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16.1概述

伺服控制系統(tǒng)是一種能夠跟蹤輸入的指令信號進(jìn)行動作，從而獲得精確的位置、速度及動力輸出的自動控制系統(tǒng)。如防空雷達(dá)控制就是一個典型的伺服控制過程，它是以空中的目標(biāo)為輸入指令要求，雷達(dá)天線要一直跟蹤目標(biāo)，為地面炮臺提供目標(biāo)方位；加工中心的機(jī)械制造過程也是伺服控制過程，位移傳感器不斷地將刀具進(jìn)給的位移傳送給計算機(jī)，通過與加工位置目標(biāo)比較，計算機(jī)輸出繼續(xù)加工或停止加工的控制信號。絕大部分機(jī)電一體化系統(tǒng)都具有伺服功能，機(jī)電一體化系統(tǒng)中的伺服控制是為執(zhí)行機(jī)構(gòu)按設(shè)計要求實現(xiàn)運動而提供控制和動力的重要環(huán)節(jié)。21.伺服控制系統(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，但從自動控制理論的角度來分析，伺服控制系統(tǒng)一般包括：比較環(huán)節(jié)、控制器、執(zhí)行環(huán)節(jié)、被控對象、檢測環(huán)節(jié)等五部分圖1伺服系統(tǒng)組成原理框圖3

1、比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進(jìn)行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號的環(huán)節(jié)，通常由專門的電路或計算機(jī)來實現(xiàn)。2、控制器通常是計算機(jī)或PID控制電路，主要任務(wù)是對比較元件輸出的偏差信號進(jìn)行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動作。3、執(zhí)行元件作用是按控制信號的要求，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，驅(qū)動被控對象工作。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、氣動伺服機(jī)構(gòu)等。4

4、被控對象是指被控制的機(jī)構(gòu)或裝置，是直接完成系統(tǒng)目的的主體。一般包括傳動系統(tǒng)、執(zhí)行裝置和負(fù)載。5、檢測環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M(jìn)行測量，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。在實際的伺服控制系統(tǒng)中，上述的每個環(huán)節(jié)在硬件特征上并不獨立，可能幾個環(huán)節(jié)在一個硬件中，如測速直流電機(jī)既是執(zhí)行元件又是檢測元件。52.伺服控制系統(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：

位移、速度、加速度、力、力矩等伺服系統(tǒng)；

(2)按驅(qū)動元件的類型分類。

電氣、液壓、氣動等伺服系統(tǒng)。

(3)按控制原理分類。開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)等伺服系統(tǒng)。

6開環(huán)伺服系統(tǒng)

開環(huán)伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動元件，它沒有位置反饋回路和速度反饋回路，因此設(shè)備投資低，調(diào)試維修方便，但精度差，高速扭矩小，被用于中、低檔數(shù)控機(jī)床及普通機(jī)床改造。

工作臺驅(qū)動控制線路步進(jìn)電機(jī)齒輪箱指令脈沖開環(huán)伺服系統(tǒng)簡圖7位置控制模塊速度控制單元伺服控制電機(jī)

工作臺

位置檢測測量反饋

速度環(huán)速度檢測位置環(huán)閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)能及時對輸出進(jìn)行檢測，并根據(jù)輸出與輸入的偏差，實時調(diào)整執(zhí)行過程，因此系統(tǒng)精度高，但成本也大幅提高。

8位置比較速度控制

工作臺伺服電機(jī)指令

+

—速度反饋位置反饋半閉環(huán)伺服系統(tǒng)半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)的檢測反饋環(huán)節(jié)位于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的中間輸出上，因此一定程度上提高了系統(tǒng)的性能。93.伺服系統(tǒng)的技術(shù)要求（1）穩(wěn)定性

穩(wěn)定——輸出響應(yīng)的振幅隨時間的增加而衰減;

不穩(wěn)定——其輸出響應(yīng)振幅隨時間的增加而增加,或表現(xiàn)為等幅振。

取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及參數(shù)(如慣性、剛度、阻尼、增益等),與外界作用信號的性質(zhì)或形式無關(guān)。（2）系統(tǒng)精度

伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量跟輸入量的近似程度。（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。（4）工作頻率——工作頻率通常是指系統(tǒng)允許輸入信號的頻率頻范圍。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，工作頻率一般指的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運行速度。

相互關(guān)聯(lián)的，是系統(tǒng)動態(tài)特性的表現(xiàn)特征。系統(tǒng)設(shè)計時，在滿足系統(tǒng)工作要求的前提下，首先要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度，并盡量提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

106.2執(zhí)行元件一、執(zhí)行元件的分類及其特點執(zhí)行元件——能量變換元件，其目的是控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動。

1.分類（根據(jù)使用能量的不同）

（1）電氣式（電能轉(zhuǎn)化成電磁力，并用電磁力驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動）：步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)（2）液壓式（電能變化成液體壓力）：液壓缸、液壓馬達(dá)等，（3）氣壓式（電能變化成氣體壓力）：氣缸、氣馬達(dá)等，較難伺服控制。2.要求（機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)

）慣性小，動力大；體積小，質(zhì)量輕；好控制，成本低；可靠性好和安裝維護(hù)簡便等。11執(zhí)行元件的分類根據(jù)使用能量的不同電氣式12二、直流伺服電動機(jī)直流伺服電機(jī)具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動轉(zhuǎn)矩和相對功率，易于控制及響應(yīng)快等優(yōu)點。盡管其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，在機(jī)電一體化控制系統(tǒng)中還是具有較廣泛的應(yīng)用。

1.直流伺服電動機(jī)的分類 按勵磁方式可分為：電磁式（他勵式）：磁場由勵磁繞組產(chǎn)生。

永磁式：磁場由永磁體產(chǎn)生

2.直流伺服電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理 直流伺服電動機(jī)主要由磁極、電樞、電刷及換向片組成。13直流伺服電動機(jī)基本結(jié)構(gòu)定子轉(zhuǎn)子電樞電源

硅鋼片疊成

●通過控制電樞繞組中電流的方向和大小，就可以控制直流伺服電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和速度。●當(dāng)電樞繞組中電流為零時，伺服電動機(jī)則靜止不動。●直流伺服電動機(jī)是在定子磁場的作用下，使通有直流電的電樞（轉(zhuǎn)子）受到電磁轉(zhuǎn)矩的驅(qū)使，帶動負(fù)載旋轉(zhuǎn)。14式中:U——外加電樞電壓（V）；Ea——電樞反電動勢（V）；

Ia

——電樞電流（A）；Ra——電樞回路內(nèi)阻（Ω）電樞回路勵磁回路直流他勵電動機(jī)的原理電路圖

（6-1）3、直流伺服電動機(jī)的特性分析當(dāng)電動機(jī)處于穩(wěn)態(tài)運行時，電樞回路中的電流Ia保持不變，則電樞回路中的電壓平衡方程式為：15∵轉(zhuǎn)子在磁場中以轉(zhuǎn)速n切割磁力線時，電樞反電動勢Ea與轉(zhuǎn)速n之間存在如下關(guān)系：式中，Ke——電動勢常數(shù)，僅與電動機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)；

φ——定子磁場中每極氣隙磁通量。將（6-2）代入（6-1）得：此外，電樞電流切割磁場磁力線所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩T，可由下式表達(dá)（Km轉(zhuǎn)矩常數(shù)）：∴即：

