第五章 伺服控制系統(tǒng)方案

./第五章伺服控制系統(tǒng)第一節(jié)概述伺服控制系統(tǒng)是一種能夠跟蹤輸入的指令信號(hào)進(jìn)行動(dòng)作,從而獲得精確的位置、速度及動(dòng)力輸出的自動(dòng)控制系統(tǒng)。如防空雷達(dá)控制就是一個(gè)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(tái)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(jì)算機(jī),通過與加工位置目標(biāo)比較,計(jì)算機(jī)輸出繼續(xù)加工或停止加工的控制信號(hào)。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(jì)要現(xiàn)運(yùn)動(dòng)而提供控制和動(dòng)力的重要環(huán)節(jié)。一、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)、檢測環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)等五部分。如圖5-1給出了系統(tǒng)組成原理框圖。1、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、控制器通常是計(jì)算機(jī)或PID控制電圖5-1伺服系統(tǒng)組成原理框圖路,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)行元件作用是按控制信號(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(dòng)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(shí)際的伺服控制系統(tǒng)中,上述的每個(gè)環(huán)節(jié)在硬件特征上并不獨(dú)立,可能幾個(gè)環(huán)節(jié)在一個(gè)硬件中,如測速直流電機(jī)即是執(zhí)行元件又是檢測元件。二、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：1、按被控量參數(shù)特性分類按被控量不同,機(jī)電一體化系統(tǒng)可分為位移、速度、力矩等各種伺服系統(tǒng)。其它系統(tǒng)還有溫度、濕度、磁場、光等各種參數(shù)的伺服系統(tǒng)2、按驅(qū)動(dòng)元件的類型分類按驅(qū)動(dòng)元件的不同可分為電氣伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)、氣動(dòng)伺服系統(tǒng)。電氣伺服系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)類型的不同又可分為直流伺服系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)控制伺服系統(tǒng)。3、按控制原理分類按自動(dòng)控制原理,伺服系統(tǒng)又可分為開環(huán)控制伺服系統(tǒng)、閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)。開環(huán)控制伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、易于維護(hù),但由于沒有檢測環(huán)節(jié),系統(tǒng)精度低、抗干擾能力差。閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)能及時(shí)對(duì)輸出進(jìn)行檢測,并根據(jù)輸出與輸入的偏差,實(shí)時(shí)調(diào)整執(zhí)行過程,因此系統(tǒng)精度高,但成本也大幅提高。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。如位移控制伺服系統(tǒng)中,為了提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,增設(shè)的電機(jī)速度檢測和控制就屬于半閉環(huán)控制環(huán)節(jié)。三、伺服系統(tǒng)的技術(shù)要求機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)要求具有精度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、負(fù)載能力強(qiáng)和工作頻率圍大等基本要求,同時(shí)還要求體積小、重量輕、可靠性高和成本低等。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),即動(dòng)態(tài)誤差、穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差。穩(wěn)定的伺服系統(tǒng)對(duì)輸入變化是以一種振蕩衰減的形式反映出來,振蕩的幅度和過程產(chǎn)生了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差；當(dāng)系統(tǒng)振蕩衰減到一定程度以后,我們稱其為穩(wěn)態(tài),此時(shí)的系統(tǒng)誤差就是穩(wěn)態(tài)誤差；由設(shè)備自身零件精度和裝配精度所決定的誤差通常指靜態(tài)誤差。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。如果系統(tǒng)能夠進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài),且過程時(shí)間短,則系統(tǒng)穩(wěn)定性好；否則,若系統(tǒng)振蕩越來越強(qiáng)烈,或系統(tǒng)進(jìn)入等幅振蕩狀態(tài),則屬于不穩(wěn)定系統(tǒng)。機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)通常要求較高的穩(wěn)定性。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、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。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(yùn)行速度。上述的四項(xiàng)特性是相互關(guān)聯(lián)的,是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的表現(xiàn)特征。利用自動(dòng)控制理論來研究、分析所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的頻率特性,就可以確定系統(tǒng)的各項(xiàng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),在滿足系統(tǒng)工作要求〔包括工作頻率的前提下,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。執(zhí)行元件一、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,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)行元件分為電氣式、液壓式和氣動(dòng)式等幾種類型。如圖5-2所示。1、電氣式執(zhí)行元件是將電能轉(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。對(duì)控制用電機(jī)性能除要求穩(wěn)速運(yùn)轉(zhuǎn)之外,還要求加速、減速性能和伺服性能,以及頻繁使用時(shí)的適應(yīng)性和便于維護(hù)性。電氣執(zhí)行元件的特點(diǎn)是操作簡便、便于控制、能實(shí)現(xiàn)定位伺服、響應(yīng)快、體積小、動(dòng)力較大和無污染等優(yōu)點(diǎn),但過載能力差、易于燒毀線圈、容易受噪聲干擾。2、液壓式執(zhí)行元件是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)。液壓式執(zhí)行元件有直線式油缸、回轉(zhuǎn)式油缸、液壓馬達(dá)等。液壓執(zhí)行元件的特點(diǎn)是輸出功率大、速度快、動(dòng)作平穩(wěn)、可實(shí)現(xiàn)定位伺服、響應(yīng)特性好和過載能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是體積龐大、介質(zhì)要求高、易泄露和環(huán)境污染。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。氣壓式執(zhí)行元件的特點(diǎn)是介質(zhì)來源方便、成本低、速度快、無環(huán)境污染,但功率較小、動(dòng)作不平穩(wěn)、有噪聲、難于伺服。圖5-2執(zhí)行元件的種類在閉環(huán)或半閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)中,主要采用直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)或伺服閥控制的液壓伺服馬達(dá)作為執(zhí)行元件。液壓伺服馬達(dá)主要用在負(fù)載較大的大型伺服系統(tǒng)中,在中、小型伺服系統(tǒng)中,則多數(shù)采用直流或交流伺服電動(dòng)機(jī)。由于直流伺服電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)特性,并且易于控制,因而在20世紀(jì)90年代以前,一直是閉環(huán)系統(tǒng)中執(zhí)行元件的主流。近年來,由于交流伺服技術(shù)的發(fā)展,使交流伺服電動(dòng)機(jī)可以獲得與直流伺服電動(dòng)機(jī)相近的優(yōu)良性能,而且交流伺服電動(dòng)機(jī)無電刷磨損問題,維修方便,隨著價(jià)格的逐年降低,正在得到越來越廣泛的應(yīng)用,因而目前已形成了與直流伺服電動(dòng)機(jī)共同競爭市場的局面。在閉環(huán)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)者對(duì)技術(shù)的掌握程度及市場供應(yīng)、價(jià)格等情況,適當(dāng)選取合適的執(zhí)行元件。二、直流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電機(jī)具有良好的調(diào)速特性,較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和相對(duì)功率,易于控制及響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。