伺服控制基礎(chǔ)知識課件

伺服控制基礎(chǔ)知識

內(nèi)容提要電力電子器件的應(yīng)用

檢測元件電力電子器件的應(yīng)用不可控器件半控型器件全控型器件不可控器件

二極體是一種不可控器件，其在電路中的圖形符號和伏安特性如圖2-1所示，二極體在電路中常用D表示。從伏安特性可見，當(dāng)陽極電壓大於陰極電壓0.7V時二極體導(dǎo)通,當(dāng)施加反向電壓值達(dá)到擊穿電壓時二極體被擊穿。利用二極體具有的單方嚮導(dǎo)電性，在電路中廣泛用作：整流、箝位、隔離和續(xù)流。變流電路中用於整流和續(xù)流的二極體是功率二極體。半控型器件晶閘管(SCR)

雙向晶閘管(TRIAC)晶閘管(SCR)晶閘管的結(jié)構(gòu)和符號

晶閘管的工作原理

晶閘管的伏安特性

晶閘管的結(jié)構(gòu)和符號

晶閘管是在半導(dǎo)體二極體、三極管之後出現(xiàn)的一種新型的大功率半導(dǎo)體器件它是一種可控制的矽整流元件，亦稱可控矽。晶閘管是由四層半導(dǎo)體構(gòu)成的。圖2-2a)所示為螺栓形晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它主要由單晶矽薄片P1，Nl，P2，N2四層半導(dǎo)體材料疊成，形成三個PN結(jié)。圖2-2b)和c)分別為其示意圖和表示符號。晶閘管的工作原理1)起始時若控制極不加電壓，則不論陽極加正向電壓還是反向電壓，晶閘管均不導(dǎo)通，這說明晶閘管具有正、反向阻斷能力。2)晶閘管的陽極和控制極同時加正向電壓時晶閘管才能導(dǎo)通，這是晶閘管導(dǎo)通必須同時具備的兩個條件。3)在晶閘管導(dǎo)通之後，其控制極就失去控制作用。欲使晶閘管恢復(fù)阻斷狀態(tài)，必須把陽極正向電壓降低到一定值(或斷開，或反向)。所以說晶閘管是控制導(dǎo)通而不控制關(guān)斷的半控器件。晶閘管的PN結(jié)可通過幾十至幾百安的電流，因此它是一種大功率的半導(dǎo)體器件，由於晶閘管導(dǎo)通時，相當(dāng)於兩只三極管飽和導(dǎo)通，因此，陽極與陰極問的管壓降為1V左右，而電源電壓幾乎全部分配在負(fù)載電阻RL上。晶閘管的伏安特性

晶閘管的陽極電壓與陽極電流的關(guān)係，稱為晶閘管的伏安特性，如圖2-3所示。雙向晶閘管(TRIAC)

雙向晶閘管也稱雙向三極半導(dǎo)體開關(guān)元件(BidirectionalTriodeThyristor)，它和單向晶閘的區(qū)別是：第一，它在觸發(fā)之後是雙向?qū)ǖ模坏诙?，在門極中所加的觸發(fā)信號不管是正的還是負(fù)的都可以使雙向晶閘管導(dǎo)通。雙向晶閘管可看作由兩個單間晶閘管反向並聯(lián)組成。

雙向晶閘管的特性和單向晶閘管的正向特性有點(diǎn)相近；只不過多了一個完全相同的反向特性而已，可見雙向晶閘管具有雙向?qū)翱刂频男再|(zhì)。圖2-5中給出的是第一、三象限的伏安特性，在這兩個象限中，雙向晶閘管能夠?qū)崿F(xiàn)最可靠觸發(fā)導(dǎo)通。而第二、四象限一般是不用於觸發(fā)工作。雙向晶閘管可以用作固態(tài)繼電器、過零開關(guān)等。作為交流開關(guān)它有很廣泛的應(yīng)用。全控型器件