……轉(zhuǎn)速特性

……機(jī)械特性（6-2）（6-4）（6-3）（6-5）16直流伺服電動機(jī)的調(diào)速方法直流伺服電動機(jī)的控制方式主要有兩種：

●電樞電壓控制：在定子磁場不變，控制施加在電樞繞組兩端的電壓來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速（恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式

）。Ia可達(dá)額定值，●勵磁磁場控制：通過改變勵磁電流的大小來改變定子磁場強(qiáng)度，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩（恒功率調(diào)速方式

）。電機(jī)額定值條件工作，φ飽和，只能弱磁調(diào)速，Ia不能超過額定值（保持不變），恒定173.直流他勵電動機(jī)的機(jī)械特性

電動機(jī)的機(jī)械特性指的是轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。機(jī)械特性曲線181.理想空載轉(zhuǎn)速：

T=0時的轉(zhuǎn)速稱為理想空載轉(zhuǎn)速，用n0表示。根據(jù)機(jī)械特性可知：2.轉(zhuǎn)速降落3.機(jī)械特性硬度為了衡量機(jī)械特性的平直程度，引進(jìn)一個機(jī)械特性硬度的概念，其定義為：理想空載點19即轉(zhuǎn)矩變化與所引起的轉(zhuǎn)速變化的比值，稱為機(jī)械特性的硬度。

根據(jù)

值的不同，可將電動機(jī)機(jī)械特性分為三類。（1）絕對硬特性

（水平線）（2）硬特性

>10（3）軟特性

<10

20二、固有機(jī)械特性直流他勵電動機(jī)的固有機(jī)械特性指的是在額定條件（額定電壓UN和額定磁通

N

)下和電樞電路內(nèi)不外接任何電阻時的

n=f(T)即:是一條直線。直流他勵電動機(jī)固有機(jī)械特性曲線可根據(jù)電動機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)求出(0,n0)和(TN,nN)即可繪出固有的機(jī)械特性。通常直流電動機(jī)銘牌上給出額定功率PN

、額定電壓UN

、額定電流IN和額定轉(zhuǎn)速nN。21二、人為機(jī)械特性——人為地改變電動機(jī)電樞外加電壓U和勵磁磁通Φ的大小以及電樞回路串接附加電阻Rad所得到的機(jī)械特性。1.

電樞回路串接附加電阻電壓平衡方程式為：得到的人為機(jī)械特性方程式為：22

特性變軟空載速度不變；隨著電阻的增加，轉(zhuǎn)速降落增加；23由于電動機(jī)電樞繞組絕緣耐壓強(qiáng)度的限制，電樞電壓只允許在其額定值以下調(diào)節(jié)，所以，不同值的人為特性曲線均在固有特性曲線之下?？蛰d速度隨著U的減小而減??；轉(zhuǎn)速降落不變；

特性硬度不變2.改變電樞電壓（變電樞電壓，恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速）243．改變磁通φ（變勵磁電流，恒功率調(diào)速）轉(zhuǎn)速降隨磁通的改變而變化。理想空載轉(zhuǎn)速隨磁通的改變而變化；特性變軟斜率增大空載轉(zhuǎn)速增大25由于勵磁線圈發(fā)熱和電動機(jī)磁飽和的限制，電動機(jī)的勵磁電流和它對應(yīng)的磁通只能在低于其額定值的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；當(dāng)磁通過分削弱后：（1）如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，將使電動機(jī)電流大大增加而嚴(yán)重過載；（2）當(dāng)＝0時，從理論上說，空載時電動機(jī)速度趨近

，通常稱為“飛車”；

當(dāng)電動機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于電磁轉(zhuǎn)矩時，電動機(jī)不能啟動，電樞電流為Ist

，長時間的大電流會燒壞電樞繞組。

因此，直流他勵電動機(jī)啟動前必須先加勵磁電流，在運轉(zhuǎn)過程中，決不允許勵磁電路斷開或勵磁電流為零，為此，直流他勵電動機(jī)在使用中，一般都設(shè)有“失磁”保護(hù)。264.直流他勵電動機(jī)的調(diào)速特性

（一）速度調(diào)節(jié)和速度變化

調(diào)速（又稱速度調(diào)節(jié)）與速度變化是兩個完全不同的概念電動機(jī)的調(diào)速是在一定的負(fù)載條件下，人為地改變電動機(jī)的電路參數(shù)，以改變電動機(jī)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，如圖所示。這里轉(zhuǎn)速的變化是人為改變（或調(diào)節(jié)）電樞回路的電阻大小所造成的，故稱調(diào)速或速度調(diào)節(jié)。改變電樞回路電阻27速度變化是指由于電動機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化（增大與減?。┗蚱渌豢深A(yù)見因數(shù)引起電動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化（下降或上升），如圖所示?？傊?，速度變化是在某條機(jī)械特性上，由于負(fù)載改變而引起的；而速度調(diào)節(jié)則是在某一特定的負(fù)載下，靠人為改變機(jī)械特性而得到的。28

(二)調(diào)速方法下面僅就他勵直流電動機(jī)的調(diào)速方法作一般性的介紹。從直流他勵電動機(jī)機(jī)械特性方程式：

可知：改變串入電樞回路的電阻Rad

；改變電樞供電電壓U或主磁通

，都可以得到不同的人為機(jī)械特性，從而在負(fù)載不變時可以改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到速度調(diào)節(jié)的要求，故直流電動機(jī)調(diào)速的方法有以下三種。

291、改變電樞電路串接電阻

直流電動機(jī)電樞回路串接電阻后，可以得到如圖所示的一簇機(jī)械特性。

從特性曲線可看出，在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL下，串入不同的電阻可以得到不同的轉(zhuǎn)速。如在電阻分別為Ra、R1、R2、R3、的情況下，可以分別得到穩(wěn)定工作點A、C、D和E，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為nA、nB、nC、nD。30改變電樞回路串接電阻的大小調(diào)速存在如下問題：

?機(jī)械特性較軟，電阻愈大則特性愈軟，穩(wěn)定度愈低；?在空載或輕載時，電樞電流較小，調(diào)速范圍不大；?實現(xiàn)無級調(diào)速困難；

?在調(diào)速電阻上消耗大量電能等。

正因為缺點不少，目前已很少采用，僅在有些起重機(jī)、卷揚機(jī)等低速運轉(zhuǎn)時間不長的傳動系統(tǒng)中采用。312．改變電動機(jī)電樞供電電壓U

如圖所示特性曲線為改變電樞供電電壓U調(diào)速的特性：

從特性曲線可看出，在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL下，電樞外加不同電壓可以得到不同的轉(zhuǎn)速。如在電壓分別為UN、U1、U2、U3的情況下，可以分別得到穩(wěn)定工作點a、b、c和d，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為na、nb、nc、nd。即改變電樞電壓可以達(dá)到調(diào)速的目的。32改變電樞外加電壓調(diào)速有如下特點：

1）當(dāng)電源電壓連續(xù)變化時，轉(zhuǎn)速可以平滑無級調(diào)節(jié)，一般只能在額定轉(zhuǎn)速以下調(diào)節(jié)；

2）調(diào)速特性與固有特性互相平行，機(jī)械特性硬度不變，調(diào)速的穩(wěn)定度較高，調(diào)速范圍較大；

3）調(diào)速時，因電樞電流與電壓U無關(guān)，且

=

N，轉(zhuǎn)矩T=Km

N

Ia不變。

調(diào)速過程中，電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不變的調(diào)速特性稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。具有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性的調(diào)速方法適合于對恒轉(zhuǎn)矩型負(fù)載進(jìn)行調(diào)速；

