機(jī)電一體化技術(shù)第6章_伺服控制系統(tǒng)PPT課件

1、第6章 伺服控制系統(tǒng) 6.1 概述 6.2 執(zhí)行元件6.3 電力電子變流技術(shù)6.4 PWM型變頻電路思考題 6.1 概述6.1.1伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成機(jī)電一體化的伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、類型繁多，但從自動(dòng)控制理論的角度來(lái)分析，伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器、被控對(duì)象、執(zhí)行環(huán)節(jié)、檢測(cè)環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)等五部分。圖6-1給出了伺服系統(tǒng)組成原理框圖。圖6-1 伺服系統(tǒng)組成原理框圖1.比較環(huán)節(jié);比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號(hào)與系統(tǒng)的反饋信號(hào)進(jìn)行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號(hào)的環(huán)節(jié)，通常由專門的電路或計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。2.控制器;控制器通常是計(jì)算機(jī)或PID控制電路，其主要任務(wù)是對(duì)比較元件輸出的偏差信號(hào)進(jìn)行變換處理，以控制

2、執(zhí)行元件按要求動(dòng)作。3.執(zhí)行環(huán)節(jié);執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號(hào)的要求，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象工作。機(jī)電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機(jī)或液壓、氣動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)等。4.被控對(duì)象;5.檢測(cè)環(huán)節(jié);檢測(cè)環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M(jìn)行測(cè)量并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置，一般包括傳感器和轉(zhuǎn)換電路。6.1.2伺服系統(tǒng)的分類 伺服系統(tǒng)的分類方法很多，常見的分類方法有以下三種。(1)按被控量參數(shù)特性分類。 (2)按驅(qū)動(dòng)元件的類型分類。 (3)按控制原理分類。 6.1.3伺服系統(tǒng)的技術(shù)要求1.系統(tǒng)精度伺服系統(tǒng)精度指的是輸出量復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)要求的精確程度，以誤差的形式表現(xiàn)，可概括為動(dòng)態(tài)誤差、穩(wěn)態(tài)誤

3、差和靜態(tài)誤差三個(gè)方面組成。2.穩(wěn)定性伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指當(dāng)作用在系統(tǒng)上的干擾消失以后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來(lái)穩(wěn)定狀態(tài)的能力；或者當(dāng)給系統(tǒng)一個(gè)新的輸入指令后，系統(tǒng)達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的能力。 3.響應(yīng)特性響應(yīng)特性指的是輸出量跟隨輸入指令變化的反應(yīng)速度，決定了系統(tǒng)的工作效率。響應(yīng)速度與許多因素有關(guān)，如計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的阻尼和質(zhì)量等。4.工作頻率工作頻率通常是指系統(tǒng)允許輸入信號(hào)的頻率范圍。當(dāng)工作頻率信號(hào)輸入時(shí)，系統(tǒng)能夠按技術(shù)要求正常工作；而其它頻率信號(hào)輸入時(shí)，系統(tǒng)不能正常工作。 6.2 執(zhí)行元件6.2.1執(zhí)行元件的分類及其特點(diǎn)執(zhí)行元件是能量變換元件，其目的是控制機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。機(jī)電一體化伺服

4、系統(tǒng)要求執(zhí)行元件具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，輸出動(dòng)力大，便于控制，可靠性高和安裝維護(hù)簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。根據(jù)使用能量的不同，可以將執(zhí)行元件分為電磁式、液壓式和氣壓式等幾種類型，如圖6-2所示。圖6-2 執(zhí)行元件的種類(1)電磁式執(zhí)行元件能將電能轉(zhuǎn)化成電磁力，并用電磁力驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，如交流電機(jī)、直流電機(jī)、力矩電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等。(2)液壓式執(zhí)行元件先將電能變化成液體壓力，并用電磁閥控制壓力油的流向，從而使液壓執(zhí)行元件驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。 (3)氣壓式執(zhí)行元件與液壓式執(zhí)行元件的原理相同，只是介質(zhì)由液體改為氣體。 6.2.2直流伺服電動(dòng)機(jī)1.直流伺服電動(dòng)機(jī)的分類直流伺服電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式可分為電磁式和永磁式兩種。 2.直

