工学第6章伺服控制系统

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1、第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统工学第6章 伺服控制系统 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life, there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统6.1 概述概述 伺服控制系统是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度及动力输出的自动控制系统。如防空雷达控制就是一个典型的伺服控制过程，它是以空中的目标为输入指令要求，雷达天线要一直跟踪目标，为地面炮台提供目标方位；加工中心的机械制造过程也是伺服控制过程，位移传感器不断地将刀具进给的位移传送给计算

2、机，通过与加工位置目标比较，计算机输出继续加工或停止加工的控制信号。绝大部分机电一体化系统都具有伺服功能，机电一体化系统中的伺服控制是为执行机构按设计要求实现运动而提供控制和动力的重要环节。2第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统1.伺服控制系统的结构组成机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括：比较环节、控制器、执行环节、被控对象、检测环节等五部分图1 伺服系统组成原理框图3第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统1、比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现。2、控制器

3、通常是计算机或PID控制电路，主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。3、执行元件作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。4第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统4、被控对象是指被控制的机构或装置，是直接完成系统目的的主体。一般包括传动系统、执行装置和负载。5、检测环节是指能够对输出进行测量，并转换成比较环节所需要的量纲的装置。一般包括传感器和转换电路。在实际的伺服控制系统中，上述的每个环节在硬件特征上并不独立，可能几个环节在一个硬件中，如测速直流电机既是执行元

4、件又是检测元件。5第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 2. 2. 伺服控制系统的分类伺服控制系统的分类伺服系统的分类方法很多，常见的分类方法有以下三种。 (1)按被控量参数特性分类： 位移、 速度、加速度、力 、力矩等伺服系统； (2)按驱动元件的类型分类。 电气、液压、气动等伺服系统。 (3)按控制原理分类。 开环 、闭环 、半闭环等伺服系统。 6第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 开环伺服系统开环伺服系统 开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件，它没有位置反馈回路和速度反馈回路，因此设备投资低，调试维修方便，但精度差，高速扭矩小，被用于中、低档数控机床及普通机床改造。工作台工作台驱动控驱

5、动控制线路制线路步进电机步进电机齿轮箱指令脉冲开环伺服系统简图7第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统位置控制模块速度控制单元伺服控制电机工作台工作台位置检测测量反馈 速度环速度检测位置环闭环进给伺服系统闭环进给伺服系统闭环伺服控制系统能及时对输出进行检测，并根据输出与输入的偏差，实时调整执行过程，因此系统精度高，但成本也大幅提高。8第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统位置比较速度控制工作台伺服电机指令 + 速度反馈速度反馈位置反馈半闭环伺服系统半闭环伺服系统半闭环控制伺服系统的检测反馈环节位于执行机构的中间输出上，因此一定程度上提高了系统的性能。9第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统3. 3.

6、 伺服系统的技术要求伺服系统的技术要求（1 1）稳定性）稳定性 稳定输出响应的振幅随时间的增加而衰减; 不稳定其输出响应振幅随时间的增加而增加, 或表现为等幅振。 取决于系统的结构及参数(如惯性、刚度、阻尼、增益等),与外界作用信号的性质或形式无关。（2）系统精度）系统精度 伺服系统的精度是指输出量跟输入量的近似程度。（3）响应特性）响应特性 响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度，决定了系统的工作效率。（4）工工作作频频率率工作频率通常是指系统允许输入信号的频率频范围。在机电一体化系统中，工作频率一般指的是执行机构的运行速度。相互关联的，是系统动态特性的表现特征。系统设计时，在满足系

7、统工作要求的前提下，首先要保证系统的稳定性和精度，并尽量提高系统的响应速度。 10第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统6.2 6.2 执行元件执行元件一、执行元件的分类及其特点执行元件的分类及其特点执行元件能量变换元件，其目的是控制执行机构运动。 1.分类分类（根据使用能量的不同）（根据使用能量的不同）（1）电气式（电能转化成电磁力，并用电磁力驱动执行机构运动）：步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机（2）液压式（电能变化成液体压力）：液压缸、液压马达等，（3）气压式（电能变化成气体压力）：气缸、气马达等，较难伺服控制。 2. 要求（要求（机电一体化伺服系统机电一体化伺服系统）惯性小，动力大；体

8、积小，质量轻；好控制，成本低；可靠性好和安装维护简便等。11第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统执行元件的分类根据使用能量的不同根据使用能量的不同电气式12第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 二、直流伺服电动机二、直流伺服电动机 直直流流伺伺服服电电机机具具有有良良好好的的调调速速特特性性，较较大大的的启启动动转转矩矩和和相相对对功功率率，易易于于控控制制及及响响应应快快等等优优点点。尽尽管管其其结结构构复复杂杂，成成本本较较高高，在在机机电电一一体体化化控控制制系系统统中中还还是是具具有有较较广广泛泛的的应应用用。 1.直流伺服电动机的分类直流伺服电动机的分类 按励磁方式可分为：按励磁方式

9、可分为： 电磁式（他励式）：磁场由励磁绕组产生。电磁式（他励式）：磁场由励磁绕组产生。 永磁式：磁场由永磁体产生永磁式：磁场由永磁体产生 2.直流伺服电动机的基本结构及工作原理直流伺服电动机的基本结构及工作原理 直流伺服电动机主要由磁极、电枢、电刷及换向片组成。直流伺服电动机主要由磁极、电枢、电刷及换向片组成。13第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 直流伺服电动机基本结构直流伺服电动机基本结构定子转子电枢电源 硅钢片叠成 通过控制电枢绕组中电流的方向和大小，就可以控制直流伺服电动机的旋转方向和速度。当电枢绕组中电流为零时，伺服电动机则静止不动。直流伺服电动机是在定子磁场的作用下，使通有直流电

10、的电枢（转子）受到电磁转矩的驱使，带动负载旋转。14第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统式中:U外加电枢电压（V）；Ea电枢反电动势（V）；Ia电枢电流（A）；Ra电枢回路内阻（）电枢回路电枢回路励磁回路励磁回路直流他励电动机的原理电路图直流他励电动机的原理电路图 （6-1）3、直流伺服电动机的特性分析当电动机处于稳态运行时，电枢回路中的电流Ia保持不变，则电枢回路中的电压平衡方程式为：15第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 转子在磁场中以转速n切割磁力线时，电枢反电动势Ea与转速n之间存在如下关系：式中，Ke电动势常数，仅与电动机结构有关；定子磁场中每极气隙磁通量。将（6-2）代入（6-1

11、）得：此外，电枢电流切割磁场磁力线所产生的电磁转矩T，可由下式表达（Km转矩常数）： 即即： 转速特性转速特性 机械特性机械特性（6-2）（6-4）（6-3）（6-5）16第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统直流伺服电动机的调速方法直流伺服电动机的调速方法直流伺服电动机的控制方式主要有两种： 电枢电压控制：在定子磁场不变定子磁场不变，控制施加在电枢绕组两端的电压来控制电机的转速（恒转矩调速方式 ）。Ia可达额定值，可达额定值，励磁磁场控制：通过改变励磁电流的大小励磁电流的大小来改变定子磁场强度，从而控制电动机的转速和输出转矩（恒功率调速方式 ）。电机额定值条件工作，额定值条件工作，饱和，只能弱

