教學課件-《伺服系統(tǒng)(第2版)》錢平

概述伺服系統(tǒng)第1章伺服系統(tǒng)課程內(nèi)容簡介伺服系統(tǒng)對數(shù)控技術(shù)，自動化，電氣工程及其自動化，機電一體化等專業(yè)是一門很重要的專業(yè)技術(shù)課。伺服系統(tǒng)的作用是聯(lián)系數(shù)控裝置與被控設(shè)備的中間環(huán)節(jié)，起著傳遞指令信息和反饋設(shè)備運行狀態(tài)信息的橋梁作用。隨著計算機技術(shù)、數(shù)字信號處理器、電力電子、信息技術(shù)、控制技術(shù)以及傳感與檢測等數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，伺服系統(tǒng)向高精度、高速度、大功率方向發(fā)展。伺服系統(tǒng)課程內(nèi)容簡介本書以伺服系統(tǒng)為對象，在闡述伺服系統(tǒng)原理、電力電子技術(shù)等基礎(chǔ)上，從伺服系統(tǒng)發(fā)展的角度出發(fā)，系統(tǒng)地介紹了步進式伺服系統(tǒng)、直流伺服系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)等的原理及應(yīng)用。內(nèi)容編排上既有較系統(tǒng)的理論闡述，又有大量的應(yīng)用實例以及最新技術(shù)的介紹（如永磁同步伺服電動機控制技術(shù)、DSP應(yīng)用技術(shù)和計算機仿真技術(shù)）。本教材也可作為數(shù)控、自動化、電氣工程、機電一體化等工程技術(shù)人員迅速掌握伺服系統(tǒng)的最新技術(shù)，滿足工程實際需要參考教材。內(nèi)容提要第一節(jié)伺服系統(tǒng)的作用及組成第二節(jié)伺服系統(tǒng)的基本要求和特點第三節(jié)伺服系統(tǒng)的分類

引言

現(xiàn)代化生產(chǎn)的水平、產(chǎn)品的質(zhì)量和經(jīng)濟效益等各項指標，在很大程度上取決于生產(chǎn)設(shè)備的先進性和電氣自動化與信息化的程度。機電一體化技術(shù)是隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)工藝不斷提出新的要求下而迅速發(fā)展的。

引言

在控制方法上主要是從手動到自動；在控制功能上，是從簡單到復(fù)雜；在操作上，是由笨重到輕巧。電力電子技術(shù)的進步，微機技術(shù)的應(yīng)用和新型控制策略的出現(xiàn)，又為電氣控制技術(shù)的發(fā)展開拓了新的途徑。引言

機床工業(yè)是工業(yè)化國家經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)行業(yè)，機床是用來制造一切機械的機器。數(shù)控機床是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)機械制造業(yè)滲透而形成的機電一體化產(chǎn)品，它的技術(shù)范圍包括機械制造技術(shù)、自動化控制技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)、信息處理及傳遞技術(shù)、監(jiān)控檢測技術(shù)以及軟件技術(shù)等。引言數(shù)控機床的使用給制造業(yè)帶來了一場重大的革命，它滿足了人們對高制造水平的追求和對高生產(chǎn)率的期望。近年來隨著新產(chǎn)業(yè)的興起和新技術(shù)對機械加工所產(chǎn)生的沖擊，數(shù)控機床正朝著高速度、高精度、綠色化、高柔性化、智能化以及模塊化、復(fù)合化方向飛速發(fā)展。引言伺服系統(tǒng)接受來自CNC(ComputerizedNumericalControl)裝置的進給脈沖，經(jīng)變換和放大，再驅(qū)動各加工坐標軸按指令脈沖運動。這些軸有的帶動工作臺，有的帶動刀架，通過一個或多個坐標軸的綜合聯(lián)動，涉及各軸上運動速度的調(diào)節(jié)，以一定的加減速曲線來進行運動，使刀具相對于工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機械運動，加工出所要求的復(fù)雜形狀工件。引言

伺服系統(tǒng)主要研究內(nèi)容是機械運動過程中涉及的力學、機械學、動力驅(qū)動、伺服參數(shù)檢測和控制等方面的理論和技術(shù)問題。伺服系統(tǒng)對自動化、自動控制、電氣工程、機電一體化等專業(yè)既是一門基礎(chǔ)技術(shù)，又是一門專業(yè)技術(shù)，因為它不僅分析各種基本的變換電路，而且結(jié)合生產(chǎn)實際，解決各種復(fù)雜定位控制問題，它是運動控制系統(tǒng)及現(xiàn)代電力電子技術(shù)相結(jié)合的交叉學科，是力學、機械、電工、電子、計算機、信息和自動化等科學和技術(shù)領(lǐng)域的綜合，這些技術(shù)出現(xiàn)的新進展都使它向前邁進一步，其技術(shù)進步是日新月異的。第一節(jié)

伺服系統(tǒng)的作用及組成

在自動控制系統(tǒng)中，把輸出量能夠以一定準確度跟隨輸入量的變化而變化的系統(tǒng)稱為隨動系統(tǒng)，亦稱伺服系統(tǒng)。數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)是指以機床移動部件的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)。

第一節(jié)

伺服系統(tǒng)的作用及組成第二節(jié)

伺服系統(tǒng)的基本要求和特點1.對伺服系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)定性好精度高快速響應(yīng)并無超調(diào)低速大轉(zhuǎn)矩和調(diào)速范圍寬（1）穩(wěn)定性好穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后到達新的或者回復(fù)到原有的平衡狀態(tài)。通常要求承受額定力矩變化時，靜態(tài)速降應(yīng)小于5%，動態(tài)速降應(yīng)小于10%。（2）精度高伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能跟隨輸入量的精確程度。作為精密加工的數(shù)控機床，要求的定位精度或輪廓加工精度和進給跟蹤精度通常都比較高，這也是伺服系統(tǒng)靜態(tài)特性與動態(tài)特性指標是否優(yōu)良的具體表現(xiàn)。允許的偏差一般都在0.01~0.001mm(1~0.1)之間，高的可達到0.0001~0.00005mm(0.01~0.005m)。（2）精度高目前的閉環(huán)伺服系統(tǒng)都能達到1m的分辨率。數(shù)控測量裝置的分辨率可達0.1m。高精度數(shù)控機床也可達到0.1m的分辨率，甚至更小。（3）快速響應(yīng)并無超調(diào)快速響應(yīng)性是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的標志之一，即要求跟蹤指令信號的響應(yīng)要快：一方面要求過渡過程時間短，一般在200ms以內(nèi)，甚至小于幾十毫秒，且速度變化時不應(yīng)有超調(diào)；另一方面是當負載突變時，要求過渡過程的前沿陡，即上升率要大，恢復(fù)時間要短，且無振蕩。這樣才能得到光滑的加工表面。（4）低速大轉(zhuǎn)矩和調(diào)速范圍寬機床的加工特點，大多是低速時進行切削，即在低速時進給驅(qū)動要有大的轉(zhuǎn)矩輸出。同時，為了適應(yīng)不同的加工條件，要求數(shù)控機床進給能在很寬的范圍內(nèi)無級變化。這就要求伺服電動機有很寬的調(diào)速范圍和優(yōu)異的調(diào)速特性。目前，先進的水平是在進給脈沖當量為1m的情況下，進給速度在0~240m/min范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。對一般數(shù)控機床，進給速度范圍在0~24m/min。在1mm/min~24000mm/min即1:24000調(diào)速范圍內(nèi)，要求速度均勻、穩(wěn)定、無爬行，且速降??；在1mm/min以下時具有一定的瞬時速度，但平均速度低；在零速時，即工作臺停止運動時，要求電動機有電磁轉(zhuǎn)矩以維持定位精度，使定位誤差不超過系統(tǒng)的允許范圍，即電動機處于伺服鎖定狀態(tài)。第二節(jié)

伺服系統(tǒng)的基本要求和特點由于位置伺服系統(tǒng)是由速度控制單元和位置控制環(huán)節(jié)兩大部分組成的，如果對速度控制系統(tǒng)也過分地追求像位置伺服控制系統(tǒng)那么大的調(diào)速范圍而又要可靠穩(wěn)定地工作，那么速度控制系統(tǒng)將會變得相當復(fù)雜，既提高了成本又降低了可靠性。一般對于進給速度范圍為20000:1的位置控制系統(tǒng)，在總的開環(huán)位置增益為201/s時，只要保證速度控制單元具有1000:1的調(diào)速范圍就可以滿足需要，代表當今世界先進水平的實驗系統(tǒng)，速度控制單元調(diào)速范圍已達100000:1。第二節(jié)