變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展同現(xiàn)代功率開關(guān)器件的研製與發(fā)展是密切相關(guān)的。由於晶閘管(SCR)和雙向晶閘管（TRIAC）元件不具備自關(guān)斷能力，且開關(guān)速度低，限制了常規(guī)晶閘管變頻器的性能與應(yīng)用範(fàn)圍。80年代以來，各種具備自關(guān)斷能力的全控型、高速型功率集成器件不斷研製成功，使得變頻器技術(shù)跨人了電力電子技術(shù)的新時代。這些器件有：可關(guān)斷晶閘管GTO、電力電晶體GTR、功率場控電晶體SIT、靜電感應(yīng)晶閘管(SITH)，MOS晶閘管MCT及MOS電晶體MGT等。這些現(xiàn)代功率開關(guān)的問世，使電力電子技術(shù)由順變時代走入今天的逆變時代，各種各樣的PWM變頻電路在新型功率開關(guān)器件的支持下進(jìn)人了機(jī)電一體化的實(shí)用領(lǐng)域。

全控型器件即具備自關(guān)斷能力的半導(dǎo)體器件，可分為三大類型：雙極型、單極型和混合型。各種全控型器件的符號及等效電路見表2-1。

雙極型器件

可關(guān)斷晶閘管GTO(GateTurn-offThyristor)功率電晶體GTR(GiantTransistor)

靜電感應(yīng)晶閘管SITH(StaticlnductionThyristor)

單極型器件

功率場控電晶體(PowerMosfet)

靜電感應(yīng)電晶體SIT(StaticlnductionTransistor)

混合型器件

MOS門極電晶體MGT(MOSGateTransistor)

絕緣門極電晶體IGBT(1nsulatedGateBipolar)MOS晶閘管MCT(MOS-CoutrolledThyristor)功率積體電路PIC(PowerIntegratedCircuit)檢測元件

速度檢測角度（角位移）檢測位置檢測速度檢測

在伺服系統(tǒng)中，機(jī)械的運(yùn)動速度控制是最基本的控制內(nèi)容，當(dāng)對速度的穩(wěn)定精度提出較高要求時，就要求對驅(qū)動電動機(jī)能夠?qū)嵭兴俣鹊拈]環(huán)控制。因此速度檢測元件的正確選擇和構(gòu)成速度負(fù)回饋控制的電路形式，對是否能滿足系統(tǒng)的要求十分重要。速度閉環(huán)控制系統(tǒng)中，常用的速度檢測元件一般分為二類，即：模擬速度檢測元件和數(shù)字速度檢測元件。測速發(fā)電機(jī)就是一種模擬速度檢測元件，由測速發(fā)電機(jī)構(gòu)成的速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，其精度控制在3﹪之內(nèi)已屬不易。測速發(fā)電機(jī)是一種微型發(fā)電機(jī)，它的作用是將轉(zhuǎn)速變?yōu)殡妷盒盘?，在理想狀態(tài)下，測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓Uo可以用下式表示：

Uo＝K*n＝KK′dθ/dt(2-1)

式中KK′-比例常數(shù)(即輸出特性的斜率)；n及θ--測速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度及旋轉(zhuǎn)角度。

可見，測速發(fā)電機(jī)主要有兩種用途：

1.測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比，因而可以用來測量轉(zhuǎn)速，故稱為測速發(fā)電機(jī)；

2.如果以轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度為參數(shù)變數(shù)，則可作為機(jī)電微分、積分器。因此測速發(fā)電機(jī)廣泛用於速度和位置控制系統(tǒng)中。根據(jù)結(jié)構(gòu)和工作原理的不同，測速發(fā)電機(jī)分為直流測速發(fā)電機(jī)、非同步測速發(fā)電機(jī)和同步測速發(fā)電機(jī)，但後者用得極少。非同步(交流)測速發(fā)電機(jī)

非同步測速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和空心杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機(jī)相似，其原理電路圖如圖2-41所示。直流測速發(fā)電機(jī)