12、磁调速，饱和，只能弱磁调速， Ia不能超过额定值（保持不变），不能超过额定值（保持不变），恒定恒定17第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统3.直流他励电动机的机械特性直流他励电动机的机械特性 电动机的机械特性指的是电动机的机械特性指的是转速与电磁转矩转速与电磁转矩之间的关系。之间的关系。 机械特性曲线机械特性曲线18第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统1. 理想空载转速：理想空载转速： T=0时的转速称为理想空载转时的转速称为理想空载转速，用速，用n0表示。表示。 根据机械特性可知：根据机械特性可知：2. 转速降落转速降落 3. 机械特性硬度机械特性硬度 为了衡量机械特性的平直程度，引进一个机

13、械特性硬为了衡量机械特性的平直程度，引进一个机械特性硬度的概念，其定义为：度的概念，其定义为： 理想空载点理想空载点19第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 即转矩变化与所引起的转速变化即转矩变化与所引起的转速变化的比值，称为机械特性的硬度。的比值，称为机械特性的硬度。 根据根据 值的不同，可将电值的不同，可将电动机机械特性分为三类。动机机械特性分为三类。（1）绝对硬特性）绝对硬特性 （水平线）（水平线）（2）硬特性）硬特性 10（3）软特性）软特性 10 20第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统二、固有机械特性二、固有机械特性 直流他励电动机的固有机械特性指的是在额定条件直流他励电动机的固有

14、机械特性指的是在额定条件（额定电压（额定电压UN和额定磁通和额定磁通 N )下和电枢电路内不外接任下和电枢电路内不外接任何电阻时的何电阻时的 n=f(T) 即即: 是一条直线。是一条直线。 直流他励电动机固有机械特性曲线可根据电动机的铭直流他励电动机固有机械特性曲线可根据电动机的铭牌数据求出牌数据求出(0,n0 )和和(TN, nN)即可绘出固有的机械特性。即可绘出固有的机械特性。 通常直流电动机铭牌上给出额定功率通常直流电动机铭牌上给出额定功率PN 、额定电压、额定电压 UN 、额定电流、额定电流IN和额定转速和额定转速 nN。21第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统二、人为机械特性二、人为

15、机械特性人为地改变电动机电枢外加电压人为地改变电动机电枢外加电压U和励磁磁和励磁磁通通的大小以及电枢回路串接附加电阻的大小以及电枢回路串接附加电阻Rad所得到的机械特性。所得到的机械特性。 1. 电枢回路串接附加电阻电枢回路串接附加电阻电枢回路串接附加电阻电枢回路串接附加电阻电压平衡方程式为：电压平衡方程式为： 得到的人为机械特性方程式为：得到的人为机械特性方程式为： 22第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 特性变软特性变软空载速度空载速度 不变；不变；随着电阻的增加，转速降随着电阻的增加，转速降 落增加；落增加；23第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 由由于于电电动动机机电电枢枢绕绕组组

16、绝绝缘缘耐耐压压强强度度的的限限制制，电电枢枢电电压压只只允允许许在在其其额额定定值值以以下下调调节节，所所以以，不不同同值值的的人人为为特特性性曲曲线线均均在固有特性曲线之下。在固有特性曲线之下。空载速度空载速度 随着随着U的减小而减小；的减小而减小；转速降落转速降落 不变；不变； 特性硬度不变特性硬度不变2. 2.改变电枢电压改变电枢电压改变电枢电压改变电枢电压（变电枢电压，恒转矩调速）（变电枢电压，恒转矩调速）24第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统3改变磁通改变磁通改变磁通改变磁通 （变励磁电流，恒功率调速）（变励磁电流，恒功率调速）转速降转速降 随磁通的改变而变化。随磁通的改变而变化

17、。理想空载转速理想空载转速 随磁通的改变而变化；随磁通的改变而变化；特性变软特性变软斜率增大斜率增大空空载载转转速速增增大大25第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动机的励磁电流和它对应的磁通只能在低于其额定值的范围内调节； 当磁通过分削弱后：当磁通过分削弱后：（1）如果负载转矩不变，将使电动机电流大大增加而严重过载过载；（2）当0时，从理论上说，空载时电动机速度趋近，通常称为“飞车飞车”； 当电动机轴上的负载转矩大于电磁转矩时，电动机不能启动，电枢电流为Ist，长时间的大电流会烧坏电枢绕组。 因此，直流他励电动机启动前必须先加励磁电流，在运转过程中，决

18、不允许励磁电路断开或励磁电流为零，为此，直流他励电动机在使用中，一般都设有“失磁失磁”保护。保护。26第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统4. 直流他励电动机的调速特性直流他励电动机的调速特性 （一）速度调节和速度变化（一）速度调节和速度变化 调速调速（又称速度调节）与（又称速度调节）与速度变化速度变化是两个完全不同的概念是两个完全不同的概念 电动机的电动机的调速调速是在一定的负载条件下，人为地改变电动机是在一定的负载条件下，人为地改变电动机的电路参数，以改变电动机的稳定转速，如图所示。的电路参数，以改变电动机的稳定转速，如图所示。 这这里里转转速速的的变变化化是是人人为为改改变变（或或调调节

19、节）电电枢枢回回路路的的电电阻阻大大小小所所造造成成的的，故故称称调速或速度调节调速或速度调节。改变电枢回路电阻改变电枢回路电阻改变电枢回路电阻改变电枢回路电阻27第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 速度变化速度变化是指由于电动机的负载转矩发生变化（增大与是指由于电动机的负载转矩发生变化（增大与减小）或其它不可预见因数引起电动机转速的变化（下降或减小）或其它不可预见因数引起电动机转速的变化（下降或上升），如图所示。上升），如图所示。 总总之之，速速度度变变化化是是在在某某条条机机械械特特性性上上，由由于于负负载载改改变变而而引引起起的的；而而速速度度调调节节则则是是在在某某一一特特定定的的负

20、负载载下下，靠靠人为改变机械特性而得到的。人为改变机械特性而得到的。28第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 (二二)调速方法调速方法下面仅就他励直流电动机的调速方法作一般性的介绍。下面仅就他励直流电动机的调速方法作一般性的介绍。 从直流他励电动机机械特性方程式：从直流他励电动机机械特性方程式： 可知：可知：改变串入电枢回路的电阻改变串入电枢回路的电阻Rad ；改变；改变电枢供电电压电枢供电电压U或或主磁通主磁通 ，都可以得到不同的人为机械特性，从而在负载，都可以得到不同的人为机械特性，从而在负载不变时可以改变电动机的转速，以达到速度调节的要求，故不变时可以改变电动机的转速，以达到速度调节的要

21、求，故直流电动机调速的方法有以下三种。直流电动机调速的方法有以下三种。 29第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统1 1、改变电枢电路串接电阻、改变电枢电路串接电阻 直流电动机电枢回路串接电阻后，可以得到如图所示的一簇机械特性。 从特性曲线可看出，在一定的负载转矩TL下，串入不同的电阻可以得到不同的转速。如在电阻分别为Ra、R1、R2、R3、的情况下，可以分别得到稳定工作点A、C、D和E，对应的转速为nA、nB、nC、nD。30第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 改变电枢回路串接电阻的大小调速存在如下问题：改变电枢回路串接电阻的大小调速存在如下问题： 机械特性较软，电阻愈大则特性愈软，稳定度愈

22、低； 在空载或轻载时，电枢电流较小，调速范围不大； 实现无级调速困难； 在调速电阻上消耗大量电能等。 正因为缺点不少，目前已很少采用，仅在有些起重机、卷扬机等低速运转时间不长的传动系统中采用。31第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统2 2改变电动机电枢供电电压改变电动机电枢供电电压U U 如图所示特性曲线为改变电枢供电电压U调速的特性： 从特性曲线可看出，在一定的负载转矩TL下，电枢外加不同电压可以得到不同的转速。如在电压分别为UN、U1、U2、U3的情况下，可以分别得到稳定工作点a、b、c和d，对应的转速为na、nb、nc、nd。即改变电枢电压可以达到调速的目的。32第第6章章 伺服控制系统