伺服系統(tǒng)的基本要求和特點2.伺服系統(tǒng)的主要特點精確的檢測裝置有多種反饋比較原理與方法高性能伺服電動機寬調(diào)速范圍的速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)第二節(jié)

伺服系統(tǒng)的基本要求和特點精確的檢測裝置：以組成速度和位置閉環(huán)控制；有多種反饋比較原理與方法：根據(jù)檢測裝置實現(xiàn)信息反饋的原理不同，伺服系統(tǒng)反饋比較的方法也不相同。目前常用的有脈沖比較、相位比較和幅值比較三種。第二節(jié)

伺服系統(tǒng)的基本要求和特點高性能伺服電動機：用于高效和復(fù)雜型面加工的數(shù)控機床，伺服系統(tǒng)將經(jīng)常處于頻繁的啟動和制動過程中，要求電動機的輸出力矩與轉(zhuǎn)動慣量的比值大，以產(chǎn)生足夠大的加速或制動力矩，電動機應(yīng)具有耐受4000rad/s以上角加速度的能力，才能保證電動機可在0.2s以內(nèi)從靜止啟動到額定轉(zhuǎn)速。要求伺服電動機在低速時有足夠大的輸出力矩且運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，以便在與機械運動部分連接中盡量減少中間環(huán)節(jié)。第二節(jié)

伺服系統(tǒng)的基本要求和特點寬調(diào)速范圍的速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)：從系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)看，數(shù)控機床的位置閉環(huán)系統(tǒng)可以看著是位置調(diào)節(jié)為外環(huán)、速度調(diào)節(jié)為內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，其內(nèi)部的實際工作過程是把位置控制輸入轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的速度給定信號后，再通過調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動伺服電動機，實現(xiàn)實際位移。數(shù)控機床的主軸運動要求調(diào)速性能也比較高，因此要求伺服系統(tǒng)為高性能的寬調(diào)速系統(tǒng)。第三節(jié)

伺服系統(tǒng)的分類1.按調(diào)節(jié)理論分類

開環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)（1）開環(huán)伺服系統(tǒng)這是一種比較原始的伺服系統(tǒng)。這類數(shù)控系統(tǒng)將零件的程序處理后，輸出數(shù)據(jù)指令給伺服系統(tǒng)，驅(qū)動機床運動，沒有來自位置傳感器的反饋信號。最典型的系統(tǒng)就是采用步進電動機的伺服系統(tǒng)，如圖1-2所示。它一般由環(huán)形分配器、步進電動機功率放大器、步進電動機、配速齒輪和絲杠螺母傳動副等組成。數(shù)控系統(tǒng)每發(fā)出一個指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路功率放大后，驅(qū)動步進電動機旋轉(zhuǎn)一個固定角度(即步距角)，再經(jīng)傳動機構(gòu)帶動工作臺移動。這類系統(tǒng)信息流是單向的，即進給脈沖發(fā)出去后，實際移動值不再反饋回來，所以稱為開環(huán)控制。（1）開環(huán)伺服系統(tǒng)（2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)這類伺服系統(tǒng)帶有檢測裝置，直接對工作臺的位移量進行檢測，其原理如圖1-3所示。當數(shù)控發(fā)出位移指令脈沖，經(jīng)電動機和機械傳動裝置使機床工作臺移動時，安裝在工作臺上的位置檢測器把機械位移變成電參量，反饋到輸入端與輸入信號相比較，得到的差值經(jīng)過放大和變換，最后驅(qū)動工作臺向減少誤差的方向移動，直到差值等于零時為止。這類控制系統(tǒng)，因為把機床工作臺納入了位置控制環(huán)，故稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。常見的檢測元件有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光柵、磁柵和編碼盤等。目前閉環(huán)系統(tǒng)的分辨率多數(shù)為1，定位精度可達0.01mm∽0.005mm，高精度系統(tǒng)分辨率可達0.1。系統(tǒng)精度只取決于測量裝置的制造精度和安裝精度。（2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)（2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)（3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)系統(tǒng)未將絲杠螺母副、齒輪傳動副等傳動裝置包含在閉環(huán)反饋系統(tǒng)中，因而稱之為半閉環(huán)控制系統(tǒng)，它不能補償位置閉環(huán)系統(tǒng)外的傳動裝置的傳動誤差，卻得以獲得穩(wěn)定的控制特性。這類系統(tǒng)介于開環(huán)與閉環(huán)之間，精度沒有閉環(huán)高，調(diào)試卻比閉環(huán)方便，因而得到廣泛的應(yīng)用。（3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)大多數(shù)數(shù)控機床是半閉環(huán)伺服系統(tǒng)，這類系統(tǒng)用安裝在進給絲杠軸端或電動機軸端的角位移測量元件(如旋轉(zhuǎn)變壓器、脈沖編碼器、圓光柵等)來代替安裝在機床工作臺上的直線測量元件，用測量絲杠或電動機軸旋轉(zhuǎn)角位移來代替測量工作臺直線位移，其原理如圖1-4所示。（3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)第三節(jié)

伺服系統(tǒng)的分類2.按使用的驅(qū)動元件分類

步進伺服系統(tǒng)直流伺服系統(tǒng)交流伺服系統(tǒng)（1）步進伺服系統(tǒng)步進式伺服系統(tǒng)亦稱開環(huán)位置伺服系統(tǒng)，其驅(qū)動元件為步進電動機。功率步進電動機盛行于20世紀70年代，且控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)最簡單，控制最容易，維修最方便，控制為全數(shù)字化(即數(shù)字化的輸入指令脈沖對應(yīng)著數(shù)字化的位置輸出)，這完全符合數(shù)字化控制技術(shù)的要求，數(shù)控系統(tǒng)與步進電動機的驅(qū)動控制電路結(jié)為一體。（2）直流伺服系統(tǒng)直流伺服系統(tǒng)常用的伺服電動機有小慣量直流伺服電動機和永磁直流伺服電動機(也稱為大慣量寬調(diào)速直流伺服電動機)。小慣量伺服電動機最大限度地減少了電樞的轉(zhuǎn)動慣量，所以能獲得最好的快速性。在早期的數(shù)控機床上應(yīng)用較多，現(xiàn)在也有應(yīng)用。小慣量伺服電動機一般都設(shè)計成有高的額定轉(zhuǎn)速和低的慣量，所以應(yīng)用時，要經(jīng)過中間機械傳動(如減速器)才能與絲杠相連接。（2）直流伺服系統(tǒng)近年來力矩電動機有了新的發(fā)展，永磁直流伺服電動機的額定轉(zhuǎn)速很低，如1r/min甚至在0.1r/min下平穩(wěn)地運轉(zhuǎn)，甚至可以在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下運行，這樣低速運行的電動機，其轉(zhuǎn)軸即可以和負載直接耦合，省去了減速器，簡化了結(jié)構(gòu)，提高了傳動精度。因此，這種直流伺服系統(tǒng)在數(shù)控機床上獲得了廣泛的應(yīng)用。自70年代至80年代中期，在數(shù)控機床上應(yīng)用占絕對統(tǒng)治地位，至今，許多數(shù)控機床上仍使用這種電動機的直流伺服系統(tǒng)。永磁直流伺服電動機的缺點是有電刷，限制了轉(zhuǎn)速的提高，一般額定轉(zhuǎn)速為1000∽1500r/min，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格較貴。（3）交流伺服系統(tǒng)交流伺服系統(tǒng)使用交流異步伺服電動機(一般用于主軸伺服電動機)和永磁同步伺服電動機(一般用于進給伺服電動機)。由于直流伺服電動機存在著一些如上所說的如電刷等固有缺點，使其應(yīng)用環(huán)境受到限制。交流伺服電動機沒有這些缺點，且轉(zhuǎn)子慣量較直流電動機小，使得動態(tài)響應(yīng)好。另外在同樣體積下，交流電動機的輸出功率可比直流電動機提高10％～70％。還有交流電動機的容量可以比直流電動機造得大，達到更高的電壓和轉(zhuǎn)速。因此，交流伺服系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展，已經(jīng)形成潮流。從80年代后期開始，大量使用交流伺服系統(tǒng)，到今天，有些國家的廠家，已全部使用交流伺服系統(tǒng)。第三節(jié)

