《機電一體化技術 》課件-第6章

6.1概述6.2執(zhí)行元件6.3電力電子變流技術6.4PWM型變頻電路思考題

伺服控制系統是一種能夠跟蹤輸入的指令信號進行動作，從而獲得精確的位置、速度及動力輸出的自動控制系統。如防空雷達控制就是一個典型的伺服控制過程，它以空中的目標為輸入指令要求，雷達天線要一直跟蹤目標，為地面炮臺提供目標方位；加工中心的機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給的位移傳送給計算機，通過與加工位置目標比較，計算機輸出繼續(xù)加工或停止加工的控制信號。機電一體化系統都具有伺服功能，機電一體化系統中的伺服控制是為執(zhí)行機構按設計要求實現運動而提供控制和動力的重要環(huán)節(jié)。6.1概述6.1.1伺服系統的結構組成

機電一體化的伺服控制系統的結構、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。圖6-1給出了伺服系統組成原理框圖。圖6-1伺服系統組成原理框圖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的反饋信號進行比較，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來實現。

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。機電一體化系統中的執(zhí)行元件一般指各種電機或液壓、氣動伺服機構等。

4.被控對象

被控對象是指被控制的機構或裝置，是直接完成系統目的的主體。被控對象一般包括傳動系統、執(zhí)行裝置和負載。

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。

在實際的伺服控制系統中，上述每個環(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，如測速直流電機既是執(zhí)行元件又是檢測元件。6.1.2伺服系統的分類

伺服系統的分類方法很多，常見的分類方法有以下三種。(1)按被控量參數特性分類。按被控量的不同，機電一體化系統可分為位移、速度、力矩等各種伺服系統，其它還有溫度、濕度、磁場、光等各種參數的伺服系統。

(2)按驅動元件的類型分類。按驅動元件的不同，伺服系統可分為電氣伺服系統、液壓伺服系統、氣動伺服系統。電氣伺服系統根據電機類型的不同又可分為直流伺服系統、交流伺服系統和步進電動機控制伺服系統。(3)按控制原理分類。按自動控制原理的不同，伺服系統又可分為開環(huán)控制伺服系統、閉環(huán)控制伺服系統和半閉環(huán)控制伺服系統。

開環(huán)控制伺服系統結構簡單，成本低廉，易于維護；但由于沒有檢測環(huán)節(jié)，系統精度低，抗干擾能力差。閉環(huán)控制伺服系統能及時對輸出進行檢測，并根據輸出與輸入的偏差實時調整執(zhí)行過程，因此系統精度高，但成本也大幅提高。半閉環(huán)控制伺服系統的檢測反饋環(huán)節(jié)位于執(zhí)行機構的中間輸出上，因此在一定程度上提高了系統的性能。如位移控制伺服系統中為了提高系統的動態(tài)性能而增設的電機速度檢測和控制就屬于半閉環(huán)控制環(huán)節(jié)。6.1.3伺服系統的技術要求

對機電一體化伺服系統的要求包括精度高，響應速度快，穩(wěn)定性好，負載能力強和工作頻率范圍大等基本要求；同時還要求體積小，重量輕，可靠性高和成本低等。

1.系統精度

伺服系統精度指的是輸出量復現輸入信號要求的精確程度，以誤差的形式表現，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。穩(wěn)定的伺服系統對輸入變化是以一種振蕩衰減的形式反映出來的，振蕩的幅度和過程產生了系統的動態(tài)誤差；當系統振蕩衰減到一定程度以后，稱其為穩(wěn)

態(tài)，此時的系統誤差就是穩(wěn)態(tài)誤差；由設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

伺服系統的穩(wěn)定性是指當作用在系統上的干擾消失以后，系統能夠恢復到原來穩(wěn)定狀態(tài)的能力；或者當給系統一個新的輸入指令后，系統達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。如果系統能夠進入穩(wěn)定狀態(tài)且過程時間短，則系統穩(wěn)定性好；若系統振蕩越來越強烈或系統進入等幅振蕩狀態(tài)，則屬于不穩(wěn)定系統。機電一體化伺服系統通常要求較高的穩(wěn)定性。

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、運動系統的阻尼和質量等。

4.工作頻率

工作頻率通常是指系統允許輸入信號的頻率范圍。當工作頻率信號輸入時，系統能夠按技術要求正常工作；而其它頻率信號輸入時，系統不能正常工作。在機電一體化系統中，工作頻率一般指的是執(zhí)行機構的運行速度。

上述四項特性是相互關聯的，是系統動態(tài)特性的表現特征。利用自動控制理論來研究、分析所設計系統的頻率特性，就可以確定系統的各項動態(tài)指標。系統設計時，在滿足系統工作要求(包括工作頻率)的前提下，首先要保證系統的穩(wěn)定性和精度，并盡量提高系統的響應速度。6.2.1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。根據使用能量的不同，可以將執(zhí)行元件分為電磁式、液壓式和氣壓式等幾種類型，如圖6-2所示。6.2執(zhí)行元件圖6-2執(zhí)行元件的種類(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。對控制用電機的性能除要求穩(wěn)速運轉之外，還要求具有加速、減速性能和伺服性能以及頻繁使用時的適應性和便于維護性。

電氣執(zhí)行元件的特點是操作簡便，便于控制，能實現定位伺服，響應快，體積小，動力較大和無污染等；其缺點是過載能力差，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。液壓式執(zhí)行元件有直線式油缸、回轉式油缸、液壓馬達等。