23、伺服控制系统 改变电枢外加电压调速有如下特点：改变电枢外加电压调速有如下特点： 1）当电源电压连续变化时，转速可以平滑无级调节，一般只能在额定转速以下调节； 2）调速特性与固有特性互相平行，机械特性硬度不变，调速的稳定度较高，调速范围较大； 3）调速时，因电枢电流与电压U无关，且=N，转矩T=KmN Ia不变。 调速过程中，电动机输出转矩不变的调速特性称为恒转矩调速。具有恒转矩调速特性的调速方法适合于对恒转矩型负载进行调速； 4）可以靠调节电枢电压来启动电机，而不用其他启动设备。33第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统3改变电动机主磁通改变电动机主磁通 如图所示曲线为改变电动机主磁通调速的特性

24、：从特性曲线可看出，在一定的负载功率PL下，不同的主磁通N、1、2、，可以得到不同的转速na、nb、nc。即即改改变变主主磁磁通通 可可以以达达到到调调速的目的。速的目的。34第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 改变电动机主磁通特点：改变电动机主磁通特点： 1）可以平滑无级调速，但只能弱磁调速，即在额定转速以上调节； 2）调速特性较软，且受电动机换向条件等的限制。 普通他励电动机的最高转速不得超过额定转速的1.2倍，所以，调速范围不大，若使用特殊制造的“调速电动机”，调速范围可以增加，但这种调速电动机的体积和所消耗的材料都比普通电动机大得多； 3）调速时维持电枢电压U和电枢电流Ia不变时，电

25、动机的输出功率P=UIa，电动机的输出功率不变。 在在调速过程中，输出功率不变的这种特性称为恒功率调速过程中，输出功率不变的这种特性称为恒功率调速，调速，这种调速适合于对恒功率型负载进行调速。这种调速适合于对恒功率型负载进行调速。35第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统由于伺服控制系统的速度和位移都有较高的精度要求，因而直流伺服电动机通常以闭环或半闭环控制方式应用于伺服系统中。它们都对系统输出进行实时检测和反馈，并根据偏差对系统实施控制。两者的区别仅在于传感器检测信号的位置不同。 因此，设计、制造的难易程度不同,工作性能不同，但两者的设计与分析方法基本上是一致的。4.4.直流伺服系统直流伺服系

26、统36第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统闭环伺服系统结构原理图闭环伺服系统结构原理图 对伺服系统的最后输出结果进行检测和修正的伺服控对伺服系统的最后输出结果进行检测和修正的伺服控制方法。制方法。37第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统半闭环伺服系统结构原理图半闭环伺服系统结构原理图 对伺服系统的中间环节（如电动机的输出速度或角位对伺服系统的中间环节（如电动机的输出速度或角位移等）进行监控和调节的控制方法。移等）进行监控和调节的控制方法。38第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统设计闭环伺服系统必须首先保证系统的稳定性，然后在此基础上采取各种措施满足精度及快速响应性等方面的要求。当系统精度要求很

27、高时，应采用闭环控制方案。它将全部机械传动及执行机构都封闭在反馈控制环内，其误差都可以通过控制系统得到补偿，因而可达到很高的精度。但是闭环伺服系统结构复杂，设计难度大，成本高，尤其是机械系统的动态性能难于提高，系统稳定性难于保证。因而除非精度要求很高时，一般应采用半闭环控制方案。39第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统影响伺服精度的主要因素是检测环节，常用的检测传感器有旋转变压器、感应同步器、编码盘、光电脉冲编码器、光栅尺、磁尺及测速发电机等。 如被测量为直线位移，则应选尺状的直线位移传感器，如光栅尺、磁尺、直线感应同步器等。 如被测量为角位移，则应选圆形的角位移传感器，如光电脉冲编码器、圆感

28、应同步器、旋转变压器、码盘等。 一般来讲，半闭环控制的伺服系统主要采用角位移传感器，闭环控制的伺服系统主要采用直线位移传感器。 在位置伺服系统中，为了获得良好的性能，往往还要对执行元件的速度进行反馈控制，因而还要选用速度传感器。速度控制也常采用光电脉冲编码器，既测量电动机的角位移，又通过计时而获得速度。40第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统6.2.3步进电动机步进电动机 41第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统步进电动机又称电脉冲马达，是通过脉冲数量决定转角位移的一种伺服电动机。由于步进电动机成本较低，易于采用计算机控制，因而被广泛应用于开环控制的伺服系统中。步进电动机比直流电动机或交流电动

29、机组成的开环控制系统精度高，适用于精度要求不太高的机电一体化伺服传动系统。目前，一般数控机械和普通机床的微机改造中大多数均采用开环步进电动机控制系统。42第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统一、功能、用途和分类 功能 将电脉冲信号转换成转角或转速信号。 转角 脉冲信号的个数； 转速 n 脉冲信号的频率。 用途 高精度的角度控制。如光驱、绘图机、经济型数控系统。 分类 按定子相数不同：三相、四相、五相、六相等； 按转子材料不同：永磁式、磁阻式（反应式） 和混合式。43第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统二、基本结构二、基本结构（三相磁阻式步进电动机）三相磁阻式步进电动机）(1) 定子：有6个齿，

30、缠有WA、WB、WC三相绕组，构成三对磁极。(2)转子：转子上则均匀分布着4个齿。 14 23U1U2V1V2W2W1三相磁阻式步进三相磁阻式步进电动机原理图电动机原理图44第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 步进电动机的典型结构步进电动机的典型结构为了减少每通电一次的转角，在转子和定子上开有很多定分的小齿。其中定子的三相绕组铁心间有一定角度的齿差。U 2U1W2W1V1V2定子定子转子转子（单定子、径向分相、反应式（单定子、径向分相、反应式伺服步进电机的典型结构）伺服步进电机的典型结构）定子与转子齿错开1/3齿距角45第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统三三 步进电动机的结构与工作原理步进

31、电动机的结构与工作原理14 23U1U2V1V2W2W1图6-12三相反应式步进电动机的工作原理步进电动机按其工作原理主要可分为磁电式磁电式和反应式反应式两大类这里只介绍常用的反应式步进电动机的工作原理。如图6-12所示：定子上有6个齿，分别缠有U、V、W三相绕组，构成三对磁极；转子上则均匀分布着4个齿。步进电动机采用直流电源供电。当U、V、W三相绕组轮流通电时，通过电磁力的吸引，步进电动机转子一步一步地旋转。46第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统一拍：一拍： 从一次通电到另一次通电。从一次通电到另一次通电。步距角：每一拍转子转过的角度。步距角：每一拍转子转过的角度。单相通电方式：每一拍只有

32、一相绕组通电。单相通电方式：每一拍只有一相绕组通电。双相通电方式：每一拍都有两相绕组通电。双相通电方式：每一拍都有两相绕组通电。单、双相通电方式：步进电动机通电循环的各拍中单、双相通电方式：步进电动机通电循环的各拍中交替出现单、双相通电状态。交替出现单、双相通电状态。 (1)m 相单相单 m 拍运行（三相单三拍运行拍运行（三相单三拍运行 U -V-W）(2)m 相双相双 m 拍运行（三相双三拍运行拍运行（三相双三拍运行UV -VW-VW）(3)m 相单双相单双 2m 拍运行（三相单双六拍运行拍运行（三相单双六拍运行 U-UV -V - VW-W-VW ） 47第第6章章 伺服控制系统伺服控制系