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(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。電磁式的磁場由勵(lì)磁繞組產(chǎn)生；永磁式的磁場由永磁體產(chǎn)生。電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)是一種普遍使用的伺服電動(dòng)機(jī),特別是大功率電機(jī)〔100W以上。永磁式伺服電動(dòng)機(jī)具有體積小、轉(zhuǎn)矩大、力矩和電流成正比、伺服性能好、響應(yīng)快功率體積比大、功率重量比大、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。由于功率的限制,目前主要應(yīng)用在辦公自動(dòng)化、家用電氣、儀器儀表等領(lǐng)域。直流伺服電動(dòng)機(jī)按電樞的結(jié)構(gòu)與形狀又可分為平滑電樞型、空心電樞型和有槽電樞型等。平滑電樞型的電樞無槽,其繞組用環(huán)氧樹脂粘固在電樞鐵心上,因而轉(zhuǎn)子形狀細(xì)長,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。空心電樞型的電樞無鐵心,且常做成杯形,其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小。有槽電樞型的電樞與普通直流電動(dòng)機(jī)的電樞相同,因而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大。直流伺服電動(dòng)機(jī)還可按轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小而分成大慣量、中慣量和小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)。大慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)<又稱直流力矩伺服電動(dòng)機(jī)>負(fù)載能力強(qiáng),易于與機(jī)械系統(tǒng)匹配,而小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)的加減速能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)特性好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、電刷及換向片結(jié)構(gòu)組成〔如圖5-3所示。其中磁極在工作中固定不動(dòng),故又稱定子。定子磁極用于產(chǎn)生磁場。在永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)中,磁極采用永磁材料制成,充磁后即可產(chǎn)生恒定磁場。在他勵(lì)式直流伺服電動(dòng)機(jī)中,磁極由沖壓硅鋼片疊成,外繞線圈,靠外加勵(lì)磁電流才能產(chǎn)生磁場。電樞是直流伺服電動(dòng)機(jī)中的轉(zhuǎn)動(dòng)部分,故又稱轉(zhuǎn)子,它由硅鋼片疊成,表面嵌有線圈,通過電刷和換向片與外加電樞電源相連。圖5-3直流伺服電動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)圖5-4電樞等效電路直流伺服電動(dòng)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(dòng)負(fù)載旋轉(zhuǎn)。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(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和速度。當(dāng)電樞繞組中電流為零時(shí),伺服電動(dòng)機(jī)則靜止不動(dòng)。直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方式主要有兩種：一種是電樞電壓控制,即在定子磁場不變的情況下,通過控制施加在電樞繞組兩端的電壓信號(hào)來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩；另一種是勵(lì)磁磁場控制,即通過改變勵(lì)磁電流的大小來改變定子磁場強(qiáng)度,從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩。采用電樞電壓控制方式時(shí),由于定子磁場保持不變,其電樞電流可以達(dá)到額定值,相應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩也可以達(dá)到額定值,因而這種方式又被稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。而采用勵(lì)磁磁場控制方式時(shí),由于電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行條件下磁場已接近飽和,因而只能通過減弱磁場的方法來改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于電樞電流不允許超過額定值,因而隨著磁場的減弱,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加,但輸出轉(zhuǎn)矩下降,輸出功率保持不變,所以這種方式又被稱為恒功率調(diào)速方式。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5-4所示。當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),回路中的電流保持不變,則電樞回路中的電壓平衡方程式為<5-1>式中,是電樞反電動(dòng)勢(shì)；是電樞電壓；是電樞電流；是電樞電阻。轉(zhuǎn)子在磁場中以角速度切割磁力線時(shí),電樞反電動(dòng)勢(shì)與角速度之間存在如下關(guān)系：<5-2>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)；是定子磁場中每極氣隙磁通量。由〔5-1〔5-2得〔5-3此外,電樞電流切割磁場磁力線所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩,可由下式表達(dá)則<5-4>式中,是轉(zhuǎn)矩常數(shù),僅與電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)。將〔5-4代入〔5-3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<5-5>由此可以得出空載〔＝0,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)＝0時(shí),<5-6>稱為理想空載角速度。可見,角速度與電樞電壓成正比?！?當(dāng)＝0時(shí),<5-7>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)矩的函數(shù),即,則可得到直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式<5-8>式中是常數(shù),。如果把角速度看作是電樞電壓的函數(shù),即,則可得到直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性表達(dá)式<5-9>式中是常數(shù),。根據(jù)式<5-8>和式<5-9>,給定不同的值和值,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5-5、5-6所示。圖5-5直流伺服電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性圖5-6直流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)特性由圖5-5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,與軸的交點(diǎn)則是該電樞電壓下的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。由圖5-6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,說明在一定負(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。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)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?！?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)電路阻是,加在電樞繞組兩端的控制電壓是,則可畫出如圖5-7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<5-10>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<5-11>將式<5-11>與式<5-8>比較可以發(fā)現(xiàn),由于驅(qū)動(dòng)電路阻的存在而使機(jī)械特性曲線變陡了,如圖5-8給出了驅(qū)動(dòng)電路阻影響下的機(jī)械特性圖。圖5-7含驅(qū)動(dòng)電路的電樞等效回路圖5-8驅(qū)動(dòng)電路阻對(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)；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5-8可見,由于功放電路阻的存在而使電動(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)法減小其阻?！?直流伺服電動(dòng)機(jī)部的摩擦對(duì)調(diào)節(jié)特性的影響由圖5-6可見,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)部存在摩擦〔如轉(zhuǎn)子與軸承間摩擦等,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,因而啟動(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5-9所示。電動(dòng)機(jī)摩擦轉(zhuǎn)矩越大,所需的啟動(dòng)電壓就越高。通常把從零到啟動(dòng)電壓這一電壓圍稱死區(qū),電壓值處于該區(qū)時(shí),不能使直流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)?！?