4）可以靠調(diào)節(jié)電樞電壓來啟動電機(jī)，而不用其他啟動設(shè)備。333．改變電動機(jī)主磁通

如圖所示曲線為改變電動機(jī)主磁通

調(diào)速的特性：從特性曲線可看出，在一定的負(fù)載功率PL下，不同的主磁通

N、

1、

2、，可以得到不同的轉(zhuǎn)速na、nb、nc。即改變主磁通

可以達(dá)到調(diào)速的目的。34改變電動機(jī)主磁通特點：

1）可以平滑無級調(diào)速，但只能弱磁調(diào)速，即在額定轉(zhuǎn)速以上調(diào)節(jié)；

2）調(diào)速特性較軟，且受電動機(jī)換向條件等的限制。

普通他勵電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速不得超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍，所以，調(diào)速范圍不大，若使用特殊制造的“調(diào)速電動機(jī)”，調(diào)速范圍可以增加，但這種調(diào)速電動機(jī)的體積和所消耗的材料都比普通電動機(jī)大得多；

3）調(diào)速時維持電樞電壓U和電樞電流Ia不變時，電動機(jī)的輸出功率P=UIa，電動機(jī)的輸出功率不變。在調(diào)速過程中，輸出功率不變的這種特性稱為恒功率調(diào)速，這種調(diào)速適合于對恒功率型負(fù)載進(jìn)行調(diào)速。35

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。它們都對系統(tǒng)輸出進(jìn)行實時檢測和反饋，并根據(jù)偏差對系統(tǒng)實施控制。兩者的區(qū)別僅在于傳感器檢測信號的位置不同。因此，設(shè)計、制造的難易程度不同,工作性能不同，但兩者的設(shè)計與分析方法基本上是一致的。4.直流伺服系統(tǒng)

36閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

對伺服系統(tǒng)的最后輸出結(jié)果進(jìn)行檢測和修正的伺服控制方法。37半閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

對伺服系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)（如電動機(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。38設(shè)計閉環(huán)伺服系統(tǒng)必須首先保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，然后在此基礎(chǔ)上采取各種措施滿足精度及快速響應(yīng)性等方面的要求。當(dāng)系統(tǒng)精度要求很高時，應(yīng)采用閉環(huán)控制方案。它將全部機(jī)械傳動及執(zhí)行機(jī)構(gòu)都封閉在反饋控制環(huán)內(nèi)，其誤差都可以通過控制系統(tǒng)得到補(bǔ)償，因而可達(dá)到很高的精度。但是閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計難度大，成本高，尤其是機(jī)械系統(tǒng)的動態(tài)性能難于提高，系統(tǒng)穩(wěn)定性難于保證。因而除非精度要求很高時，一般應(yīng)采用半閉環(huán)控制方案。39

影響伺服精度的主要因素是檢測環(huán)節(jié)，常用的檢測傳感器有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、編碼盤、光電脈沖編碼器、光柵尺、磁尺及測速發(fā)電機(jī)等。如被測量為直線位移，則應(yīng)選尺狀的直線位移傳感器，如光柵尺、磁尺、直線感應(yīng)同步器等。如被測量為角位移，則應(yīng)選圓形的角位移傳感器，如光電脈沖編碼器、圓感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器、碼盤等。一般來講，半閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)主要采用角位移傳感器，閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)主要采用直線位移傳感器。在位置伺服系統(tǒng)中，為了獲得良好的性能，往往還要對執(zhí)行元件的速度進(jìn)行反饋控制，因而還要選用速度傳感器。速度控制也常采用光電脈沖編碼器，既測量電動機(jī)的角位移，又通過計時而獲得速度。406.2.3步進(jìn)電動機(jī)41步進(jìn)電動機(jī)又稱電脈沖馬達(dá)，是通過脈沖數(shù)量決定轉(zhuǎn)角位移的一種伺服電動機(jī)。由于步進(jìn)電動機(jī)成本較低，易于采用計算機(jī)控制，因而被廣泛應(yīng)用于開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)中。步進(jìn)電動機(jī)比直流電動機(jī)或交流電動機(jī)組成的開環(huán)控制系統(tǒng)精度高，適用于精度要求不太高的機(jī)電一體化伺服傳動系統(tǒng)。目前，一般數(shù)控機(jī)械和普通機(jī)床的微機(jī)改造中大多數(shù)均采用開環(huán)步進(jìn)電動機(jī)控制系統(tǒng)。42一、功能、用途和分類

功能

將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速信號。轉(zhuǎn)角θ∝脈沖信號的個數(shù)；轉(zhuǎn)速n∝脈沖信號的頻率。用途

高精度的角度控制。如光驅(qū)、繪圖機(jī)、經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)。分類

按定子相數(shù)不同：三相、四相、五相、六相等；按轉(zhuǎn)子材料不同：永磁式、磁阻式（反應(yīng)式）和混合式。43二、基本結(jié)構(gòu)（三相磁阻式步進(jìn)電動機(jī)）(1)定子：有6個齒，纏有WA、WB、WC三相繞組，構(gòu)成三對磁極。

(2)轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子上則均勻分布著4個齒。

1423U1U2V1V2W2W1三相磁阻式步進(jìn)電動機(jī)原理圖44步進(jìn)電動機(jī)的典型結(jié)構(gòu)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。U2U1W2W1V1V2定子轉(zhuǎn)子（單定子、徑向分相、反應(yīng)式伺服步進(jìn)電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)）定子與轉(zhuǎn)子齒錯開1/3齒距角45三步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理1423U1U2V1V2W2W1圖6-12三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的工作原理步進(jìn)電動機(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)電動機(jī)的工作原理。如圖6-12所示：

定子上有6個齒，分別纏有U、V、W三相繞組，構(gòu)成三對磁極；

轉(zhuǎn)子上則均勻分布著4個齒。

步進(jìn)電動機(jī)采用直流電源供電。

當(dāng)U、V、W三相繞組輪流通電時，通過電磁力的吸引，步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)子一步一步地旋轉(zhuǎn)。46一拍：從一次通電到另一次通電。步距角：每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。單相通電方式：每一拍只有一相繞組通電。雙相通電方式：每一拍都有兩相繞組通電。單、雙相通電方式：步進(jìn)電動機(jī)通電循環(huán)的各拍中交替出現(xiàn)單、雙相通電狀態(tài)。

m相單m拍運行（三相單三拍運行U-V-W）m相雙m拍運行（三相雙三拍運行UV-VW-VW）m相單－雙2m拍運行（三相單－雙六拍運行

U-UV-V-VW-W-VW）

471423142314231423U1U2V1V2W2W1(1)m相單m拍運行（三相單三拍運行）通電順序：U相→V相→W相→U相。

①U相通電1423U1U2V1V2W2W11423②V相通電U1U2V1V2W2W1③W相通電14231423一步兩步三步※

步距角：θ=30°48(2)m相雙m拍運行（三相雙三拍運行）

通電順序：UV相→VW相→WU相。1423U1U2V1V2W2W1①UV相通電14231423U1U2V1V2W2W1②VW相通電14231423U1U2V1V2W2W1③WU相通電1423※

