伺服控制系統(tǒng)課件

第6章

伺服控制系統(tǒng)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)6.4PWM型變頻電路思考題第6章

伺服控制系統(tǒng)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。第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-1

伺服系統(tǒng)組成原理框圖第6章

伺服控制系統(tǒng)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。第6章

伺服控制系統(tǒng)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。第6章

伺服控制系統(tǒng)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。第6章

伺服控制系統(tǒng)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。第6章

伺服控制系統(tǒng)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。第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-2

執(zhí)行元件的種類第6章

伺服控制系統(tǒng)(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。第6章

伺服控制系統(tǒng)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。第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-3

直流伺服電動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)第6章

伺服控制系統(tǒng)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。第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-4

電樞等效電路第6章

伺服控制系統(tǒng)當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，回路中的電流I

保持不a變，則電樞回路中的電壓平衡方程式為E

=U

-I

R(6-1)aa

a

a式中，E

是電樞反電動(dòng)勢(shì)；

U

是電樞電壓；I

是電aaa樞電流；R

是電樞電阻。a轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)中以角速度ω切割磁力線時(shí)，電樞反電動(dòng)勢(shì)E

與角速度ω之間存在如下關(guān)系：aE

=C

Φω

(6-2)ae式中，C

是電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，僅與電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)；Φe是定子磁場(chǎng)中每極的氣隙磁通量。第6章

伺服控制系統(tǒng)由式（6-1）、式（6-2）得U

-I

R

=C

Φ（6-3）a

a

ae

ω此外，電樞電流切割磁場(chǎng)磁力線所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩T

可m由下式表達(dá):T

=C

ΦImman則

T

=C

ΦImm(6-4)式中，C

是轉(zhuǎn)矩常數(shù)，僅與電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)。m第6章

伺服控制系統(tǒng)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(6-5)由此可以得出空載（

T

＝0，轉(zhuǎn)子慣量忽略不計(jì)）m和電機(jī)啟動(dòng)（ω＝0）時(shí)的電機(jī)特性:（1）當(dāng)T

＝0時(shí)，有m(6-6)第6章

伺服控制系統(tǒng)（2）當(dāng)ω＝0時(shí)，有(6-7)式中，T

稱為啟動(dòng)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩，其值也與電樞電壓成d正比。如果把角速度ω看作是電磁轉(zhuǎn)矩T

的函數(shù)，即mω=f(T

)，則可得到直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式m為(6-8)式中,ω

是常數(shù)，。0第6章

伺服控制系統(tǒng)如果把角速度ω看作是電樞電壓U

的函數(shù)，即ω=f(U

)，aa則可得到直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性表達(dá)式(6-9)式中,k是常數(shù)，。根據(jù)式(6-8)和式(6-9)，給定不同的U

值和T

值，可分am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。第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-5

直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-6

直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性第6章

伺服控制系統(tǒng)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ω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線簇。每條調(diào)節(jié)特性和一種電磁轉(zhuǎn)矩相對(duì)應(yīng)，與U

軸的交點(diǎn)是啟動(dòng)時(shí)的電樞電壓。a從圖中還可看出，調(diào)節(jié)特性的斜率為正，說明在一定的負(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。第6章

伺服控制系統(tǒng)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R

，加在電樞繞組兩端的控制電壓是U

，ic則可畫出如圖6-7所示的電樞等效回路。在這個(gè)電樞等效回路中，電壓平衡方程式為E

=U

-I

(R

+R

)(6-10)ac

aai第6章

伺服控制系統(tǒng)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R

的存在而使機(jī)械特性曲線變陡了，圖6-8給出了i驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻影響下的機(jī)械特性。第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-7

含驅(qū)動(dòng)電路的電樞等效回路第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-8

驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻對(duì)機(jī)械特性的影響第6章

伺服控制系統(tǒng)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)；機(jī)械特性越軟，負(fù)載能力越低。毫無疑問，對(duì)直流伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)用來說，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。第6章

伺服控制系統(tǒng)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T

=0），m1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U

表b示，如圖6-9所示。第6章

伺服控制系統(tǒng)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)載轉(zhuǎn)矩T

不變的條件下，直流伺L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。可見，由于負(fù)載變動(dòng)的影響，當(dāng)電樞電壓U