負(fù)載變化對(duì)調(diào)節(jié)特性的影響由式〔5-5知,在負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變的條件下,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5-9所示?？梢娪捎谪?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)角速度的圖5-9摩擦及負(fù)載變動(dòng)對(duì)調(diào)節(jié)特性的影響變化率越來越小,這一點(diǎn)在變負(fù)載控制時(shí)應(yīng)格外注意。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,因此直流伺服電機(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。圖5-10閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖直流伺服系統(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。它們都是對(duì)系統(tǒng)輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測和反饋,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信號(hào)位置的不同,因而導(dǎo)致設(shè)計(jì)、制造的難易程度不同及工作性能的不同,但兩者的設(shè)計(jì)與分析方法是基本上一致的。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5-10、5-11所示。圖5-11半閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖設(shè)計(jì)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(shí),應(yīng)采用閉環(huán)控制方案。它將全部機(jī)械傳動(dòng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)都封閉在反饋控制環(huán),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(jì)難度大,成本高,尤其是機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)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(shí),一般應(yīng)采用半閉環(huán)控制方案。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、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(duì)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(dòng)機(jī)的角位移,又通過計(jì)時(shí)而獲得速度。在閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)中,機(jī)械傳動(dòng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)形式上與開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)基本一樣,即由執(zhí)行元件通過減速器和滾動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu),驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)。直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制及驅(qū)動(dòng)方法通常采用晶體管脈寬調(diào)制〔PWM控制和晶閘管〔可控硅放大器驅(qū)動(dòng)控制。具體的控制方法在本章第三節(jié)介紹。三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)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(dòng)機(jī)。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)成本較低,易于采用計(jì)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(dòng)機(jī)比直流電動(dòng)機(jī)或交流電動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)。目前,一般數(shù)控機(jī)械和普通機(jī)床的微機(jī)改造多數(shù)均采用開環(huán)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。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)按其工作原理分,主要有磁電式和反應(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5-12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WA、WB、WC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)WA、WB、WC三相繞組輪流通電時(shí),通過電磁力吸引步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子一步一步地旋轉(zhuǎn)。圖5-12步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)原理圖圖5-13三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)首先假設(shè)U相繞組通電,則轉(zhuǎn)子上下兩齒被磁吸住,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的磁場消失,磁極V產(chǎn)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(shí)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)了300。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300,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)300。定子各相輪流通電一次,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一個(gè)齒。步進(jìn)電機(jī)繞組按…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：…,則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(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)電機(jī)步距角為300。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5-13所示。工作原理與上同,只是步距角是小齒距夾角的1/3。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,其余斷電,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：。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,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)〔如：,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)的各拍替出現(xiàn)單、雙相通電狀態(tài),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,即。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)的通電方式可分別稱為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5-14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5-14不同通電方式時(shí)的矩頻特性圖5-15啟動(dòng)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,則其步距角可通過下式計(jì)算：<5-12>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?？梢姴捎脝坞p相輪流通電方式還可使步距角減小—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步距誤差步距誤差直接影響執(zhí)行部件的定位精度。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單相通電時(shí)。步距誤差取決于定子和轉(zhuǎn)子的分齒精度和各相定子的錯(cuò)位角度的精度。多相通電時(shí),步距角不僅與加工裝配精度有關(guān),還和各相電流的大小、磁路性能等因素有關(guān)。國產(chǎn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距誤差一般為,功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距誤差—般為。精度較高的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可達(dá)2‘～5’。〔2最大靜轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在某相始終通電而處于靜止不動(dòng)狀態(tài)時(shí),所能承受的最大外加轉(zhuǎn)矩,亦即所能輸出的最大電磁轉(zhuǎn)矩,它反映了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)能力和低速步進(jìn)運(yùn)行時(shí)的負(fù)載能力?！?啟動(dòng)矩一頻特性空載時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止突然啟動(dòng),并不失步地進(jìn)入穩(wěn)速運(yùn)行所允許的最高頻率稱為最高啟動(dòng)頻率。