5、流伺服電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理直流伺服電動(dòng)機(jī)主要由磁極、電樞、電刷及換向片組成,如圖6-3所示。 圖6-3 直流伺服電動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)3.直流伺服電動(dòng)機(jī)的特性分析直流伺服電動(dòng)機(jī)采用電樞電壓控制時(shí)的電樞等效電路如圖6-4所示。 圖6-4 電樞等效電路當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，回路中的電流Ia保持不變，則電樞回路中的電壓平衡方程式為Ea=Ua-IaRa (6-1)式中，Ea是電樞反電動(dòng)勢(shì)； Ua是電樞電壓；Ia是電樞電流；Ra是電樞電阻。轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)中以角速度切割磁力線時(shí)，電樞反電動(dòng)勢(shì)Ea與角速度之間存在如下關(guān)系： Ea=Ce (6-2)式中，Ce是電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，僅與電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)；是定子磁場(chǎng)中每極的氣隙

6、磁通量。 由式（6-1）、式（6-2）得Ua-IaRa=Ce （6-3）此外，電樞電流切割磁場(chǎng)磁力線所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩Tm可由下式表達(dá): Tm=CmIa則 Tm=CmIn 式中，Cm是轉(zhuǎn)矩常數(shù)，僅與電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)。 (6-4)將式（6-4）代入式（6-3）并整理，可得到直流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性的一般表達(dá)式由此可以得出空載（ Tm0，轉(zhuǎn)子慣量忽略不計(jì)）和電機(jī)啟動(dòng)（0）時(shí)的電機(jī)特性:（1）當(dāng)Tm0時(shí)，有 (6-5)(6-6)（2）當(dāng)0時(shí)，有 式中，Td稱為啟動(dòng)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩，其值也與電樞電壓成正比。如果把角速度看作是電磁轉(zhuǎn)矩Tm的函數(shù)，即=f(Tm)，則可得到直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式為(6-8) 式中

7、,0是常數(shù)， 。 (6-7)如果把角速度看作是電樞電壓Ua的函數(shù)，即=f(Ua)，則可得到直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性表達(dá)式式中,k是常數(shù)， 。 根據(jù)式(6-8)和式(6-9)，給定不同的Ua值和Tm值，可分別繪出直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線和調(diào)節(jié)特性曲線如圖6-5、圖6-6所示。 (6-9)圖6-5 直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性圖6-6 直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性由圖6-5可見，直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是一組斜率相同的直線簇。每條機(jī)械特性和一種電樞電壓相對(duì)應(yīng)，與軸的交點(diǎn)是該電樞電壓下的理想空載角速度，與Tm軸的交點(diǎn)則是該電樞電壓下的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。由圖6-6可見，直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性也是一組斜率相同的直

8、線簇。每條調(diào)節(jié)特性和一種電磁轉(zhuǎn)矩相對(duì)應(yīng)，與Ua軸的交點(diǎn)是啟動(dòng)時(shí)的電樞電壓。從圖中還可看出，調(diào)節(jié)特性的斜率為正，說(shuō)明在一定的負(fù)載下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨電樞電壓的增加而增加；而機(jī)械特性的斜率為負(fù)，說(shuō)明在電樞電壓不變時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加而降低。4.影響直流伺服電動(dòng)機(jī)特性的因素上述對(duì)直流伺服電動(dòng)機(jī)特性的分析是在理想條件下進(jìn)行的，實(shí)際上電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路、電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的摩擦及負(fù)載的變動(dòng)等因素都對(duì)直流伺服電動(dòng)機(jī)的特性有著不容忽略的影響。1）驅(qū)動(dòng)電路對(duì)機(jī)械特性的影響;直流伺服電動(dòng)機(jī)是由驅(qū)動(dòng)電路供電的，假設(shè)驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)阻是Ri，加在電樞繞組兩端的控制電壓是Uc，則可畫出如圖6-7所示的電樞等效回路。在這個(gè)電樞等