步距角：θ=30°1423142349(3)m相單－雙2m拍運行(三相單－雙六拍運行）通電順序：U→UV→V→VW→W→WU→U。1423U1U2V1V2W2W111423U1U2V1V2W2W121423U1U2V1V2W2W131423U1U2V1V2W2W141423U1U2V1V2W2W151423U1U2V1V2W2W161423※步距角：

θ=15°50 一般情況下，m相步進(jìn)電動機(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，步進(jìn)電動機(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)電動機(jī)在不同通電方式下工作時的矩頻特性曲線。顯然，采用單雙相輪流通電方式可使步進(jìn)電動機(jī)在各種工作頻率下都具有較大的負(fù)載能力。51圖6-14不同通電方式時的矩頻特性顯然，采用單雙相輪流通電方式可使步進(jìn)電動機(jī)在各種工作頻率下都具有較大的負(fù)載能力。

采用單相通電方式工作時，步進(jìn)電動機(jī)的矩頻特性較差，在通電換相過程中，轉(zhuǎn)子狀態(tài)不穩(wěn)定，容易失步，因而實際應(yīng)用中較少采用。輸出轉(zhuǎn)矩輸入脈沖頻率52

步距角P367

θ=360°zNz

：轉(zhuǎn)子齒數(shù)N：拍數(shù)

轉(zhuǎn)速一個θ

→轉(zhuǎn)(1/

zN)圈，

脈沖頻率為f

→每秒轉(zhuǎn)(f

/

zN)圈。n=60fzN例如：三相步進(jìn)電動機(jī)

z=40，則①采用單/雙三拍時：②采用三相六拍時：θ=360°zN

360°40×3==3°θ=360°zN

360°40×6==1.5°53

四.步進(jìn)電動機(jī)的使用特性

（1）步距誤差。步距誤差直接影響執(zhí)行部件的定位精度。（2）最大靜轉(zhuǎn)矩。是指步進(jìn)電動機(jī)在某相始終通電而處于靜止不動狀態(tài)時，所能承受的最大外加轉(zhuǎn)矩。它反映了制動能力和低速步進(jìn)運行時的負(fù)載能力。

（3）啟動矩頻特性。空載時步進(jìn)電動機(jī)由靜止突然啟動，并不失步地進(jìn)入穩(wěn)速運行所允許的最高頻率稱為最高啟動頻率。啟動頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩有關(guān)。54圖6-1590BF002型步進(jìn)電動機(jī)的啟動矩頻特性負(fù)載轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大，所允許的最大啟動頻率越小。當(dāng)伺服系統(tǒng)要求步進(jìn)電動機(jī)的運行頻率高于最大允許啟動頻率時，可先按較低的頻率啟動，然后按一定規(guī)律逐漸加速到運行頻率。允許的最大啟動頻率55圖6-16運行矩頻特性（4）運行矩頻特性。步進(jìn)電動機(jī)連續(xù)運行時所能接受的最高頻率稱為最高工作頻率，它與步距角一起決定執(zhí)行部件的最大運行速度。最高工作頻率決定于負(fù)載慣量J，還與定子相數(shù)、通電方式、控制電路的功率驅(qū)動器等因素有關(guān)。

輸出轉(zhuǎn)矩隨運行頻率的增加而減小，即高速時其負(fù)載能力變差。這是步進(jìn)電動機(jī)應(yīng)用范圍受限的主要原因之一。輸出轉(zhuǎn)矩運行頻率56 （5）最大相電壓和最大相電流。分別是指步進(jìn)電動機(jī)每相繞組所允許施加的最大電源電壓和流過的最大電流?！駥嶋H應(yīng)用的相電壓或相電流如果大于允許值，可能會導(dǎo)致步進(jìn)電動機(jī)繞組被擊穿或因過熱而燒毀；●如果比允許值小得太多，步進(jìn)電動機(jī)的性能又不能充分發(fā)揮出來。

●因而設(shè)計或選擇步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源時，應(yīng)充分考慮這兩個電氣參數(shù)。

57圖6-17開環(huán)步進(jìn)電動機(jī)控制系統(tǒng)框圖步進(jìn)電動機(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動方向，控制脈沖分配頻率可實現(xiàn)步進(jìn)電動機(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)動器、步進(jìn)電動機(jī)等組成。五.步進(jìn)電動機(jī)的控制與驅(qū)動58

1）環(huán)形分配

步進(jìn)電動機(jī)在一個脈沖的作用下，轉(zhuǎn)過一個相應(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)電動機(jī)轉(zhuǎn)過的相應(yīng)的角度。但步進(jìn)電動機(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。 實現(xiàn)環(huán)形分配的方法有兩種。

●

一種是計算機(jī)軟件分配●另一種是硬件環(huán)形分配59●計算機(jī)軟件分配計算機(jī)軟件分配，采用查表或計算的方法使計算機(jī)的三個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?！駜?yōu)點：能充分利用計算機(jī)軟件資源，減少硬件成本，尤其是多相電動機(jī)的脈沖分配更能顯示出這種分配方法的優(yōu)點?！駜?yōu)點：由于軟件運行會占用計算機(jī)的運行時間，因而會使插補(bǔ)運算的總時間增加，從而影響步進(jìn)電動機(jī)的運行速度。60

硬件環(huán)形分配是采用數(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?！裼布h(huán)形分配61圖6-18環(huán)形分配器CH250引腳圖引腳功能；

(b)三相六拍線路圖置“1”復(fù)位

CH250具有控制步進(jìn)電機(jī)三相雙三拍和三相單雙六拍的功能。

J3r、J3L三相雙三拍的控制端，●

J6r、J6L三相六拍的控制端，●

R*是雙三拍的復(fù)位端，●

R是六拍的復(fù)位端，●

CP(CL)端是時鐘脈沖輸入端，●

EN是時鐘脈沖允許端，CH250也允許以EN端作脈沖CP的輸入端?！?/p>

U、V、W

為環(huán)形分配器的三個輸出端，經(jīng)過脈沖放大器（功率放大器）后分別接到步進(jìn)電動機(jī)的三相線上。雙三拍控制六拍控制時鐘允許輸出端時鐘輸入62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632）功率驅(qū)動要使步進(jìn)電動機(jī)能輸出足夠的轉(zhuǎn)矩以驅(qū)動負(fù)載工作，必須為步進(jìn)電機(jī)提供足夠功率的控制信號，實現(xiàn)這一功能的電路稱為步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電路。驅(qū)動電路實際上是一個功率開關(guān)電路，其功能是將計算機(jī)或環(huán)形分配器的輸出信號進(jìn)行功率放大，得到步進(jìn)電機(jī)控制繞組所需要的脈沖電流及所需要的脈沖波形。步進(jìn)電機(jī)的工作特性在很大程度上取決于功率驅(qū)動器的性能，對每一相繞組來說，理想的功率驅(qū)動器應(yīng)使通過繞組的電流脈沖盡量接近矩形波。但由于步進(jìn)電動機(jī)繞組有很大的電感，要做到這一點是有困難的。64