啟動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩有關(guān)。圖5-15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。選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)應(yīng)使實(shí)際應(yīng)用的啟動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩所對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)工作點(diǎn)位于該曲線之下,才能保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不失步地正常啟動(dòng)。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)頻率時(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6-16運(yùn)行矩頻特性〔4運(yùn)行矩頻特性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)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(yùn)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(dòng)器等因素有關(guān)。圖5-16是90BF002型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線。由圖可見,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩隨運(yùn)行頻率的增加而減小,即高速時(shí)其負(fù)載能力變差,這一特性是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用圍受到限制的主要原因之一。選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí),應(yīng)使實(shí)際應(yīng)用的運(yùn)行頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩所對(duì)應(yīng)的運(yùn)行工作點(diǎn)位于運(yùn)行矩頻特性之下,才能保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不失步地正常運(yùn)行。圖6-16運(yùn)行矩頻特性〔5最大相電壓和最大相電流分別是指步進(jìn)電動(dòng)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。實(shí)際應(yīng)用的相電壓或相電流如果大于允許值,可能會(huì)導(dǎo)致步進(jìn)電動(dòng)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(dòng)機(jī)的性能又不能充分發(fā)揮出來。因而設(shè)計(jì)或選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源時(shí),應(yīng)充分考慮這兩個(gè)電氣參數(shù)。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5-17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5-17開環(huán)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)框圖〔1環(huán)形分配步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在—個(gè)脈沖的作用下,轉(zhuǎn)過一個(gè)相應(yīng)的步距角,因而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,以減少硬件成本,尤其是多相電動(dòng)機(jī)的脈沖分配更顯示出它的優(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。圖5-18環(huán)形分配器CH250引腳圖另一種是硬件環(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,它的引腳功能圖及三相六拍線路圖如圖5-18所示。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是使用方便,接口簡單?！?功率驅(qū)動(dòng)要使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能輸出足夠的轉(zhuǎn)矩以驅(qū)動(dòng)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(hào),實(shí)現(xiàn)這一功能的電路稱為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際上是一個(gè)功率開關(guān)電路,其功能是將環(huán)形分配器的輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大,得到步進(jìn)電動(dòng)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)電動(dòng)機(jī)的工作特性在很大程度上取決于功率驅(qū)動(dòng)器的性能,對(duì)每一相繞組來說,理想的功率驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)繞組有很大的電感,要做到這一點(diǎn)是有困難的。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5-19所示步進(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。當(dāng)環(huán)形分配器的脈沖輸入信號(hào)為低電平〔邏輯0,約1V時(shí),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)輸入信號(hào)為高電平3.6V〔邏輯1時(shí)。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(dòng)電路2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。在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組剛接通時(shí),通過高壓電源供電,以加快電流上升速度,延遲一段時(shí)間后,切換到低壓電源供電。這種電路使電流波形、輸出轉(zhuǎn)矩及運(yùn)行頻率等都有較大改善,如圖5-20所示。當(dāng)環(huán)形分配器的脈沖輸入信號(hào)為高電平時(shí)〔要求該相繞組通電,二極管VTg、VTd的基極都有信號(hào)電壓輸入,使VTg、VTd均導(dǎo)通。于是在高壓電源作用下〔這時(shí)二極管VD1兩端承受的是反向電壓,處于截止?fàn)顟B(tài),可使低壓電源不對(duì)繞組作用繞組電流迅速上升,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(shí),利用定時(shí)電路或電流檢測器等措施切斷VTg基極上的信號(hào)電壓,于是VTg截止,但此時(shí)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。當(dāng)環(huán)形分配器輸出端的電壓為低電平時(shí)〔要求繞組斷電,VTd基極上的信號(hào)電壓消失,于是VTd截止,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。采用這種高低壓切換型電源,電動(dòng)機(jī)繞組上不需要串聯(lián)電阻或者只需要串聯(lián)一個(gè)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩一頻率特性好,啟動(dòng)和運(yùn)行頻率得到很大的提高。圖5-20高、低壓驅(qū)動(dòng)電路圖5-21斬波限流驅(qū)動(dòng)電路波形圖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,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5-21所示。這種電路出力大,功耗小,效率高,目前應(yīng)用最廣。圖5-22所示為一種斬波限流驅(qū)動(dòng)電路原理圖,其工作原理如下：圖5-22斬波限流驅(qū)動(dòng)電路當(dāng)環(huán)形分配器的脈沖輸入高電平〔要求該相繞組通電加載到光電耦合器OT的輸入端時(shí),晶體管VT1導(dǎo)通,并使VT2和VT3也導(dǎo)通。在VT2導(dǎo)通瞬間,脈沖變壓器TI在其二次線圈中感應(yīng)出一個(gè)正脈沖,使大功率晶體管VT4導(dǎo)通。同時(shí)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(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。由于W是感性負(fù)載,其中電流在導(dǎo)通后逐漸增加,當(dāng)其增加到一定值時(shí),在檢測電阻R10上產(chǎn)生的壓降將超過由分壓電阻R7和電阻R8所設(shè)定的電壓值Vref,使比較器OP翻轉(zhuǎn),輸出低電平使VT2截止。在VT2截止瞬時(shí),又通過TI將一個(gè)負(fù)脈沖交連到二次線圈,使VT4截止。于是電源通路被切斷,W中儲(chǔ)存的能量通過VT5、R10及二極管VD7釋放,電流逐漸減小。當(dāng)電流減小到一定值后,在R10上的壓降又低于Vref,使OP輸出高電平,VT2、VT4及W重新導(dǎo)通。在控制脈沖持續(xù)期間,上述過程不斷重復(fù)。當(dāng)輸入低電平時(shí),VTl～VT5等相繼截止,W中的能量則通過VD6、電源、地和VD7釋放。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。四、交流伺服電動(dòng)機(jī)二十世紀(jì)后期,隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,交流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于伺服控制越來越普遍。