9、效回路中，電壓平衡方程式為Ea=Uc-Ia (Ra+Ri) (6-10)于是在考慮了驅(qū)動(dòng)電路的影響后，直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式變成 (6-11)將式(6-11)與式(6-8)比較可以發(fā)現(xiàn)，由于驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻Ri的存在而使機(jī)械特性曲線變陡了，圖6-8給出了驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻影響下的機(jī)械特性。 圖6-7 含驅(qū)動(dòng)電路的電樞等效回路圖6-8 驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻對(duì)機(jī)械特性的影響如果直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性較平緩，則當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化較小，這時(shí)稱直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性較硬。反之，如果機(jī)械特性較陡，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化就較大，則稱其機(jī)械特性較軟。顯然，機(jī)械特性越硬，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力越強(qiáng)；

10、機(jī)械特性越軟，負(fù)載能力越低。毫無(wú)疑問(wèn)，對(duì)直流伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，其機(jī)械特性越硬越好。由圖6-8可知，由于功放電路內(nèi)阻的存在而使電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變軟了，這種影響是不利的，因而在設(shè)計(jì)直流伺服電動(dòng)機(jī)功放電路時(shí)，應(yīng)設(shè)法減小其內(nèi)阻。2）直流伺服電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的摩擦對(duì)調(diào)節(jié)特性的影響由圖6-6可知，直流伺服電動(dòng)機(jī)在理想空載時(shí)（即Tm1=0），其調(diào)節(jié)特性曲線從原點(diǎn)開始。但實(shí)際上直流伺服電動(dòng)機(jī)內(nèi)部存在摩擦（如轉(zhuǎn)子與軸承間的摩擦等），直流伺服電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)需要克服一定的摩擦轉(zhuǎn)矩，因此啟動(dòng)時(shí)電樞電壓不可能為零。這個(gè)不為零的電壓稱為啟動(dòng)電壓，用Ub表示，如圖6-9所示。 3）負(fù)載變化對(duì)調(diào)節(jié)特性的影響由式（6-5）知，在負(fù)

11、載轉(zhuǎn)矩TL不變的條件下，直流伺服電動(dòng)機(jī)角速度與電樞電壓成線性關(guān)系。但在實(shí)際伺服系統(tǒng)中，經(jīng)常會(huì)遇到負(fù)載隨轉(zhuǎn)速變動(dòng)的情況，如粘性摩擦阻力是隨轉(zhuǎn)速增加而增加的，數(shù)控機(jī)床切削加工過(guò)程中的切削力也是隨進(jìn)給速度變化而變化的。這時(shí)由于負(fù)載的變動(dòng)將導(dǎo)致調(diào)節(jié)特性的非線性，如圖6-9所示?？梢?，由于負(fù)載變動(dòng)的影響，當(dāng)電樞電壓Ua增加時(shí)，直流伺服電動(dòng)機(jī)角速度的變化率越來(lái)越小，這一點(diǎn)在變負(fù)載控制時(shí)應(yīng)格外注意。圖6-9 摩擦及負(fù)載變動(dòng)對(duì)調(diào)節(jié)特性的影響5.直流伺服系統(tǒng)由于伺服控制系統(tǒng)的速度和位移都有較高的精度要求，因而直流伺服電動(dòng)機(jī)通常以閉環(huán)或半閉環(huán)控制方式應(yīng)用于伺服系統(tǒng)中。直流伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制是針對(duì)伺服系統(tǒng)的最后輸出

12、結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)和修正的伺服控制方法，而半閉環(huán)控制是針對(duì)伺服系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)（如電動(dòng)機(jī)的輸出速度或角位移等）進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)節(jié)的控制方法。它們都對(duì)系統(tǒng)輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和反饋，并根據(jù)偏差對(duì)系統(tǒng)實(shí)施控制。兩者的區(qū)別僅在于傳感器檢測(cè)信號(hào)的位置不同，由此導(dǎo)致設(shè)計(jì)、制造的難易程度不同,工作性能不同，但兩者的設(shè)計(jì)與分析方法基本上是一致的。閉環(huán)和半閉環(huán)控制的位置伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理分別如圖6-10、圖6-11所示。 圖6-10 閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖圖6-11 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖6.2.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按其工作原理主要可分為磁電式和反應(yīng)式兩大類，這里只介紹常用的反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)

