機電一體化系統(tǒng)設(shè)計第五章課件

1、12第四章第四章 伺服系統(tǒng)設(shè)計伺服系統(tǒng)設(shè)計 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、交流（伺服電機、交流（AC）伺服電機、步進電機以及電磁鐵等，是最常用的執(zhí)行元伺服電機、步進電機以及電磁鐵等，是最常用的執(zhí)行元件。對伺服電機除了要求運轉(zhuǎn)平穩(wěn)以外，一般還要求動態(tài)件。對伺服電機除了要求運轉(zhuǎn)平穩(wěn)以外，一般還要求動態(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)運動油缸、回轉(zhuǎn)油缸、液壓式執(zhí)行元

2、件主要包括往復(fù)運動油缸、回轉(zhuǎn)油缸、液壓馬達等，其中油缸最為常見。在同等輸出功率的情況液壓馬達等，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、快速性好等特點下，液壓元件具有重量輕、快速性好等特點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)動雖可得到較大的驅(qū)動壓式執(zhí)行元件沒有區(qū)別。氣壓驅(qū)動雖可得到較大的驅(qū)動力、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合使用。性，故不能在定位精度要求較高的場合使用。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 步進電機是一種把開關(guān)激勵的變化變換成精確的轉(zhuǎn)子位置增量運動的執(zhí)行機構(gòu)，它將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步距角）。 步進電機具有轉(zhuǎn)矩大、慣性小、響應(yīng)頻率高等優(yōu)點,因此具有瞬間起動與急速停止的優(yōu)越特性。 2627工作原理工作原理282930kmz36031323334353637383940aaaKRIEUncEeaaTIcT41422TeaeKccTRcUn432TeaeKc

4、cTRcUn44454647KTnn0eKcUn 0K)(2TeaccR4849eKcUnn00ndTaKTdRUcTTKTnn02TeaeKccTRcUn50TnKTnTKKKKU5152sKTeaseKTKUKccRTcUn2125354552TeiaccRRK565758圖圖4.32 伺服電動機接線圖伺服電動機接線圖 圖圖4.33 合成磁通矢量末端隨時間變化的軌跡圖合成磁通矢量末端隨時間變化的軌跡圖 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 勵磁（通電）方式控制表勵磁（通電）方式控制表控制控制電平電平勵勵 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單片機與步進電動機接口電路單片機與步進電動機接口電路 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)動直流伺服電動機作為驅(qū)動直流伺服電動機的功率驅(qū)動裝置；晶閘管導(dǎo)通需要有一個觸發(fā)電路來提供的功率驅(qū)動裝置；晶閘管導(dǎo)通需要有一個觸發(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)生的時刻（即調(diào)節(jié)控制角的大?。?，常用調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖發(fā)生的時刻（即調(diào)節(jié)控制角的大?。Ｓ娩忼X波（或正弦波）與給定信號電壓進行比較來進行移相控制。鋸齒波（或正弦波）與給定信號電壓進行比較來進行移相控制。 同步電路：同步電路：使觸發(fā)脈沖每次產(chǎn)生的時刻都能準確地對應(yīng)著主電路電壓波形使觸發(fā)脈沖每次產(chǎn)生的時刻都能準確地對應(yīng)著主電路電壓波形上的時刻。方法：把主電路的電壓信號直接引入（或通過同步變壓器從主電路上