液壓執(zhí)行元件的特點是輸出功率大，速度快，動作平穩(wěn)，可實現定位伺服，響應特性好和過載能力強；缺點是體積龐大，介質要求高，易泄露和易造成環(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，只是介質由液體改為氣體。氣壓式執(zhí)行元件的特點是介質來源方便，成本低，速度快，無環(huán)境污染；缺點是功率較小，動作不平穩(wěn)，有噪聲，難于伺服。

在閉環(huán)或半閉環(huán)控制的伺服系統中，主要采用直流伺服電動機、交流伺服電動機或伺服閥控制的液壓伺服馬達作為執(zhí)行元件。液壓伺服馬達主要用在負載較大的大型伺服系統中，在中、小型伺服系統中則多采用直流或交流伺服電動機。由于直流伺服電動機具有優(yōu)良的靜、動態(tài)特性，并且易于控制，因而在20世紀90年代以前，一直是閉環(huán)系統中執(zhí)行元件的主流。

近年來，由于交流伺服技術的發(fā)展，使交流伺服電動機可以獲得與直流伺服電動機相近的優(yōu)良性能，而且交流伺服電動機無電刷磨損問題，維修方便，隨著價格的逐年降低，正在得到越來越廣泛的應用，因而目前已形成了與直流伺服電動機共同競爭市場的局面。在閉環(huán)伺服系統設計時，應根據設計者對技術的掌握程度及市場供應、價格等情況，適當選取合適的執(zhí)行元件。6.2.2直流伺服電動機

直流伺服電動機具有良好的調速特性、較大的啟動轉矩和相對功率，易于控制及響應快等優(yōu)點。盡管其結構復雜，成本較高，但在機電一體化控制系統中仍然具有較廣泛的應用。

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。電磁式的磁場由勵磁繞組產生；永磁式的磁場由永磁體產生。電磁式直流伺服電動機是一種普遍使用的伺服電動機，特別是大功率電機(100W以上)。永磁式伺服電動機具有體積小,轉矩大,力矩和電流成正比,伺服性能好,響應快,功率體積比大,功率重量比大,穩(wěn)定性好等優(yōu)點。由于功率的限制，永磁式伺服電動機目前主要應用在辦公自動化、家用電器、儀器儀表等領域。直流伺服電動機按電樞的結構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，因而轉子形狀細長，轉動慣量小?？招碾姌行偷碾姌袩o鐵心，且常做成杯形，其轉子轉動慣量最小。有槽電樞型的電樞與普通直流電動機的電樞相同，轉子轉動慣量較大。直流伺服電動機還可按轉子轉動慣量的大小分成大慣量、中慣量和小慣量直流伺服電動機。大慣量直流伺服電動機(又稱直流力矩伺服電動機)負載能力強，易于與機械系統匹配；

而小慣量直流伺服電動機的加、減速能力強，響應速度快，動態(tài)特性好。圖6-3直流伺服電動機基本結構

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,如圖6-3所示。其中磁極在工作中固定不動，故又稱定子。定子磁極用于產生磁場。在永磁式直流伺服電動機中，磁極采用永磁材料制成，充磁后即可產生恒定磁場。在他勵式直流伺服電動機中，磁極由沖壓硅鋼片疊成，外繞線圈，靠外加勵磁電流才能產生磁場。電樞是直流伺服電動機中的轉動

部分，故又稱轉子，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。直流伺服電動機在定子磁場的作用下，使通有直流電的電樞(轉子)受到電磁轉矩的驅使，帶動負載旋轉。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

的旋轉方向和速度。當電樞繞組中的電流為零時，伺服電動機靜止不動。

直流伺服電動機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來控制電動機的轉速和輸出轉矩；另一種是勵磁磁場控制，即通過改變勵磁電流的大小來改變定子磁場強度，從而控制電動機的轉速和輸出轉矩。

采用電樞電壓控制方式時，由于定子磁場保持不變，其電樞電流可以達到額定值，相應的輸出轉矩也可以達到額定值，因而這種方式又被稱為恒轉矩調速方式。而采用勵磁磁場控制方式時，由于電動機在額定運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機的轉速。由于電樞電流不允許超過額定值，因而隨著磁場的減弱，電動機轉速增加，但輸出轉矩下降，輸出功率保持不變，這種方式又被稱為恒功率調速方式。圖6-4電樞等效電路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如圖6-4所示。

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

(6-1)

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ω切割磁力線時，電樞反電動勢Ea與角速度ω之間存在如下關系：

Ea=CeΦω

(6-2)

式中，Ce是電動勢常數，僅與電動機結構有關；Φ是定子磁場中每極的氣隙磁通量。

由式(6-1)、式(6-2)得

Ua-IaRa=CeΦω

(6-3)

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=CmΦIa

則Ia=(6-4)

式中，Cm是轉矩常數，僅與電動機結構有關。

將式(6-4)代入式(6-3)并整理，可得到直流伺服電動機運行特性的一般表達式

ω=

(6-5)

由此可以得出空載(Tm＝0，轉子慣量忽略不計)和電機啟動(ω＝0)時的電機特性:

(1)當Tm＝0時，有

ω=(6-6)

式中，ω稱為理想空載角速度?？梢?，角速度與電樞電壓成正比。

(2)當ω＝0時，有

Tm=Td=Ua

(6-7)