與直流伺服電動(dòng)機(jī)比較,交流伺服電動(dòng)機(jī)不需要電刷和換向器,因而維護(hù)方便和對(duì)環(huán)境無要求；此外,交流電動(dòng)機(jī)還具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、體積和重量較小,結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)；尤其是交流電動(dòng)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。交流電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩特性和調(diào)節(jié)特性的線性度不及直流伺服電動(dòng)機(jī)好；其效率也比直流伺服電動(dòng)機(jī)低。因此,在伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),除某些操作特別頻繁或交流伺服電動(dòng)機(jī)在發(fā)熱和起、制動(dòng)特性不能滿足要求時(shí),選擇直流伺服電動(dòng)機(jī)外,一般盡量考慮選擇交流伺服電動(dòng)機(jī)。用于伺服控制的交流電動(dòng)機(jī)主要有同步型交流電動(dòng)機(jī)和異步型交流電動(dòng)機(jī)。采用同步型交流電動(dòng)機(jī)的伺服系統(tǒng),多用于機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)控制、工業(yè)機(jī)帶入關(guān)節(jié)傳動(dòng)和其它需要運(yùn)動(dòng)和位置控制的場合。異步型交流電動(dòng)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)。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度,三相交流電源的相與相之間的電壓在相位上也是相差120度的,當(dāng)在定子繞組入三相電源時(shí),定子繞組就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為：〔5-13式中：f1——定子供電頻率P——定子線圈的磁極對(duì)數(shù)n1——定子轉(zhuǎn)速磁場的同步轉(zhuǎn)速定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場后,轉(zhuǎn)子導(dǎo)條〔鼠籠條將切割旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電流,轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中的電流又與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生電磁力,電磁力產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場方向旋轉(zhuǎn)。一般情況下,電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1。如果假設(shè)n=n1,則轉(zhuǎn)子導(dǎo)條與旋轉(zhuǎn)磁場就沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng),就不會(huì)切割磁力線,也就不會(huì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,所以轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n1必然小于n。為此我們稱三相電動(dòng)機(jī)為異步電動(dòng)機(jī)。旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向與繞組中電流的相序有關(guān)。假設(shè)三相繞組A、B、C中的電流相序按順時(shí)針流動(dòng),則磁場按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn),若把三根電源線中的任意兩根對(duì)調(diào),則磁場按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。利用這一特性我們可很方便地改變?nèi)嚯妱?dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。

綜上所述,異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速方程為〔5-14式中n——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；s——轉(zhuǎn)差率。根據(jù)此式我們知道,交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與磁極數(shù)和供電電源的頻率有關(guān)。我們把改變異步電動(dòng)機(jī)的供電頻率f1實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)調(diào)速的方法稱為變頻調(diào)速；而改變磁極對(duì)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(jí)調(diào)速,變極調(diào)速是有級(jí)調(diào)速。當(dāng)然,改變轉(zhuǎn)差率S也可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速,但該辦法會(huì)降低交流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性,一般不使用。2、同步型交流電動(dòng)機(jī)同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度與定子繞組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的速度是一樣的,所以稱為同步電動(dòng)機(jī)。同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組與異步電動(dòng)機(jī)相同,它的轉(zhuǎn)子做成顯極式的,安裝在磁極鐵芯上面的磁場線圈是相互串聯(lián)的,接成具有交替相反的極性,并有兩根引線連接到裝在軸上的兩只滑環(huán)上面。磁場線圈是由一只小型直流發(fā)電機(jī)或蓄電池來激勵(lì),在大多數(shù)同步電動(dòng)機(jī)中,直流發(fā)電機(jī)是裝在電動(dòng)機(jī)軸上的,用以供應(yīng)轉(zhuǎn)子磁極線圈的勵(lì)磁電流。

由于這種同步電動(dòng)機(jī)不能自動(dòng)啟動(dòng),所以在轉(zhuǎn)子上還裝有鼠籠式繞組而作為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)之用。鼠籠繞組放在轉(zhuǎn)子的周圍,結(jié)構(gòu)與異步電動(dòng)機(jī)相似。

當(dāng)在定子繞組通上三相交流電源時(shí),電動(dòng)機(jī)就產(chǎn)生了一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場,鼠籠繞組切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電流,從而使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)起來。電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)之后,其速度慢慢增高到稍低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速,此時(shí)轉(zhuǎn)子磁場線圈經(jīng)由直流電來激勵(lì),使轉(zhuǎn)子上面形成一定的磁極,這些磁極就企圖跟蹤定子上的旋轉(zhuǎn)磁極,這樣就增加電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的速率直至與旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)為止。同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速與電源的供電頻率有嚴(yán)格不變的關(guān)系,它恒等于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速,即電動(dòng)機(jī)與旋轉(zhuǎn)磁場兩者的轉(zhuǎn)速保持同步,并由此而得名。同步交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速用下式表達(dá)：<5-15>式中：f1——定子供電頻率P——定子線圈的磁極對(duì)數(shù)n——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速3、交流伺服電機(jī)的性能對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制時(shí),希望電動(dòng)機(jī)的每極磁通保持額定值不變。若磁通太弱,則鐵心利用不夠充分,在同樣的轉(zhuǎn)子電流下,電磁轉(zhuǎn)矩小,電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力下降。若磁通太強(qiáng),又會(huì)使鐵心飽和,使勵(lì)磁電流過大,嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過熱而損壞電動(dòng)機(jī)。異步電動(dòng)機(jī)的磁通是定子和轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)合成產(chǎn)生的,下面說明怎樣才能使磁通保持恒定。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<5-16>式中——每極氣隙磁通；N1——定子相繞組有效匝數(shù)。由上式可見,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?就可以使氣隙磁通保持額定值不變。下面分兩種情況說明：〔1基頻以下的恒磁通變頻調(diào)速這是考慮從基頻〔電動(dòng)機(jī)額定頻率f向下調(diào)速的情況。為了保持電動(dòng)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(shí)降低感應(yīng)電動(dòng)機(jī),保持E1/f1＝常數(shù),即保持電動(dòng)勢(shì)與頻率之比為常數(shù)進(jìn)行控制。