增加時(shí)，直流伺服電動(dòng)機(jī)角a速度ω的變化率越來越小，這一點(diǎn)在變負(fù)載控制時(shí)應(yīng)格外注意。第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-9

摩擦及負(fù)載變動(dòng)對(duì)調(diào)節(jié)特性的影響第6章

伺服控制系統(tǒng)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。第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-10

閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-11

半閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖第6章

伺服控制系統(tǒng)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)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)。第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-12

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)原理圖第6章

伺服控制系統(tǒng)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°，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U→V→W→U→V→W→U…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U→W→V→U→W→V→U…則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。第6章

伺服控制系統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組每次通斷電使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過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)的工作原理與上同，只是步距角是小齒距夾角的1/3。第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-13

三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)第6章

伺服控制系統(tǒng)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。第6章

伺服控制系統(tǒng)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。第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-14

不同通電方式時(shí)的矩頻特性第6章

伺服控制系統(tǒng)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)，k＝1；當(dāng)采用單雙相輪流通電方式時(shí)，k＝2。可見，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。第6章

伺服控制系統(tǒng)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。第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-15

啟動(dòng)矩頻特性第6章

伺服控制系統(tǒng)（4）運(yùn)行矩頻特性。圖6-16是90BF002型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線。第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-16

運(yùn)行矩頻特性第6章

伺服控制系統(tǒng)（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。第6章

伺服控制系統(tǒng)圖

6-17

開環(huán)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)框圖第6章

伺服控制系統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在一個(gè)脈沖的作用下，

轉(zhuǎn)過一個(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)過的相應(yīng)的角度。

但步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各繞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。第6章

伺服控制系統(tǒng)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。第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-18

環(huán)形分配器CH250引腳圖(a)

引腳功能；

(b)

三相六拍線路圖第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-18

環(huán)形分配器CH250引腳圖(a)

引腳功能；

(b)

三相六拍線路圖第6章

伺服控制系統(tǒng)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6-19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）。第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-19

單民源驅(qū)動(dòng)電路第6章

伺服控制系統(tǒng)(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。第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-20

高、低壓驅(qū)動(dòng)電路第6章

伺服控制系統(tǒng)(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。第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-21

斬波限流驅(qū)動(dòng)電路波形圖第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-22

斬波限流驅(qū)動(dòng)電路第6章

伺服控制系統(tǒng)6.2.4

交流伺服電動(dòng)機(jī)1.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,f

為定子供電頻率;

p為定子線圈的磁極對(duì)數(shù);

n

為11定子轉(zhuǎn)速磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速。第6章

伺服控制系統(tǒng)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。第6章

伺服控制系統(tǒng)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,f

為定子供電頻率；p為定子線圈的磁極對(duì)1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E

為1E

=4.44f

N

Φ(6-16)11

1

m第6章

伺服控制系統(tǒng)式中,

Φ

為每極氣隙磁通；N

為定子相繞組的有效m1匝數(shù)。由上式可見，Φ

的值是由E

和f

共同決定的，對(duì)Em111和f

進(jìn)1行適當(dāng)?shù)目刂?，就可以使氣隙磁通?/p>

保持額定值m不變。下面分兩種情況說明。（1）基頻以下的恒磁通變頻調(diào)速。圖6-23中，曲線a為U

/E

＝常數(shù)時(shí)的電壓頻率關(guān)系1

1曲線，曲線b為有電壓補(bǔ)償時(shí)近似的（E

/f

＝常數(shù)）電1

1壓頻率關(guān)系曲線。第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-23

恒壓頻比控制特性第6章

伺服控制系統(tǒng)(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。第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-24

異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制特性第6章

伺服控制系統(tǒng)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。１）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。第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-25

開環(huán)異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速第6章

伺服控制系統(tǒng)2）無速度傳感器的矢量控制無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。第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-26

矢量控制變頻器的異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速第6章

伺服控制系統(tǒng)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。第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-27

異步電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制變頻調(diào)速第6章

伺服控制系統(tǒng)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。第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-28

永磁同步電動(dòng)機(jī)開環(huán)控制變頻調(diào)速第6章

伺服控制系統(tǒng)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?？申P(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。第6章

伺服控制系統(tǒng)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開關(guān)頻率的應(yīng)用范圍。第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-29

電力電子器件的控制容量和開關(guān)頻率的應(yīng)用范圍第6章

伺服控制系統(tǒng)1.絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）是在GTR和MOSFET之間取其長、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。第6章