33、统14 2314 2314 2314 23U1U2V1V2W2W1(1) m 相单相单 m 拍运行（三相单三拍运行）拍运行（三相单三拍运行） 通电顺序：通电顺序： U 相相V 相相W 相相U 相。相。 U 相通电相通电 14 23U1U2V1V2W2W114 23 V 相通电相通电 U1U2V1V2W2W1 W 相通电相通电 14 2314 23一步一步两步两步三步三步 步距角：步距角： = 3048第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统(2) m 相双相双 m 拍运行（三相双三拍运行）拍运行（三相双三拍运行） 通电顺序：通电顺序： UV 相相VW 相相WU 相。相。 14 23U1U2V1V2

34、W2W1 UV 相通电相通电 14 2314 23U1U2V1V2W2W1 VW 相通电相通电 14 2314 23U1U2V1V2W2W1 WU 相通电相通电 14 23 步距角：步距角： = 3014 2314 2349第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统(3) m 相单双相单双 2m 拍运行拍运行 (三相单双六拍运行）三相单双六拍运行）通电顺序：通电顺序：UUV VVW W WU U。14 23U1U2V1V2W2W1114 23U1U2V1V2W2W1214 23U1U2V1V2W2W1314 23U1U2V1V2W2W1414 23U1U2V1V2W2W1514 23U1U2V1V2

35、W2W1614 23步距角：步距角： = 15 50第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统一般情况下，m相步进电动机可采用单相通电、双相通电或单双相轮流通电方式工作，对应的通电方式分别称为m相单m拍、m相双m拍或m相2m拍通电方式。由于采用单相通电方式工作时，步进电动机的矩频特性（输出转矩与输入脉冲频率的关系）较差，在通电换相过程中，转子状态不稳定，容易失步，因而实际应用中较少采用。图6-14是某三相反应式步进电动机在不同通电方式下工作时的矩频特性曲线。显然，采用单双相轮流通电方式可使步进电动机在各种工作频率下都具有较大的负载能力。51第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统图图6-14 不同通电方

36、式时的矩频特性不同通电方式时的矩频特性显然，采用单双相轮流通电方式可使步进电动机在各种工作频率下都具有较大的负载能力。采用单相通电方式工作时，步进电动机的矩频特性较差，在通电换相过程中，转子状态不稳定，容易失步，因而实际应用中较少采用。输出转矩输入脉冲频率52第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 步距角步距角P367 =360z Nz ：转子齿数：转子齿数N ：拍数：拍数 转速转速 一个一个 转转 (1 / zN ) 圈，圈， 脉冲频率为脉冲频率为 f 每秒转每秒转 ( f / zN ) 圈。圈。n =60 fz N例如：例如：三相步进电动机三相步进电动机 z = 40，则，则采用单采用单/双

37、三拍双三拍时：时：采用三相六拍采用三相六拍时：时：=360z N 360403= = 3=360z N 360406= = 1.553第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统四.步进电动机的使用特性（1）步距误差。步距误差直接影响执行部件的定位精度。（2）最大静转矩。是指步进电动机在某相始终通电而处于静止不动状态时，所能承受的最大外加转矩。它反映了制动能力和低速步进运行时的负载能力。（3）启动矩频特性。空载时步进电动机由静止突然启动，并不失步地进入稳速运行所允许的最高频率称为最高启动频率。启动频率与负载转矩有关。54第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统图6-1590BF002型步进电动机的启动矩频

38、特性负载转矩负载转矩越大，所允许的最大启动频率越小。当伺服系统要求步进电动机的运行频率高于最大允许启动频率时，可先按较低的频率启动，然后按一定规律逐渐加速到运行频率。允许的最大启动频率55第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统图6-16运行矩频特性（4）运行矩频特性。步进电动机连续运行时所能接受的最高频率称为最高工作频率，它与步距角一起决定执行部件的最大运行速度。最高工作频率决定于负载惯量J，还与定子相数、通电方式、控制电路的功率驱动器等因素有关。 输出转矩随运行频率的增加而减小，即高速时其负载能力变差。这是步进电动机应用范围受限的主要原因之一。输出转矩运行频率56第第6章章 伺服控制系统伺服控

39、制系统（5）最大相电压和最大相电流。分别是指步进电动机每相绕组所允许施加的最大电源电压和流过的最大电流。实际应用的相电压或相电流如果大于允许值，可能会导致步进电动机绕组被击穿或因过热而烧毁；如果比允许值小得太多，步进电动机的性能又不能充分发挥出来。因而设计或选择步进电动机的驱动电源时，应充分考虑这两个电气参数。57第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统图6-17开环步进电动机控制系统框图步进电动机的电枢通断电次数和各相通电顺序决定了输出角位移和运动方向，控制脉冲分配频率可实现步进电动机的速度控制。因此，步进电机控制系统一般采用开环控制方式。图6-17为开环步进电动机控制系统框图，系统主要由环形分

40、配器、功率驱动器、步进电动机等组成。五.步进电动机的控制与驱动58第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统1）环形分配步进电动机在一个脉冲的作用下，转过一个相应的步距角，因此只要控制一定的脉冲数，即可精确控制步进电动机转过的相应的角度。但步进电动机的各绕组必须按一定的顺序通电才能正确工作，这种使电动机绕组的通断电顺序按输入脉冲的控制而循环变化的过程称为环形脉冲分配。实现环形分配的方法有两种。一种是计算机软件分配另一种是硬件环形分配59第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 计算机软件分配计算机软件分配计算机软件分配，采用查表或计算的方法使计算机的三个输出引脚依次输出满足速度和方向要求的环形分配脉冲信

41、号。优点：能充分利用计算机软件资源，减少硬件成本，尤其是多相电动机的脉冲分配更能显示出这种分配方法的优点。优点：由于软件运行会占用计算机的运行时间，因而会使插补运算的总时间增加，从而影响步进电动机的运行速度。60第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统硬件环形分配是采用数字电路搭建或专用的环形分配器件将连续的脉冲信号经电路处理后输出环形脉冲。采用数字电路搭建的环形分配器通常由分立元件（如触发器、逻辑门等）构成，特点是体积大，成本高，可靠性差。专用的环形分配器目前市面上有很多种， 如CMOS电路CH250即为三相步进电动机的专用环形分配器。它的引脚功能及三相六拍线路图如图6-18所示。 硬件环形分配

42、硬件环形分配61第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统图6-18环形分配器CH250引脚图(a)引脚功能；(b)三相六拍线路图置“1”复位CH250具有控制步进电机三相双三拍和三相单双六拍的功能。 J3r、J3L三相双三拍的控制端， J6r、J6L三相六拍的控制端， R*是双三拍的复位端， R是六拍的复位端， CP(CL)端是时钟脉冲输入端， EN是时钟脉冲允许端，CH250也允许以EN端作脉冲CP的输入端。U、V、W 为环形分配器的三个输出端，经过脉冲放大器（功率放大器）后分别接到步进电动机的三相线上。双三拍控制六拍控制时钟允许输出端时钟输入62第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统图6-18环

43、形分配器CH250引脚图(a)引脚功能；(b)三相六拍线路图63第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统2） 功率驱动功率驱动要使步进电动机能输出足够的转矩以驱动负载工作，必须为步进电机提供足够功率的控制信号，实现这一功能的电路称为步进电动机驱动电路。驱动电路实际上是一个功率开关电路，其功能是将计算机或环形分配器的输出信号进行功率放大，得到步进电机控制绕组所需要的脉冲电流及所需要的脉冲波形。步进电机的工作特性在很大程度上取决于功率驱动器的性能，对每一相绕组来说，理想的功率驱动器应使通过绕组的电流脉冲尽量接近矩形波。但由于步进电动机绕组有很大的电感，要做到这一点是有困难的。64第第6章章 伺服控制系