伺服系統(tǒng)的分類3.按進給驅(qū)動和主軸驅(qū)動分類

進給伺服系統(tǒng)主軸伺服系統(tǒng)(1)進給伺服系統(tǒng)進給伺服系統(tǒng)是指通常所說的伺服系統(tǒng)，它包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。進給伺服系統(tǒng)完成各坐標軸的進給運動，具有定位和輪廓跟蹤功能，是數(shù)控機床中要求最高的伺服控制系統(tǒng)。(2)主軸伺服系統(tǒng)

機床的主軸驅(qū)動和進給驅(qū)動有很大的區(qū)別。一般來說主軸控制只是一個速度控制系統(tǒng)，實現(xiàn)主軸的旋轉(zhuǎn)運動，提供切削過程中的轉(zhuǎn)矩和功率，且保證任意轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，完成在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的無級變速，無需絲桿或其他直線運動的裝置。此外，刀庫的位置控制是為了在刀庫的不同位置選擇刀具，與進給坐標軸的位置控制相比，性能要低得多，故稱為簡易位置伺服系統(tǒng)。第三節(jié)

伺服系統(tǒng)的分類4.按反饋比較控制方式分類脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)相位比較伺服系統(tǒng)幅值比較伺服系統(tǒng)全數(shù)字伺服系統(tǒng)(1)脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)脈沖比較伺服系統(tǒng)如圖1-5示，在數(shù)控機床中，插補器給出的指令是數(shù)字脈沖。如果選擇磁尺、光柵、光電編碼器等元件作為機床移動部件位移量的檢測裝置，輸出的位置反饋信號亦是數(shù)字脈沖。這樣，給定量與反饋量的比較就是直接的脈沖比較，由此構(gòu)成的伺服系統(tǒng)就稱為脈沖比較伺服系統(tǒng)，該系統(tǒng)是閉環(huán)伺服系統(tǒng)中的一種控制方式。(1)脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)(1)脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)該系統(tǒng)比較環(huán)節(jié)采用可逆計數(shù)器，當指令脈沖為正，反饋脈沖為負時，計數(shù)器作加法運算；當指令脈沖為負，反饋脈沖為正時，計數(shù)器作減法運算。指令脈沖為正時，工作臺正向移動；指令脈沖為負時，工作臺作反向運動。指令脈沖F來自插補器，反饋脈沖P來自檢測元件光電編碼器。兩個脈沖源是相互獨立的，而脈沖頻率隨轉(zhuǎn)速變化而變化。脈沖到來的時間不同或執(zhí)行加法計數(shù)與減法計數(shù)若發(fā)生重疊，都會產(chǎn)生誤操作。為此在可逆計數(shù)器前還有脈沖分離處理電路。(1)脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)當可逆計數(shù)器為12位計數(shù)器時，允許計算范圍是-2048—+2047。外部輸入信號有加法計數(shù)脈沖輸入信號UP、減法計數(shù)脈沖輸入信號DW和清零信號CLR。12位可逆計數(shù)器的值反映了位置偏差，該計數(shù)值經(jīng)12位D／A轉(zhuǎn)換，輸出雙極性模擬電壓，作為伺服系統(tǒng)速度控制單元的速度給定電壓，由此可實現(xiàn)根據(jù)位置偏差控制伺服電機的轉(zhuǎn)速和方向，即控制工作臺向減少偏差的位置進給。當計數(shù)器清零時，相當于D／A變換器輸入數(shù)字量為800H，D／A輸出量為U=0，電機處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)；當計數(shù)器值為FFFH時，D／A輸出量為+U最大值；當計數(shù)器值為000H時，D／A輸出量為-U最小值。U為D／A裝置的基準電壓。改變U之值或調(diào)整D／A輸出電路中的調(diào)整電位器，即可獲得速度控制單元所要求的控制電壓極性和轉(zhuǎn)速滿刻度電壓值。脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，整機工作穩(wěn)定，在一般數(shù)控伺服系統(tǒng)中應(yīng)用十分普遍。(2)相位比較伺服系統(tǒng)在高精度的數(shù)控伺服系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)變壓器和感應(yīng)同步器是兩種應(yīng)用廣泛的位置檢測元件。根據(jù)勵磁信號的不同形式，它們都可以采取相位工作方式或幅值工作方式。如果位置檢測元件采用相位工作方式時，控制系統(tǒng)中要把指令信號與反饋信號都變成某個載波的相位，然后通過二者相位的比較，得到實際位置與指令位置的偏差。由此可以說，旋轉(zhuǎn)變壓器或感應(yīng)同步器相位工作狀態(tài)下的伺服系統(tǒng)，指令信號與反饋信號的比較就采用相位比較方式，該系統(tǒng)稱為相位比較伺服系統(tǒng)，簡稱相位伺服系統(tǒng)。由于這種系統(tǒng)調(diào)試比較方便，精度又高，特別是抗干擾性能好而在數(shù)控系統(tǒng)中得到較為普遍的應(yīng)用，是數(shù)控機床常用的一種位置控制系統(tǒng)。(2)相位比較伺服系統(tǒng)圖1-6是一個采用感應(yīng)同步器作為位置檢測元件的相位伺服系統(tǒng)原理方框圖。數(shù)控裝置送來的進給指令脈沖F首先經(jīng)脈沖調(diào)相器變換成相位信號，即變換為重復(fù)頻率為f的P(θ)。感應(yīng)同步器采用相位工作狀態(tài)，以定尺的相位檢測信號經(jīng)整形放大后得的P(θ)作為位置反饋信號，P(θ)代表于機床移動部件的實際位置。這二個信號在鑒相器中進行比較，它們的相位差就反映了實際位置和指令位置的偏差。由此偏差信號經(jīng)放大后驅(qū)動機床移動部件按指令位置進給，實現(xiàn)精確的位置控制。(2)相位比較伺服系統(tǒng)(3)幅值比較伺服系統(tǒng)如圖1-7所示，位置檢測元件旋轉(zhuǎn)變壓器或感應(yīng)同步器采用幅值工作狀態(tài)，輸出模擬信號，其特點是幅值大小與機械位移量成正比。將此信號作為位置反饋信號與指令信號比較而構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)就稱為幅值比較伺服系統(tǒng)，簡稱幅值伺服系統(tǒng)。(3)幅值比較伺服系統(tǒng)(3)幅值比較伺服系統(tǒng)在幅值伺服系統(tǒng)中，必須把反饋通道的模擬量變換成相應(yīng)的數(shù)字信號，才可以完成與指令脈沖的比較。幅值伺服系統(tǒng)實現(xiàn)閉環(huán)控制的過程與相位伺服系統(tǒng)有許多相似之處，幅值系統(tǒng)工作前，指令脈沖F與反饋脈沖P均沒有，比較器輸出為0，這時，伺服電動機不會轉(zhuǎn)動。當指令脈沖F建立后，比較器輸出不再為零，其數(shù)據(jù)經(jīng)D/A變換后，向速度控制電路發(fā)出電動機運轉(zhuǎn)的信號，電動機轉(zhuǎn)動并帶動工作臺移動。(3)幅值比較伺服系統(tǒng)同時，位置檢測元件將工作臺的位移檢測出來，經(jīng)鑒幅器和電壓頻率變換器處理，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字脈沖信號，其輸出一路作為位置反饋脈沖P，另一路送入檢測元件的激磁電路。當指令脈沖與反饋脈沖兩者相等，比較器輸出為零，說明工作臺實際移動的距離等于指令信號要求的距離，電動機停轉(zhuǎn)，停止帶動工作臺移動；若兩者不相等，說明工作臺實際移動距離不等于指令信號要求的距離，電動機就會繼續(xù)運轉(zhuǎn)，帶動工作臺移動直到比較器輸出為零時再停止。第三節(jié)