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ω看作是電磁轉矩Tm的函數，即ω=f(Tm)，則可得到直流伺服電動機的機械特性表達式為

ω=ω0-Tm

(6-8)

式中,ω0是常數，ω0=。

如果把角速度ω看作是電樞電壓Ua的函數，即ω=f(Ua)，則可得到直流伺服電動機的調節(jié)特性表達式

ω=-kTm

(6-9)式中,k是常數，k=。

根據式(6-8)和式(6-9)，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)特性曲線如圖6-5、圖6-6所示。

圖6-5直流伺服電動機的機械特性圖6-6直流伺服電動機的調節(jié)特性

由圖6-5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ω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6-6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。

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)

(6-10)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

ω=ω0-

Tm

(6-11)將式(6-11)與式(6-8)比較可以發(fā)現，由于驅動電路內阻Ri的存在而使機械特性曲線變陡了，圖6-8給出了驅動電路內阻影響下的機械特性。圖6-7含驅動電路的電樞等效回路圖6-8驅動電路內阻對機械特性的影響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。由圖6-8可知，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。

2)直流伺服電動機內部的摩擦對調節(jié)特性的影響

由圖6-6可知，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。這個不為零的電壓稱為啟動電壓，用Ub表示，如圖6-9所示。電動機摩擦轉矩越大，所需的啟動電壓就

越高。通常把從零到啟動電壓這一電壓范圍稱死區(qū)。電壓值處于該區(qū)內時，不能使直流伺服電動機轉動。

3)負載變化對調節(jié)特性的影響

由式(6-5)知，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，如圖6-9所示?？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ω的變化率越來越小，這一點在變負載控制時應格外注意。圖6-9摩擦及負載變動對調節(jié)特性的影響

5.直流伺服系統

由于伺服控制系統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中。

直流伺服系統的閉環(huán)控制是針對伺服系統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。它們都對系統輸出進行實時檢測和反饋，并根據偏差對系統實施控制。

圖6-10半閉環(huán)伺服系統結構原理圖閉環(huán)和半閉環(huán)控制的位置伺服系統的結構原理分別如圖6-10、圖6-11所示。圖6-11閉環(huán)伺服系統結構原理圖設計閉環(huán)伺服系統必須首先保證系統的穩(wěn)定性，然后在此基礎上采取各種措施滿足精度及快速響應性等方面的要求。當系統精度要求很高時，應采用閉環(huán)控制方案。它將全部機械傳動及執(zhí)行機構都封閉在反饋控制環(huán)內，其誤差都可以通過控制系統得到補償，因此可達到很高的精度。但是閉環(huán)伺服系統結構復雜，設計難度大，成本高，尤其是機械系統的動態(tài)性能難于提高，系統穩(wěn)定性難于保證。因此，除非精度要求很高，一般應采用半閉環(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變壓器、感應同步器、碼盤、光電脈沖編碼器、光柵尺、磁尺及測速發(fā)電機等。如被測量為直線位移，則應選尺狀的直線位移傳感器，如光柵尺、磁尺、直線感應同步器等。如被測量為角位移，則應選圓形的角位移傳感器，如光電脈沖編碼器、圓感應同步器、旋轉變壓器、碼盤等。一般來講，半閉環(huán)控制的伺服系統主要采用角位移傳感器，閉環(huán)控制的伺服系統主要采用直線位移傳感器。

在位置伺服系統中，為了獲得良好的性能，往往還要對執(zhí)行元件的速度進行反饋控制，因此還要選用速度傳感器。速度控制也常采用光電脈沖編碼器，既測量電動機的角位移，又通過計時而獲得速度。

在閉環(huán)控制的伺服系統中，機械傳動與執(zhí)行機構在結構形式上與開環(huán)控制的伺服系統基本一樣，即由執(zhí)行元件通過減速器和滾動絲杠螺母機構驅動工作臺運動。

直流伺服電動機的控制及驅動方法通常采用晶體管脈寬調制(PWM)控制和晶閘管(可控硅)放大器驅動控制。具體的控制方法在6.3節(jié)介紹。6.2.3步進電動機

步進電動機又稱電脈沖馬達，是通過脈沖數量決定轉角位移的一種伺服電動機。由于步進電動機成本較低，易于采用計算機控制，因而被廣泛應用于開環(huán)控制的伺服系統中。步進電動機開環(huán)控制系統比直流電動機或交流電動機組成的開環(huán)控制系統精度高，適用于精度要求不太高的機電一體化伺服傳動系統。目前，一般數控機械和普通機床的微機改造中大多均采用開環(huán)步進電動機控制系統。

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如圖6-12所示，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。圖6-12步進電動機運動原理圖假設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U→V→W→U→V→W→U…

依次輪流通電，步進電動機轉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U→W→V→U→W→V→U…

則步進電動機將按順時針方向旋轉。

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°。圖6-13三相反應式步進電動機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)，如圖6-13所示。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。

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。

一般情況下，m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。

圖6-14是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。

圖6-14不同通電方式時的矩頻特性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：

α=

(6-12)式中，k是通電方式系數。當采用單相或雙相通電方式時，k＝1；當采用單雙相輪流通電方式時，k＝2。可見，采用單雙相輪流通電方式還可使步距角減小一半。步進電機的步距角決定了系統的最小位移，步距角越小，位移的控制精度越高。

