度的增大，分辨率變差。法測速時較高，隨著速度的增大，分辨率變差。 M法則相反，高速時較高，隨著速度降低，分辨率變差。法則相反，高速時較高，隨著速度降低，分辨率變差。 M/T法的分辨率法的分辨率/速度是常數(shù)，與速度無關(guān)，因此它比前兩種方法都好。速度是常數(shù)，與速度無關(guān)，因此它比前兩種方法都好。二、角度（角位移）檢測 n在伺服系統(tǒng)

35、中測角（位移)的方法很多，常用的有：n電位計n差動變壓器n微同步器n自整角機n旋轉(zhuǎn)變壓器等 ( (一一) )差動變壓器和微同步器差動變壓器和微同步器 n當鐵心或轉(zhuǎn)子偏離中間位置時，UC有輸出，其幅值與偏離中間的大小成正比。它們共同特點是沒有觸點，因而具有較高的精度和較高的可靠性。都是利用磁阻變化來檢測轉(zhuǎn)角都是利用磁阻變化來檢測轉(zhuǎn)角(或位移或位移)。差動變壓器有直線位移式和轉(zhuǎn)角式。差動變壓器有直線位移式和轉(zhuǎn)角式。 (二)旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器 n轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電壓幅值嚴格按照轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角度的正弦規(guī)律變化。旋轉(zhuǎn)變壓器又叫旋轉(zhuǎn)變壓器又叫同步分解器同步分解器，是一種旋轉(zhuǎn)式小型交流電動機，是一種旋轉(zhuǎn)式小型交

36、流電動機，由由定子定子和和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子組成。組成。勵磁頻率常用的有勵磁頻率常用的有400Hz/500Hz/1000Hz/2000Hz/5000Hzn 變壓比變壓比Vm 最大瞬時電壓最大瞬時電壓VI 定子輸入電壓定子輸入電壓21sinsinsinmEnVnVt290sinmoEnVt通常采用的是通常采用的是正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器31121sincos3111sinsincoscoscos()mmmunVtnVtnVt旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器1.轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電壓的幅值嚴格地按轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電壓的幅值嚴格地按轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角的正弦轉(zhuǎn)角的正弦(或余弦或余弦)規(guī)律變化規(guī)律變化，2.其頻率和勵磁電壓的頻率

37、相同。其頻率和勵磁電壓的頻率相同。由于旋轉(zhuǎn)變壓器由于旋轉(zhuǎn)變壓器只能測量轉(zhuǎn)角只能測量轉(zhuǎn)角，在數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)中，往往用來，在數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)中，往往用來直接測量絲杠的轉(zhuǎn)角直接測量絲杠的轉(zhuǎn)角，亦可用齒條、，亦可用齒條、齒輪轉(zhuǎn)化來的間接測量工作臺的位移。齒輪轉(zhuǎn)化來的間接測量工作臺的位移。三、位置檢測 n在伺服系統(tǒng)中運動部件的位置檢測分角位移和直線位移檢測。n上述介紹的角位移傳感器一般用于小角位移（速度）檢測。n大角位移檢測或直線位移檢測，常用感應(yīng)同步器、光柵、磁尺等。(一一)感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 感應(yīng)同步器是利用兩個平面形繞組的互感隨位置感應(yīng)同步器是利用兩個平面形繞組的互感隨位置不同而變化的原理

38、組成的?？捎脕頊y量直線或轉(zhuǎn)不同而變化的原理組成的?？捎脕頊y量直線或轉(zhuǎn)角位移。角位移。測量直線位移的稱測量直線位移的稱長感應(yīng)同步器長感應(yīng)同步器，測量轉(zhuǎn)角位移的稱測量轉(zhuǎn)角位移的稱圓感應(yīng)同步器圓感應(yīng)同步器。從從勵磁方式勵磁方式來說，可分為兩大類：來說，可分為兩大類：一類是以滑尺（或定子）勵磁，由定尺（或轉(zhuǎn)子）一類是以滑尺（或定子）勵磁，由定尺（或轉(zhuǎn)子）取出感應(yīng)電動勢信號；取出感應(yīng)電動勢信號；另一類以定尺（或轉(zhuǎn)子）勵磁，由滑尺（或定子）另一類以定尺（或轉(zhuǎn)子）勵磁，由滑尺（或定子）取出感應(yīng)電動勢信號。取出感應(yīng)電動勢信號。目前在實用中多數(shù)用前一類勵磁方式。目前在實用中多數(shù)用前一類勵磁方式。方式一方式一:單相單相定尺繞組定尺繞組用用 固定的電源勵磁，固定的電源勵磁，形成一個交變脈動振磁場，形成一個交變脈動振磁場，滑尺上滑尺上的正弦繞組的輸出為，的正弦繞組的輸出為， 余弦繞組輸出為余弦繞組輸出為 其中其中 表示定尺與滑尺表示定尺與滑尺相對位移差相對位移差。 輸出電壓與單值對應(yīng)。輸出電壓與單值對應(yīng)。00sinUt0sin sinmUxt0cos sinmUxtx方式二方式二:給正余弦繞組分別加上給正余弦繞組分別加上 、 的勵磁，在空間形成一個重復(fù)直線勻速運動的磁場。的勵磁，在空間形成一個重復(fù)直線勻速運動的磁場。使使定尺單相繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動勢定尺單相繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，有，有輸出