8、的時刻。方法：把主電路的電壓信號直接引入（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。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。 脈沖功率放大電路：脈沖功率放大電路：若觸發(fā)驅(qū)動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，這時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，這時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：由兩個基極（由兩個基極（b1和和b2）和一個陰極構(gòu)成的一種特殊類型的晶體管，）和一個陰極構(gòu)成的一種特殊類型的晶體管，如圖所示。如圖所示。 特點：特點： 當在兩個基極（當在兩個基極（b1和和b2）加上一個電壓）加上一個電壓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。 當當Ueb1UA時，管內(nèi)的時，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；當極間無電流；當Ueb1UA時，管內(nèi)的時，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)值相對較高，稱為峰點電壓的數(shù)值相對較高，稱為峰點電壓UP）。當）。當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入飽和狀態(tài)。當管子導(dǎo)通以后，只有降極間的電流將迅速增大而使管子進入飽和狀態(tài)。當管子導(dǎo)通以后，只有降到一個較低的數(shù)值（稱為谷點電壓到一個較低的數(shù)值（稱為谷點電壓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：調(diào)節(jié)器特點：調(diào)節(jié)器飽和時，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，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使調(diào)節(jié)器退出飽和。即飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸為反極性信號使調(diào)節(jié)器退出飽和。即飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出之間的聯(lián)系，相當于系統(tǒng)開環(huán)。出之間的聯(lián)系，相當于系統(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)時為零，實的作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時為零，實現(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)正常運行時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和。穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏在系統(tǒng)正常運行時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和。穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零。因此有如下兩個關(guān)系式差電壓都是零。因此有如下兩個關(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)計成。一般設(shè)計成.（額定

13、（額定值值）。在兩個調(diào)節(jié)器均不飽和時運行于靜特）。在兩個調(diào)節(jié)器均不飽和時運行于靜特性性- -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 當轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器當轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASRASR飽和時，飽和時，ASRASR輸出達到限幅值輸出達到限幅值 ，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(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，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，有 式中，式

14、中， 為設(shè)計最大電流。它決定于電動機的允許過載能力和拖動為設(shè)計最大電流。它決定于電動機的允許過載能力和拖動系統(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)器的超前時間常數(shù)。調(diào)節(jié)器的超前時間常數(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）由直流伺服電動機的數(shù)學(xué)模型經(jīng)簡化可得其傳遞函數(shù)為）由直流伺服電動機的數(shù)學(xué)模型經(jīng)簡化可得其傳遞函數(shù)為

15、 sTRsIsIsEmLa)()()( 4 4）感應(yīng)電勢）感應(yīng)電勢 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) 在起動過程中，隨著在起動過程中，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)：即當不同的狀態(tài)：即當ASRASR飽和時轉(zhuǎn)速開環(huán)，構(gòu)成由飽和時轉(zhuǎn)速開環(huán)，構(gòu)成由ACRACR實現(xiàn)恒值電流調(diào)節(jié)實現(xiàn)恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當?shù)膯伍]環(huán)系統(tǒng)；當ASRASR不飽和時轉(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) 起動過程的主要階段是恒流升速段。其特征是電流起動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)計為最大允許值，以便充分發(fā)揮電動機的過載能力，以最大電流并設(shè)計為最大允許值，以便充分發(fā)揮電動機的過載能力，以最大電流加速起動，實現(xiàn)起動時間最短。即所謂時間最優(yōu)控制。加速起動，實現(xiàn)起動時間最短。即所謂時間最優(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)速動態(tài)響應(yīng)必然有超調(diào)。因為在起動的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段為在起動的轉(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 為負值，只有為負值，只有 為負值，才能使為負值，才能使ASRASR退退出飽和。出飽和。（2 2）雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動過程）雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動過程 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過程。當突加給定的理想的起動過程。當突加給定電壓時，系統(tǒng)由靜止狀態(tài)起動電壓時，系統(tǒng)由靜止狀態(tài)起動, ,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)起動時的轉(zhuǎn)速和電流波形雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時的轉(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由不飽和很快達到飽和，而由不飽和很快達到飽和，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)相當于開環(huán)。處于飽和，轉(zhuǎn)速外環(huán)相當于開環(huán)。 為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)段為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)段( (t t2 2點以后點以后) )：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，使為負，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：優(yōu)點：（1 1）主電路簡單，需用功）主電路簡單，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，使電機損失小；（機損失小；（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，動態(tài)抗統(tǒng)頻帶寬，快速響應(yīng)好，動態(tài)抗擾性能強；（擾性能強；（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，該