3.步進電動機的使用特性

(1)步距誤差。步距誤差直接影響執(zhí)行部件的定位精度。步進電動機單相通電時，步距誤差取決于定子和轉子的分齒精度和各相定子的錯位角度的精度；多相通電時，步距角不僅與加工裝配精度有關，還和各相電流的大小、磁路性能等因素有關。國產步進電動機的步距誤差一般為±10′~±15′，功率步進電動機的步距誤差一般為±20′~±25′，精度較高的步進電動機的步距誤差可達±2′～±5′。

(2)最大靜轉矩。最大靜轉矩是指步進電動機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矩，亦即所能輸出的最大電磁轉矩，它反映了步進電動機的制動能力和低速步進運行時的負載能力。

(3)啟動矩頻特性?？蛰d時，步進電動機由靜止突然啟動并不失步地進入穩(wěn)速運行所允許的最高頻率稱為最高啟動頻率。啟動頻率與負載轉矩有關，圖6-15給出了90BF002

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。

選用步進電動機時，應使實際應用的啟動頻率與負載轉矩所對應的啟動工作點位于該曲線之下，才能保證步進電動機不失步地正常啟動。當伺服系統要求步進電動機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。圖6-15啟動矩頻特性圖6-16運行矩頻特性

(4)運行矩頻特性。步進電動機連續(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載慣量J，還與定子相數、通電方式、控制電路的功率驅動器等因素有關。圖6-16是90BF002型步進電動機的運行矩頻特性曲線。由圖可見，步進電動機的輸出轉矩隨運行頻率的增加而減小，即高速時其負載能力變差，這一特性是步進電動機應用范圍受到限制的主要原因之一。選用步進電動機時，應使實際應用的運行頻率與負載轉矩所對應的運行工作點位于運行矩頻特性之下，才能保證步進電動機不失步地正常運行。

(5)最大相電壓和最大相電流。最大相電壓和最大相電流分別是指步進電動機每相繞組所允許施加的最大電源電壓和流過的最大電流。實際應用的相電壓或相電流如果大于允許值，可能會導致步進電動機繞組被擊穿或因過熱而燒毀；如果比允許值小得太多，步進電動機的性能又不能充分發(fā)揮出來。因此，設計或選擇步進電動機的驅動電源時，應充分考慮這兩個電氣參數。圖6-17開環(huán)步進電動機控制系統框圖

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步進電動機的速度控制。因此，步進電機控制系統一般采用開環(huán)控制方式。圖6-17為開環(huán)步進電動機控制系統框圖，系統主要由環(huán)形分配器、功率驅動器、步進電動機等組成。

1)環(huán)形分配

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，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)變化的過程稱為環(huán)形脈沖分配。實現環(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。

另一種是硬件環(huán)形分配，采用數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，它的引腳功能及三相六拍線路圖如圖6-18所示。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

2)功率驅動

要使步進電動機能輸出足夠的轉矩以驅動負載工作，必須為步進電機提供足夠功率的控制信號，實現這一功能的電路稱為步進電動機驅動電路。驅動電路實際上是一個功率開關電路，其功能是將環(huán)形分配器的輸出信號進行功率放大，得到步進電動機控制繞組所需要的脈沖電流及所需要的脈沖波形。步進電動機的工作特性在很大程度上取決于功率驅動器的性能，對每一相繞組來說，理想的功率驅動器應使通過繞組的電流脈沖盡量接近矩形波。但由于步進電動機繞組有很大的電感，要做到這一點是有困難的。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。圖6-19所

示為步進電動機的一相繞組驅動電路(每相繞組的電路相同)。圖6-19單民源驅動電路當環(huán)形分配器的脈沖輸入信號uU為低電平(邏輯0，約1V)時，雖然V1、V2管都導通，但只要適當選擇R1、R3、R5的阻值，使Ub3<0(約為-1V)，那么V3管就處于截止狀態(tài)，該相繞

組斷電。當輸入信號uU為高電平3.6V(邏輯1)時,Ub3>0(約為0

.7V)，V3管飽和導通，該相繞組通電。

(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，如圖6-20所示。在步進電動機繞組剛接通時，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。這種電路使電流波形、輸出轉矩及運行頻率等都有較大的改善。圖6-20高、低壓驅動電路當環(huán)形分配器的脈沖輸入信號uU為高電平時(要求該相繞組通電)，二極管Vg、Vd的基極都有信號電壓輸入，使Vg、Vd均導通。于是在高壓電源作用下(這時二極管VD1兩端承受的是反向電壓，處于截止狀態(tài)，可使低壓電源不對繞組作用),繞組電流迅速上升，電流前沿很陡。當電流達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Vg基極上的信號電壓，于是Vg截止，但此時Vd仍然是導通的，因此繞組電流即轉而由低壓電源經過二極管VD1供給。當環(huán)形分配器輸出端的電壓uU為低電平時(要求繞組斷電)，Vd基極上的信號電壓消失，于是Vd截止，繞組中的電流經二極管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，電動機繞組上不需要串聯電阻或者只需要串聯一個很小的電阻Rf1(為平衡各相的電流)，因此電源的功耗比較小。由于這種供壓方式使電流波形得到很大改善，因而步進電動機的矩頻特性好，啟動和運行頻率得到很大的提高。圖6-21斬波限流驅動電路波形圖圖6-22斬波限流驅動電路