44、统伺服控制系统常见的步进电动机驱动电路有三种：单电源驱动电路。双电源驱动电路。斩波限流驱动电路。(1）单电源驱动电路。优点：采用单一电源供电，结构简单，成本低；缺点：电流波形差，效率低，输出力矩小；主要用于对速度要求不高的小型步进电动机的驱动。图6-19所示为步进电动机的一相绕组驱动电路（每相绕组的电路相同）。65第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统当环形分配器的脉冲输出信号为低电平（逻辑0）时，虽然VT1、VT2管都导通，但只要适当选择Rl、R3、R5的阻值，使Ub30（约为0.7V），VT3管饱和导通，该相绕组通电。图6-19单电源驱动电路续流二极管续流二极管限流电阻限流电阻66第第6章章

45、 伺服控制系统伺服控制系统(2）双电源驱动电路。双电源驱动电路又称高、低压驱动电路，采用高压和低压两个电源供电。在步进电动机绕组刚接通时，通过高压电源供电，以加快电流上升速度，延迟一段时间后，切换到低压电源供电。采用这种高低压切换型电源，电动机绕组上不需要串联电阻或者只需要串联一个很小的电阻Rf1（为平衡各相的电流），所以电源的功耗比较小。由于这种供压方式使电流波形得到很大改善，所以步进电动机的转矩一频率特性好，启动和运行频率得到很大的提高。但在低频运行时，会使绕组中注入过多的能量而引起电机的低频振荡和噪声。67第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统图6-20高、低压驱动电路当环形分配器的脉冲输

46、入信号在高压电源作用下绕组电流迅速上升，电流前沿很陡。当电流达到或稍微超过额定稳态电流时，利用定时电路或电流检测器等措施切断VTg基极上的信号电压，于是VTg截止。此时VTd仍然是导通的，因此绕组电流即转而由低压电源经过二极管VD1供给。绕组中的电流限定在额定值。环形分配器的脉冲输出信号Uu为高电平这时VD1承受反向电压而截止，低压电源不对绕组作用基极都有信号电压输入而导通（要求该相绕组通电）UbgUbd68第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统图6-20高、低压驱动电路当环形分配器的脉冲输入信号环形分配器的脉冲输出信号Uu为低电平绕组中的电流经二极管VD2及电阻Rf2向高压电源放电，电流便迅速

47、下降。 Vd基极信号电压消失而截止（要求该相绕组断电）断电69第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统(3）斩波限流驱动电路。这种电路采用单一高压电源供电，以加快电流上升速度，并通过对绕组电流的检测，控制功放管的开和关，使电流在控制脉冲持续期间始终保持在规定值上下，其波形如图6-21所示。这种电路功率大，功耗小，效率高，目前应用最广。图6-22所示为一种斩波限流驱动电路原理图。图6-21斩波限流驱动电路波形图70第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统图6-22斩波限流驱动电路（要求该相绕组通电） 当环形分配器的脉冲输出高电平 导通 在VT2导通（截止）瞬间，脉冲变压器TI在其二次线圈中感应出一个正（

48、负）脉冲，使大功率晶体管VT4导通 （截止）。同时由于VT3的导通，大功率晶体管VT5也导通。 于是绕组W中有电流流过，步进电动机旋转。 因W是感性负载，其中电流逐渐增加，当增加到一定值时，在检测电阻R10上的压降将超过设定的Vref，使OP翻转，输出低电平使VT2截止。W W中储存的能量释放，中储存的能量释放，电流逐渐减小。电流逐渐减小。当减减小小到一定值时，在检测电阻R10上的压降将小于设定的Vref，使OP翻转，输出高电平使VT2导通。 V Vrefref由分压电由分压电阻阻R7R7和和R8R8所设所设定定使导通 使导通 步进电机绕组在控制脉冲持续期间，上述过程不断重复。 71第第6章章

49、 伺服控制系统伺服控制系统图6-22斩波限流驱动电路（要求该相绕组断电） 环形分配器的脉冲输入低电平 截止W W中的能量则通中的能量则通过过VD6VD6、电源、电源、地和地和VD7VD7释放。释放。 V Vrefref由分压电由分压电阻阻R7R7和和R8R8所设所设定定步进电机绕组使截止使截止截止截止该电路限流值可达6A左右，改变电阻R10或R8的值，可改变限流值的大小。72第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统6.2.4 交流伺服电动机交流伺服电动机73第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统二十世纪后期，随着电力电子技术的发展，交流电动机应用于伺服控制越来越普遍。与直流伺服电动机比较：优点：交流

50、伺服电动机不需要电刷和换向器，因而维护方便和对环境无要求；此外，交流电动机还具有转动惯量、体积和重量较小，结构简单、价格便宜；尤其是交流电动机调速技术的快速发展，使它得到了更广泛的应用。缺点：转矩特性和调节特性的线性度不及直流伺服电动机好；其效率也比直流伺服电动机低。由于现代变频技术的发展，交流电机转矩特性和调节特性已接近直流电机。因此，在伺服系统设计时，除某些操作特别频繁或交流伺服电动机在发热和起、制动特性不能满足要求时，选择直流伺服电动机外，一般尽量考虑选择交流伺服电动机。74第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统用于伺服控制的交流电动机主要有两类：同步型交流伺服电机（SM）：其特点：无接触

51、换向部件；需磁极位置检测（如编码器）。异步型交流伺服电机（IM）：其特点：对定子电流的激励分量和转矩分量分别控制。采用同步型交流电动机的伺服系统，多用于机床进给传动控制、工业机人关节传动和其它需要运动和位置控制的场合。异步型交流电动机的伺服系统，多用于机床主轴转速和其它调速系统。75第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统1.异步型交流伺服电机异步型交流伺服电机 三相异步电动机定子中的三个绕组在空间方位上也互差120，三相交流电源的相与相之间的电压在相位上也相差120。当在定子绕组中通入三相电源时，定子绕组就会产生一个旋转磁场，旋转磁场的转速为（6-13）式中：f1为定子供电频率；p为定子线圈的磁

52、极对数；n1为定子旋转磁场的同步转速。76第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统异步电动机的转速方程为：（6-14）式中：n为电机转子的转速；s为转差率。由此式可知，交流电机的转速转速与磁极对数磁极对数和供电电源的供电电源的频率频率有关。我们把改变异步电机的供电频率f1实现实现调速的方法称为变频调速变频调速；而改变磁极对数P进行调速的方法叫变极调速。变频调速一般是无级调速，变极调速是有级调速。当然，改变转差率S也可以实现无级调速，但该办法会降低交流电动机的机械特性，一般不使用。77第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统2. 同步型交流电动机同步型交流电动机同步交流电动机的转速用下式表达：(6-15

53、)式中,f1为定子供电频率；p为定子线圈的磁极对数；n为转子转速。3.交流伺服电机的性能由电机理论知道，三相异步电动机定子每相电动势的有效值E1为E1=4.44f1N1m(6-16) 78第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统式中,m为每极气隙磁通；N1为定子相绕组的有效匝数。异步电机变频调速时，希望变频调速时，希望m 不变。不变。由上式可见，m的值是由E1和f1共同决定的，对E1和f1进行适当的控制，就可以使气隙磁通m保持额定值不变。下面分两种情况说明。P418（1）基频以下的恒磁通变频调速。就是考虑基频（电机额定频率f）向下调速的情况。为了保持电机的负载能力，应保持气隙磁通不变。这就要求降低