21、三角波經(jīng)加法器與輸入的指令信號 相加，產(chǎn)相加，產(chǎn)生信號生信號 ，然后送入比較器。比較器是一個工作在開環(huán)狀態(tài)，然后送入比較器。比較器是一個工作在開環(huán)狀態(tài)下的運算放大器，具有極高的開環(huán)增益及限幅開關(guān)特性。兩個輸入端下的運算放大器，具有極高的開環(huán)增益及限幅開關(guān)特性。兩個輸入端的信號差的微弱變化，會使比較器輸出對應(yīng)的開關(guān)信號。當?shù)男盘柌畹奈⑷踝兓?，會使比較器輸出對應(yīng)的開關(guān)信號。當 0 0時，比較器輸出滿幅度的正電平；當時，比較器輸出滿幅度的正電平；當 0 0時，比較器輸時，比較器輸出滿幅度的負電平。出滿幅度的負電平。 TUIUTIUU TIUU TIUU 94圖圖4.57 PWM脈寬調(diào)制波形脈寬調(diào)制波

22、形 當當 0 0時，輸出信號時，輸出信號 為正負寬度相等的矩形脈沖。為正負寬度相等的矩形脈沖。 當當 0 0時，時， 的正脈寬大于負脈寬。的正脈寬大于負脈寬。 當當 0 0時，時， 的負脈寬大于正脈寬。的負脈寬大于正脈寬。 當當 ( (是三角波的峰是三角波的峰- -峰值峰值) )時，時， 為一正直為一正直流信號；當流信號；當 時，時， 為一負直流信號。為一負直流信號。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） 三個輸入信號：三個輸入信號： 為由鋸齒波發(fā)生器提供的鋸齒波信號，頻率為由鋸齒

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

24、后， 正正半波變窄。當半波變窄。當 0 0時，情況相反，時，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，因而改變了電動機的轉(zhuǎn)向。動機的轉(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電壓是對電壓- -脈寬變換器輸出的信號脈寬變換器輸出的信號 進行進行放大，輸出具有足夠功率的信號放大，輸出具有足夠功率的信號 ，以驅(qū)動直流伺服電動機。，以驅(qū)動直流伺服電動機。 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）當 0 0時，時， 的正、負脈寬相等，直流分量為零，的正、負脈寬相等，直流分量為零，VTlVTl和和VT4VT4的導(dǎo)通時間與的導(dǎo)通時間與VT2VT2和和VT3VT3的導(dǎo)通時間相等，流過電樞繞組中的平的導(dǎo)通時間相等，流過電樞繞組中的平均電流等于零，電動機不轉(zhuǎn)。但在交流分量作用下，電動機在停止均電流等于零，電動機不轉(zhuǎn)。但在交流分量作用下，電動