伺服系統(tǒng)的分類在以上三種伺服系統(tǒng)中，相位比較和幅值比較系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上和安裝維護上都比脈沖數(shù)字比較系統(tǒng)復(fù)雜和要求高，所以一般情況下脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)應(yīng)用得廣泛，而且相位比較系統(tǒng)又比幅值比較系統(tǒng)應(yīng)用得多。(4)全數(shù)字伺服系統(tǒng)隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)和伺服控制技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)已開始采用高速度、高精度、大功率的全數(shù)字伺服系統(tǒng)。利用微機實現(xiàn)調(diào)節(jié)控制，增強軟件控制功能，排除模擬電路的非線性誤差和調(diào)整誤差以及溫度漂移等因素的影響，這可大大提高伺服系統(tǒng)的性能，使伺服控制技術(shù)從模擬方式、混合方式走向全數(shù)字方式。并為實現(xiàn)最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制創(chuàng)造條件。由位置、速度和電流構(gòu)成的三環(huán)反饋全數(shù)字化、軟件處理實現(xiàn)數(shù)字PID，使用靈活，柔性好。(4)全數(shù)字伺服系統(tǒng)數(shù)字伺服系統(tǒng)采用了許多新的控制技術(shù)和改進伺服性能的措施，使控制精度和品質(zhì)大大提高。再加上開發(fā)高精度、快速檢測元件；開發(fā)高性能的伺服電動機，目前交流伺服系統(tǒng)的變速比已達10000:1，使用日益增多。永磁同步電動機因無電刷和換向片零部件，加速性能要比直流伺服電動機高兩倍，維護也方便，已經(jīng)用于高速數(shù)控機床中。習題和思考題

1-1什么叫伺服系統(tǒng)？它主要的研究內(nèi)容是什么？1-2伺服系統(tǒng)的作用是什么？1-3伺服系統(tǒng)的有哪幾部分組成？1-4對伺服系統(tǒng)的基本要求是什么？？1-5伺服系統(tǒng)的主要特點是什么？1-6伺服系統(tǒng)的分哪幾類？伺服控制基礎(chǔ)知識

伺服系統(tǒng)第2章內(nèi)容提要第一節(jié)電力電子器件的應(yīng)用第二節(jié)檢測元件

第2章第一節(jié)電力電子器件的應(yīng)用第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用一、不可控器件二極管是一種不可控器件，其在電路中的圖形符號和伏安特性如圖2-1所示。二極管在電路中常用VD表示。從伏安特性可見，當陽極電壓大于陰極電壓0.7V時二極管導通，當施加反向電壓值達到擊穿電壓時二極管被擊穿。利用二極管具有的單方向?qū)щ娦?，在電路中廣泛用作：整流、箝位、隔離和續(xù)流。變流電路中用于整流和續(xù)流的二極管是功率二極管。第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用

V

圖2-1二極管的圖形符號和伏安特性第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用二、半控型器件

(一)晶閘管(SCR)1．晶閘管的結(jié)構(gòu)和符號晶閘管是在半導體二極管、三極管之后出現(xiàn)的一種新型的大功率半導體器件它是一種可控制的硅整流元件，亦稱可控硅。晶閘管是由四層半導體構(gòu)成的。圖2-2(a)所示為螺栓形晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它主要由單晶硅薄片P1，Nl，P2，N2四層半導體材料疊成，形成三個PN結(jié)。圖2-2(b)和(c)分別為其示意圖和表示符號。第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用1一鋼底座2一鍆片3一鋁片4一金銻合金片5一金硼鈀片6一硅片圖2-2晶閘管第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用2．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通，這是晶閘管導通必須同時具備的兩個條件。(3)在晶閘管導通之后，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體器件，由于晶閘管導通時，相當于兩只三極管飽和導通，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載電阻RL上。第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用3．晶閘管的伏安特性晶閘管的陽極電壓與陽極電流的關(guān)系，稱為晶閘管的伏安特性，如圖2-3所示。晶閘管的陽極與陰極間加上正向電壓時，在晶閘管控制極開路(Ig=0)情況下，開始元件中有很小的電流(稱為正向漏電流)流過，晶閘管陽極與陰極間表現(xiàn)出很大的電阻，處于截止狀態(tài)(稱為正向阻斷狀態(tài))，簡稱斷態(tài)。當陽極電壓上升到某一數(shù)值時，晶閘管突然由阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)化為導通狀態(tài)，簡稱通態(tài)。陽極這時的電壓稱為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓(UDSM)，或稱正向轉(zhuǎn)折電壓(UBo)。導通后，元件中流過較大的電流，其值主要由限流電阻(使用時由負載)決定。在減小陽極電源電壓或增加負載電阻時，陽極電流隨之減小，當陽極電流小于維持電流時，晶閘管便從導通狀態(tài)轉(zhuǎn)化為阻斷狀態(tài)。第一節(jié)

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圖2-3晶閘管的伏安特性曲線第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用在晶閘管陽極與陰極間加上反向電壓時，開始晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)，只有很小的反向漏電流流過。當反向電壓增大到某一數(shù)值時，反向漏電流急劇增大，這時，所對應(yīng)的電壓稱為反向不重復(fù)峰值電壓(URsM)，或稱反向轉(zhuǎn)折(擊穿)電壓(UBR)?？梢?，晶閘管的反向伏安特性與二極管反向特性類似。第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用(二)雙向晶閘管TRIAC雙向晶閘管也稱雙向三極半導體開關(guān)元件(BidirectionalTriodeThyristor)，它和單向晶閘的區(qū)別是：第一，它在觸發(fā)之后是雙向?qū)ǖ?；第二，在門極中所加的觸發(fā)信號不管是正的還是負的都可以使雙向晶閘管導通。雙向晶閘管可看作由兩個單間晶閘管反向并聯(lián)組成。雙向晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理及表示符號如圖2-4所示。第一節(jié)

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圖2-4雙向晶閘管內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2-5雙向晶閘管的伏安特性第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用雙向晶閘管在觸發(fā)之后。主電路的電流可雙向流過；而在控制觸發(fā)方面，雙向晶閘管也具有雙向性，故雙向晶閘管在觸發(fā)時有四種觸發(fā)方式：第一象限觸發(fā)：MT2+，G+。這時對于參考電極MTl而言，電極MT2的電壓為正；門極G的觸發(fā)電流為正。第二象限觸發(fā)：MT2+，G-。這時電極MT2的電壓為正；門極G觸發(fā)電流為負。第三象限觸發(fā)：MT2-，G-。這時電極MT2的電壓為負；門極G觸發(fā)電流為負。第四象限觸發(fā)：MT2-，G+。這時電極MT2的電壓為負；門極G觸發(fā)電流為正。第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用絕大多數(shù)雙向晶閘管的最高觸發(fā)靈敏度在第一、三象限。觸發(fā)靈敏度較差的是第二象限。最差的是第四象限。所以，一般不采用第四象限的觸發(fā)方式。第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用雙向晶閘管的特性如圖2-5所示。很明顯，這個特性和單向晶閘管的正向特性有點相近；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)導通。而第二、四象限一般是不用于觸發(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。第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用三、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)器件的研制與發(fā)展是密切相關(guān)的。由于晶閘管(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)用范圍。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制成功，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、電力晶體管GTR、功率場控晶體管SIT、靜電感應(yīng)晶閘管(SITH)，MOS晶閘管MCT及MOS晶體管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)器件的支持下進人了機電一體化的實用領(lǐng)域。第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用全控型器件即具備自關(guān)斷能力的半導體器件，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。表2-2-1全控型器件等效電路表第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用(一)雙極型器件雙極型器件指器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流于參與導電的半導體器件。1.可關(guān)斷晶閘管GTO(GateTurn-offThyristor)

（1）可關(guān)斷晶閘管簡介可關(guān)斷晶閘管也稱門極可關(guān)斷晶閘管，是一種高電壓大電流雙極型全控器件。目前最大容量為5000V、4500A和9000V、1000A，工作頻率一般1～2kHz。主要缺點是：門極反向關(guān)斷電流大，開關(guān)緩沖電路要消耗一定能量且需要快速恢復(fù)二極管、無感電阻、無感電容等器件。第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用其主要優(yōu)勢在于GTO是四層器件，具有開關(guān)頻率較高，不需要輔助轉(zhuǎn)流電路和開關(guān)容量等，其性能介于普通晶閘管SCR和大功率晶體管之間，在電壓和電流方面均有充分發(fā)展的空間，在高電壓大電流領(lǐng)域?qū)⑷〈鷤鹘y(tǒng)晶閘管。故而大功率應(yīng)用中是一種較受歡迎的器件。