常見的步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電路有三種：

●單電源驅(qū)動電路。

●雙電源驅(qū)動電路?！駭夭ㄏ蘖黩?qū)動電路。(1）單電源驅(qū)動電路。優(yōu)點：采用單一電源供電，結(jié)構(gòu)簡單，成本低；缺點：電流波形差，效率低，輸出力矩小；主要用于對速度要求不高的小型步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動。圖6-19所示為步進(jìn)電動機(jī)的一相繞組驅(qū)動電路（每相繞組的電路相同）。65當(dāng)環(huán)形分配器的脈沖輸出信號為低電平（邏輯0）時，雖然VT1、VT2管都導(dǎo)通，但只要適當(dāng)選擇Rl、R3、R5的阻值，使Ub3<0（約為-1V），那么VT3管就處于截止?fàn)顟B(tài)，該相繞組斷電。當(dāng)輸出信號為高電平3.6V（邏輯1）時。Ub3>0（約為0.7V），VT3管飽和導(dǎo)通，該相繞組通電。圖6-19單電源驅(qū)動電路續(xù)流二極管限流電阻66

(2）雙電源驅(qū)動電路。雙電源驅(qū)動電路又稱高、低壓驅(qū)動電路，采用高壓和低壓兩個電源供電。在步進(jìn)電動機(jī)繞組剛接通時，通過高壓電源供電，以加快電流上升速度，延遲一段時間后，切換到低壓電源供電。采用這種高低壓切換型電源，電動機(jī)繞組上不需要串聯(lián)電阻或者只需要串聯(lián)一個很小的電阻Rf1（為平衡各相的電流），所以電源的功耗比較小。由于這種供壓方式使電流波形得到很大改善，所以步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩一頻率特性好，啟動和運行頻率得到很大的提高。但在低頻運行時，會使繞組中注入過多的能量而引起電機(jī)的低頻振蕩和噪聲。67圖6-20高、低壓驅(qū)動電路當(dāng)環(huán)形分配器的脈沖輸入信號●在高壓電源作用下繞組電流迅速上升，電流前沿很陡。●當(dāng)電流達(dá)到或稍微超過額定穩(wěn)態(tài)電流時，利用定時電路或電流檢測器等措施切斷VTg基極上的信號電壓，于是VTg截止。●此時VTd仍然是導(dǎo)通的，因此繞組電流即轉(zhuǎn)而由低壓電源經(jīng)過二極管VD1供給。繞組中的電流限定在額定值。環(huán)形分配器的脈沖輸出信號Uu為高電平這時VD1承受反向電壓而截止，低壓電源不對繞組作用基極都有信號電壓輸入而導(dǎo)通（要求該相繞組通電）UbgUbd68圖6-20高、低壓驅(qū)動電路當(dāng)環(huán)形分配器的脈沖輸入信號環(huán)形分配器的脈沖輸出信號Uu為低電平繞組中的電流經(jīng)二極管VD2及電阻Rf2向高壓電源放電，電流便迅速下降。

Vd基極信號電壓消失而截止（要求該相繞組斷電）斷電69

(3）斬波限流驅(qū)動電路。這種電路采用單一高壓電源供電，以加快電流上升速度，并通過對繞組電流的檢測，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)動電路原理圖。圖6-21斬波限流驅(qū)動電路波形圖70圖6-22斬波限流驅(qū)動電路（要求該相繞組通電）

當(dāng)環(huán)形分配器的脈沖輸出高電平

導(dǎo)通

在VT2導(dǎo)通（截止）瞬間，脈沖變壓器TI在其二次線圈中感應(yīng)出一個正（負(fù)）脈沖，使大功率晶體管VT4導(dǎo)通

（截止）。同時由于VT3的導(dǎo)通，大功率晶體管VT5也導(dǎo)通。

于是繞組W中有電流流過，步進(jìn)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)。

因W是感性負(fù)載，其中電流逐漸增加，當(dāng)增加到一定值時，在檢測電阻R10上的壓降將超過設(shè)定的Vref，使OP翻轉(zhuǎn)，輸出低電平使VT2截止。W中儲存的能量釋放，電流逐漸減小。當(dāng)減小到一定值時，在檢測電阻R10上的壓降將小于設(shè)定的Vref，使OP翻轉(zhuǎn)，輸出高電平使VT2導(dǎo)通。

Vref由分壓電阻R7和R8所設(shè)定使導(dǎo)通

使導(dǎo)通

步進(jìn)電機(jī)繞組在控制脈沖持續(xù)期間，上述過程不斷重復(fù)。

71圖6-22斬波限流驅(qū)動電路（要求該相繞組斷電）

環(huán)形分配器的脈沖輸入低電平

截止W中的能量則通過VD6、電源、地和VD7釋放。

Vref由分壓電阻R7和R8所設(shè)定步進(jìn)電機(jī)繞組使截止使截止截止截止該電路限流值可達(dá)6A左右，改變電阻R10或R8的值，可改變限流值的大小。726.2.4交流伺服電動機(jī)73

二十世紀(jì)后期，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流電動機(jī)應(yīng)用于伺服控制越來越普遍。與直流伺服電動機(jī)比較：優(yōu)點：交流伺服電動機(jī)不需要電刷和換向器，因而維護(hù)方便和對環(huán)境無要求；此外，交流電動機(jī)還具有轉(zhuǎn)動慣量、體積和重量較小，結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜；尤其是交流電動機(jī)調(diào)速技術(shù)的快速發(fā)展，使它得到了更廣泛的應(yīng)用。缺點：轉(zhuǎn)矩特性和調(diào)節(jié)特性的線性度不及直流伺服電動機(jī)好；其效率也比直流伺服電動機(jī)低。由于現(xiàn)代變頻技術(shù)的發(fā)展，交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性和調(diào)節(jié)特性已接近直流電機(jī)。

因此，在伺服系統(tǒng)設(shè)計時，除某些操作特別頻繁或交流伺服電動機(jī)在發(fā)熱和起、制動特性不能滿足要求時，選擇直流伺服電動機(jī)外，一般盡量考慮選擇交流伺服電動機(jī)。74用于伺服控制的交流電動機(jī)主要有兩類：

●

同步型交流伺服電機(jī)（SM）：其特點：無接觸換向部件；需磁極位置檢測（如編碼器）。

●異步型交流伺服電機(jī)（IM）：其特點：對定子電流的激勵分量和轉(zhuǎn)矩分量分別控制。采用同步型交流電動機(jī)的伺服系統(tǒng)，多用于機(jī)床進(jìn)給傳動控制、工業(yè)機(jī)人關(guān)節(jié)傳動和其它需要運動和位置控制的場合。異步型交流電動機(jī)的伺服系統(tǒng)，多用于機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速和其它調(diào)速系統(tǒng)。75

1.異步型交流伺服電機(jī)

●三相異步電動機(jī)定子中的三個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，定子繞組就會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(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數(shù)；n1為定子旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速。76

異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速方程為：

（6-14）

式中：

n為電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速；s為轉(zhuǎn)差率。

由此式可知，交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與磁極對數(shù)和供電電源的頻率有關(guān)。我們把改變異步電機(jī)的供電頻率f1實現(xiàn)實現(xiàn)調(diào)速的方法稱為變頻調(diào)速；而改變磁極對數(shù)P進(jìn)行調(diào)速的方法叫變極調(diào)速。變頻調(diào)速一般是無級調(diào)速，變極調(diào)速是有級調(diào)速。當(dāng)然，改變轉(zhuǎn)差率S也可以實現(xiàn)無級調(diào)速，但該辦法會降低交流電動機(jī)的機(jī)械特性，一般不使用。

77

2.同步型交流電動機(jī)

同步交流電動機(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，三相異步電動機(jī)定子每相電動勢的有效值E1為