這種控制又稱為恒磁通變頻調(diào)速,屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。由于,E1難于直接檢測及直接控制,當(dāng)E1和f1的值較高時(shí),定子的漏阻抗壓降相對(duì)比較小,如忽略不計(jì),則可近似地保持定子相電壓U1和頻率f1的比值為常數(shù),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(shí),U1和E1都變小,定子漏阻抗壓降〔主要是定子電阻壓降不能忽略。在這種情況下,可以適當(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。如圖5-23所示,其中曲線a為U1/E1＝常數(shù)時(shí)的電壓——頻率關(guān)系。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?！?基頻以上的弱磁通變頻調(diào)速這是考慮由基頻開始向上調(diào)速的情況。頻率由額定值f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(huì)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,上述兩種情況綜合起來。異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的基本控制方式如圖5-24所示。圖5-23恒壓頻比控制特性圖5-24異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制特性由上述分析可知,變頻調(diào)速時(shí),一般需要同時(shí)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(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?！玻遍_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5-25所示。圖5-25開環(huán)異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速

VVVF-通用變頻器IM-異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)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)速圍和較高的調(diào)速精度。異步電動(dòng)機(jī)存在轉(zhuǎn)差率,轉(zhuǎn)速隨負(fù)荷力矩變化而變動(dòng),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。圖5-26矢量控制變頻器的異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速

VVVF-矢量變頻器〔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機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)控制框圖如圖5-26所示。對(duì)比圖5-25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(duì)異步電動(dòng)機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行檢測、控制,自動(dòng)改變電壓和頻率,使指令值和檢測實(shí)際值達(dá)到一致,從而實(shí)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(dòng)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(shí)效。〔3帶速度傳感器矢量控制帶速度傳感器矢量控制變頻器的異步電機(jī)閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)控制框圖如圖5-27所示。圖5-27異步電機(jī)閉環(huán)控制變頻調(diào)速

PG-速度脈沖發(fā)生器矢量控制異步電機(jī)閉環(huán)變頻調(diào)速是一種理想的控制方式。它具可以從零轉(zhuǎn)速起進(jìn)行速度控制,即甚低速亦能運(yùn)行,因此調(diào)速圍很寬廣,可達(dá)100:1或1000:1；可以對(duì)轉(zhuǎn)矩實(shí)行精確控制；系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度甚快；電動(dòng)機(jī)的加速度特性很好等優(yōu)點(diǎn)。然而,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(dòng)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(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性高的特點(diǎn)。況且,在某些情況下,由于電動(dòng)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(duì)于調(diào)速圍、轉(zhuǎn)速精度和動(dòng)態(tài)品質(zhì)要求不是特別高的條件場合,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)。〔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5-28所示。圖5-28永磁同步電動(dòng)機(jī)開環(huán)控頻調(diào)速

SM-同步電動(dòng)機(jī)〔PM.SM-制變永磁式假如將圖5-25中異步電動(dòng)機(jī)〔IM換成永磁同步電動(dòng)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(diǎn)。由于是同步電動(dòng)機(jī),它轉(zhuǎn)速始終等于同步轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速只取決于電動(dòng)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(dòng)機(jī)會(huì)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(duì)硬特性。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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速精度亦為0.01%。因?yàn)橥诫妱?dòng)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(shí),所以特別適合多電機(jī)同步傳動(dòng)。至于同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)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。第三節(jié)電力電子變流技術(shù)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際上就是將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為功率信號(hào),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)。一、開關(guān)器件特性傳統(tǒng)的開關(guān)器件包括晶閘管〔SCR、電力晶體管〔GTR,可關(guān)斷晶閘管〔GTO、電力場效應(yīng)晶體管〔MOSFET等。近年來,隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)和變流技術(shù)的發(fā)展,相繼出現(xiàn)了絕緣柵極雙極型晶體管〔IGBT、場控晶閘管〔MCT等新型電力電子器件。電力電子器件的性能要大容量、高頻率、易驅(qū)動(dòng)和低損耗。因此,評(píng)價(jià)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(dòng)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)到的功能水平是：普通晶閘管：12kV、lkA；4kV、3kA；可關(guān)斷晶閘管：9kV、lkA；4.5kV、4.5kA；逆導(dǎo)晶閘管：4.5kV、lkA；光觸晶閘管：6kV、2.5kA；4kV、5kA電力晶體管：單管1kV、200A；模塊1.2kV、800A；1.8kV、100A；場效應(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；場控晶閘管：1kV、100A；圖5-29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)用圍。圖5-29電力電子器件的控制容量和開關(guān)頻率的應(yīng)用圍開關(guān)器件分為晶閘管型和晶體管型,他們的共同特點(diǎn)是用正或負(fù)的信號(hào)施加與門極上〔或柵極或基極來控制器件的開與關(guān)。一般開關(guān)器件在其它教材中都有所介紹,下面主要介紹幾種驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快、應(yīng)用廣泛的新型器件。1、絕緣柵極雙極型晶體管〔IGBTIGBT〔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,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)。電力晶體管飽和壓降低,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5-29a所示,圖5-29b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5-29c是IGBT的電氣符號(hào)。IGBT的開關(guān)速度低于MOSFET,但明顯高于電力晶體管。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低而和電力晶體管接近,飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。圖5-29IGBT的簡化等效電路圖IGBT的容量和GTR的容量屬于一個(gè)等級(jí),研制水平已達(dá)1000V/800A。但I(xiàn)GBT比CTR驅(qū)動(dòng)功率小,工作頻率高,預(yù)計(jì)在中等功率容量圍將逐步取代GTR。也已實(shí)現(xiàn)了模塊化,并且已占領(lǐng)了電力晶體管的很大一部分市場。