GTO器件早在60年代就研制出來了，不過它的廣泛應(yīng)用還是近幾年的事。它的最大特點是可以通過門極信號控制其陽陰極之間的導通和關(guān)斷。GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和開關(guān)控制原理可以如圖2-6所示。第一節(jié)

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圖2-6門極可關(guān)斷晶閘管GTO的結(jié)構(gòu)及圖形符號第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用（2）雙電源門極電路此電路用于三相GTO逆變器，GTO的額定參數(shù)為200A，600V。全部電路由門極導通、門極關(guān)斷和反偏電路三部分組成。圖2-7給出一種雙電源門極驅(qū)動電路。（3）脈沖變壓器門極電路脈沖變壓器門極電路可提供較大的門極負電流，使用中應(yīng)注意脈沖變壓器的漏抗以及傳送脈沖的寬度。盡量采用高頻脈沖列觸發(fā)，以便減小體積。圖2-8為600AGTO的門極開通和門極關(guān)斷電路都利用脈沖變壓器的一個實例。第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用圖2-9是一種互為反偏的開通門極電路，它適用于逆變器的上下橋臂觸發(fā)電路。由于采用脈沖變壓器時，存在著電流上升率的問題。而采用電容器放電方式則需要容量大的電容器，這樣會使充電電路大型化。于是又有如圖2-10所示的兩種電路并用的電路方式。綜上所述，不同容量的GTO有不同的門極驅(qū)動電路，尤其是大容量GTO的門極電路也各具特色，。第一節(jié)

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圖2-7雙電源門極電路例二圖2-8脈沖變壓器雙信號驅(qū)動門極電路第一節(jié)

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圖2-9互為反偏的門極電路圖2-10電容貯能式脈沖變壓器的門極電路第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用2.電力晶體管GTR(GiantTransistor)(1)電力晶體管的特性電力晶體管又稱功率晶體管也稱巨型晶體管(GiantTransistor，簡稱GTR)，這是一種雙極型大功率高反壓晶體管。它具有自關(guān)斷能力，并有開關(guān)時間短、飽和壓降低和安全工作區(qū)寬等優(yōu)點。近年來，由于GTR實現(xiàn)了高頻化，模塊化、廉價化，因此被廣泛用于交流電機調(diào)速、不停電電源和中頻電源等電力變流裝置中，并且將在中小功率應(yīng)用方面取代傳統(tǒng)的晶閘管。例如在交流電機調(diào)速中，電壓源型SPWM晶體管逆變器將在600kVA以下的容量范圍中占主導地位。第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用功率晶體管具有控制方便，開關(guān)時間短，高頻特性好，通態(tài)壓降較低等優(yōu)點。目前最大容量為400A、1200V，耗散功率已達3kW以上。工作頻率可達5kHz，在500kW以下的應(yīng)用場合競爭力極強。其主要缺點是存在局部過熱引起的二次擊穿現(xiàn)象，且由于GTR是三層結(jié)構(gòu)的雙極型器件，其電壓難以超過1500V。目前常用的GTR器件有單管達林頓管和達林頓模塊三大系列。第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用(2)達林頓GTR與GTR模塊GTR的達林頓結(jié)構(gòu)是提高電流增益的一種有效方式，這種結(jié)構(gòu)可用最少的元件得到較高的電流增益。達林頓結(jié)構(gòu)由兩個或多個晶體管復(fù)合組成，其等效電路如圖2-11所示。圖2-11(a)為兩個NPN晶體管構(gòu)成的達林頓GTR，圖2-11(b)為由PNP和NPN晶體管構(gòu)成的達林頓GTR，圖2-11(c)為接有穩(wěn)定電阻的達林頓GTR。圖中T1真為驅(qū)動管，T2為輸出管。常用的達林頓GTR圖形符號有兩種，如圖2-11(d)所示。第一節(jié)

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圖2-11達林頓GTR的結(jié)構(gòu)與圖形符號第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用目前各類應(yīng)用中廣泛采用的是GTR模塊，它將GTR管芯、續(xù)流二極管管芯以及加速二極管等組裝成一個單元，然后根據(jù)用途將幾個單元電路組裝在一個外殼內(nèi)?，F(xiàn)在已發(fā)展為將上述單元電路集成制作在同一硅片上，從而向GTR集成化模塊又前進了一步。這樣不僅使器件小型輕量化，而且使性價比大大提高。圖2-12示出了由兩只三級達林頓GTR及其輔助元件構(gòu)成的單臂橋式電路模塊的等效電路。第一節(jié)

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圖2-12GTR模塊的等效電路第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用(3)基極驅(qū)動電路基極驅(qū)動電路直接影響著GTR的工作狀況，因此在設(shè)計基極驅(qū)動電路時應(yīng)考慮以下三點：最優(yōu)化驅(qū)動、驅(qū)動方式和自動快速保護。1)最優(yōu)化驅(qū)動所謂最優(yōu)化驅(qū)動就是以理想的基極驅(qū)動電流波形去控制GTR的開關(guān)過程，以便提高開關(guān)速度。減小開關(guān)損耗，理想的基極驅(qū)動電流波形如圖2-13所示。第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用

圖2-13理想的基極驅(qū)動電流波形第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用2)驅(qū)動方式GTR基極驅(qū)動電路可分為直接驅(qū)動和隔離驅(qū)動兩種方式。直接驅(qū)動方式指驅(qū)動電路與主電路之間直接連接，而隔離驅(qū)動方式則是指驅(qū)動控制電路與主電路間沒有電的聯(lián)系，驅(qū)動信號是通過隔離元件間接傳送的。直接驅(qū)動方式的三種基本電路示于圖2-14中。其中圖2-14(a)為簡單基極驅(qū)動電路；圖2-14(b)為雙極性推拉式基極驅(qū)動電路；圖2-14(c)為抗飽和式雙極性推拉式基極驅(qū)動電路。后兩種電路都是改進形式，目的是為了獲得近于理想的基極驅(qū)動電流波形。第一節(jié)

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圖2-14基極直接驅(qū)動電路第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用在很多場合主回路和控制回路間必須進行電的隔離，這樣則必須采用基極隔離驅(qū)動電路。常用的隔離方式有電磁隔離和光電隔離兩種。圖2-15基極隔離驅(qū)動電路第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用圖2-15(a)為用脈沖變壓器作電磁隔離的簡單電路。在驅(qū)動管T1導通時，脈沖變壓器中的勵磁電流自上而下流過，因而在其副邊感應(yīng)出星號端為正的電勢使GTR開通。當驅(qū)動管T1關(guān)斷時，脈沖變壓器的勵磁電流反向地流過GTR的基極，加速了GTR的關(guān)斷進程。且使用中應(yīng)注意防止脈沖變壓器出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，影響正常工作。圖2-15(b)為采用光電耦合器的光電隔離基極驅(qū)動電路。第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用當輸入信號Vi為高電平時，驅(qū)動管T1導通并使光電耦合器件T2導通，形成驅(qū)動控制信號使輸出管TN導通。向GTR提供正向基極電流，促使GTR開通。當輸入信號Vi為低電平時，驅(qū)動管T1關(guān)斷并使光耦器件T2關(guān)斷，進而使輸出管TN關(guān)斷而TP導通，此時向GTR提供反向基極電流回路，加速了GTR的關(guān)斷過程。由于光電耦合器件的原副邊隔離電壓高，電磁干擾小，因而是一種常用方式。第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用3.靜電感應(yīng)晶閘管SITH(StaticlnductionThyristor)又稱場控晶閘管。在柵極上加反向偏壓時為阻斷狀態(tài)，除去反偏壓即為導通狀態(tài)。其工作溫度高，動態(tài)特性均勻，導通電阻小，正向壓降低，開關(guān)速度快，開關(guān)損耗小，di/dt﹑dv/dt耐量大。但SITH的制造工藝復(fù)雜，目前尚未達到實用階段。第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用(二)單極型器件單極型器件，指器件內(nèi)部只有多數(shù)載流子參與導電的半導體功率器件。1.功率場控晶體管(PowerMosfet)(1)基本工作原理功率場控晶體管，又稱功率MOSFET(MetaloxideSemiconductorFieldEffectTransistor)。它是一種單極型的電壓控制器件，有驅(qū)動功率小、工作速度高,其開關(guān)時間很短，一般為ns數(shù)量級，工作頻率可達30kHz以上。該器件屬電壓控制型，控制較方便，不會發(fā)生二次擊穿現(xiàn)象且熱穩(wěn)定性好、抗干擾能力強。目前耐壓等級為1000V，電流等級為200A。無二次擊穿問題、安全工作區(qū)寬等顯著特點。MOSFET可分為N溝道和P溝道兩種，它們的圖形符號如圖2-16所示。第一節(jié)