26、機在停止位置處微振，這種微振有動力潤滑作用，可消除電動機啟動時的靜位置處微振，這種微振有動力潤滑作用，可消除電動機啟動時的靜摩擦，減小啟動電壓。摩擦，減小啟動電壓。 IUSU 四種工作狀態(tài)：四種工作狀態(tài)： 2 2）當）當 0 0時，時， 的正脈寬大于負脈寬，直流分量大于零，的正脈寬大于負脈寬，直流分量大于零，VTlVTl和和VT4VT4的導(dǎo)通時間長于的導(dǎo)通時間長于VT2VT2和和VT3VT3的導(dǎo)通時間，流過繞組中的電流的導(dǎo)通時間，流過繞組中的電流平均值大于零，電動機正轉(zhuǎn)，且隨著平均值大于零，電動機正轉(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）當 0 0時，時， 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，電動機反轉(zhuǎn)，且反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速隨著均值也小于零，電動機反轉(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）當 或或 時，時， 為正為正或負的直流信號，或負的直流信號，VT1VT1和和VT4VT4或或VT2VT2和和VT3VT3始終導(dǎo)通，電動機在最高轉(zhuǎn)始終導(dǎo)通，電動機在最高轉(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） 三個輸入信號：三個輸入信號： 為由鋸齒波發(fā)生器提供的鋸齒波信號，頻率為由鋸齒波發(fā)生器提供的鋸齒波信號，頻率一般為一般為1 14kHz4kHz，由主電路開關(guān)頻率決定；另一個輸入信號是控制電，由主電路開關(guān)頻率決定；另一個輸入信號是控制電壓壓 ，其極性和大小隨系統(tǒng)控制要求隨時可變；第三個為負偏移，其極性和大小隨系統(tǒng)控制要求隨時可變；第三個為負偏移電壓，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，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，是上、下兩電力晶體管交替導(dǎo)通和關(guān)斷，如果發(fā)生兩個晶體管同時導(dǎo)通，則產(chǎn)生極為嚴重的電源短路情況，斷，如果發(fā)生兩個晶體管同時導(dǎo)通，則產(chǎn)生極為嚴重的電源短路情況，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)生同時導(dǎo)通的現(xiàn)象，在控制電路與驅(qū)動電路之間設(shè)立了邏輯延時環(huán)節(jié)。動電路之間設(shè)立了邏輯延時環(huán)節(jié)。 對對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（如關(guān)斷的晶體管導(dǎo)通。因此它們的基極控制信號（如Ub1Ub1和和Ub2Ub2）不能在）不能在同一時刻

30、由同一時刻由“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)過一個很小的時間后，使另一個由經(jīng)過一個很小的時間后，使另一個由“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.異步電機的變頻調(diào)速原理異步電機的變頻調(diào)速原理 異步電動機的轉(zhuǎn)速方程為異步電動機的轉(zhuǎn)速方程為 式中，式中， 為電動機轉(zhuǎn)速；為電動機轉(zhuǎn)速； 為定子轉(zhuǎn)速磁場的同步轉(zhuǎn)速；為定子轉(zhuǎn)速磁場的同步轉(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，改變異步電動機的供電頻率由上式可見，改變異步電動機的供電頻率 ，可以改變其同步，可以改變其同步轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速 ，實現(xiàn)調(diào)速運行，也稱為變頻調(diào)速。，實現(xiàn)調(diào)速運行，也稱為變頻調(diào)速。 )1 ()1 (6011snspfnn1n1fs1f1n102 2.異步電機的變頻特性異步電機的變頻特性 異步電動機定子每相電動勢有效值異步電動機定子每相電動勢有效值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 ，可達到控制磁通，可達到控制磁通 的的目的。要保持目的。要保持 不變，當電源

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

33、為電動勢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 異步電動機的變頻調(diào)速控制特性：異步電動機的變頻調(diào)速控制特性： 在工頻以下按恒壓頻比控制方式，維持勵磁磁通在工頻以下按恒壓頻比控制方式，維持勵磁磁通 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)管的控制信號作用使逆變器輸出波形與控制信號波形相同，其幾何意義如圖所示。出波形與控制信號波形相同，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 時時VTlVTl導(dǎo)通，導(dǎo)通， ； 時時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。圖中同時畫出逆變器輸交替導(dǎo)通得到。圖中同時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參考信號發(fā)生器產(chǎn)生對稱的三相正弦參考電壓信號參考信號發(fā)生器產(chǎn)生對稱的三相正弦參考電壓信號 ；三角波發(fā)生器產(chǎn)生三角波載波信號電壓三角波發(fā)生器產(chǎn)生三角波載波信號電壓u ut t ；參考電壓信號參考電壓信號 與三角波電壓信號進行比較（調(diào)制）與三角波電壓信號進行比較（調(diào)制）得出控制逆變器功率開關(guān)管的控制信號。