54、供电频率的同时降低感应电动势，保持E1/f1常数，即保持电动势与频率之比为常数进行控制恒定电动势频率比控制。E1=4.44f1N1m79第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统图6-23恒压频比控制特性a不带定子压降补偿b带定子压降补偿由于E1难于直接检测和控制。当E1和f1的值较高时，定子的漏阻抗压降相对比较小，如忽略，即认为U1E1，保持U1/f1常常数数即可。这就是恒压频比控制方式，是近似的恒磁通控制。当频率较低时，U1和E1都变小，定子漏阻抗压降不能忽略。可以适当提高定子电压以补偿定子电阻压降的影响，使气隙磁通基本保持不变。 定子电压定子电压U1气隙磁通m基本保持不变E1/f1=4.44N

55、1m80第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统图6-24异步电动机变频调速控制特性(2）基频以上的弱磁通变频调速。由基频开始向上调速的情况。频率由额定值fIN向上增大，但电压U受额定电压U1n的限制不能再升高，只能保持保持U1=U1n不变不变。必然会使磁通随着f1的上升而减小，这属于近似的恒功率调速方式。 恒磁通变频调速 U14.44N1f1m81第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统由上述分析可知，变频调速时，一般需要同时改变电压和频率，以保持磁通基本恒定。因此，变频调速器又称为VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）装置。4.交流电动机变频调速的控制方案根据

56、生产的要求、变频器的特点和电动机的种类，会出现多种多样的变频调速控制方案。这里只讨论交-直-交(AC-DC-AC)变频器。）开环控制）开环控制 开环控制的通用变频器三相异步电动机变频调速系统控制框图如图6-25所示。82第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统图6-25开环异步电动机变频调速该控制方案结构简单，可靠性高。但是，由于是开环控制方式，其调速精度和动态响应特性并不是十分理想。尤其是在低速区域电压调整比较困难，不可能得到较大的调速范围和较高的调速精度。异步电动机存在转差率，转速随负荷力矩变化而变动，即使目前有些变频器具有转差补偿功能及转矩提升功能，也难以达到0.5%的精度，所以采用这种V/

57、F控制的通用变频器异步电机开环变频调速适用于一般要求不高的场合，例如风机、水泵等机械。 83第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统2）无速度传感器的矢量控制）无速度传感器的矢量控制无速度传感器的矢量控制变频器异步电动机变频调速系统控制框图如图6-26所示。84第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统图6-26矢量控制变频器的异步电动机变频调速对比图6-25图，两者的差别仅在使用的变频器不同。由于使用无速度传感器矢量控制的变频器，可以分别对异步电动机的磁通和转矩、电流进行检测、控制，自动改变电压和频率，使指令值和检测实际值达到一致，从而实现了矢量控制。虽说它是开环控制系统，但是大大提升了静态精度和动态

58、品质。转速精度约等于0.5%，转速响应也较快。如果生产要求不是十分高的情形下，采用矢量变频器无传感器开环异步电机变频调速是非常合适的，可以达到控制结构简单，可靠性高的实效。85第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统图6-27异步电动机闭环控制变频调速优点：优点：矢量控制异步电机闭环变频调速是一种理想的控制方式。它可以从零转速起进行速度控制，即甚低速亦能运行，因此调速范围很宽广，可达100:1或1000:1；可以对转矩实行精确控制；系统的动态响应速度甚快；电机的加速度特性很好等优点。3）带速度传感器的矢量控制）带速度传感器的矢量控制带速度传感器的矢量控制变频器异步电动机闭环变频调速系统控制框图如图

59、6-27所示。86第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 缺点：缺点：带速度传感器矢量控制变频器的异步机闭环变频调速技术性能虽好，但是毕竟它需要在异步电动机轴上安装速度传感器，严格地讲，已经降低了异步电动机结构坚固、可靠性高的特点。况且，在某些情况下，由于电动机本身或环境的因素无法安装速度传感器。再则，多了反馈电路和环节，也增加了出故障的机率。因此，如若非采用不可的情况下，对于调速范围、转速精度和动态品质要求不是特别高的场合，往往采用无速度传感器矢量变频器开环控制异步机变频调速系统。87第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统4）永磁同步电动机开环控制永磁同步电动机开环控制的变频调速系统控制框图如图

60、6-28所示。88第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统图6-28永磁同步电机开环控制变频调速假如将图6-25中异步电动机（IM）换成永磁同步电动机（PM、SM），就是第四种变频调速控制方案。它具有控制电路简单，可靠性高的特点。由于是同步电动机，它转速始终等于同步转速，转速只取决于电动机供电频率f1，而与负载大小无关（除非负载力矩大于或等于失步转矩，同步电动机会失步，转速迅速停止），其机械特性曲线为一根平行横轴直线，绝对硬特性。 89第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统如果采用高精度的变频器（数字设定频率精度可达0.01%），在开环控制情形下，同步电动机的转速精度亦为0.01%。因为同步电动机转

61、速精度与变频器频率精度相一致（在开环控制方式时），所以特别适合多电机同步传动。至于同步电动机变频调速系统的动态品质问题，若采用通用变频器V/F控制，响应速度较慢；若采用矢量控制变频器，响应速度很快。90第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 伺服电机的驱动电路实际上就是将控制信号转换为功率信号，为电机提供电能的控制装置，也称其为变流器，它包括电压、电流、频率、波形和相数的变换。变流器主要是由功率开关器件、电感、电容和保护电路组成。开关器件的特性决定了电路的功率、响应速度、频带宽度、可靠性和功率损耗等指标。6.3 电力电子变流技术电力电子变流技术 91第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 6.3.

62、1 开关器件特性 电力电子器件的性能要求是大容量、高频率、易驱动和低损耗。因此，评价器件品质因素的主要标准是容量、开关速度、驱动功率、通态压降、芯片利用率。 目前，各类电力电子器件所达到的功率水平如下： 普通晶闸管（SCR） ：12kV、1kA；4kV、3kA。 可关断晶闸管（GTO） ：9kV、1kA；4.5kV、4.5kA。 逆导晶闸管（RCT）：4.5kV、1kA。 光触晶闸管（LTT）：6kV、2.5kA；4kV、5kA。92第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统电力晶体管（GTR）：单管1kV、200A；模块1.2kV、800A；1.8kV、100A。场效应管（MOSFET）：1kV、

63、38A。绝缘栅双极型晶体管（IGBT）：1.2kV、400A；1.8kV、100A。静电感应晶闸管(SITH)：4.5kV、2.5kA。场控晶闸管（MCT）：1kV、100A。图6-29中示出主要电力电子器件的控制容量和开关频率的应用范围。93第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统图6-29电力电子器件的控制容量和开关频率的应用范围晶闸管（SCR）可关断晶闸管（GTO）绝缘栅双极型晶体管（IGBT）电力场效应晶体管（MOSFET）场控晶闸管（MCT）电力晶体管（GTR）控制容量开关频率94第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统绝缘栅双极晶体管(IGBT)，是GTR和MOSFET两类器件取长补短结合

64、而成的复合器件Bi-MOS器件。1986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。 GTR的的特特点点双双极极型型，电电流流驱驱动动，有有电电导导调调制制效效应应，通通流流能能力力很很强强，开开关关速速度度较较低低，所所需需驱驱动动功功率率大，驱动电路复杂。大，驱动电路复杂。 MOSFET的的优优点点单单极极型型，电电压压驱驱动动，开开关关速速度度快快，输输入入阻阻抗抗高高，热热稳稳定定性性好好，所所需需驱驱动动功功率率小小而而且驱动电路简单。且驱动电路简单。8.5绝缘栅双极晶体管95第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统EGCN+N- -PN