E1=4.44f1N1Φm(6-16)

78 式中,Φm為每極氣隙磁通；N1為定子相繞組的有效匝數(shù)。異步電機(jī)變頻調(diào)速時，希望Φm不變。

由上式可見，Φm的值是由E1和f1共同決定的，對E1和f1進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂疲涂梢允箽庀洞磐é祄保持額定值不變。下面分兩種情況說明。P418 （1）基頻以下的恒磁通變頻調(diào)速。

就是考慮基頻（電機(jī)額定頻率f）向下調(diào)速的情況。為了保持電機(jī)的負(fù)載能力，應(yīng)保持氣隙磁通不變。這就要求降低供電頻率的同時降低感應(yīng)電動勢，保持E1/f1＝常數(shù)，即保持電動勢與頻率之比為常數(shù)進(jìn)行控制——恒定電動勢頻率比控制。

E1=4.44f1N1Φm79圖6-23恒壓頻比控制特性a——不帶定子壓降補(bǔ)償b——帶定子壓降補(bǔ)償由于E1難于直接檢測和控制。當(dāng)E1和f1的值較高時，定子的漏阻抗壓降相對比較小，如忽略，即認(rèn)為U1≈E1，保持U1/f1＝常數(shù)即可。這就是恒壓頻比控制方式，是近似的恒磁通控制。當(dāng)頻率較低時，U1和E1都變小，定子漏阻抗壓降不能忽略?？梢赃m當(dāng)提高定子電壓以補(bǔ)償定子電阻壓降的影響，使氣隙磁通基本保持不變。

定子電壓U1氣隙磁通Φm基本保持不變E1/

f

1=4.44N1Φm80圖6-24異步電動機(jī)變頻調(diào)速控制特性(2）基頻以上的弱磁通變頻調(diào)速。由基頻開始向上調(diào)速的情況。頻率由額定值fIN向上增大，但電壓U受額定電壓U1n的限制不能再升高，只能保持U1=U1n不變。必然會使磁通隨著f1的上升而減小，這屬于近似的恒功率調(diào)速方式。

恒磁通變頻調(diào)速

U1≈4.44N1f

1Φm81

由上述分析可知，變頻調(diào)速時，一般需要同時改變電壓和頻率，以保持磁通基本恒定。因此，變頻調(diào)速器又稱為VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）裝置。4.交流電動機(jī)變頻調(diào)速的控制方案 根據(jù)生產(chǎn)的要求、變頻器的特點和電動機(jī)的種類，會出現(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機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)控制框圖如圖6-25所示。82圖6-25開環(huán)異步電動機(jī)變頻調(diào)速該控制方案結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。但是，由于是開環(huán)控制方式，其調(diào)速精度和動態(tài)響應(yīng)特性并不是十分理想。尤其是在低速區(qū)域電壓調(diào)整比較困難，不可能得到較大的調(diào)速范圍和較高的調(diào)速精度。異步電動機(jī)存在轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)速隨負(fù)荷力矩變化而變動，即使目前有些變頻器具有轉(zhuǎn)差補(bǔ)償功能及轉(zhuǎn)矩提升功能，也難以達(dá)到0.5%的精度，所以采用這種V/F控制的通用變頻器異步電機(jī)開環(huán)變頻調(diào)速適用于一般要求不高的場合，例如風(fēng)機(jī)、水泵等機(jī)械。

83

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機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)控制框圖如圖6-26所示。84圖6-26矢量控制變頻器的異步電動機(jī)變頻調(diào)速對比圖6-25圖，兩者的差別僅在使用的變頻器不同。由于使用無速度傳感器矢量控制的變頻器，可以分別對異步電動機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩、電流進(jìn)行檢測、控制，自動改變電壓和頻率，使指令值和檢測實際值達(dá)到一致，從而實現(xiàn)了矢量控制。雖說它是開環(huán)控制系統(tǒng)，但是大大提升了靜態(tài)精度和動態(tài)品質(zhì)。轉(zhuǎn)速精度約等于0.5%，轉(zhuǎn)速響應(yīng)也較快。

如果生產(chǎn)要求不是十分高的情形下，采用矢量變頻器無傳感器開環(huán)異步電機(jī)變頻調(diào)速是非常合適的，可以達(dá)到控制結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高的實效。85圖6-27異步電動機(jī)閉環(huán)控制變頻調(diào)速

優(yōu)點：矢量控制異步電機(jī)閉環(huán)變頻調(diào)速是一種理想的控制方式。它可以從零轉(zhuǎn)速起進(jìn)行速度控制，即甚低速亦能運行，因此調(diào)速范圍很寬廣，可達(dá)100:1或1000:1；可以對轉(zhuǎn)矩實行精確控制；系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度甚快；電機(jī)的加速度特性很好等優(yōu)點。

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機(jī)閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)控制框圖如圖6-27所示。86缺點：帶速度傳感器矢量控制變頻器的異步機(jī)閉環(huán)變頻調(diào)速技術(shù)性能雖好，但是畢竟它需要在異步電動機(jī)軸上安裝速度傳感器，嚴(yán)格地講，已經(jīng)降低了異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)堅固、可靠性高的特點。況且，在某些情況下，由于電動機(jī)本身或環(huán)境的因素?zé)o法安裝速度傳感器。再則，多了反饋電路和環(huán)節(jié)，也增加了出故障的機(jī)率。因此，如若非采用不可的情況下，對于調(diào)速范圍、轉(zhuǎn)速精度和動態(tài)品質(zhì)要求不是特別高的場合，往往采用無速度傳感器矢量變頻器開環(huán)控制異步機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。87

4）永磁同步電動機(jī)開環(huán)控制 永磁同步電動機(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。

88圖6-28永磁同步電機(jī)開環(huán)控制變頻調(diào)速假如將圖6-25中異步電動機(jī)（IM）換成永磁同步電動機(jī)（PM、SM），就是第四種變頻調(diào)速控制方案。它具有控制電路簡單，可靠性高的特點。由于是同步電動機(jī)，它轉(zhuǎn)速始終等于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速只取決于電動機(jī)供電頻率f1，而與負(fù)載大小無關(guān)（除非負(fù)載力矩大于或等于失步轉(zhuǎn)矩，同步電動機(jī)會失步，轉(zhuǎn)速迅速停止），其機(jī)械特性曲線為一根平行橫軸直線，絕對硬特性。

89如果采用高精度的變頻器（數(shù)字設(shè)定頻率精度可達(dá)0.01%），在開環(huán)控制情形下，同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速精度亦為0.01%。因為同步電動機(jī)轉(zhuǎn)速精度與變頻器頻率精度相一致（在開環(huán)控制方式時），所以特別適合多電機(jī)同步傳動。至于同步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)問題，若采用通用變頻器V/F控制，響應(yīng)速度較慢；若采用矢量控制變頻器，響應(yīng)速度很快。90伺服電機(jī)的驅(qū)動電路實際上就是將控制信號轉(zhuǎn)換為功率信號，為電機(jī)提供電能的控制裝置，也稱其為變流器，它包括電壓、電流、頻率、波形和相數(shù)的變換。變流器主要是由功率開關(guān)器件、電感、電容和保護(hù)電路組成。開關(guān)器件的特性決定了電路的功率、響應(yīng)速度、頻帶寬度、可靠性和功率損耗等指標(biāo)。