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圖2-16功率MOSFET的圖形符號圖中箭頭表示載流子移動的方向。圖2-16(a)表示N溝道，電子流出源極；圖2-16(b)表示P溝道,空穴流出源極。

第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用對比MOSFET與GTR的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)GTR首先在功率領(lǐng)域獲得突破的原因主要有四點：

1)發(fā)射極和集電極是安置在基區(qū)的兩側(cè)，電流是流過面積很大而厚度較薄的基區(qū)，因而GTR實際上是一種垂直導電結(jié)構(gòu)，電流容量可以很大；

2)為了提高耐壓在集電區(qū)中加入了一個輕摻雜N-型區(qū)，使器件耐壓能力大為改善；

3)基區(qū)寬度的控制是靠雙重擴散技術(shù)實現(xiàn)的，尺寸控制嚴格準確，適宜于各種功率要求的設(shè)計；

4)由于集電極安置在硅片的底部，設(shè)汁方便、封裝密度高和耐壓特性好，所以在較小體積下能輸出較大的功率。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，功率MOSFET又分為VVMOSFET和VDMOSFET兩種基本類型。第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用(2)靜態(tài)特性與參數(shù)1)靜態(tài)特性靜態(tài)特性主要指功率MOSFET的輸出特性、飽和特性和轉(zhuǎn)移特性。與靜態(tài)特性相關(guān)的參數(shù)主要有通態(tài)電阻Ron，開啟電壓VGS(th)，跨導ｇm

，最大電壓額定值BVDS和最大電流額定值IDM等。①輸出特性以柵源電壓VGS為參變量，反映漏極電流ID與漏極電壓VDS間關(guān)系的曲線族稱為功率MOSFET的輸出特性。輸出特性可以分為三個區(qū)域：可調(diào)電阻區(qū)Ⅰ，飽和區(qū)Ⅱ和雪崩區(qū)Ⅲ，如圖2-17所示。第一節(jié)

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圖2-17功率MOSFET的輸出特性第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用②飽和壓降特性功率MOSFET的飽和壓降特性如圖2-18所示。由于功率MOSFET是單極型器件，不像GTR那樣具有載流子存貯效應(yīng)，因而通態(tài)電阻較大，飽和壓降也較高，使導通損耗大。為了降低通態(tài)電阻，在設(shè)計上要采取一些相應(yīng)的措施。但是，MOSFE的通態(tài)電阻總是要比GTR的通態(tài)電阻大。第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用③轉(zhuǎn)移特性柵源電壓VDS與漏極電流ID之間的關(guān)系稱為轉(zhuǎn)移特性。圖2-19為功率MOSFET在小信號下的轉(zhuǎn)移特性。圖中特性曲線的斜率ΔID／ΔVGS即表示功率MOSFET的放大能力，因為它是電壓控制器件，所以用跨導參數(shù)gm來表示，跨導gm的作用與GTR中的電流增益很相似。第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用圖2-18功率MOSFET的飽和壓降特性圖2-19功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用2)靜態(tài)參數(shù)①通態(tài)電阻Ron通態(tài)電阻只Ron是與輸出特性密切相關(guān)的參數(shù)，通常規(guī)定：在確定的柵壓VGS下，功率MOSFET由可調(diào)電阻區(qū)進人飽和區(qū)時的直流電阻為通態(tài)電阻，它是影響最大輸出功率的重要參數(shù)。在開關(guān)電路中它決定了輸出幅度和自身損耗的大小。②開啟電壓Vgs(th)開啟電壓Vgs(th)又稱為閾值電壓，其數(shù)值由轉(zhuǎn)移特性曲線與橫軸的交點確定。開啟電壓Vgs(th)是指溝道體區(qū)表面發(fā)生強反型層所需的最低柵極電壓，即表示反型層形成的條件，它表明當柵壓超過開啟電壓后，連接漏區(qū)與源區(qū)的表面反型層即可形成溝道。在工業(yè)應(yīng)用中，常將漏極短接條件下ID等于1mA時的柵極電壓定義為開啟電壓．第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用③跨導gm跨導gm定義為:gm＝△ID／△Vgs它反映轉(zhuǎn)移特性的斜率，單位為西門子(S)。由于轉(zhuǎn)移特性是非線性的，所以gm與Vgs的關(guān)系曲線也是非線性的。第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用④漏極擊穿電壓BVDs

漏極擊穿電壓BVDs決定了功率MOSFET的最高工作電壓，它是為了避免器件進入雪崩區(qū)而設(shè)的極限參數(shù)。BVDs的大小取決于漏極PN結(jié)的雪崩擊穿能力和柵極對溝道、漏區(qū)反偏結(jié)電場的影響等因素。⑤柵源擊穿電壓BVGS

對柵源擊穿電壓BVGS是為了防止絕緣柵層會因柵源電壓過高而發(fā)生介電擊穿而設(shè)定的參數(shù)。MOSFET處于不工作狀態(tài)時，因靜電感應(yīng)引起的柵極上的電荷積累將有可能擊穿器件，一般將柵源電壓的極限值定為±20V。⑥最大漏極電流IDM

最大漏極電流IDM表征功率MOSFET的電流容量，其測量條件為：VGs=10V，VDJ為某個適當數(shù)值。第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用3)動態(tài)特性與參數(shù)動態(tài)特性主要影響功率MOSFET的開關(guān)瞬態(tài)過程。和GTR相似，開關(guān)過程也分為幾個階段。由于功率MOSFET是單極型器件，是依靠多數(shù)載流子傳導電流的，因此它的開關(guān)工作機理又與GTR有較大的差別。功率MOSFET的開關(guān)速度很高，開關(guān)時間很短，一般在納秒數(shù)量級，典型值為20ns。動態(tài)特性與參數(shù)包含：開關(guān)過程與開關(guān)時間、極間電容、源漏二極管特性、源漏二極管特性、漏源極dv／dt耐量，其中開關(guān)特性是最主要的動態(tài)指標。功率MOSFET輸入電壓和輸出電壓對應(yīng)的波形關(guān)系如圖2-20所示。根據(jù)開關(guān)過程的波形圖可以定義開關(guān)時間。開關(guān)時間與器件的極間電容和寄生電感有關(guān)，它們之間的關(guān)系都是非線性的。第一節(jié)

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圖2-2-20功率MOSFET的開關(guān)過程電壓的波形圖開關(guān)時間明顯地與驅(qū)動源參數(shù)和漏極負載情況有關(guān)。測試條件不同，所得的參數(shù)值也不相同。第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用(3)柵極驅(qū)動電路1)特點與類型①柵極驅(qū)動的特點功率MOSFET為單極型器件，沒有少數(shù)載流子的存貯效應(yīng)，輸入阻抗高。因而開關(guān)速度可以很高，驅(qū)動功率小，電路簡單。但是，功率MOSFET的極間電容較大，因面工作速度與驅(qū)動源內(nèi)阻抗有關(guān)。第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用功率MOSFET在穩(wěn)定狀態(tài)下工作時，柵極無電流流過；只有在動態(tài)開關(guān)過程中才有位移電流出現(xiàn)，因而所需驅(qū)動功率小，柵極驅(qū)動電路簡單。為便于將功率MOSFET和GTR電路進行對照比較，在圖2-21中給出了高壓變換器的輸出級電路，它們分別采用功率MOSFET和GTR組成了驅(qū)動功率大致相同的兩種電路形式。第一節(jié)

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圖2-21MOSFET與GTR輸出級的比較第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用②驅(qū)動電路類型柵極驅(qū)動電路有多種形式，以驅(qū)動電路與柵極的連接方式來分則有：直接驅(qū)動和隔離驅(qū)動。Ⅰ.直接驅(qū)動電路柵極直接驅(qū)動電路是最簡單的一種方式。由于功率MOSFET的輸入阻抗極高，所以可以用TTL器件或CMOS器件直接驅(qū)動，圖2-22示出了直接驅(qū)動的幾種電路形式。圖2-22(a)為基本電路，這種電路簡單，但在感性負載下漏極電流與漏源極間電壓的相位差會影響上升時間，因而動態(tài)損耗較大。圖2-22(b)為改進的快札開通驅(qū)動電路，由于增加了驅(qū)動晶體管從而減輕了信號源的負擔。圖2-22(c)為推拉式驅(qū)動電路，采用這種電路不但可提高開通速度，同時也提高了關(guān)斷速度。在這種電路中，由于三極管T1，和T2是作為射極輸出器工作的，所以它們不會出現(xiàn)飽和狀態(tài)，因而信號的傳輸無延遲。第一節(jié)

