伺服控制系統(tǒng)

1、陜西國防學院機電工程系機電教研室陜西國防學院機電工程系機電教研室第第4 4章：機電一體化技術章：機電一體化技術伺服驅動技術伺服驅動技術第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)4.1 概述概述伺服系統(tǒng)的結構組成機電一體化的伺服控制系統(tǒng)的結構、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)一般包括控制器、被控對象、執(zhí)行環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)等五部分。第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)伺服系統(tǒng)組成原理框圖比較元件調節(jié)元件執(zhí)行元件被控對象測量、反饋元件輸入指令輸出量第第4章章 伺服控制系統(tǒng)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與系統(tǒng)的反饋信號進行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號的

2、環(huán)節(jié)，通常由專門的電路或計算機來實現(xiàn)。2.控制器;控制器通常是計算機或PID控制電路，其主要任務是對比較元件輸出的偏差信號進行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動作。3.執(zhí)行環(huán)節(jié);執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號的要求，將輸入的各種形式的能量轉化成機械能，驅動被控對象工作。機電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機或液壓、氣動伺服機構等。第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)4.被控對象;5.檢測環(huán)節(jié);檢測環(huán)節(jié)是指能夠對輸出進行測量并轉換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置，一般包括傳感器和轉換電路。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)按驅動元件的類

3、型分類。 (3)按控制原理分類。 第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的技術要求1.系統(tǒng)精度伺服系統(tǒng)精度指的是輸出量復現(xiàn)輸入信號要求的精確程度，以誤差的形式表現(xiàn)，可概括為動態(tài)誤差、穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差三個方面組成。2.穩(wěn)定性伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指當作用在系統(tǒng)上的干擾消失以后，系統(tǒng)能夠恢復到原來穩(wěn)定狀態(tài)的能力；或者當給系統(tǒng)一個新的輸入指令后，系統(tǒng)達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。 第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)3.響應特性響應特性指的是輸出量跟隨輸入指令變化的反應速度，決定了系統(tǒng)的工作效率。響應速度與許多因素有關，如計算機的運行速度、運動系統(tǒng)的阻尼和質量等。4.工作頻率工作頻率通常是指系統(tǒng)允

4、許輸入信號的頻率范圍。當工作頻率信號輸入時，系統(tǒng)能夠按技術要求正常工作；而其它頻率信號輸入時，系統(tǒng)不能正常工作。 第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)4.2 執(zhí)行元件執(zhí)行元件執(zhí)行元件的分類及其特點執(zhí)行元件是能量變換元件，其目的是控制機械執(zhí)行機構運動。機電一體化伺服系統(tǒng)要求執(zhí)行元件具有轉動慣量小，輸出動力大，便于控制，可靠性高和安裝維護簡便等特點。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。第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng) 執(zhí)行元件的種類交流(AC)伺服電動機直流(DC)伺服電動機步進電機其它電機雙金屬片形狀記憶合金壓電元件其它電磁鐵及其它與材料有關氣壓馬達氣 缸

5、液壓馬達油 缸電動機電磁式液壓式氣壓式執(zhí)行元件第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)(1)電磁式執(zhí)行元件能將電能轉化成電磁力，并用電磁力驅動執(zhí)行機構運動，如交流電機、直流電機、力矩電機、步進電機等。(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)行元件驅動執(zhí)行機構運動。 (3)氣壓式執(zhí)行元件與液壓式執(zhí)行元件的原理相同，只是介質由液體改為氣體。 第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)直流伺服電動機1.直流伺服電動機的分類直流伺服電動機按勵磁方式可分為電磁式和永磁式兩種。 2.直流伺服電動機的基本結構及工作原理直流伺服電動機主要由磁極、電樞、電刷及換向片組成。 第第

6、4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)直流伺服電動機基本結構磁極電樞導體磁極NSnA電刷換向片B第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)3.直流伺服電動機的特性分析直流伺服電動機采用電樞電壓控制時的電樞等效電路。 第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)電樞等效電路MTmUaLaIaRaEa第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)當電動機處于穩(wěn)態(tài)運行時，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 (4-1)式中，Ea是電樞反電動勢； Ua是電樞電壓；Ia是電樞電流；Ra是電樞電阻。轉子在磁場中以角速度切割磁力線時，電樞反電動勢Ea與角速度之間存在如下關系： Ea=Ce (4-2