伺服控制系統(tǒng)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)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3～4V，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。第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-30IGBT的簡(jiǎn)化等效電路圖(a)結(jié)構(gòu)；(b)等效電路；(c)電氣符號(hào)第6章

伺服控制系統(tǒng)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NPN晶體管的集電極電流又反過來成為PNP晶體管的基極電流，這種正反饋使α

+α

>1，12MCT導(dǎo)通。第6章

伺服控制系統(tǒng)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α

+α

<1,MCT關(guān)斷。12MCT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du/dt，這使得保護(hù)電路可以簡(jiǎn)化。MCT的開關(guān)速度超過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。第6章

伺服控制系統(tǒng)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)射極層而得到的。第6章

伺服控制系統(tǒng)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，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。第6章

伺服控制系統(tǒng)1.整流器整流過程是將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)的過程，一般可通過二極管或開關(guān)器件組成的橋式電路來實(shí)現(xiàn)。圖6-31所示為單相交流信號(hào)可控硅橋式整流電路。第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-31單相交流可控硅橋式整流電路(a）整流電路；(b）波形圖第6章

伺服控制系統(tǒng)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。u

是控制引腳，按圖6-31(b)中的波形輸入控制信g號(hào)，圖6-31(b)中的u

就是加載在電阻負(fù)載R上的整流電d壓波形。通過調(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。第6章

伺服控制系統(tǒng)2.

斬波器圖6-32所示為脈寬調(diào)速原理示意圖。圖6-3２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)的電樞電流可通過它形成續(xù)流回路。圖6-33是直流伺服電機(jī)PWM調(diào)速和實(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)U

進(jìn)行放大，s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)。第6章

伺服控制系統(tǒng)如圖6-32(b)所示。電樞兩端的平均電壓為（6-17）式中,

ρ=τ/T=U

/U(0<ρ<1),ρ為導(dǎo)通率（或稱占空d比）。第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-32脈寬調(diào)速原理示意圖(a）原理圖；(b）加載在電機(jī)電樞上的電壓波形第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-33

H型橋式PWM晶體管功率放大器第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-34

雙極式H型可逆器的電壓、電流波形的電路原理圖第6章

伺服控制系統(tǒng)（1）當(dāng)U

＝0時(shí)，U

的正、負(fù)脈寬相等，直流分量為ABs零，V

和V

的導(dǎo)通時(shí)間與V

和V

的導(dǎo)通時(shí)間相等，流過電1423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)在停止位置處微振，這種微振有動(dòng)力潤滑作用，可消除電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的靜摩擦，減小啟動(dòng)電壓。（2）當(dāng)U

>0時(shí)，U

的正脈寬大于負(fù)脈寬，直流分量ABs大于零，V

和V

的導(dǎo)通時(shí)間長于V

和V

的導(dǎo)通時(shí)間，流過1423繞組中的電流平均值大于零，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，且隨著U

增加，1轉(zhuǎn)速增加。（3）當(dāng)U

<0時(shí)，U

的直流分量小于零，電樞繞組中ABs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U1減小而增加。第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-35

考慮開通延時(shí)的基極脈沖電壓信號(hào)第6章

伺服控制系統(tǒng)（4）當(dāng)V

和V

或V

和V

始終導(dǎo)通時(shí)，電動(dòng)機(jī)在最1423高轉(zhuǎn)速下正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。該電路中，跨接在電源兩端的上、下兩個(gè)晶體管需要交替導(dǎo)通和截止。由于晶體管的關(guān)斷過程需要一段時(shí)間t

，在這段時(shí)間內(nèi)晶體管并未完全關(guān)斷，如果off在此期間另一個(gè)晶體管已經(jīng)導(dǎo)通，則將造成上、下兩管直通，從而使電源正,負(fù)極短路。為了避免發(fā)生這種情況，需要設(shè)置邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)，并保證在對(duì)一個(gè)管子發(fā)出關(guān)閉脈沖后（如圖6-35中的U

），延時(shí)t后再idb1發(fā)出對(duì)另一個(gè)管子的開通脈沖（如U）b。2第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-36(a)所示是電力晶體管的基極驅(qū)動(dòng)電路及波形，電力晶體管V（如GTR等）的基極需要有一定功率的驅(qū)動(dòng)電路控制，驅(qū)動(dòng)電路的任務(wù)是將控制電路的輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大，使之具有足夠的功率去驅(qū)動(dòng)GTR。理想的基極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)滿足開通時(shí)過驅(qū)動(dòng),正常導(dǎo)通時(shí)淺飽和,關(guān)斷時(shí)要反偏。圖6-36(b)所示就是GTR的一種驅(qū)動(dòng)電路和輸入,輸出波形。第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-36