13、機(jī)的工作原理。三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理如圖6-12所示，其中步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子上有6個(gè)齒，其上分別纏有U、V、W三相繞組，構(gòu)成三對(duì)磁極；轉(zhuǎn)子上則均勻分布著4個(gè)齒。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用直流電源供電。當(dāng)U、V、W三相繞組輪流通電時(shí)，通過(guò)電磁力的吸引，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子一步一步地旋轉(zhuǎn)。圖6-12 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)原理圖 假設(shè)U相繞組首先通電，則轉(zhuǎn)子上、下兩齒被磁場(chǎng)吸住，轉(zhuǎn)子就停留在U相通電的位置上。然后U相斷電，V相通電，則磁極U的磁場(chǎng)消失，磁極V產(chǎn)生了磁場(chǎng)，磁極V的磁場(chǎng)把離它最近的另外兩齒吸引過(guò)去，停止在V相通電的位置上，這時(shí)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)了30。隨后V相斷電，W相通電，根據(jù)同樣的道理，轉(zhuǎn)子又逆時(shí)針轉(zhuǎn)了30

14、，停止在W相通電的位置上。若再U相通電，W相斷電，那么轉(zhuǎn)子再逆轉(zhuǎn)30。定子各相輪流通電一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一個(gè)齒。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組按UVWUVWU依次輪流通電，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子就一步步地按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。反之，如果步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按倒序依次使繞組通電，即UWVUWVU則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組每次通斷電使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱之為步距角。上述分析中的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角為30。對(duì)于一個(gè)真實(shí)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，為了減少每通電一次的轉(zhuǎn)角，在轉(zhuǎn)子和定子上開有很多定分的小齒。其中定子的三相繞組鐵心間有一定角度的齒差，當(dāng)U相定子小齒與轉(zhuǎn)子小齒對(duì)正時(shí)，V相和W相定子上的齒則處于錯(cuò)開狀態(tài)，如圖6-13所示。真實(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

15、的工作原理與上同，只是步距角是小齒距夾角的1/3。圖6-13 三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)2.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電方式如果步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組的每一次通斷電操作稱為一拍，每拍中只有一相繞組通電，其余繞組斷電，則這種通電方式稱為單相通電方式。三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的單相通電方式稱為三相單三拍通電方式。 如果步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通電循環(huán)的每拍中都有兩相繞組通電，則這種通電方式稱為雙相通電方式。三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用雙相通電方式時(shí)，稱為三相雙三拍通電方式。如果步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通電循環(huán)的各拍中交替出現(xiàn)單、雙相通電狀態(tài)，則這種通電方式稱為單雙相輪流通電方式。三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用單雙相輪流通電方式時(shí)，每個(gè)通電循環(huán)中共有六拍，因而又稱為三相六拍通電方式。

16、 一般情況下，m相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可采用單相通電、雙相通電或單雙相輪流通電方式工作，對(duì)應(yīng)的通電方式分別稱為m相單m拍、m相雙m拍或m相2m拍通電方式。由于采用單相通電方式工作時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性（輸出轉(zhuǎn)矩與輸入脈沖頻率的關(guān)系）較差，在通電換相過(guò)程中，轉(zhuǎn)子狀態(tài)不穩(wěn)定，容易失步，因而實(shí)際應(yīng)用中較少采用。圖6-14是某三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在不同通電方式下工作時(shí)的矩頻特性曲線。顯然，采用單雙相輪流通電方式可使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在各種工作頻率下都具有較大的負(fù)載能力。圖6-14 不同通電方式時(shí)的矩頻特性通電方式不僅影響步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性，對(duì)步距角也有影響。一個(gè)m相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，如其轉(zhuǎn)子上有z個(gè)小齒，則其步距角可通過(guò)