7、)式中，Ce是電動勢常數(shù)，僅與電動機結構有關；是定子磁場中每極的氣隙磁通量。 第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)由式（4-1）、式（4-2）得Ua-IaRa=Ce （4-3）此外，電樞電流切割磁場磁力線所產生的電磁轉矩Tm可由下式表達: Tm=CmIa則 Tm=CmIn 式中，Cm是轉矩常數(shù)，僅與電動機結構有關。 mmnCTI (4-4)第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)將式（4-4）代入式（4-3）并整理，可得到直流伺服電動機運行特性的一般表達式由此可以得出空載（ Tm0，轉子慣量忽略不計）和電機啟動（0）時的電機特性:（1）當Tm0時，有 mmeaeaTCCRCU2(4-5)aamdm

8、URCTT(4-6)第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)（2）當0時，有 式中，Td稱為啟動瞬時轉矩，其值也與電樞電壓成正比。如果把角速度看作是電磁轉矩Tm的函數(shù)，即=f(Tm)，則可得到直流伺服電動機的機械特性表達式為(4-8) 式中,0是常數(shù)， 。 aamdmURCTT(4-7)mmeaTCCR0eaCU0第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)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機的調節(jié)特性表達式式中,k是常數(shù)， 。 根據(jù)式(4-8)和式(4-9)，給定不同的Ua值和Tm值，可分別繪出直流伺服電動機的機械特性曲線和調節(jié)特性曲線。 meakTCU(4-9)

9、2meaCCRk 第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng) 直流伺服電動機的機械特性Ua1Ua2Ua3Td3Td2Td1TmO第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)直流伺服電動機的調節(jié)特性Ua2Ua3Ua1 0Tm1 0Tm2Tm3Ua第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)由圖可見，直流伺服電動機的機械特性是一組斜率相同的直線簇。每條機械特性和一種電樞電壓相對應，與軸的交點是該電樞電壓下的理想空載角速度，與Tm軸的交點則是該電樞電壓下的啟動轉矩。由圖可見，直流伺服電動機的調節(jié)特性也是一組斜率相同的直線簇。每條調節(jié)特性和一種電磁轉矩相對應，與Ua軸的交點是啟動時的電樞電壓。從圖中還可看出，調節(jié)特性的斜率

10、為正，說明在一定的負載下，電動機轉速隨電樞電壓的增加而增加；而機械特性的斜率為負，說明在電樞電壓不變時，電動機轉速隨負載轉矩增加而降低。第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)4.影響直流伺服電動機特性的因素上述對直流伺服電動機特性的分析是在理想條件下進行的，實際上電動機的驅動電路、電動機內部的摩擦及負載的變動等因素都對直流伺服電動機的特性有著不容忽略的影響。1）驅動電路對機械特性的影響;直流伺服電動機是由驅動電路供電的，假設驅動電路的內阻是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。在這個電樞等效回路中，電壓平衡方程式為Ea=Uc-Ia (Ra+Ri) (4-1

11、0)第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)于是在考慮了驅動電路的影響后，直流伺服電動機的機械特性表達式變成 (4-11)將式(6-11)與式(6-8)比較可以發(fā)現(xiàn)，由于驅動電路內阻Ri的存在而使機械特性曲線變陡了。 mmeiaTCCRR20第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)含驅動電路的電樞等效回路MEaRiUcLaRaIa第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)驅動電路內阻對機械特性的影響OTdTmRaRa RidT第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)如果直流伺服電動機的機械特性較平緩，則當負載轉矩變化時，相應的轉速變化較小，這時稱直流伺服電動機的機械特性較硬。反之，如果機械特性較陡，當負載轉矩變

12、化時，相應的轉速變化就較大，則稱其機械特性較軟。顯然，機械特性越硬，電動機的負載能力越強；機械特性越軟，負載能力越低。毫無疑問，對直流伺服電動機應用來說，其機械特性越硬越好。由于功放電路內阻的存在而使電動機的機械特性變軟了，這種影響是不利的，因而在設計直流伺服電動機功放電路時，應設法減小其內阻。第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)2）直流伺服電動機內部的摩擦對調節(jié)特性的影響，直流伺服電動機在理想空載時（即Tm1=0），其調節(jié)特性曲線從原點開始。但實際上直流伺服電動機內部存在摩擦（如轉子與軸承間的摩擦等），直流伺服電動機在啟動時需要克服一定的摩擦轉矩，因此啟動時電樞電壓不可能為零。這個不為零的電