(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，其波形如圖6-21所示。這種電路功率大，功耗小，效率高，目前應用最廣。圖6-22所示為一種斬波限流驅動電路原理圖，其工作原理如下：

當環(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，晶體管V1導通，并使V2和V3也導通。在V2導通瞬間，脈沖變壓器T在其二次線圈中感應出一個正脈沖，使大功率晶體管V4導通。同時由于V3的導通，大功率晶體管V5也導通。于是繞組W中有電流流過，步進電動機旋轉。由于W是感性負載，其中的電流在導通后逐漸增加，當增加到一定值時，在檢測電阻R10上產生的壓降將超過由分壓電阻R7和電阻R8所設定的電壓值Uref，使比較器OP翻轉，輸出低電平使V2截止。在V2截止瞬時，又通過T將一個負脈沖交連到二次線圈，使V4截止。于是電源通路被切斷，W中儲存的能量通過V5、R10及二極管VD7釋放，電流逐漸減小。當電流減小到一定值后，在R10上的壓降又低于Uref，使OP輸出高電平，V2、V4及W重新導通。在控制脈沖持續(xù)期間，上述過程不斷重復。當輸入低電平時，V1～V5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6A左右，改變電阻R10或R8的值，可改變限流值的大小。6.2.4交流伺服電動機

20世紀后期，隨著電力電子技術的發(fā)展，交流電動機應用于伺服控制越來越普遍。與直流伺服電動機比較，交流伺服電動機不需要電刷和換向器，因而維護方便且對環(huán)境無要求；此外，交流電動機還具有轉動慣量、體積和重量較小，結構簡單，價格便宜等優(yōu)點；尤其是交流電動機調速技術的快速發(fā)展，使它得到了更廣泛的應用。交流電動機的缺點是轉矩特性和調節(jié)特性的線性度不及直流伺服電動機好，其效率也比直流伺服電動機低。在設計伺服系統時，除在某些操作特別頻繁或交流伺服電動機的發(fā)熱和啟、制動特性不能滿足要求的情況下選擇直流伺服電動機外，一般盡量考慮選擇交流伺服電動機。

用于伺服控制的交流電動機主要有同步型交流電動機和異步型交流電動機。采用同步型交流電動機的伺服系統多用于機床進給傳動控制、工業(yè)機帶入關節(jié)傳動和其它需要運動和位置控制的場合；異步型交流電動機的伺服系統多用于機床主軸轉速和其它調速系統。

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

n1=60

(6-13)式中,

f1為定子供電頻率;

p為定子線圈的磁極對數;

n1為定子轉速磁場的同步轉速。

定子繞組產生旋轉磁場后，轉子導條(鼠籠條)將切割旋轉磁場的磁力線而產生感應電流，轉子導條中的電流又與旋轉磁場相互作用產生電磁力，電磁力產生的電磁轉矩驅動轉子沿旋轉磁場方向旋轉。一般情況下，電動機的實際轉速n低于旋轉磁場的轉速n1。假設n=n1，則轉子導條與旋轉磁場就沒有相對運動，就不會切割磁力線，也就不會產生電磁轉矩，因此轉子的轉速n1必然小于n，為此我們稱三相電動機為異步電動機。

旋轉磁場的旋轉方向與繞組中電流的相序有關。假設三相繞組A、B、C中的電流相序按順時針方向流動，則磁場按順時針方向旋轉；若把三根電源線中的任意兩根對調，則磁場按逆時針方向旋轉。利用這一特性可以很方便地改變三相電動機的旋轉方向。綜上所述，異步電動機的轉速方程為

n=

(1-s)=n1(1-s)

(6-14)式中,n為電動機轉速；s為轉差率。

根據此式我們知道，交流電動機的轉速與磁極數和供電電源的頻率有關。我們把改變異步電動機的供電頻率f1來實現調速的方法稱為變頻調速；而改變磁極對數p進行調速的方法稱為變極調速。變頻調速一般是無級調速，變極調速是有級調速。當然，改變轉差率s也可以實現無級調速，但該辦法會降低交流電動機的機械特性，一般不使用。

2.同步型交流電動機

同步電動機的轉子旋轉速度與定子繞組所產生的旋轉磁場的速度是一樣的，因此稱為同步電動機。同步電動機的定子繞組與異步電動機相同；它的轉子做成顯極式；安裝在磁極鐵心上面的磁場線圈是相互串聯的，接成具有交替相反極性的形式，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)電機或蓄電池來激勵的。在大多數同步電動機中，直流發(fā)電機裝在電動機軸上，用以供給轉子磁極線圈的勵磁電流。由于這種同步電動機不能自動啟動，因而在轉子上還裝有鼠籠式繞組作為電動機啟動之用。鼠籠繞組放在轉子的周圍，結構與異步電動機相似。

當定子繞組通上三相交流電時，電動機內就產生了一個旋轉磁場，鼠籠繞組切割磁力線而產生感應電流，從而使電動機旋轉起來。電動機旋轉之后，其速度慢慢增高到稍低

于旋轉磁場的轉速，此時轉子磁場線圈由直流電來激勵，使轉子上面形成一定的磁極，這些磁極企圖跟蹤定子上的旋轉磁極，這樣就增加電動機轉子的速率直至與旋轉磁場同步

旋轉為止。同步電動機運行時的轉速與電源的供電頻率有嚴格不變的關系，它恒等于旋轉磁場的轉速，即電動機與旋轉磁場兩者的轉速保持同步，同步電動機也由此而得名。同步交流電動機的轉速用下式表達：

n=60

(6-15)