17、下式計(jì)算： (6-12)式中，k是通電方式系數(shù)。當(dāng)采用單相或雙相通電方式時(shí)，k1；當(dāng)采用單雙相輪流通電方式時(shí)，k2?？梢?，采用單雙相輪流通電方式還可使步距角減小一半。步進(jìn)電機(jī)的步距角決定了系統(tǒng)的最小位移，步距角越小，位移的控制精度越高。 3. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的使用特性 （1） 步距誤差。 （2） 最大靜轉(zhuǎn)矩。 （3） 啟動(dòng)矩頻特性。 當(dāng)伺服系統(tǒng)要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率高于最大允許啟動(dòng)率時(shí)，可先按較低的頻率啟動(dòng)， 然后按一定規(guī)律逐漸加速到運(yùn)行頻率。圖6-15給出了90BF002型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)矩頻特性曲線。 由圖可見， 負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大， 所允許的最大啟動(dòng)頻率越小。 圖6-15 啟動(dòng)矩頻特性（4）運(yùn)行

18、矩頻特性。圖6-16是90BF002型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線。 圖6-16 運(yùn)行矩頻特性（5） 最大相電壓和最大相電流。 4. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制與驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電樞通斷電次數(shù)和各相通電順序決定了輸出角位移和運(yùn)動(dòng)方向，控制脈沖分配頻率可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度控制。 因此，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)一般采用開環(huán)控制方式。 圖6-17為開環(huán)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)框圖， 系統(tǒng)主要由環(huán)形分配器、 功率驅(qū)動(dòng)器、 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等組成。 圖 6-17 開環(huán)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)框圖步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在一個(gè)脈沖的作用下， 轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)相應(yīng)的步距角， 因此只要控制一定的脈沖數(shù)， 即可精確控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的相應(yīng)的角度。 但步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各繞

19、組必須按一定的順序通電才能正確工作， 這種使電動(dòng)機(jī)繞組的通斷電順序按輸入脈沖的控制而循環(huán)變化的過(guò)程稱為環(huán)形脈沖分配。 實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配的方法有兩種。 一種是計(jì)算機(jī)軟件分配， 采用查表或計(jì)算的方法使計(jì)算機(jī)的三個(gè)輸出引腳依次輸出滿足速度和方向要求的環(huán)形分配脈沖信號(hào)。 這種方法能充分利用計(jì)算機(jī)軟件資源，減少硬件成本， 尤其是多相電動(dòng)機(jī)的脈沖分配更能顯示出這種分配方法的優(yōu)點(diǎn)。 但由于軟件運(yùn)行會(huì)占用計(jì)算機(jī)的運(yùn)行時(shí)間， 因而會(huì)使插補(bǔ)運(yùn)算的總時(shí)間增加， 從而影響步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度。 另一種是硬件環(huán)形分配， 采用數(shù)字電路搭建或?qū)Ｓ玫沫h(huán)形分配器件將連續(xù)的脈沖信號(hào)經(jīng)電路處理后輸出環(huán)形脈沖。 采用數(shù)字電路搭建的環(huán)形分

20、配器通常由分立元件（如觸發(fā)器、 邏輯門等）構(gòu)成， 特點(diǎn)是體積大， 成本高， 可靠性差。 專用的環(huán)形分配器目前市面上有很多種， 如CMOS電路CH250即為三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的專用環(huán)形分配器， 它的引腳功能及三相六拍線路圖如圖6-18所示。 圖6-18 環(huán)形分配器CH250引腳圖(a) 引腳功能； (b) 三相六拍線路圖 圖6-18 環(huán)形分配器CH250引腳圖(a) 引腳功能； (b) 三相六拍線路圖2） 功率驅(qū)動(dòng) 常見的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路有三種： (1） 單電源驅(qū)動(dòng)電路。這種電路采用單一電源供電，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但電流波形差，效率低，輸出力矩小，主要用于對(duì)速度要求不高的小型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。圖6