13、壓稱為啟動電壓，用Ub表示。 第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)3）負載變化對調節(jié)特性的影響在負載轉矩TL不變的條件下，直流伺服電動機角速度與電樞電壓成線性關系。但在實際伺服系統(tǒng)中，經常會遇到負載隨轉速變動的情況，如粘性摩擦阻力是隨轉速增加而增加的，數(shù)控機床切削加工過程中的切削力也是隨進給速度變化而變化的。這時由于負載的變動將導致調節(jié)特性的非線性?？梢?，由于負載變動的影響，當電樞電壓Ua增加時，直流伺服電動機角速度的變化率越來越小，這一點在變負載控制時應格外注意。第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)摩擦及負載變動對調節(jié)特性的影響OTL0TL0UbUa第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)5.直

14、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，因而直流伺服電動機通常以閉環(huán)或半閉環(huán)控制方式應用于伺服系統(tǒng)中。直流伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制是針對伺服系統(tǒng)的最后輸出結果進行檢測和修正的伺服控制方法，而半閉環(huán)控制是針對伺服系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)（如電動機的輸出速度或角位移等）進行監(jiān)控和調節(jié)的控制方法。它們都對系統(tǒng)輸出進行實時檢測和反饋，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，由此導致設計、制造的難易程度不同,工作性能不同，但兩者的設計與分析方法基本上是一致的。 第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)結構原理圖工 作 臺伺 服驅 動 器伺 服電 動 機減 速 器轉

15、角 傳 感 器輸 入 指 令速 度傳 感 器第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)結構原理圖伺服驅動器伺服電動機減速器位移傳感器輸入指令速度傳感器工作臺第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)步進電動機 1.步進電動機的結構與工作原理步進電動機按其工作原理主要可分為磁電式和反應式兩大類，這里只介紹常用的反應式步進電動機的工作原理。三相反應式步進電動機的工作原理，其中步進電動機的定子上有6個齒，其上分別纏有U、V、W三相繞組，構成三對磁極；轉子上則均勻分布著4個齒。步進電動機采用直流電源供電。當U、V、W三相繞組輪流通電時，通過電磁力的吸引，步進電動機轉子一步一步地旋轉。第第4章章 伺服

16、控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)步進電動機運動原理圖 W相通電V相通電U相通電逆時針旋轉30逆時針旋轉30逆時針旋轉30第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng) 假設U相繞組首先通電，則轉子上、下兩齒被磁場吸住，轉子就停留在U相通電的位置上。然后U相斷電，V相通電，則磁極U的磁場消失，磁極V產生了磁場，磁極V的磁場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，這時轉子逆時針轉了30。隨后V相斷電，W相通電，根據(jù)同樣的道理，轉子又逆時針轉了30，停止在W相通電的位置上。若再U相通電，W相斷電，那么轉子再逆轉30。定子各相輪流通電一次，轉子轉一個齒。步進電動機繞組按UVWUVWU依次輪流通電，步進電動機轉

17、子就一步步地按逆時針方向旋轉。反之，如果步 進 電 動 機 按 倒 序 依 次 使 繞 組 通 電 ， 即UWVUWVU則步進電動機將按順時針方向旋轉。第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)步進電動機繞組每次通斷電使轉子轉過的角度稱之為步距角。上述分析中的步進電動機步距角為30。對于一個真實的步進電動機，為了減少每通電一次的轉角，在轉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U相定子小齒與轉子小齒對正時，V相和W相定子上的齒則處于錯開狀態(tài)。真實步進電動機的工作原理與上同，只是步距角是小齒距夾角的1/3。第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)三相反應式步進電動機第第4

18、章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)2.步進電動機的通電方式如果步進電動機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。三相步進電動機的單相通電方式稱為三相單三拍通電方式。 如果步進電動機通電循環(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。三相步進電動機采用雙相通電方式時，稱為三相雙三拍通電方式。如果步進電動機通電循環(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。三相步進電動機采用單雙相輪流通電方式時，每個通電循環(huán)中共有六拍，因而又稱為三相六拍通電方式。 第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)一般情況下，m

19、相步進電動機可采用單相通電、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，步進電動機的矩頻特性（輸出轉矩與輸入脈沖頻率的關系）較差，在通電換相過程中，轉子狀態(tài)不穩(wěn)定，容易失步，因而實際應用中較少采用。某三相反應式步進電動機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電動機在各種工作頻率下都具有較大的負載能力。第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)不同通電方式時的矩頻特性雙三拍六拍單三拍0500100015000.10.20.3f / HzT / Nm第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)