6.3電力電子變流技術(shù)916.3.1開關(guān)器件特性電力電子器件的性能要求是大容量、高頻率、易驅(qū)動和低損耗。因此，評價器件品質(zhì)因素的主要標(biāo)準(zhǔn)是容量、開關(guān)速度、驅(qū)動功率、通態(tài)壓降、芯片利用率。 目前，各類電力電子器件所達(dá)到的功率水平如下：普通晶閘管（SCR）：12kV、1kA；4kV、3kA。 可關(guān)斷晶閘管（GTO）：9kV、1kA；4.5kV、4.5kA。 逆導(dǎo)晶閘管（RCT）：4.5kV、1kA。 光觸晶閘管（LTT）：6kV、2.5kA；4kV、5kA。92

電力晶體管（GTR）：單管1kV、200A；模塊1.2kV、800A；1.8kV、100A。

場效應(yīng)管（MOSFET）：1kV、38A。

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）：1.2kV、400A；1.8kV、100A。 靜電感應(yīng)晶閘管(SITH)：4.5kV、2.5kA。 場控晶閘管（MCT）：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。

93圖6-29電力電子器件的控制容量和開關(guān)頻率的應(yīng)用范圍晶閘管（SCR）可關(guān)斷晶閘管（GTO）絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）電力場效應(yīng)晶體管（MOSFET）場控晶閘管（MCT）電力晶體管（GTR）控制容量開關(guān)頻率94絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，是GTR和MOSFET兩類器件取長補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件—Bi-MOS器件。1986年投入市場，是中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。

GTR的特點——雙極型，電流驅(qū)動，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強(qiáng)，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜。

MOSFET的優(yōu)點——單極型，電壓驅(qū)動，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單。8.5絕緣柵雙極晶體管95EGCN+N-PN+N+PN+N+P+發(fā)射極柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonGCEN溝道VDMOSFET與GTR組合——N溝道IGBT。IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，增強(qiáng)了通流能力。簡化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個由MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)PNP晶體管。RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理96

1.絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）（InsulatedGateBipolarTransistor）

IGBT是在電力晶體管GTR和場效應(yīng)晶體管MOSFET之間取其長、避其短而出現(xiàn)的新器件，它實際上是用場效應(yīng)晶體管驅(qū)動雙極型晶體管，兼有場效應(yīng)晶體管的高輸入阻抗和電力晶體管的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大；MOSFET驅(qū)動功率很小，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，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。97驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。導(dǎo)通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。通態(tài)壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRon98——正常工作溫度下允許的最大功耗。(3)最大集電極功耗PCM——包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP。

(2)

最大集電極電流——由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定。(1)最大集射極間電壓UCESIGBT的主要參數(shù)99IGBT的特性和參數(shù)特點可以總結(jié)如下：開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。相同電壓和電流定額時，安全工作區(qū)比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力。通態(tài)壓降比VDMOSFET低。輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時保持開關(guān)頻率高的特點。100

圖6-30IGBT的簡化等效電路圖(a)結(jié)構(gòu)；(b)等效電路；(c)電氣符號柵極IGBT是多元集成結(jié)構(gòu)，每個IGBT元：●給柵極施加正偏信號后，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后，MOSFET關(guān)斷，使PNP晶體管基極電流為零而截止?！袼梢粋€MOSFET和一個PNP晶體管構(gòu)成101

IGBT的開關(guān)速度低于MOSFET，但明顯高于GTR。IGBT在關(guān)斷時不需要負(fù)柵壓來減少關(guān)斷時間，但關(guān)斷時間隨柵極和發(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。102

2.場控晶閘管（MCT）

MCT（MOSControlledThyristor）是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的一種新型的電壓控制型全控器，是MOSFET驅(qū)動晶閘管的復(fù)合器件。它將MOSFET高輸入阻抗、快開關(guān)速度的特性與晶閘管的高壓大電流特性結(jié)合在一起，產(chǎn)生出較理想的功率器件特性。

是雙極型電力晶體管和MOSFET的復(fù)合。

一個MCT器件大約由105個單胞組成，每個單胞的剖面、等效電路、圖形符號如下圖所示103場控晶閘管：P-MCT的單胞剖面、等效電路、圖形符號●控制MCT導(dǎo)通的MOSFET●控制MCT關(guān)斷的MOSFET●

PNPN晶閘管一個（可等效為PNP和NPN晶體管各一個），104●當(dāng)門相對于陽極加負(fù)脈沖電壓時，ON—FET導(dǎo)通，它的漏極電流使NPN晶體管導(dǎo)道，NPN晶體管又使PNP晶體管導(dǎo)通并形成正反饋觸發(fā)過程，于是MCT導(dǎo)通?！癞?dāng)門極施加相對陽極為正脈沖的電壓時，OFF—FET導(dǎo)通，PNP晶體管因基極電流中斷而截止，破壞了正反饋過程，于是MCT關(guān)斷?！馦CT的控制信號以陽極為基難。105

MCT觸發(fā)導(dǎo)通的門極負(fù)脈沖幅度一般為-5V—-15V，關(guān)斷的門極正脈沖電壓一般為10V。與IGBT等其他電力電子器件相比，MCT具有如下優(yōu)點：

(1)電壓、電流容量大。日前研制水平為限斷電壓3000V、峰值電流1000A，最大關(guān)斷電流密度為6000A/cm2

(2)通態(tài)壓降小，約為1.1V，僅為IGBT通態(tài)壓降的1/3。(3)di/dt和du/dt耐量極高，可分別達(dá)到2000A/μS和2000V／μs

106(4)開關(guān)速度快，開通時間為200ns，可在2μS時間內(nèi)關(guān)斷1000V電壓。

(5)工作溫度高。其溫度受限于反向漏電流，上限溫度值可達(dá)2500C-2700C。

MCT還有一個重要特性：即使關(guān)斷失敗，器件也不會損壞。MCT與其他MOS柵控器件一樣，對驅(qū)動電路要求很低，門極驅(qū)動簡單。MCT作為功率開關(guān)，主要用于大電流、低通態(tài)損耗的領(lǐng)域。典型的應(yīng)用是逆變器、電機(jī)驅(qū)動和脈沖電路等。隨著MCT的制造工藝和結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步完善，其應(yīng)用將更加廣泛。107

3.靜電感應(yīng)晶體管（SIT）

SIT（StaticInductionTransistor）實際上是一種結(jié)型電力場效應(yīng)晶體管，其電壓、電流容量都比MOSFET大，適用于高頻，大功率的場合。當(dāng)柵極不加任何信號時，SIT是導(dǎo)通的；柵極加負(fù)偏壓時關(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。

108

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。109

1.整流器 整流過程是將交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號的過程，一般可通過二極管或開關(guān)器件組成的橋式電路來實現(xiàn)。圖6-31所示為單相交流信號可控硅橋式整流電路。110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●如圖a中開關(guān)器件VT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?！?/p>

Ug是控制引腳●通過調(diào)整控制信號的相位角就可以實現(xiàn)輸出直流電壓的調(diào)節(jié)?！袢魧T換成二極管，則該電路變成了不可調(diào)壓的整流電路。●波形輸入控制信號●加載在電阻負(fù)載R上的整流電壓波形。U2在正半周時，電位a高b低V1