21、-19所示為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一相繞組驅(qū)動(dòng)電路（每相繞組的電路相同）。 圖6-19 單民源驅(qū)動(dòng)電路(2）雙電源驅(qū)動(dòng)電路。雙電源驅(qū)動(dòng)電路又稱高、低壓驅(qū)動(dòng)電路，采用高壓和低壓兩個(gè)電源供電，如圖6-20所示。 圖6-20 高、低壓驅(qū)動(dòng)電路(3）斬波限流驅(qū)動(dòng)電路。這種電路采用單一高壓電源供電，以加快電流上升速度，并通過(guò)對(duì)繞組電流的檢測(cè)，控制功放管的開和關(guān)，使電流在控制脈沖持續(xù)期間始終保持在規(guī)定值上下，其波形如圖6-21所示。這種電路功率大，功耗小，效率高，目前應(yīng)用最廣。圖6-22所示為一種斬波限流驅(qū)動(dòng)電路原理圖。圖6-21 斬波限流驅(qū)動(dòng)電路波形圖圖6-22 斬波限流驅(qū)動(dòng)電路 6.2.4 交流伺服電動(dòng)機(jī) 1.

22、異步型交流電動(dòng)機(jī)三相異步電動(dòng)機(jī)定子中的三個(gè)繞組在空間方位上也互差120，三相交流電源的相與相之間的電壓在相位上也相差120。當(dāng)在定子繞組中通入三相電源時(shí)，定子繞組就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為（6-13）式中,f1為定子供電頻率; p為定子線圈的磁極對(duì)數(shù); n1為定子轉(zhuǎn)速磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速。 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速方程為 （6-14）式中,n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；s為轉(zhuǎn)差率。 2. 同步型交流電動(dòng)機(jī) 同步交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速用下式表達(dá)：(6-15) 式中,f1為定子供電頻率；p為定子線圈的磁極對(duì)數(shù)；n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。3.交流伺服電機(jī)的性能由電機(jī)理論知道，三相異步電動(dòng)機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值E1為E1=4.44f

23、1 N1m (6-16) 式中, m為每極氣隙磁通；N1為定子相繞組的有效匝數(shù)。 由上式可見，m的值是由E1和f1共同決定的，對(duì)E1和f1進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?，就可以使氣隙磁通m保持額定值不變。下面分兩種情況說(shuō)明。（1）基頻以下的恒磁通變頻調(diào)速。圖6-23中，曲線a為U1/E1常數(shù)時(shí)的電壓頻率關(guān)系曲線，曲線b為有電壓補(bǔ)償時(shí)近似的（E1/f1常數(shù)）電壓頻率關(guān)系曲線。圖6-23 恒壓頻比控制特性(2）基頻以上的弱磁通變頻調(diào)速。 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的基本控制方式如圖6-24所示。 圖6-24 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制特性4.交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的控制方案 根據(jù)生產(chǎn)的要求、變頻器的特點(diǎn)和電動(dòng)機(jī)的種類，會(huì)出現(xiàn)多種

24、多樣的變頻調(diào)速控制方案。這里只討論交-直-交(AC-DC-AC)變頻器。）開環(huán)控制開環(huán)控制的通用變頻器三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)控制框圖如圖6-25所示。 圖6-25 開環(huán)異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速2）無(wú)速度傳感器的矢量控制無(wú)速度傳感器的矢量控制變頻器異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)控制框圖如圖6-26所示。 圖6-26 矢量控制變頻器的異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速3）帶速度傳感器的矢量控制帶速度傳感器的矢量控制變頻器異步電動(dòng)機(jī)閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)控制框圖如圖6-27所示。圖6-27 異步電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制變頻調(diào)速4）永磁同步電動(dòng)機(jī)開環(huán)控制永磁同步電動(dòng)機(jī)開環(huán)控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)控制框圖如圖6-28所示。圖6-28 永磁同步電動(dòng)機(jī)開

25、環(huán)控制變頻調(diào)速6.3 電力電子變流技術(shù)6.3.1 開關(guān)器件特性 目前，各類電力電子器件所達(dá)到的功能水平如下： 普通晶閘管：12kV、1kA；4kV、3kA。 可關(guān)斷晶閘管：9kV、1kA；4.5kV、4.5kA。 逆導(dǎo)晶閘管：4.5kV、1kA。 光觸晶閘管：6kV、2.5kA；4kV、5kA。 電力晶體管：?jiǎn)喂?kV、200A；模塊1.2kV、800A；1.8kV、100A。場(chǎng)效應(yīng)管：1kV、38A。 絕緣柵極雙極型晶體管：1.2kV、400A；1.8kV、100A。靜電感應(yīng)晶閘管(SITH)：4.5kV、2.5kA。場(chǎng)控晶閘管：1kV、100A。圖6-29中示出主要電力電子器件的控制容量和