20、通電方式不僅影響步進電動機的矩頻特性，對步距角也有影響。一個m相步進電動機，如其轉子上有z個小齒，則其步距角可通過下式計算：式中，k是通電方式系數(shù)。當采用單相或雙相通電方式時，k1；當采用單雙相輪流通電方式時，k2?？梢姡捎脝坞p相輪流通電方式還可使步距角減小一半。步進電機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。 kmz360第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)3. 步進電動機的使用特性 （1） 步距誤差。 （2） 最大靜轉矩。 （3） 啟動矩頻特性。 當伺服系統(tǒng)要求步進電動機的運行頻率高于最大允許啟動率時，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。90B

21、F002型步進電動機的啟動矩頻特性曲線。 由圖可見， 負載轉矩越大， 所允許的最大啟動頻率越小。 第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)啟動矩頻特性3200f / Hz240016008001.9603.92T / Nm第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)（4）運行矩頻特性。90BF002型步進電動機的運行矩頻特性曲線。 第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)運行矩頻特性f / Hz20000400060008000T / Nm1.963.92第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)（5） 最大相電壓和最大相電流。 4. 步進電動機的控制與驅動步進電動機的電樞通斷電次數(shù)和各相通電順序決定了輸出角位移和

22、運動方向，控制脈沖分配頻率可實現(xiàn)步進電動機的速度控制。 因此，步進電機控制系統(tǒng)一般采用開環(huán)控制方式。 開環(huán)步進電動機控制系統(tǒng)框圖， 系統(tǒng)主要由環(huán)形分配器、 功率驅動器、 步進電動機等組成。 第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)開環(huán)步進電動機控制系統(tǒng)框圖環(huán) 形分 配 器功 率驅 動 器步 進電 動 機負 載指 令 脈 沖輸 出第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)步進電動機在一個脈沖的作用下， 轉過一個相應的步距角， 因此只要控制一定的脈沖數(shù)， 即可精確控制步進電動機轉過的相應的角度。 但步進電動機的各繞組必須按一定的順序通電才能正確工作， 這種使電動機繞組的通斷電順序按輸入脈沖的控制而循環(huán)變化的

23、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。 一種是計算機軟件分配， 采用查表或計算的方法使計算機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。 這種方法能充分利用計算機軟件資源，減少硬件成本， 尤其是多相電動機的脈沖分配更能顯示出這種分配方法的優(yōu)點。 但由于軟件運行會占用計算機的運行時間， 因而會使插補運算的總時間增加， 從而影響步進電動機的運行速度。 第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)另一種是硬件環(huán)形分配， 采用數(shù)字電路搭建或專用的環(huán)形分配器件將連續(xù)的脈沖信號經電路處理后輸出環(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）構成， 特點是體

24、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即為三相步進電動機的專用環(huán)形分配器。第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)環(huán)形分配器CH250引腳圖(a) 引腳功能； (b) 三相六拍線路圖UDJ3LJ3rWVUR*RJ6rJ6LUsCPEN16151413121110912345678(a)第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)環(huán)形分配器CH250引腳圖(a) 引腳功能； (b) 三相六拍線路圖方向CP100 k1 F21791016612 V111213R*RCPJ6LJ6rJ3rJ3LUs14 158WVUENUD(b)第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服

25、控制系統(tǒng)2） 功率驅動 常見的步進電動機驅動電路有三種： (1） 單電源驅動電路。這種電路采用單一電源供電，結構簡單，成本低，但電流波形差，效率低，輸出力矩小，主要用于對速度要求不高的小型步進電動機的驅動。第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)單民源驅動電路560 R1uU6 V3.6 V0.3 V680 R3470 R220 R45 VV1V2Ub3b3 E0步進電動機繞組VDV3R0C1C210 R7390 R5第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)(2）雙電源驅動電路。雙電源驅動電路又稱高、低壓驅動電路，采用高壓和低壓兩個電源供電。 第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)高、低壓驅動電路低 壓