式中,f1為定子供電頻率；p為定子線圈的磁極對數；n為轉子轉速。

3.交流伺服電機的性能

對異步電動機進行變頻調速控制時，希望電動機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，在同樣的轉子電流下，電磁轉矩小，電動機的負載能力下降。若磁通太強，又會使鐵心飽和，使勵磁電流過大，嚴重時會因繞組過熱而損壞電動機。異步電動機的磁通是定子和轉子磁動勢合成產生的，下面說明怎樣才能使磁通保持恒定。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=4.44f1N1Φm

(6-16)

式中,Φm為每極氣隙磁通；

N1為定子相繞組的有效匝數。

由上式可見，Φm的值是由E1和f1共同決定的，對E1和f

1進行適當的控制，就可以使氣隙磁通Φm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速。

這是考慮從基頻(電動機額定頻率f)向下調速的情況。為了保持電動機的負載能力，應保持氣隙磁通Φm不變，這就要求降低供電頻率的同時降低感應電動機，保持E1/f1＝常數，即保持電動勢與頻率之比為常數進行控制。這種控制又稱為恒磁通變頻調速，屬于恒轉矩調速方式。

E1難于直接檢測及直接控制，當E1和f1的值較高時，定子的漏阻抗壓降相對比較小，如忽略不計，則可近似地保持定子相電壓U1和頻率f1的比值為常數，即認為U1=E1，保持U1/f1＝常數。這就是恒壓頻比控制方式，是近似的恒磁通控制。

當頻率較低時，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，可以適當提高定子電壓以補償定子電阻壓降的影響，使氣隙磁通基本保持不變。

圖6-23中，曲線a為U1/E1＝常數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)電壓頻率關系曲線。圖6-23恒壓頻比控制特性圖6-24異步電動機變頻調速控制特性

(2)基頻以上的弱磁通變頻調速。

這是考慮由基頻開始向上調速的情況。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，這必然會使磁通隨著f1的上升而減小，屬于近似的恒功率調速方式。

將上述兩種情況綜合起來，異步電動機變頻調速的基本控制方式如圖6-24所示。由上述分析可知，變頻調速時，一般需要同時改變電壓和頻率，以保持磁通基本恒定。

因此，變頻調速器又稱為VVVF(VariableVoltageVariableFrequency)裝置(簡稱為V/F)。

4.交流電動機變頻調速的控制方案

根據生產的要求、變頻器的特點和電動機的種類，會出現多種多樣的變頻調速控制方案。

這里只討論交-直-交(AC-DC-AC)變頻器。圖6-25開環(huán)異步電動機變頻調速１)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控制框圖如圖6-25所示。該控制方案結構簡單，可靠性高。但是，由于是開環(huán)控制方式，其調速精度和動態(tài)響應特性并不是十分理想,尤其是在低速區(qū)域,電壓調整比較困難，不可能得到較大的調速范圍和較高的調速精度。異步電動機存在轉差率，轉速隨負荷力矩變化而變動，即使目前有些變頻器具

有轉差補償功能及轉矩提升功能，也難以達到0.5%的精度，因此采用這種V/F控制的通用變頻器異步電動機開環(huán)變頻調速一般適用于要求不高的場合，例如風機、水泵等機械。圖6-26矢量控制變頻器的異步電動機變頻調速

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控制框圖如圖6-26所示。對比圖6-25，兩者的差別僅在使用的變頻器不同。由于這種調速控制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的磁通和轉矩電流進行檢測、控制，自動改變電壓和頻率，使指令值和檢測實際值達到一致，因而實現了矢量控制。雖說它是開環(huán)控制系統，但是大大提升了靜態(tài)精度和動態(tài)品質。這種變頻調速方案的轉速精度約等于0.5%，轉速響應也較快。

在生產要求不是很高的情形下，采用矢量變頻器無速度傳感器開環(huán)異步電機變頻調速是非常合適的，可以使控制結構變得簡單，可靠性提高。

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)變頻調速系統控制框圖如圖6-27所示。

矢量控制異步電動機閉環(huán)變頻調速是一種理想的控制方式，它可以從零轉速起進行速度控制，即甚低速亦能運行，因此調速范圍很寬廣，可達100∶1或1000∶1；可以對轉矩實行精確控制；系統的動態(tài)響應速度特別快；電動機的加速度特性也很好。圖6-27異步電動機閉環(huán)控制變頻調速然而，帶速度傳感器矢量控制變頻器的異步電動機閉環(huán)變頻調速技術性能雖好，但它畢竟需要在異步電動機軸上安裝速度傳感器，嚴格地講，這就已經降低了異步電動機結構堅固、可靠性高的特點；況且在某些情況下，由于電動機本身或環(huán)境的因素而無法安裝速度傳感器；另外，多了反饋電路環(huán)節(jié)，也增加了出故障的機率。

因此，除了非采用不可的情況外，在調速范圍、轉速精度和動態(tài)品質要求不是特別高的場合，往往還是采用無速度傳感器矢量變頻器開環(huán)控制異步機電動變頻調速系統。圖6-28永磁同步電動機開環(huán)控制變頻調速