26、開關(guān)頻率的應(yīng)用范圍。 圖6-29 電力電子器件的控制容量和開關(guān)頻率的應(yīng)用范圍 1.絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）是在GTR和MOSFET之間取其長(zhǎng)、避其短而出現(xiàn)的新器件，它實(shí)際上是用MOSFET驅(qū)動(dòng)雙極型晶體管的，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大;MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。IGBT是多元集成結(jié)構(gòu)，每個(gè)IGBT元的結(jié)構(gòu)如圖6-30(a)所示，圖6-30(b

27、)是IGBT的等效電路，它由一個(gè)MOSFET和一個(gè)PNP晶體管構(gòu)成，給柵極施加正偏信號(hào)后，MOSFET導(dǎo)通，從而給PNP晶體管提供了基極電流使其導(dǎo)通。給柵極施加反偏信號(hào)后，MOSFET關(guān)斷，使PNP晶體管基極電流為零而截止。圖6-30(c)是IGBT的電氣符號(hào)。IGBT的開關(guān)速度低于MOSFET，但明顯高于GTR。IGBT在關(guān)斷時(shí)不需要負(fù)柵壓來(lái)減少關(guān)斷時(shí)間，但關(guān)斷時(shí)間隨柵極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加。IGBT的開啟電壓約34V，和MOSFET相當(dāng)。IGBT導(dǎo)通時(shí)的飽和壓降比MOSFET低而和GTR接近，飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。 圖6-30IGBT的簡(jiǎn)化等效電路圖(a)結(jié)構(gòu)；(b)等效

28、電路；(c)電氣符號(hào)2. 場(chǎng)控晶閘管（MCT）MCT（MOSControlledThyristor）是MOSFET驅(qū)動(dòng)晶閘管的復(fù)合器件，集場(chǎng)效應(yīng)晶體管與晶閘管的優(yōu)點(diǎn)于一身，是雙極型電力晶體管和MOSFET的復(fù)合。 一個(gè)MCT器件由數(shù)以萬(wàn)計(jì)的MCT元組成，每個(gè)元的組成如下：PNPN晶閘管一個(gè)（可等效為PNP和NPN晶體管各一個(gè)），控制MCT導(dǎo)通的MOSFET（on-FET）和控制MCT關(guān)斷的MOSFET（off-FET）各一個(gè)。當(dāng)給柵極加正脈沖電壓時(shí)，N溝道的on-FET導(dǎo)通，其漏極電流即為PNP晶體管提供了基極電流使其導(dǎo)通，PNP晶體管的集電極電流又為NPN晶體管提供了基極電流而使其導(dǎo)通，而N

29、PN晶體管的集電極電流又反過(guò)來(lái)成為PNP晶體管的基極電流，這種正反饋使1+21，MCT導(dǎo)通。當(dāng)給柵極加負(fù)電壓脈沖時(shí)，P溝道的off-FET導(dǎo)通，使PNP晶體管的集電極電流大部分經(jīng)off-FET流向陰極而不注入NPN晶體管的基極，因此，NPN晶體管的集電極電流(即PNP晶體管的基極電流)減小，這又使得NPN晶體管的基極電流減小，這種正反饋使1+21,MCT關(guān)斷。MCT阻斷電壓高，通態(tài)壓降小，驅(qū)動(dòng)功率低，開關(guān)速度快。雖然MCT目前的容量水平僅為1000V/100A，其通態(tài)壓降只有IGBT或GTR的1/3左右，但其硅片的單位面積連續(xù)電流密度在各種器件中是最高的。另外，MCT可承受極高的di/dt和d