65、+N+PN+N+P+发射极发射极栅极栅极集电极集电极注入区注入区缓冲区缓冲区漂移区漂移区J3J2J1GEC+- -+- -+- -IDRNICVJ1IDRonGCEN沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT。IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，增强了通流能力。简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。RN为晶体管基区内的调制电阻。IGBT的结构和工作原理96第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统1.绝缘栅双极型晶体管（IGBT）（InsulatedGateBipolarTransistor）IGBT是在电力晶体管G

66、TR和场效应晶体管MOSFET之间取其长、避其短而出现的新器件，它实际上是用场效应晶体管驱动双极型晶体管，兼有场效应晶体管的高输入阻抗和电力晶体管的低导通压降两方面的优点。 GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。 IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。97第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使

67、通态压降减小。关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。GEC+- -+- -+- -IDRNICVJ1IDRon98第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统正常工作温度下允许的最大功耗正常工作温度下允许的最大功耗 。(3) (3) 最大集电极功耗最大集电极功耗P PCMCM包括额定直流电流包括额定直流电流I IC C和和1ms1ms脉宽最大电流脉宽最大电流I ICP CP 。 (2) (2) 最大集电极电流最大集电极电流由内部由内部PNPPNP晶体管的击穿电压确定。晶体管的击穿电压确定。(1) (1) 最大集射极间电压最大集射极间电压U

68、UCESCESIGBT的主要参数99第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统IGBT的特性和参数特点可以总结如下：开关速度高，开关损耗小。开关速度高，开关损耗小。 相相同同电电压压和和电电流流定定额额时时，安安全全工工作作区区比比GTRGTR大大，且具有耐脉冲电流冲击能力。且具有耐脉冲电流冲击能力。通态压降比通态压降比VDMOSFETVDMOSFET低。低。输入阻抗高，输入特性与输入阻抗高，输入特性与MOSFETMOSFET类似。类似。与与MOSFETMOSFET和和GTRGTR相比，耐压和通流能力还可以进相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点一步提高，同时保持开关频率高的

69、特点 。 100第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统图6-30IGBT的简化等效电路图(a)结构；(b)等效电路；(c)电气符号栅极IGBT是多元集成结构，每个IGBT元：给栅极施加正偏信号后，MOSFET导通，从而给PNP晶体管提供了基极电流使其导通。给栅极施加反偏信号后，MOSFET关断，使PNP晶体管基极电流为零而截止。它由一个MOSFET和一个PNP晶体管构成101第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统IGBT的开关速度低于MOSFET，但明显高于GTR。IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。IGBT的开启电压约34V，和MOSFET相

70、当。IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。102第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统2.场控晶闸管（MCT）MCT（MOSControlledThyristor）是20世纪80年代出现的一种新型的电压控制型全控器，是MOSFET驱动晶闸管的复合器件。它将MOSFET高输入阻抗、快开关速度的特性与晶闸管的高压大电流特性结合在一起，产生出较理想的功率器件特性。是双极型电力晶体管和MOSFET的复合。一个MCT器件大约由105个单胞组成，每个单胞的剖面、等效电路、图形符号如下图所示103第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统场控晶闸管：场控晶闸管：P-

71、MCT的单胞剖面、等效电路、图形符号的单胞剖面、等效电路、图形符号控制MCT导通的MOSFET控制MCT关断的MOSFET PNPN晶闸管一个（可等效为PNP和NPN晶体管各一个），104第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统当门相对于阳极加负脉冲当门相对于阳极加负脉冲电压时，电压时，ONFET导通，导通，它的漏极电流使它的漏极电流使NPN晶体管晶体管导道，导道，NPN晶体管又使晶体管又使PNP晶体管导通并形成正反馈触晶体管导通并形成正反馈触发过程，于是发过程，于是MCT导通。导通。当门极施加相对阳极为正脉冲的电压时，当门极施加相对阳极为正脉冲的电压时，OFFFET导通，导通，PNP晶体管因基极

72、电流中断晶体管因基极电流中断而截止，破坏了正反馈过程，于是而截止，破坏了正反馈过程，于是MCT关断。关断。 MCT的控制信号以阳极为基难。的控制信号以阳极为基难。105第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统MCT触发导通的门极负脉冲幅度一般为-5V-15V，关断的门极正脉冲电压一般为10V。与IGBT等其他电力电子器件相比，MCT具有如下优点：(1)电压、电流容量大。日前研制水平为限断电压3000V、峰值电流1000A，最大关断电流密度为6000A/cm2(2)通态压降小，约为1.1V，仅为IGBT通态压降的1/3。(3)di/dt和du/dt耐量极高，可分别达到2000A/S和2000Vs10

73、6第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统(4)开关速度快，开通时间为200ns，可在2S时间内关断1000V电压。(5)工作温度高。其温度受限于反向漏电流，上限温度值可达2500C-2700C。MCT还有一个重要特性：即使关断失败，器件也不会损坏。MCT与其他MOS栅控器件一样，对驱动电路要求很低，门极驱动简单。MCT作为功率开关，主要用于大电流、低通态损耗的领域。典型的应用是逆变器、电机驱动和脉冲电路等。随着MCT的制造工艺和结构的进一步完善，其应用将更加广泛。107第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统3.静电感应晶体管（SIT）SIT（StaticInductionTransistor）实际

74、上是一种结型电力场效应晶体管，其电压、电流容量都比MOSFET大，适用于高频，大功率的场合。当栅极不加任何信号时，SIT是导通的；栅极加负偏压时关断。这种类型的SIT称为正常导通型，使用不太方便。另外，SIT通态压降大，因此通态损耗也大。4.静电感应晶闸管（SITH）SITH（StaticInductionThyristor）是在SIT的漏极层上附加一层和漏极层导电类型不同的发射极层而得到的。108第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统6.3.2变流技术包括晶闸管在内的电力电子器件是变流技术的核心。近年来，随着电力电子器件的发展，变流技术得到了突飞猛进的发展，特别是在交流调速应用方面获得了极大的

75、成就。变流技术按其功能应用可分成下列几种变流器类型：整流器把交流电变为固定的（或可调的）直流电。逆变器把固定直流电变成固定的（或可调的）交流电。斩波器把固定的直流电压变成可调的直流电压。交流调压器把固定的交流电压变成可调的交流电压。周波变流器把固定的交流电压和频率变成可调的交流电压和频率。109第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统1.整流器整流过程是将交流信号转换为直流信号的过程，一般可通过二极管或开关器件组成的桥式电路来实现。图6-31所示为单相交流信号可控硅桥式整流电路。110第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统图6-31单相交流可控硅桥式整流电路(a）整流电路；(b）波形图如图a中开关器

76、件VT是可控硅（或GTR等），具有正向触发控制导通和反向自关断功能。Ug是控制引脚通过调整控制信号的相位角就可以实现输出直流电压的调节。若将VT换成二极管，则该电路变成了不可调压的整流电路。波形输入控制信号加载在电阻负载R上的整流电压波形。U2在正半周时，电位在正半周时，电位a高高b低低V1 V4 受正向阳极电压受正向阳极电压U2在负半周时，电位在负半周时，电位b高高a低低V2 V3受正向阳极电压受正向阳极电压触触发发脉脉冲冲在控制角在控制角时刻时刻ug4V34V 3ugU2过过零零V V1 1 V V4 4关关断断U2过过零零V V2 2V V3 3关关断断111第第6章章 伺服控制系统伺服