2、場控晶閘管〔MCTMCT〔MOSControlledThyristor是MOSFET驅(qū)動(dòng)晶閘管的復(fù)合器件,集場效應(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。MCT把MOSFET的高輸入阻抗、低驅(qū)動(dòng)功率和晶閘管的高電壓大電流、低導(dǎo)通壓降的特點(diǎn)結(jié)合起來,成為非常理想的器件。一個(gè)MCT器件由數(shù)以萬計(jì)的MCT元組成,每個(gè)元的組成為：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)。其等效電路如圖7-39a所示。圖7-39b是其電氣符號(hào)。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>1,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。因而NPN晶體管的集電極電流,即PNP晶體管基極電流減小,這又使得NPN晶體管的基極電流減小,這種正反饋使<1時(shí)MCT即關(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,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/dr,這使得保護(hù)電路可以簡化。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。3、靜電感應(yīng)晶體管〔SITSIT〔StaticInductionTransistor實(shí)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。在柵極不加任何信號(hào)時(shí),SIT是導(dǎo)通的,柵極加負(fù)偏時(shí)關(guān)斷,這種類型稱為正常導(dǎo)通型,使用不太方便。另外,SIT通態(tài)壓降大,因而通態(tài)損耗也大。4、靜電感應(yīng)晶閘管〔SITHSITH〔StaticlnductionThyristor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。和SIT相同,SITH一般也是正常導(dǎo)通型,但也有正常關(guān)斷型的。SITH的許多特性和GTO類似,但其開關(guān)速度比GTO高得多〔GTO的工作頻率約為1—2kHz,是大容量的快速器件。另外,可關(guān)斷晶閘管〔GTO是目前各種自關(guān)斷器件中容量最大的,在關(guān)斷時(shí)需要很大的反向驅(qū)動(dòng)電流；電力晶體管〔GTR目前在各種自關(guān)斷器件中應(yīng)用最廣,其容量為中等,工作頻率一般在10kHz以下。電力晶體管是電流控制型器件,所需的驅(qū)動(dòng)功率較大；電力MOSFET是電壓控制型器件,所需驅(qū)動(dòng)功率最小。在各種自關(guān)斷器件中,其工作頻率最高,可達(dá)100kHz以上。其缺點(diǎn)是通態(tài)壓降大,器件容量小。5、開關(guān)器件的應(yīng)用說明變流器中開關(guān)器件的開關(guān)特性決定了控制電路的功率、響應(yīng)速度、頻帶寬度、可靠性和功率損耗等指標(biāo)。由于普通晶閘管是只具備控制接通、無自關(guān)斷能力的半控型器件,因此在直流回路里,如要求將它關(guān)斷,需增設(shè)含電抗器和電容器或輔助晶閘管的換相回路。另外,普通晶閘管的開關(guān)頻率較低,故對(duì)于開關(guān)頻率要求較高的無源逆變器和斬波器,就無法勝任,必須使用開關(guān)頻率較高的全控型的自關(guān)斷器件。例如將電力晶體管替代普通晶閘管用在變頻裝置的逆變器中,其體積可減少2/3,而開關(guān)頻率可提高6倍,還相應(yīng)地降低了換相損耗,提高了效率。近年來,不間斷電源和交流變頻調(diào)速裝置廣泛采用電力電子自關(guān)斷器件?？梢哉f,以全控型的開關(guān)器件來取代線路復(fù)雜、體積龐大、功能指標(biāo)較低的普通晶閘管和換相電路,這是變流技術(shù)發(fā)展的規(guī)律。由于全控型器件開關(guān)頻率的提高,變流器可采用脈寬調(diào)制〔PWM型的控制,既可降低諧波和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),又提高了快速性,還改善了功率因數(shù)。目前國外的中小容量和較大容量的變頻裝置已大部分采用了由自關(guān)斷器件構(gòu)成的PWM控制電路,大功率的電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)以及電力機(jī)車用PWM逆變器的功率達(dá)兆瓦級(jí),開關(guān)頻率為1～20kHz。在斬波器的直流——直流變換中,采用PWM技術(shù)亦有多年歷史,其開關(guān)頻率為20kHz～1MHz。應(yīng)用場效應(yīng)晶體管及諧振原理,采用軟開關(guān)技術(shù)以構(gòu)成直流——直流變流器,其開關(guān)損耗及電磁干擾均可顯著減少,可使小功率變流器的開關(guān)頻率達(dá)幾兆赫,這時(shí)濾波用的電感和電容的體積顯著減小,充分顯示其優(yōu)越性。二、變流技術(shù)包括晶閘管在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摹不蚩烧{(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)。如圖5-30所示單相交流信號(hào)可控硅橋式整流電路。圖5-30所示單相交流可控硅橋式整流電路整流電路b波形圖如圖5-30a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。Ug是控制引腳,按圖5-30b中波形輸入控制信號(hào),b圖中Ub就是加載在電阻負(fù)載R上的整流電壓波形。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VT換成二極管,則該電路變成了不可調(diào)壓的整流電路。2、斬波器直流伺服電機(jī)的調(diào)速控制是通過改變勵(lì)磁電壓來實(shí)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(shí)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〔PulseWidthModulation直流調(diào)速。如圖5-31所示為脈寬調(diào)速原理示意圖。ab圖5-31脈寬調(diào)速示意圖a原理圖b加載在電機(jī)電樞上的電壓波形將圖5-31a中的開關(guān)S周期性地開關(guān),在一個(gè)周期T閉合的時(shí)間為τ,則一個(gè)外加的固定直流電壓U被按一定的頻率開閉的開關(guān)S加到電動(dòng)機(jī)的電樞上,電樞上的電壓波形將是一列方波信號(hào),其高度為U、寬度為,如圖5-31b所示。電樞兩端的平均電壓為：〔5-17式中=/T=Ud/U,<0<<1>為導(dǎo)通率〔或稱占空比。當(dāng)T不變時(shí),只要改變導(dǎo)通時(shí)間,就可以改變電樞兩端的平均電壓Ud。當(dāng)從0~T改變時(shí),Ud由零連續(xù)增大到U。實(shí)際電路中,一般使用自關(guān)斷電力電子器件來實(shí)現(xiàn)上述的開關(guān)作用,如GTR、MOSFET、IGBT等器件。圖5-31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5-32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。該電路是由四個(gè)大功率晶功放電路,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)。圖5-32H型橋式PWM晶體管功率放大器的電路原理圖圖5-33雙極式H型可逆換器電壓和電流波形圖中,大功率晶體管VT1～VT4組成H型橋式結(jié)構(gòu)的開關(guān)功放電路,由續(xù)流二極管VDl～VD4構(gòu)成在晶體管關(guān)斷時(shí)直流伺服電動(dòng)機(jī)繞組中能量的釋放回路。Us來自于電壓——脈寬變換器的輸出,-Us可通過對(duì)+US反相獲得。當(dāng)Us>0時(shí),VTl和VT4導(dǎo)通,Us<0時(shí),VT2和VT3導(dǎo)通。按照控制指令的不同情況,該功放電路及其所驅(qū)動(dòng)的直流伺服電動(dòng)機(jī)可有以下三種工作狀態(tài)：〔1當(dāng)UAB＝0時(shí),US的正、負(fù)脈寬相等,直流分量為零,VT1和VT4的導(dǎo)通時(shí)間與VT2和VT3的導(dǎo)通時(shí)間相等,流過電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?！?當(dāng)UAB>0時(shí),Us的正脈寬大于負(fù)脈寬,直流分量大于零,VT1和VT4的導(dǎo)通時(shí)間長于VT2和VT3的導(dǎo)通時(shí)間,流過繞組中的電流平均值大于零,電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn),且隨著UI增加,轉(zhuǎn)速增加?！?當(dāng)UAB<0時(shí),US的直流分量小于零,電樞繞組中的電流千均值也小于零,電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn),且反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速隨著UI減小而增加?！?當(dāng)VT1和VT4或VT2和VT3始終導(dǎo)通時(shí),電動(dòng)機(jī)在最高轉(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)斷過程中有一段關(guān)斷時(shí)間t0ff,在這段時(shí)間晶體管并末完全關(guān)斷,如果在此期間,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5-34中的Ubl,延時(shí)tid后再發(fā)出對(duì)另一個(gè)管子的開通脈沖〔如Ub2。圖5-34考慮開通延時(shí)的基極脈沖電壓信號(hào)如圖5-35a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VT〔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5-35b所示就是GTR的一種驅(qū)動(dòng)電路和輸入輸出波形。圖5-35電力晶體管GTR的基極驅(qū)動(dòng)電路及波形3、逆變器將直流電變換成交流電的電路稱為逆變器。當(dāng)蓄電池和太陽能電池等直流電源需要向交流負(fù)載供電時(shí),就需要通過逆變電路將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。