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控制框圖如圖6-28所示。

假如將圖6-25中的異步電動機(IM)換成永磁同步電動機(PM或SM)，就是第四種變頻調速控制方案。它具有控制電路簡單，可靠性高的特點。由于是同步電動機，因而轉速始終等于同步轉速，轉速只取決于電動機供電頻率f1，而與負載大小無關(除非負載力矩大于或等于失步轉矩，同步電動機會失步，轉速迅速停止)，其機械特性曲線為一根平行于橫軸的直線，具有絕對硬特性。如果采用高精度的變頻器(數字設定頻率精度可達0.01%)，在開環(huán)控制情況下，同步電動機的轉速精度亦為0.01%。因為同步電動機轉速精度與變頻器頻率精度相一致(在開環(huán)控制方式時)，所以特別適合多電動機同步傳動。

至于同步電動機變頻調速系統的動態(tài)品質問題，若采用通用變頻器V/F控制，則響應速度較慢；若采用矢量控制變頻器，則響應速度很快。伺服電機的驅動電路將控制信號轉換為功率信號，為電機提供電能的控制裝置，也稱其為變流器，包括電壓、電流、頻率、波形和相數的變換。變流器主要由功率開關器件、電感、電容和保護電路組成。開關器件的特性決定了電路的功率、響應速度、頻帶寬度、可靠性和功率損耗等指標。6.3電力電子變流技術6.3.1開關器件特性

傳統的開關器件包括晶閘管(SCR)、電力晶體管(GTR)、可關斷晶閘管(GTO)、電力場效應晶體管(MOSFET)等。近年來，隨著半導體制造技術和變流技術的發(fā)展，相繼出現了

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求是大容量、高頻率、易驅動和低損耗，因此，評價器件品質因素的主要標準是容量、開關速度、驅動功率、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。

圖6-29中示出主要電力電子器件的控制容量和開關頻率的應用范圍。圖6-29電力電子器件的控制容量和開關頻率的應用范圍開關器件分為晶閘管型和晶體管型，它們的共同特點是用正或負的信號施加于門極(柵極或基極)上來控制器件的開與關。一般開關器件在其它教材中都有所介紹，下面主要

介紹幾種驅動功率小，開關速度快，應用廣泛的新型器件。

1.絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)

IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)是在GTR和MOSFET之間取其長、避其短而出現的新器件，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。

IGBT是多元集成結構，每個IGBT元的結構如圖6-30(a)所示，圖6-30(b)是IGBT的等效電路，它由一個MOSFET和一個PNP晶體管構成，給柵極施加正偏信號后，MOSFET導通，從而給PNP晶體管提供了基極電流使其導通。給柵極施加反偏信號后，MOSFET關斷，使PNP晶體管基極電流為零而截止。圖6-30(c)是IGBT的電氣符號。

IGBT的開關速度低于MOSFET，但明顯高于GTR。IGBT在關斷時不需要負柵壓來減少關斷時間，但關斷時間隨柵極和發(fā)射極并聯電阻的增加而增加。IGBT的開啟電壓約3～4V，和MOSFET相當。IGBT導通時的飽和壓降比MOSFET低而和GTR接近，飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。圖6-30IGBT的簡化等效電路圖(a)結構；(b)等效電路；(c)電氣符號

IGBT的容量和GTR的容量屬于一個等級，研制水平已達1000V/800A。但IGBT比CTR驅動功率小，工作頻率高，預計在中等功率容量范圍將逐步取代GTR。IGBT也已實現了模塊化，并且已占領了電力晶體管的很大一部分市場。

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。MCT把MOSFET的高輸入阻抗、低驅動功率和晶閘管的高電壓、大電流、低導通壓降的特點結合起來，成為非常理想的器件。

一個MCT器件由數以萬計的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α1+α2>1，MCT導通。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α1+α2<1,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琈CT被認為是一種最有發(fā)展前途的電力電子器件

。

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。和SIT相同，SITH一般也是正常導通型的，但也有正常關斷型的。S

ITH的許多特性和GTO類似，但其開關速度比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，可關斷晶閘管(GTO)是目前各種自關斷器件中容量最大的，在關斷時需要很大的反向驅動電流。電力晶體管(GTR)目前在各種自關斷器件中應用最廣，其容量中等，

工作頻率一般在10kHz以下。電力晶體管是電流控制型器件，所需的驅動功率較大。電力MOSFET是電壓控制型器件，所需驅動功率最小，在各種自關斷器件中，其工作頻率最高，可達100kHz以上，但缺點是通態(tài)壓降大，器件容量小。

5.開關器件的應用說明

變流器中開關器件的開關特性決定了控制電路的功率、響應速度、頻帶寬度、可靠性和功率損耗等指標。由于普通晶閘管是只具備控制接通能力，無自關斷能力的半控型器件，因此在直流回路里，如要求將它關斷，需增設含電抗器和電容器或輔助晶閘管的換相回路。另外，普通晶閘管的開關頻率較低，故對于開關頻率要求較高的無源逆變器和斬波器就無法使用普通晶閘管，而必須使用開關頻率較高的全控型自關斷器件。例如，用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，而開關頻率可提高6倍，還相應地降低了換相損耗，提高了效率。近年來，不間斷電源和交流變頻調速裝置廣泛采用電力電子自關斷器件?？梢哉f，以全控型的開關器件來取代線路復雜、體積龐大、功能指標較低的普通晶閘管和換相電路，這是變流技術發(fā)展的規(guī)律。由于全控型器件開關頻率提高，變流器可采