26、 控 制 電 路高 壓 控 制 電 路uU控 制 信號低 壓 輸 入 信 號步 進 電 動 機 繞 組高 壓 輸 入 信 號 Ug(高 壓 )VgVD 1VD 2VdRf1Rf2Ud(低 壓 )第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)(3）斬波限流驅動電路。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，使電流在控制脈沖持續(xù)期間始終保持在規(guī)定值上下。這種電路功率大，功耗小，效率高，目前應用最廣。第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)斬波限流驅動電路波形圖ttOOiu第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)斬波限流驅動電路 OTV1U115 V3 kR11 k

27、R2510 R48 R5V20.01FC1VD2TVD3V4VD4VD6U3100 VWV5U25 V1 kR3VD1V38 R63 kR7R951 R81 kUrefR100.27 VD5VD7OP第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)交流伺服電動機 1.異步型交流電動機三相異步電動機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。當在定子繞組中通入三相電源時，定子繞組就會產生一個旋轉磁場，旋轉磁場的轉速為式中,f1為定子供電頻率; p為定子線圈的磁極對數(shù); n1為定子轉速磁場的同步轉速。 pfn1160第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)異步電動

28、機的轉速方程為 式中,n為電動機轉速；s為轉差率。 )1 ()1 (6011snspfn第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)2. 同步型交流電動機 同步交流電動機的轉速用下式表達： 式中,f1為定子供電頻率；p為定子線圈的磁極對數(shù)；n為轉子轉速。3.交流伺服電機的性能由電機理論知道，三相異步電動機定子每相電動勢的有效值E1為E1=4.44f1 N1m pfn160第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)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E1和f1進行適當?shù)目刂疲涂梢允箽庀洞磐╩保持額定值不變。下面分兩種情況說明。（1）基頻以下的

29、恒磁通變頻調速。曲線a為U1/E1常數(shù)時的電壓頻率關系曲線，曲線b為有電壓補償時近似的（E1/f1常數(shù)）電壓頻率關系曲線。第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)恒壓頻比控制特性U1U1nbaOf1nf1第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)(2）基頻以上的弱磁通變頻調速。 異步電動機變頻調速的基本控制方式如圖所示。 第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)異步電動機變頻調速控制特性U1U1nOf1nf1 m恒轉矩調速 mU1恒功率調速第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)4.交流電動機變頻調速的控制方案 根據(jù)生產的要求、變頻器的特點和電動機的種類，會出現(xiàn)多種多樣的變頻調速控制方案。這里只討論交-直-交(

30、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機變頻調速系統(tǒng)控制框圖所示。 第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)開環(huán)異步電動機變頻調速VVVFIM3VVVF 通 用 變 頻 器 ； IM 異 步 電 動 機第第4章章 伺服控制系統(tǒng)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機變頻調速系統(tǒng)控制框圖。 第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)矢量控制變頻器的異步電動機變頻調速VVVFIM3VVVVF矢 量 變 頻 器第第4章章 伺服控制系統(tǒng)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機閉環(huán)變頻調速系統(tǒng)控制框圖。第第4章

31、章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)異步電動機閉環(huán)控制變頻調速VVVFIM3VPG設 定反 饋PG 速 度 脈 沖 發(fā) 生 器第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)4）永磁同步電動機開環(huán)控制永磁同步電動機開環(huán)控制的變頻調速系統(tǒng)控制框圖。第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)永磁同步電動機開環(huán)控制變頻調速VVVFSM3SM同步電動機第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)4.3 電力電子變流技術電力電子變流技術開關器件特性 目前，各類電力電子器件所達到的功能水平如下： 普通晶閘管：12kV、1kA；4kV、3kA。 可關斷晶閘管：9kV、1kA；4.5kV、4.5kA。 逆導晶閘管：4.5kV、1kA。 光觸晶

32、閘管：6kV、2.5kA；4kV、5kA。第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng) 電力晶體管：單管1kV、200A；模塊1.2kV、800A；1.8kV、100A。場效應管：1kV、38A。 絕緣柵極雙極型晶體管：1.2kV、400A；1.8kV、100A。靜電感應晶閘管(SITH)：4.5kV、2.5kA。場控晶閘管：1kV、100A。 第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)電力電子器件的控制容量和開關頻率的應用范圍 TH(SCR)MCTGTOIGBTGTRMOSFETS / VAf / Hz102103104105106103104105106107第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)1.絕緣

33、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，它實際上是用MOSFET驅動雙極型晶體管的，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大;MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅動功率小而飽和壓降低。第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng) IGBT的簡化等效電路圖(a)結構；(b)等效電路；(c)電氣符號PNNPNN門極(G)發(fā)射極(E)N發(fā)射極P基極N基極N緩沖區(qū)P