逆變過程還往往應(yīng)用在變頻電路中,變頻就是將固定頻率的交流電變成另一種固定或可變頻率的交流電。變頻的方法通常有兩種,一種是將交流整流成直流,再將直流逆變成負(fù)載所需要的交流〔交—直—交；另一種是直接將交流變換成負(fù)載所需要的交流〔交—交。前一種直流變交流的過程就應(yīng)用了逆變的方法?！?半橋逆變電路半橋逆變電路原理如圖5-36a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)電容的聯(lián)結(jié)點(diǎn)為直流電源的中點(diǎn)。設(shè)電力晶體管Vl和V2基極信號(hào)在一個(gè)周期各有半周正偏和反偏,且二者互補(bǔ)。當(dāng)負(fù)載為感性時(shí),其工作波形如圖5-36b所示。輸出電壓波形u0為矩形波,其幅值為Um=Ud/2輸出電流i0波形隨負(fù)載阻抗角而異。設(shè)t2時(shí)刻以前V1導(dǎo)通。t2時(shí)刻給V1關(guān)斷信號(hào),給V2導(dǎo)通信號(hào),但感性負(fù)載中的電流i0不能立刻改變方向,于是VD2導(dǎo)通續(xù)流。當(dāng)t3時(shí)刻i0降至零時(shí)VD2截止,V2導(dǎo)通,i0開始反向。同樣,在t4時(shí)刻給V2關(guān)斷信號(hào),給V1導(dǎo)通信號(hào)后,V2關(guān)斷,VD1先導(dǎo)通續(xù)流,t5時(shí)刻V1才導(dǎo)通。當(dāng)V1或V2導(dǎo)通時(shí),負(fù)載電流和電壓同方向,直流側(cè)向負(fù)載提供能量；而當(dāng)VD1或VD2導(dǎo)通時(shí),負(fù)載電流和電壓反方向,負(fù)載中電感的能量向直流側(cè)反饋,既負(fù)載將其吸收的無功能量反饋回直流側(cè)。反饋回的能量暫時(shí)儲(chǔ)存在直流側(cè)電容中,直流側(cè)電容起到緩沖這種無功能量的作用。二極管VD1、VD2是負(fù)載向直流側(cè)反饋能量的通道,同時(shí)起到使負(fù)載電流連續(xù)的作用,VD1、VD2被稱為反饋二極管或續(xù)流二極管。圖5-36半橋逆變電路及其波形圖〔2負(fù)載換相全橋逆變電路圖5-37a是全橋逆變電路應(yīng)用的實(shí)例。電路中四個(gè)橋臂均由電力晶體管控制,其負(fù)載是電阻、電感串聯(lián)后再和電容并聯(lián)的容性負(fù)載。電容是為了改變負(fù)載功率因數(shù)而設(shè)置的。在直流電源側(cè)串接一個(gè)很大的電感Ld,因而在工作過程中直流側(cè)電流id基本沒有波動(dòng)。電路的工作波形如5-37b所示。因負(fù)載是并聯(lián)諧振型負(fù)載,對(duì)基波阻抗很大而對(duì)諧波阻抗很小,故負(fù)載電壓u0波形接近正弦波。由于直流接有大電感Ld,所以負(fù)載電流i0為矩形波。圖5-37負(fù)載換相全橋逆變電路及波形設(shè)在t1時(shí)刻前VT1、VT4導(dǎo)通,u0、i0均為正。在t1時(shí)刻觸發(fā)VT2、VT3,則負(fù)載電壓加在VT1、VT4上使其承受反向電壓u而關(guān)斷,電流從VT1、VT4轉(zhuǎn)移到VT2、VT3。觸發(fā)VT2、VT3的時(shí)刻t1必須在u0過零前并留有足夠的裕量,才能使換相順利進(jìn)行。該逆變電路適合于負(fù)載電流的相位超前于負(fù)載電壓的容性負(fù)載等場合。另外,負(fù)載為同步電機(jī)時(shí),由于可以控制勵(lì)磁使負(fù)載電流的相位超前于反電動(dòng)勢(shì),因此也適用本電路。第四節(jié)PWM型變頻電路上一節(jié)介紹了整流和逆變的過程,將可控整流電路和一個(gè)逆變電路結(jié)合到一起就組成了變頻電路。圖5-38所示即為交—直—交變頻電路。逆變電路采用上節(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。為了克服上述缺點(diǎn),變頻器中的逆變電路通常采用PWM〔PulseWidthModulation逆變方式。PWM型變頻器就是對(duì)逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制,使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖,用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。圖5-38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)。圖5-38交—直—交變頻電路結(jié)構(gòu)圖一、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,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代替一個(gè)正弦電波。把圖5-39a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。這些脈沖寬度相等,都等于／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5-39b所示的脈沖序列。這就是PWM波形?？梢钥闯?各脈沖的寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)沖量相等效果相同的原理,PWM波形和正弦半波是等效的。對(duì)于正弦波的負(fù)半周,也可以用同樣的方法得到PWM波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形,也稱為SPWM〔SinusoidalPWM波形。二、單相SPWM控制原理圖6-39正弦波PWM原理示意圖調(diào)制過程就是把所希望的波形作為調(diào)制信號(hào),把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波,通過對(duì)載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。SPWM一般采用三角波載波信號(hào)和正弦波調(diào)制信號(hào)疊加形成。通常采用等腰三角波作為載波,因?yàn)榈妊遣ㄉ舷聦挾扰c高度成線性關(guān)系且左右對(duì)稱,當(dāng)它與任何一個(gè)平緩變化的調(diào)制信號(hào)波相交時(shí),如在交點(diǎn)時(shí)刻控制電路中開關(guān)器件的通斷,就可以得到寬度正比于信號(hào)波幅值的脈沖,這正好符合PWM控制的要求。圖6-39正弦波PWM原理示意圖圖5-40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,設(shè)負(fù)載為電感性,對(duì)各晶體管的控制按下面的規(guī)律進(jìn)行：在正半周期,讓晶體管V1一直保持導(dǎo)通,而讓晶體管V4交替通斷。當(dāng)V1和V4導(dǎo)通時(shí),負(fù)載上所加的電壓為直流電源電壓Ud。當(dāng)V1導(dǎo)通而使V4關(guān)斷后,由于電感性負(fù)載中的電流不能突變,負(fù)載電流將通過二極管VD3續(xù)流,負(fù)載上所加電壓為零。如負(fù)載電流較大,那么直到使V4再一次導(dǎo)通之前,VD3一直持續(xù)導(dǎo)通。如負(fù)載電流較快地衰減到零,在V4再一次導(dǎo)通之前,負(fù)載電壓也一直為零。這樣,負(fù)載上的輸出電壓u0就可得到零和Ud交替的兩種電平。同樣,在負(fù)半周期,讓晶體管V2保持導(dǎo)通。當(dāng)V3導(dǎo)通時(shí),負(fù)載被加上負(fù)電壓-Ud,當(dāng)V3關(guān)斷時(shí),VD4續(xù)流,負(fù)載電壓為零,負(fù)載電壓u0可得到-Ud和零兩種電平。這樣,在一個(gè)周期V4逆變器輸出的PWM波形就由±Ud和0三種電平組成。圖5-40單相橋式PWM逆變電路控制V4或V3通斷的方法如圖10-6所示。載波uc在信號(hào)波ur的正半周為正極性的三角波,在負(fù)半周為負(fù)極性的三角波。調(diào)制信號(hào)ur為正弦波。在ur和uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制晶體管V4或V3的通斷。在ur的正半周,V1保持導(dǎo)通,當(dāng)ur>uc時(shí)使V4導(dǎo)通,負(fù)載電壓u0=Ud,當(dāng)ur<uc時(shí)使V4關(guān)斷,u0=0；在ur的負(fù)半周,V1關(guān)斷,V2保持導(dǎo)通,當(dāng)ur<uc時(shí)使V3導(dǎo)通,u0=-Ud,當(dāng)ur>uc時(shí)使V3關(guān)斷,u0=0。這樣,就得到了SPWM波形。圖中的虛線u0f表示u0中的基波分量。像這種在ur的半個(gè)周期三角波載波只在一個(gè)方向變化,所得到的PWM波形也只在一個(gè)方向變化的控制方式稱為單極性PWM控制方式。圖5-41單極性PWM控制方式原理圖5-42雙極性PWM控制方式原理單極性PWM控制方式與雙極性PWM控制方式不同。圖5-40的單相橋式逆變電路在采用雙極性控制方式時(shí)的波形如圖5-42所示。在雙極性方式中ur的半個(gè)周期,三角波載波是在正負(fù)兩個(gè)方向變化的,所得到的PWM波形也是在兩個(gè)方向變化的。在ur的一個(gè)周期,輸出的PWM波形只有±Ud兩種電平。仍然在調(diào)制信號(hào)ur,和載波信號(hào)uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制各開關(guān)器件的通斷。在ur的正負(fù)半周,對(duì)各開關(guān)器件的控制規(guī)律相同。當(dāng)ur>u時(shí),給晶體管V1和V4以導(dǎo)通信號(hào),給V2、V3以關(guān)斷信號(hào),輸出電壓u0=Ud。當(dāng)ur<uc時(shí),給V2、V3以導(dǎo)通信號(hào),給V1、V4以關(guān)斷信號(hào),輸出電壓u0=-Ud,可以看出,同一半橋上下兩個(gè)橋臂晶體管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)極性相反,處于互補(bǔ)工作方式。在電感性負(fù)載的情況下,若V1和V4處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí),給V1和V4以關(guān)斷信號(hào),而給V2和V3以導(dǎo)通信號(hào)后,則V1和V4立即關(guān)斷,因感性負(fù)載電流不能突變,V2和V3并不能立即導(dǎo)通,二極管VD2和VD3導(dǎo)通續(xù)流。當(dāng)感性負(fù)載電流較大時(shí),直到下一次V1和V4重新導(dǎo)通前,負(fù)載電流方向始終未變,VD2和VD3持續(xù)導(dǎo)通,而V2和V3始終未導(dǎo)通。當(dāng)負(fù)載電流較小時(shí),在負(fù)載電流下降到零之前,VD2和