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圖2-22柵極直接驅(qū)動電路

第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用Ⅱ.隔離驅(qū)動電路柵極的隔離驅(qū)動電路根據(jù)隔離元件的不同分為電磁隔離式和光電隔離式兩種。圖2-23所示為由脈沖變壓器作為隔離元件的柵極驅(qū)動電路。圖2-24為采用光電耦合器進行隔離的柵極驅(qū)動電路。第一節(jié)

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圖2-23采用變壓器隔離的柵極驪動電路第一節(jié)

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圖2-24采用光耦器件的柵極驅(qū)動電路第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用2）柵極驅(qū)動電路實例

①實用的推拉式驅(qū)動電路一種實用的推拉氏驅(qū)動電路示于圖2-25中。驅(qū)動過程分為正向驅(qū)動和反向驅(qū)動兩種情況。正向驅(qū)動電路由具有加速網(wǎng)絡(luò)的T1管和接成貝克箝位電路的T3管組成，反向驅(qū)動電路則由T2管和T4管組成。②正反饋型柵極驅(qū)動電路正反饋型驅(qū)動電路的特點是利用正反饋來加速開通過程，具體電路如圖2-26所示。③窄脈沖柵極驅(qū)動電路采用脈沖變壓器的窄脈沖柵極驅(qū)動電路如圖2-27所示。④高速關(guān)斷驅(qū)動電路為了提高功率MOSFET的關(guān)斷速度，在關(guān)斷時要求提高柵極電流的幅值。圖2-29示出了一種高速關(guān)斷電路。第一節(jié)

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圖2-25實用的推拉式驅(qū)動電路圖2-26正反饋型柵極驅(qū)動電路第一節(jié)

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圖2-27窄脈沖柵極驅(qū)動電路圖2-29高速關(guān)斷電路第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用2.靜電感應(yīng)晶體管SIT(StaticlnductionTransistor)。SIT為三層結(jié)構(gòu)，不僅可以工作在開關(guān)狀態(tài)，也可以工作在放大狀態(tài)，是一種非飽和輸出特性的器件。輸出功率大、失真小，輸入阻抗高，開關(guān)特性好且抗輻射能力強。目前SIT的頻率可達30～50MHz，電流200A、電壓1500V。第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用(三)混合型器件混合型器件又稱為復(fù)合型器件，指雙極型和單極型器件的集成混合器件。既具備雙極型器件電流密度高、導通壓降低的優(yōu)點，又具備單極型器件輸入阻抗高、開關(guān)速度快的優(yōu)點，其中IGBT器件也不存在二次擊穿問題。1.MOS門極晶體管MGT(MOSGateTransistor)

由功率場效應(yīng)管與功率晶體管復(fù)合而成，其基本結(jié)構(gòu)形式有達林頓式、并聯(lián)式、串聯(lián)式及串并聯(lián)混合式。2.MOS晶閘管MCT(MOS-CoutrolledThyristor)MCT由功率場效應(yīng)管與晶閘管復(fù)合而成。具有高電壓、大電流、低通態(tài)壓降、高電流密度、高輸入阻抗、低驅(qū)動功率和高開關(guān)速度等優(yōu)點。是目前電力半導體器件中被評價最高的一種混合器件，但目前產(chǎn)品還沒有完全系列化。第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用3.功率集成電路PIC(PowerIntegratedCircuit)

功率集成電路是指功率器件與驅(qū)動電路、控制電路以及保護電路的集成。目前PIC被分為兩大類：一類是高壓集成電路HPIC，是橫向高耐壓電力電子器件與控制電路的單片集成；另一類是智能型功率集成電路SPIC，是縱向功率集成器件與控制電路、保護電路及傳感電路的多功能集成。PIC體現(xiàn)了強電器件與弱電控制電路的結(jié)合，盡管目前仍處于中小功率階段(電壓1000V以下，電流100A以下)，但據(jù)預(yù)計，PIC的發(fā)展和應(yīng)用前景十分廣闊。第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用4.絕緣門極晶體管IGBT(1nsulatedGateBipolar)

又稱為絕緣柵晶體管，其電流容量為10～400A，電壓等級為500～1400A，工作頻率達10～30kHz之間，在中頻以上交流電源、各種直流開關(guān)電源及其它要求高速度、低損耗的領(lǐng)域，IGBT有取代GTR和MOSFET的趨勢。（1）基本工作原理IGBT是在功率MOSFET的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，兩者結(jié)構(gòu)十分類似。IGBT的圖形符號如圖2-30所示。IGBT的開通和關(guān)斷是由門極電壓來控制的。門極加上正向電壓時，使IGBT導通。在門極上施加反向電壓后，IGBT即被關(guān)斷。由此可知，IGBT的驅(qū)動原理與MOSFET相同。第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用

圖2-30IGBT的圖形符號第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用（2）靜態(tài)與動態(tài)特性圖2-31IGBT結(jié)構(gòu)剖畫圖圖2-32IGBT的簡化等效電路圖2-2-33IGBT的靜態(tài)特性第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用1）靜態(tài)特性

IGBT的靜態(tài)特性包括伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和靜態(tài)開關(guān)特性。伏安特性表示器件的端電壓與電流的關(guān)系。N-IGBT的伏安特性示于圖2-33(a)中，由圖可知，IGBT的伏安特性與GTR基本相似，不同之處是，控制參數(shù)是門源電壓VGs，而不是基極電流。伏安特性分飽和區(qū)、放大區(qū)和擊穿區(qū)。輸出電流由門源電壓控制，門源電壓VGS越大，輸出電流ID越大。由圖2-31可知，當IGBT關(guān)斷后，J2結(jié)阻斷正向電壓；反向阻斷電壓由J1結(jié)承擔。如果無N+緩沖區(qū)，正、反向阻斷電壓可以做到同樣水平，但加入N+緩沖區(qū)后，伏安特性中的反向阻斷電壓只能達到幾十伏，因此限制了IGBT在需要阻斷反向電壓場合的應(yīng)用。第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用IGBT的轉(zhuǎn)移特性曲線示于圖2-33(b)中，與功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性相同。在大部分漏極電流范圍內(nèi)，ID與VGS呈線性關(guān)系；只有當門源電壓接近開啟電壓VGS(Th)，時才呈非線性關(guān)系，此時漏極電流已相當小。當門源電壓VGS小于開啟電壓VGS(Th)時，IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)。加在門源間的最高電壓由流過漏極的最大電流所限定。一般門源電壓的最佳值可取15V左右。IGBT的靜態(tài)開關(guān)特性示意圖如圖2-33(c)所示。第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用當門源電壓大于開啟電壓時,IGBT即開通。由圖2-32可知，IGBT由PNP晶體管和MOSFET組成達林頓結(jié)構(gòu)，其中PNP為主晶體管，MOSFET為驅(qū)動元件。電阻Rdr，介于PNP晶體管基極和MOSFET漏極之間，它代表N-漂移區(qū)電阻，一般稱為擴展電阻。與普通達林頓電路不同，流過等效電路中MOSFET的電流成為IGBT總電流的主要部分。在這種情況下，通態(tài)電壓VDS(ON)，可用下式表示：

VDS(ON)＝VJ1+Vdr+IDRON

第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用與功率MOSFET相比，IGBT通態(tài)壓降要小得多，1000V的IGBT約有2～5V的通態(tài)壓降。這是因為IGBT中N-漂移區(qū)存在電導調(diào)制效應(yīng)的緣故。IGBT的通態(tài)電流IDs為