34、層集電極(C)GECEGC(a)(b)(c)第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)2. 場控晶閘管（MCT）MCT（MOSControlledThyristor）是MOSFET驅動晶閘管的復合器件，集場效應晶體管與晶閘管的優(yōu)點于一身，是雙極型電力晶體管和MOSFET的復合。 一個MCT器件由數(shù)以萬計的MCT元組成，每個元的組成如下：PNPN晶閘管一個（可等效為PNP和NPN晶體管各一個），控制MCT導通的MOSFET（on-FET）和控制MCT關斷的MOSFET（off-FET）各一個。當給柵極加正脈沖電壓時，N溝道的on-FET導通，其漏極電流即為PNP晶體管提供了基極電流使其導通，PNP晶體

35、管的集電極電流又為NPN晶體管提供了基極電流而使其導通，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1+21，MCT導通。第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)當給柵極加負電壓脈沖時，P溝道的off-FET導通，使PNP晶體管的集電極電流大部分經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關斷。MCT阻斷電壓高，通態(tài)壓降小，驅動功率低，開關速度快。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

36、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，這使得保護電路可以簡化。MCT的開關速度超過GTR，開關損耗也小?？傊?，MCT被認為是一種最有發(fā)展前途的電力電子器件。第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)3.靜電感應晶體管（SIT）SIT（StaticInductionTransistor）實際上是一種結型電力場效應晶體管，其電壓、電流容量都比MOSFET大，適用于高頻,大功率的場合。當柵極不加任何信號時，SIT是導通的;柵極加負偏壓時關斷。這種類型的SIT稱為正常導通型，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

37、應晶閘管（SITH）SITH（StaticInductionThyristor）是在SIT的漏極層上附加一層和漏極層導電類型不同的發(fā)射極層而得到的。 第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)變流技術包括晶閘管在內的電力電子器件是變流技術的核心。近年來，隨著電力電子器件的發(fā)展，變流技術得到了突飛猛進的發(fā)展，特別是在交流調速應用方面獲得了極大的成就。變流技術按其功能應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{的）直流電。 逆變器把固定直流電變成固定的（或可調的）交流電。斬波器把固定的直流電壓變成可調的直流電壓。交流調壓器把固定的交流電壓變成可調的交流電壓。周波變流器把固定的交流電壓和

38、頻率變成可調的交流電壓和頻率。 第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)1.整流器整流過程是將交流信號轉換為直流信號的過程，一般可通過二極管或開關器件組成的橋式電路來實現(xiàn)。第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)單相交流可控硅橋式整流電路(a）整流電路；(b）波形圖udOug1, ug4Oug2, ug3O t t tudRidug2ug1V1V2ug3V3ug4V4au2u1(a)(b)Tb第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)脈寬調速原理示意圖(a）原理圖；(b）加載在電機電樞上的電壓波形MUSUdIdUUd1OUd2(a)(b)t2. 斬波器第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)H型橋式PWM晶體管

39、功率放大器M0Us0 UsUcV1VD1AV2VD2VD3V3VD4V4B0 Us0Us第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)雙極式H型可逆器的電壓、電流波形的電路原理圖OUb4Ub1V1V4VD2VD3V1V4VD2VD3tUb3Ub2V2V3V2V3UABOtOidO114223114223114id1id2tt UsU1 Us223第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)考慮開通延時的基極脈沖電壓信號tttidtidOOUb1Ub2第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)（4）當V1和V4或V2和V3始終導通時，電動機在最高轉速下正轉或反轉。該電路中，跨接在電源兩端的上、下兩個晶體管需要交替導通和截止。由于晶體管的關斷過程需要一段時間toff，在這段時間內晶體管并未完全關斷，如果在此期間另一個晶體管已經導通，則將造成上、下兩管直通，從而使電源正,負極短路。為了避免發(fā)生這種情況，需要設置邏輯延時環(huán)節(jié)，并保證在對一個管子發(fā)出關閉脈沖后（如Ub1），延時tid后再發(fā)出對另一個管子的開通脈沖（如Ub2）。第第4章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)電力晶體管GTR的基極驅動電路及波形E1E2urIbGTRurOIbOtt(a)(b)第第4章章 伺服控制系統(tǒng)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