電力晶體管GTR的基極驅(qū)動(dòng)電路及波形第6章

伺服控制系統(tǒng)3.逆變器1）半橋逆變電路半橋逆變電路原理如圖6-37(a)所示，它有兩個(gè)導(dǎo)電臂，每個(gè)導(dǎo)電臂由一個(gè)可控元件和一個(gè)反并聯(lián)二極管組成。在直流側(cè)接有兩個(gè)相互串聯(lián)的足夠大的電容，使得兩個(gè)電容的連結(jié)點(diǎn)為直流電源的中點(diǎn)。第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-37

半橋逆變電路及其波形圖第6章

伺服控制系統(tǒng)2）負(fù)載換相全橋逆變電路圖6-38(a)是全橋逆變電路應(yīng)用的實(shí)例。電路的工作波形如圖6-38(b)所示。第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-38

負(fù)載換相全橋逆變電路及波形第6章

伺服控制系統(tǒng)6.4PWM型變頻電路圖6-39所示即為交—直—交變頻電路。逆變電路采用6.3節(jié)介紹的方法,具有以下缺點(diǎn)：(1)輸出電壓為矩形波，其中含有較多的諧波，對(duì)負(fù)載有不利影響。(2)用相控方式來改變中間直流環(huán)節(jié)的電壓，使得輸入功率因數(shù)降低。(3)整流電路和逆變電路兩級(jí)均采用可控的功率環(huán)節(jié)，較為復(fù)雜，也提高了成本。(4)中間直流環(huán)節(jié)有大電容存在，因此調(diào)節(jié)電壓時(shí)慣性較大，響應(yīng)緩慢。第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-39中的可控整流電路在這里由不可控整流電路代替，逆變電路常采用自關(guān)斷器件。這種PWM逆變電路主要具有以下特點(diǎn)：(1)可以得到相當(dāng)接近正弦波的輸出電壓。(2)整流電路采用二極管，可獲得接近1的功率因數(shù)。(3)

只用一級(jí)可控的功率環(huán)節(jié)，電路結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。(4)通過對(duì)輸出脈沖寬度的控制就可改變輸出電壓，大大加快了變頻器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-39

交—直—交變頻電路結(jié)構(gòu)圖第6章

伺服控制系統(tǒng)6.4.1

SPWM波形原理在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，

其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。下面來分析一下如何用一系列等幅而不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦電波。把圖6-40(a)所示的正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N個(gè)彼此相連的脈沖所組成的波形。第6章

伺服控制系統(tǒng)這些脈沖寬度相等，都等于π／N，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積（沖量）相等，就得到圖6-40(b)所示的脈沖序列，這就是PWM波形。第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-40正弦波PWM原理示意圖(a)正弦半波；(b)PWM波形第6章

伺服控制系統(tǒng)6.4.2

單相SPWM控制原理圖6-41是采用電力晶體管作為開關(guān)器件的電壓型單相橋式逆變電路

。控制V

或V

通斷的方法如圖6-42所示。43第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-41

單相橋式PWM逆變電路第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-42

單極性PWM控制方式原理第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-41所示的單相橋式逆變電路采用雙極性控制方式時(shí)的波形如圖6-43所示。第6章

伺服控制系統(tǒng)圖6-43

雙極性PWM控制方式原理第6章

伺服控制系統(tǒng)6.4.3

三相SPWM控制原理在PWM型逆變電路中，使用最多的是圖6-44(a)所示的三相橋式逆變電路，其控制方式一般都采用雙極性方式。U、V和W三相的PWM控制通常公用一個(gè)三角波載波u

，三相調(diào)制信號(hào)u

、u和u

的相位依次crUrVrW相差120°。U、V和W各相功率開關(guān)器件的控制規(guī)律相同，現(xiàn)以U相為例來說明。當(dāng)u

>u

時(shí)，給上橋臂晶體rUc管V1以導(dǎo)通信號(hào)，給下橋臂晶體管V

以關(guān)斷信號(hào)，4