30、u/dt，這使得保護(hù)電路可以簡(jiǎn)化。MCT的開關(guān)速度超過(guò)GTR，開關(guān)損耗也小?？傊?，MCT被認(rèn)為是一種最有發(fā)展前途的電力電子器件。3.靜電感應(yīng)晶體管（SIT）SIT（StaticInductionTransistor）實(shí)際上是一種結(jié)型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其電壓、電流容量都比MOSFET大，適用于高頻,大功率的場(chǎng)合。當(dāng)柵極不加任何信號(hào)時(shí)，SIT是導(dǎo)通的;柵極加負(fù)偏壓時(shí)關(guān)斷。這種類型的SIT稱為正常導(dǎo)通型，使用不太方便。另外，SIT通態(tài)壓降大，因此通態(tài)損耗也大。4.靜電感應(yīng)晶閘管（SITH）SITH（StaticInductionThyristor）是在SIT的漏極層上附加一層和漏極層導(dǎo)電類型不同的發(fā)

31、射極層而得到的。 6.3.2變流技術(shù)包括晶閘管在內(nèi)的電力電子器件是變流技術(shù)的核心。近年來(lái)，隨著電力電子器件的發(fā)展，變流技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，特別是在交流調(diào)速應(yīng)用方面獲得了極大的成就。變流技術(shù)按其功能應(yīng)用可分成下列幾種變流器類型：整流器把交流電變?yōu)楣潭ǖ模ɑ蚩烧{(diào)的）直流電。 逆變器把固定直流電變成固定的（或可調(diào)的）交流電。斬波器把固定的直流電壓變成可調(diào)的直流電壓。交流調(diào)壓器把固定的交流電壓變成可調(diào)的交流電壓。周波變流器把固定的交流電壓和頻率變成可調(diào)的交流電壓和頻率。 1.整流器整流過(guò)程是將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)的過(guò)程，一般可通過(guò)二極管或開關(guān)器件組成的橋式電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖6-31所示為單相交流信

32、號(hào)可控硅橋式整流電路。 圖6-31單相交流可控硅橋式整流電路(a）整流電路；(b）波形圖圖6-31(a)中的開關(guān)器件V是可控硅（或GTR等），具有正向觸發(fā)控制導(dǎo)通和反向自關(guān)斷功能。 ug是控制引腳，按圖6-31(b)中的波形輸入控制信號(hào)，圖6-31(b)中的ud就是加載在電阻負(fù)載R上的整流電壓波形。通過(guò)調(diào)整控制信號(hào)的相位角就可以實(shí)現(xiàn)輸出直流電壓的調(diào)節(jié)。若將開關(guān)器件V換成二極管，則該電路變成了不可調(diào)壓的整流電路。 2. 斬波器圖6-32所示為脈寬調(diào)速原理示意圖。圖6-3中的二極管是續(xù)流二極管，當(dāng)S斷開時(shí)，由于電樞電感的存在，電動(dòng)機(jī)的電樞電流可通過(guò)它形成續(xù)流回路。圖6-33是直流伺服電機(jī)PWM調(diào)速

33、和實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)控制的應(yīng)用舉例，圖6-34是雙極式H型可逆器的電壓、電流波形。圖6-33所示電路由四個(gè)大功率晶體管組成，其作用是對(duì)電壓脈寬變換器輸出的信號(hào)Us進(jìn)行放大，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)。 如圖6-32(b)所示。電樞兩端的平均電壓為 （6-17） 式中, =/T=Ud/U (00時(shí)，Us的正脈寬大于負(fù)脈寬，直流分量大于零，V1和V4的導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)于V2和V3的導(dǎo)通時(shí)間，流過(guò)繞組中的電流平均值大于零，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，且隨著U1增加，轉(zhuǎn)速增加。（3）當(dāng)UABuc時(shí)，給上橋臂晶體管V1以導(dǎo)通信號(hào)，給下橋臂晶體管V4以關(guān)斷信號(hào)，則U相相對(duì)于直流電源假想中點(diǎn)N的輸出電壓uUN=Ud/2。當(dāng)urUuc時(shí)，給V4以導(dǎo)通信號(hào)，給V1以關(guān)斷信號(hào)，則uUN=Ud2。 V1和V4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)始終是互補(bǔ)的。當(dāng)給V1 （ V4 ）加導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，可能是V1（ V4 ）導(dǎo)通，也可能二極管VD1（V