直流測速發(fā)電機(jī)是一種用來測量轉(zhuǎn)速的小型他勵直流發(fā)電機(jī)，其工作原理見圖2-44。直流測速發(fā)電機(jī)與非同步測速發(fā)電機(jī)的性能比較非同步測速發(fā)電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是：不需要電刷和換向器，因而結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)容易，慣量小，無滑動接觸，輸出特性穩(wěn)定，精度高，摩擦轉(zhuǎn)矩小，不產(chǎn)生無線電干擾，工作可靠，正、反向旋轉(zhuǎn)時輸出特性對稱。其主要缺點(diǎn)是：存在剩餘電壓和相位誤差，且負(fù)載的大小和性質(zhì)會影響輸出電壓的幅值和相位。直流測速發(fā)電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是：沒有相位波動，沒有剩餘電壓，輸出特性的斜率比非同步測速發(fā)電機(jī)的大。其主要缺點(diǎn)是：由於有電刷和換向器，因而結(jié)構(gòu)複雜，維護(hù)不便，摩擦轉(zhuǎn)矩大，有換向火花，產(chǎn)生無線電干擾信號，輸出特性不穩(wěn)定，且正、反向旋轉(zhuǎn)時，輸出特性不對稱。實(shí)際選用時，應(yīng)注意以上特點(diǎn)。在自動控制系統(tǒng)中，測速發(fā)電機(jī)常用來作調(diào)速系統(tǒng)、位置伺服系統(tǒng)中的校正元件，用來檢測和自動調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，它產(chǎn)生速度回饋電壓以提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。

光電測速盤光電測速原理

電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向辨別

數(shù)字測速方法

光電測速原理電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向辨別數(shù)字測速方法

在閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)中，根據(jù)脈衝計(jì)數(shù)來測量轉(zhuǎn)速的方法有M法測速﹑T法測速和M/T法測速三種：M法測速是指：在規(guī)定時間間隔Tg內(nèi)，測量所產(chǎn)生的脈衝數(shù)來獲得被測速度值；T法測速是指：測量相鄰二個脈衝的時間Ttach來確定被測速度值；M/T法測速是指：同時測量檢測時間和在此檢測時間內(nèi)脈衝發(fā)生器發(fā)送的脈衝數(shù)來確定被測速度值。角度（角位移）檢測

在伺服系統(tǒng)中測角（位移)的方法很多，常用的有電位計(jì)、差動變壓器、微同步器、自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器等，這裏介紹部分測角(位移)元件。差動變壓器和微同步器

旋轉(zhuǎn)變壓器

位置檢測

在伺服系統(tǒng)中運(yùn)動部件的位置檢測分角位移和直線位移檢測。上述介紹的角位移感測器一般用於小角位移（速度）檢測。而大角位移檢測或直線位移檢測，常用感應(yīng)同步器、光柵、磁尺等。感應(yīng)同步器

應(yīng)用舉例感應(yīng)同步器的應(yīng)用電路有鑒相型和鑒幅型兩種。鑒相型測量電路的基本原理是：用正弦波基準(zhǔn)信號對滑尺的sin和cos兩個繞組進(jìn)行激磁時，則從定尺繞組取得的感應(yīng)電勢將對應(yīng)於基準(zhǔn)信號的相位，並反映滑尺與定尺的相對位移。將感應(yīng)同步器測得的回饋信號的相位與給定的指令信號相位相比較，如有相位差存在，則控制設(shè)備繼續(xù)移動，直至相位差為零才停止。鑒幅型測量電路的基本原理是：在感應(yīng)同步器的滑尺兩個繞組上，分別給以兩個頻率相同，相位相同但幅值不同的正弦波電壓進(jìn)行激磁，則從定尺繞組輸出的感應(yīng)電勢的幅值隨著定尺和滑尺的相對位置的不同而發(fā)生變化，通過鑒幅器可以鑒別回饋信號的幅值，用以測量位移量。圖2-52是鑒相型測量控制電路原理框圖。圖2-53為應(yīng)用感應(yīng)同步器閉環(huán)系統(tǒng)電路的例子。注意圖中通過放大器後給滑尺sin，cos兩個繞組激磁電壓的幅值為峰峰值1V(UP-P=1V)，而從定尺感應(yīng)的電壓通過前置放大器後，獲得信號波形的幅值為峰峰值10V(UP-P=10V)。回饋測量得到的信號在鑒相器與指令值進(jìn)行比較，得到的誤差值通過D／A轉(zhuǎn)換器，變成位置控制的指令去伺服驅(qū)動部件。光柵

光柵的基本工作源理圖2-55是光柵測量裝置的邏輯框圖。習(xí)題和思考題2-1使晶閘管導(dǎo)通的條件是什麼？2-2維持晶閘管導(dǎo)通的條件是什麼？怎樣才能使晶閘管由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷？2-3IGBT、GTR