用脈寬調制(PWM)型控制，既可降低諧波和轉矩脈動，又提高了快速性，還改善了功率因數。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斷器件構成的PWM控制電路，大功率的電動機傳動以及電力機車用PWM逆變器的功率達兆瓦級，開關頻率為1～20kHz。在斬波器的直流—直流變換中，采用PWM技術亦有多年歷史，其開關頻率為20kHz～1MHz。應用場效應晶體管及諧振原理，采用軟開關技術以構成直流—直流變流器，其開關損耗及電磁干擾均可顯著減少，可使小功率變流器的開關頻率達幾兆赫，這時濾波用的電感和電容的體積顯著減小，充分顯示了其優(yōu)越性。6.3.2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?或可調的)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頻率變成可調的交流電壓和頻率。

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。圖6-31所示為單相交流信號可控硅橋式整流電路。圖6-31單相交流可控硅橋式整流電路(a)整流電路；(b)波形圖圖6-31(a)中的開關器件V是可控硅(或GTR等)，具有正向觸發(fā)控制導通和反向自關斷功能。

ug是控制引腳，按圖6-31(b)中的波形輸入控制信號，圖6-31(b)中的ud就是加載在電阻負載R上的整流電壓波形。通過調整控制信號的相位角就可以實現輸出直流電壓的調節(jié)。

若將開關器件V換成二極管，則該電路變成了不可調壓的整流電路。

2.斬波器

直流伺服電動機的調速控制是通過改變勵磁電壓來實現的，因此把固定的直流電壓變成可調的直流電壓是直流伺服調速電路中不可缺少的組成部分。直流調壓包括電位器調壓和斬波器調壓等。電位器調壓法是通過調節(jié)與負載串聯的電位器來改變負載壓降的，因此只適合小功率電器。斬波器調壓的基本原理是通過晶閘管或自關斷器件的控制，將直流電壓斷續(xù)加到負載(電機)上，利用調節(jié)通、斷的時間變化來改變負載電壓平均值。斬波器調壓控制直流伺服電機速度的方法又稱為脈寬調制(PulseWidthModulation)直流調速。圖6-32所示為脈寬調速原理示意圖。圖6-32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將圖6-32(a)中的開關S周期性地開關，在一個周期T內閉合的時間為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S加到電動機的電樞上，電樞上的電壓波形將是一列方波信號，其高度為U，寬度為τ，如圖6-32(b)所示。電樞兩端的平均電壓為

Ud=

(6-17)式中,ρ=τ/T=Ud/U(0<ρ<1),ρ為導通率(或稱占空比)。

當T不變時，只要改變導通時間τ，就可以改變電樞兩端的平均電壓Ud。當τ從0~T改變時，Ud由零連續(xù)增大到U。實際電路中，一般使用自關斷電力電子器件來實現上述開關作用，如GTR、MOSFET、IGBT等器件。圖6-32中的二極管是續(xù)流二極管，當S斷開時，由于電樞電感的存在，電動機的電樞電流可通過它形成續(xù)流回路。圖6-33是直流伺服電機PWM調速和實現正、反轉控制的應用舉例，圖6-34是雙極式H型可逆器的電壓、電流波形。圖6-33所示電路由四個大功率晶體管組成，其作用是對電壓脈寬變換器輸出的信號Us進行放大，輸出具有足夠功率的信

號，以驅動直流伺服電動機。圖6-33H型橋式PWM晶體管功率放大器圖6-34雙極式H型可逆器的電壓、電流波形=的電路原理圖圖6-33中，大功率晶體管V1～V4組成H型橋式結構的開關功放電路，由續(xù)流二極管VD1～VD4構成在晶體管關斷時直流伺服電動機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+Us反相獲得，U1為UAB的平均電壓。當Us>0時，V1和V4導通；Us<0時，V2和V3導通。按照控制指令的不同情況，該功放電路及其所驅動的直流伺服電動機可有以下幾種工作狀態(tài)：

(1)當UAB＝0時，Us的正、負脈寬相等，直流分量為零，V1和V4的導通時間與V2和V3的導通時間相等，流過電樞繞組中的平均電流等于零，電動機不轉。但在交流分量作用

下，電動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摩擦，減小啟動電壓。

(2)當UAB>0時，Us的正脈寬大于負脈寬，直流分量大于零，V1和V4的導通時間長于V2和V3的導通時間，流過繞組中的電流平均值大于零，電動機正轉，且隨著U1增加，轉速增加。

(3)當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，電動機反轉，且反轉轉速隨著U1減小而增加。圖6-35考慮開通延時的基極脈沖電壓信號

(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)。圖6-36(a)所示是電力晶體管的基極驅動電路及波形，電力晶體管V(如GTR等)的基極需要有一定功率的驅動電路控制，驅動電路的任務是將控制電路的輸出信號進行功率放大，使之具有足夠的功率去驅動GTR。理想的基極驅動器應滿足開通時過驅動,正常導通時淺飽和,關斷時要反偏。圖6-36(b)所示就是GTR的一種驅動電路和輸入,輸出波形。

圖6-36電力晶體管GTR的基極驅動電路及波形

3.逆變器

將直流電變換成交流電的電路稱為逆變器。當蓄電池和太陽能電池等直流電源需要向交流負載供電時，就需要通過逆變電路將直流電轉換為交流電。逆變過程還往往應用在變頻電路中。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