77、控制系统2.斩波器直流伺服电机的调速控制是通过改变励磁电压来实现的，因此把固定的直流电压变成可调的直流电压是直流伺服调速电路中不可缺少的组成部分。直流调压包括电位器调压和斩波器调压等办法。电位器调压法是通过调节与负载串联的电位器来改变负载压降，因此只适合小功率电器；斩波器调压的基本原理是通过晶闸管或自关断器件的控制，将直流电压断续加到负载（电机）上，利用调节通、断的时间变化来改变负载电压平均值。斩波器调压控制直流伺服电机速度的方法又称为脉宽调制PWM（PulseWidthModulation）直流调速。112第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统图6-32脉宽调速原理示意图(a）原理图；(b）加

78、载在电机电枢上的电压波形图中的二极管为续流二极管，将图中的开关S周期性地开、关，在一个周期T内闭合的时间为，则一个外加的固定直流电压U被按一定的频率开、闭的开关S加到电机的电枢上，当S断开时，由于电枢电感的存在，电动机的电枢电流可通过它形成续流回路。电枢上的电压波形将是一列方波信号，其高度为U、宽度为113第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统如图6-32(b)所示。电枢两端的平均电压为（6-17）式中,=/T=Ud/U(00时，Us的正脉宽大于负脉宽，直流分量大于零，V1和V4的导通时间长于V2和V3的导通时间，流过绕组中的电流平均值大于零，电动机正转，且随着U1增加，转速增加。（3）当UAB

79、uc时，V4导通，u0=Ud，当uruc时，V4关断，u0=0；uc载波ur调制信号为正弦波正三角波负三角波u0负载电压u0fu0中的基波分量128第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统图6-42单极性PWM控制方式原理控制V4或V3通断的方法如图6-42所示。在ur的负半周，V1关断，V2保持导通，当uruc时，V3关断，u0=0。这样，就得到了SPWM波形。uc载波ur调制信号为正弦波正三角波负三角波u0负载电压u0fu0中的基波分量这种在ur的半个周期内三角波载波和所得到的PWM波形都只在一个方向变化的控制方式称为单极性PWM控制方式。129第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统图6-41所

80、示的单相桥式逆变电路采用双极性控制方式时的波形如图6-43所示。在双极性方式中ur的半个周期内，三角波载波是在正负两个方向变化的，所得到的PWM波形也是在两个方向变化的。在ur的一个周期内，输出的PWM波形只有Ud两种电平。仍然在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制各开关器件的通断。130第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统图6-43双极性PWM控制方式原理uc载波为三角波ur调制信号为正弦波u0负载电压u0fu0中的基波分量若V1和V4导通时，给V1和V4关断信号，而给V2和V3以导通信号后，V1和V4立即关断，因感性负载电流不能突变，V2和V3并不立即导通，VD2和VD3导通续流。13

81、1第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统图6-43双极性PWM控制方式原理uc载波为三角波ur调制信号为正弦波u0负载电压u0fu0中的基波分量若V1和V4导通时，给V1和V4关断信号，而给V2和V3以导通信号后，V1和V4立即关断，因感性负载电流不能突变，V2和V3并不立即导通，VD2和VD3导通续流。132第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统图6-43双极性PWM控制方式原理uc载波为三角波ur调制信号为正弦波u0负载电压u0fu0中的基波分量当负载电流较大时，直到下一次V1和V4重新导通前，负载电流方向始终未变。133第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统图6-43双极性PWM控制方式原理u

82、c载波为三角波ur调制信号为正弦波u0负载电压u0fu0中的基波分量当负载电流较小时，在电流下降到零之前，VD2和VD3续流，之后V2和V3导通，这两种情况下，负载电压都是Ud。从V2和V3导通V1和V4导通切换时，VD1和VD4的续流情况和上述情况类似。134第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统6.4.3三相SPWM控制原理在PWM型逆变电路中，使用最多的是图6-44(a)所示的三相桥式逆变电路，其控制方式一般都采用双极性方式。U、V和W三相的PWM控制通常公用一个三角波载波uc，三相调制信号urU、urV和urW的相位依次相差120。U、V和W各相功率开关器件的控制规律相同，现以U相为例来

83、说明。当urUuc时，给上桥臂晶体管V1以导通信号，给下桥臂晶体管V4以关断信号，则U相相对于直流电源假想中点N的输出电压uUN=Ud/2。当urUuc时，给V1导通信号，V4以关断信号，则U相相对于直流电源假想中点N的输出电压uUN=Ud/2。当urUuc时，给V4以导通信号，V1以关断信号，则uUN=-Ud/2。V1和V4的驱动信号始终是互补的。 三相调制信号相位依次相差120三相的公用一个三角波载波ucurUurVurWN137第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统图6-44三相SPWM逆变电路及波形当臂1和6导通时，uUV=Ud，当臂3和4导通时，uUV=-Ud，当臂1和3或4和6导通时

84、，uUV=0，uUV=uUN-uVNurUurVurWN138第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统在双极性SPWM控制方式中，同一相上、下两个臂的驱动信号都是互补的。但实际上为了防止上、下两个臂直通而造成短路，在给一个臂施加关断信号后，再延迟t时间，才给另一个臂施加导通信号。延迟时间的长短主要由功率开关器件的关断时间决定。这个延迟时间将会给输出的PWM波形带来影响，使其偏离正弦波。139第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统6.4.4 SPWM型变频器的主电路型变频器的主电路SPWM型逆变器所需提供的直流电源，除功率很小的逆变器可以用电池外，绝大多数都要从市电电源整流后得到，整流器和逆变器构成变

85、频器。整流器一般采用不可控的二极管整流电路。小功率变频器可以采用单相整流电路，也可以采用三相整流电路，中大功率变频器一般都采用三相整流电路。交流电力机车所用的变频器容量很大，但因为输电线路只能提供单相电源，因此也用单相整流电路。使用单相电源和三相电源的SPWM型变频器主电路分别如图6-45和图6-46所示。140第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统图6-46使用单相电源的交直交变频电路(a)三相输出；(b）单相输出逆变电路整流电路逆变电路整流电路141第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统当变频器的整流电路采用二极管整流时，因为输入电流和输入电压相比没有相位滞后，所以一般认为功率因数为1。但这指

86、的是基波功率因数。实际上，因为输入电流中含有大量的谐波成分，因此输入回路总的功率因数是小于1的。变频电路的负载是电动机时，电动机的制动过程使电动机变成发电机，其能量通过续流二极管流入直流中间电路，使直流电压升高而产生过电压（泵升电压）。142第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统为了限制泵升电压，在电路中的直流侧并联了电阻R0和可控晶体管V0，当泵升电压超过一定数值时，使V0导通，让R0消耗掉多余的电能。图6-47使用三相电源的交直交变频电路143第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统思考题思考题 6-1什么是伺服控制？为什么机电一体化系统的运动控制往往是伺服控制？6-2机电一体化系统的伺服驱动有哪几种形式?各有什么特点？6-3比较直流伺服电动机和交流伺服电动机的适用环境差别。6-4了解伺服电动机的机械特性有什么意义，习惯性称呼机械特性硬的含义是什么？6-5变流技术有哪几种应用形式？举出各种变流器的应用实例。144第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统6-6直流PWM调压比其它调压方式有什么优点？6-7交流变频调速有哪几种类型，各有什么特点？6-8什么是SPWM？SPWM信号是数字信号形式还是模拟信号形式？6-9用SPWM进行交流变频调速所对应的传统方法有哪些？各有什么特点？145