V4受正向陽極電壓U2在負(fù)半周時，電位b高a低V2

V3受正向陽極電壓觸發(fā)脈沖在控制角α?xí)r刻ug4V34V3ugU2過零V1

V4關(guān)斷U2過零V2V3關(guān)斷1112.斬波器直流伺服電機(jī)的調(diào)速控制是通過改變勵磁電壓來實現(xiàn)的，因此把固定的直流電壓變成可調(diào)的直流電壓是直流伺服調(diào)速電路中不可缺少的組成部分。直流調(diào)壓包括電位器調(diào)壓和斬波器調(diào)壓等辦法。電位器調(diào)壓法是通過調(diào)節(jié)與負(fù)載串聯(lián)的電位器來改變負(fù)載壓降，因此只適合小功率電器；斬波器調(diào)壓的基本原理是通過晶閘管或自關(guān)斷器件的控制，將直流電壓斷續(xù)加到負(fù)載（電機(jī)）上，利用調(diào)節(jié)通、斷的時間變化來改變負(fù)載電壓平均值。斬波器調(diào)壓控制直流伺服電機(jī)速度的方法又稱為脈寬調(diào)制PWM（PulseWidthModulation）直流調(diào)速。112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●圖中的二極管為續(xù)流二極管，●將圖中的開關(guān)S周期性地開、關(guān)，在一個周期T內(nèi)閉合的時間為τ，則一個外加的固定直流電壓U被按一定的頻率開、閉的開關(guān)S加到電機(jī)的電樞上，，

●當(dāng)S斷開時，由于電樞電感的存在，電動機(jī)的電樞電流可通過它形成續(xù)流回路?！耠姌猩系碾妷翰ㄐ螌⑹且涣蟹讲ㄐ盘?，其高度為U、寬度為τ113 如圖6-32(b)所示。電樞兩端的平均電壓為

（6-17）

式中,ρ=τ/T=Ud/U(0<ρ<1),ρ為導(dǎo)通率（或稱占空比）。當(dāng)T不變時，只要改變導(dǎo)通時間τ，就可以改變電樞兩端的平均電壓Ud。當(dāng)τ從0~T改變時，Ud由零連續(xù)增大到U。實際電路中，一般使用自關(guān)斷電力電子器件來實現(xiàn)上述的開關(guān)作用，如GTR、MOSFET、IGBT等器件。114圖6-33是直流伺服電機(jī)PWM調(diào)速和實現(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。P359圖6-33所示電路由四個大功率晶體管組成，其作用是對電壓脈寬變換器輸出的信號Us進(jìn)行放大，輸出具有足夠功率的信號，以驅(qū)動直流伺服電機(jī)。四個大功率晶體管分成兩組，V1和V4

為一組，其基極驅(qū)動電壓Ub1

=Ub4

、V2和V3為一組，其基極驅(qū)動電壓Ub2

=Ub3

=-Ub1

，兩組交替地導(dǎo)通和關(guān)斷。115圖6-33H型橋式PWM晶體管功率放大器UsUb1Ub2Ub4Ub31432在一個開關(guān)周期內(nèi)：●0≤t≤ton時,V1和V4飽和導(dǎo)通，V2和V3截止，電樞電流id沿回路１流通，ＵＡＢ＝ＵＳ?！?/p>

ton≤t≤Ｔ時,V1和V4截止，V2和V3并未導(dǎo)通，其原因是id沿回路２續(xù)流。使V2和V3上承受VD2和VD3上壓降施加的反壓而截止。ton這時ＵＡＢ＝-ＵＳ●ＵＡＢ在一個開關(guān)周期內(nèi)極性正負(fù)相間,雙極式由此而得名。116圖6-33H型橋式PWM晶體管功率放大器UsUb1Ub2Ub4Ub31432●如果負(fù)荷較輕,在續(xù)流階段id很快衰減到零，V2和V3失去反壓，并在-ＵＳ和反電動勢E的作用下導(dǎo)通，id反向沿回路3流通。電機(jī)處于制動狀態(tài)。同理，0≤t≤ton時,

id也有一次反向，波形如圖id2。ton●如果電機(jī)負(fù)荷較重,id較大，V2和V3處于關(guān)斷狀態(tài)，

id始終為正，電機(jī)工作在轉(zhuǎn)動狀態(tài)，電流波形如圖id1

。圖6-34是雙極式H型可逆器的電壓、電流波形。117圖6-34雙極式H型可逆器的電壓、電流波形的電路原理圖

由圖6-34可知，雙極式H型可逆PWM變換器在一個周期內(nèi)電樞電壓在+ＵＳ和-ＵＳ之間變換，但這并不能實現(xiàn)電機(jī)可逆運行，電機(jī)的可逆運行是由正、負(fù)脈沖驅(qū)動電壓寬窄而定，也就是說，由電樞平均端電壓的極性來定。118 （1）當(dāng)UAB＝0時，Us的正、負(fù)脈寬相等，直流分量為零，V1和V4的導(dǎo)通時間與V2和V3的導(dǎo)通時間相等，流過電樞繞組中的平均電流等于零，電動機(jī)不轉(zhuǎn)。但在交流分量作用下，電動機(jī)在停止位置處微振，這種微振有動力潤滑作用，可消除電動機(jī)啟動時的靜摩擦，減小啟動電壓。 （2）當(dāng)UAB>0時，Us的正脈寬大于負(fù)脈寬，直流分量大于零，V1和V4的導(dǎo)通時間長于V2和V3的導(dǎo)通時間，流過繞組中的電流平均值大于零，電動機(jī)正轉(zhuǎn)，且隨著U1增加，轉(zhuǎn)速增加。 （3）當(dāng)UAB<0時，Us的直流分量小于零，電樞繞組中的電流平均值也小于零，電動機(jī)反轉(zhuǎn)，且反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速隨著U1減小而增加。119圖6-35考慮開通延時的基極脈沖電壓信號（4）當(dāng)V1和V4或V2和V3始終導(dǎo)通時，電動機(jī)在最高轉(zhuǎn)速下正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。120

該電路中，跨接在電源兩端的上、下兩個晶體管需要交替導(dǎo)通和截止。由于晶體管的關(guān)斷過程需要一段時間toff，在這段時間內(nèi)晶體管并未完全關(guān)斷，如果在此期間另一個晶體管已經(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)置邏輯延時環(huán)節(jié)，并保證在對一個管子發(fā)出關(guān)閉脈沖后（如圖6-35中的Ub1），延時tid

后再發(fā)出對另一個管子的開通脈沖（如Ub2

）。1216.4PWM型變頻電路

將可控整流電路和一個逆變電路結(jié)合到一起就組成了變頻電路。圖6-39所示即為交—直—交變頻電路。整流和逆變電路均采用可控的功率環(huán)節(jié),（晶體管）具有以下缺點：

(1)輸出電壓為矩形波，其中含有較多的諧波，對負(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)電壓時慣性較大，響應(yīng)緩慢。圖6-39交—直—交變頻電路結(jié)構(gòu)圖122

把圖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：

(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)只用一級可控的功率環(huán)節(jié)，電路結(jié)構(gòu)較簡單。

(4)通過對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態(tài)響應(yīng)。PWM——通過調(diào)節(jié)脈沖的寬度改變負(fù)載電壓平均值的脈寬調(diào)制斬波器。

123

6.4.1SPWM波形原理SPWM是指脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形。

在采樣控制理論中有一個重要的結(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，

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個彼此相連的脈沖所組成的波形。124圖6-40正弦波PWM原理示意圖(a)正弦半波；(b)PWM波形●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