IDs＝IMOS+βPNPIMOS

即

IDs＝（1+βPNP

）IMOS

因為高壓IGBT中的βPNP

小于1，所以PNP晶體管的基區(qū)電流，也即MOSFET的電流構(gòu)成IGTB總電流的主要部分。這種不均衡的電流分配是由IGBT的結(jié)構(gòu)所決定的。第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用IGBT構(gòu)成的基礎(chǔ)是功率MOSFET，通過門源電壓可控制IGBT的狀態(tài)。當VGS<VGS(Th)時，IGBT處于阻斷狀態(tài)，只有很小的漏電流存在，外加電壓由J2結(jié)承擔，這種阻斷狀態(tài)與功率MOSFET基本一致。可見，對稱型IGBT具有正、反向阻斷電壓的能力，而非對稱型IGBT幾乎沒有反向阻斷能力。2)動態(tài)特性

IGBT的動態(tài)特性包括開通過程和關(guān)斷過程兩個方面。IGBT開通時的瞬態(tài)過程如圖2-34所示。IGBT在降壓變換電路中運行時，其電流、電壓波形與功率MOSFET開通時的波形相類似。因為IGBT在開通過程中大部分時間是作為MOSFET來運行的。第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用在降壓變換電路中運行時，IGBT的關(guān)斷電流、電壓波形如圖2-35所示。由圖可知，在最初階段里，關(guān)斷的延遲時間td(off)和電壓VDS的上升時間trv，由IGBT中MOSFET決定。關(guān)斷時IGBT和MOSFET的主要差別是電流波形分為tfi1和tfi2兩部分，其中tfi1由MOSFET決定，對應(yīng)于MOSFET的關(guān)斷過程，tfi2由PNP晶體管中存貯電荷所決定。因為在tfi1末尾；MOSFET已關(guān)斷：IGBT又無反向電壓，體內(nèi)的存貯電荷難以被迅速消除，所以漏極電流有較長的下降時間。因為此時漏源電壓已經(jīng)建立，過長的下降時間會產(chǎn)生較大的功耗，使結(jié)溫增高，所以希望下降時間越短越好。IGBT中無N+層緩沖區(qū)的，下降時間較短；反之，下降時間則較長。通過通態(tài)壓降與快速關(guān)斷時間的折衷，則可以減小下降時間，這一設(shè)計思想與一般雙極型器件相同。第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用圖2-34開通時IGBT的電流、圖2-35關(guān)斷時IGBT的電流、電壓波形電壓波形第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用(3)門極驅(qū)動

IGBT的靜態(tài)和動態(tài)特性與門極驅(qū)動條件密切相關(guān)。門極的正偏電壓VGE，負偏電壓-VGE和門極電阻RG的大小，對IGBT的通態(tài)電壓、開關(guān)時間、開關(guān)損耗、承受短路能力以及dV／dt由電流等參數(shù)有不同程度的影響。門極驅(qū)動條件與器件特性的關(guān)系如表2-2所示。第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用在滿足門極驅(qū)動條件的前提下，可設(shè)計IGBT的門極驅(qū)動電路。在用以驅(qū)動電動機的逆變器電路中，為使IGBT能夠穩(wěn)定的工作，要求IGBT的驅(qū)動電路采用正、負偏壓兩種電源的供電方式。為了使門極驅(qū)動電路與信號電路隔離，應(yīng)采用抗噪音能力強、信號傳輸時間短的光耦合器件。門極和發(fā)射極的引線應(yīng)盡量短，門極驅(qū)動電路的輸出線應(yīng)為絞合線，其具體電路如圖2-36(a)所示。圖中IGBT的符號采用圖2-30（a）所示的符號。為抑制輸入信號的振蕩現(xiàn)象，在圖中的門源端并聯(lián)一阻尼網(wǎng)絡(luò)。圖2-36(b)所示為用圖2-30(b)所示符號表示IGBT的門極驅(qū)動電路，圖中用光耦臺器件使信號電路與門極驅(qū)動電路隔離。第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用

圖2-36門極驅(qū)動電路第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用(4)IGBT的保護將IGBT用于電力變換器時，應(yīng)采用保護措施以防損壞管子。常用的保護措施如下：

①通過檢出的過電流信號切斷門極信號，實現(xiàn)過流保護；

②利用緩沖電路抑制過電壓并限制過量的dv/dt；

③利用溫度傳感器檢測IGBT的殼溫，當超過允許溫度時主電路跳閘，實現(xiàn)過熱保護。第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用IGBT的過電流保護可采用集電極電壓識別的方法。如圖2-37所示，集電極通態(tài)飽和電壓VCES與集電極電流IC呈近似線性變化關(guān)系。識別VCES的大小即可判斷IGBT集電極電流的大小，由圖可知，IGBT的結(jié)溫升高后，在大電流情況下通態(tài)飽和壓降增加，這種特性有利于過電流識別保護。圖2-38(a)中給出了過電流保護的示意圖，圖2-38(b)為具體保護電路。第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用

圖2-37通態(tài)飽和電壓與集圖2-38過電流保護法電極電流的關(guān)系曲線第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用過流時切斷IGBT集電極電流不能像正常工作時那樣快。因為過流時集電極電流較大，過快的切斷會由于di／dt過高，在主電路電感中引起很高的反電勢使IGBT集電極產(chǎn)生尖峰電壓，這種尖峰電壓足以損壞管子，為此在允許的短路時間內(nèi)(如10μs)應(yīng)采取措施對IGBT進行低速切斷，其示意圖如圖2-39所示。圖2-39短路過流低速切斷示意圖第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用因為IGBT的安全工作區(qū)較寬，在一些應(yīng)用中IGBT可不設(shè)緩沖電路。改變門極串聯(lián)電阻可控制門極電流的大小，進而可減弱IGBT開通和關(guān)斷過程對緩沖電路的需求。此外，IGBT控制峰值電流的能力比功率MOSFET要強，這也是一些應(yīng)用中可不用緩沖電路的一個原因。在另外一些應(yīng)用中，需要增加緩沖電路時，功率MOSFET所用的緩沖電路也可用于IGBT。不過這樣比較困難。圖2-40給出了各種功率器件的輸出容量、工作頻率及其主要應(yīng)用領(lǐng)域示意圖。第一節(jié)

電力電子器件的應(yīng)用

圖2-40功率器件的輸出容量、工作頻率及主要應(yīng)用領(lǐng)域

第2章第二節(jié)檢測元件第二節(jié)

檢測元件一、速度檢測在伺服系統(tǒng)中，機械的運動速度控制是最基本的控制內(nèi)容，當對速度的穩(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)成速度負反饋控制的電路形式，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)電機就是一種模擬速度檢測元件，由測速發(fā)電機構(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。第二節(jié)

檢測元件測速發(fā)電機是一種微型發(fā)電機，它的作用是將轉(zhuǎn)速變?yōu)殡妷盒盘枺诶硐霠顟B(tài)下，測速發(fā)電機的輸出電壓Uo可以用下式表示：

Uo＝K*n＝KK′dθ/dt可見，測速發(fā)電機主要有兩種用途：(ⅰ)測速發(fā)電機的輸出電壓與轉(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；(ⅱ)如果以轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度為參數(shù)變量，則可作為機電微分、積分器。因此測速發(fā)電機廣泛用于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)電機分為直流測速發(fā)電機、異步測速發(fā)電機和同步測速發(fā)電機，但后者用得極少。第二節(jié)

檢測元件(一)異步(交流)測速發(fā)電機1.基本結(jié)構(gòu)和工作原理異步測速發(fā)電機的結(jié)構(gòu)和空心杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機相似，其原理電路圖如圖2-41所示。第二節(jié)

檢測元件

圖2-41空心杯轉(zhuǎn)子交流測速發(fā)電機原理圖

(a)轉(zhuǎn)子靜止時(b)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時第二節(jié)

檢測元件在定子上安放兩套彼此相差90o的繞組，WF作為勵磁繞組，接于單相額定交流電源，WC作為工作繞組(又稱輸出繞組)，接人測量儀器作為負載。交流電源以旋轉(zhuǎn)的杯形轉(zhuǎn)子為媒介，在工作繞組上便感應(yīng)出數(shù)值與轉(zhuǎn)速成正比、頻率與電網(wǎng)頻率相同的電勢。下面分析為什么輸出電壓Uo與轉(zhuǎn)速n成正比。第二節(jié)

檢測元件杯形轉(zhuǎn)子可看成一個導條數(shù)目非常多的鼠籠轉(zhuǎn)子。當頻率為f1的激磁電壓U1加在繞組WF上以后，在測速發(fā)電機內(nèi)、外定子間的氣隙中，產(chǎn)生一個與WF軸線一致、頻率為f1的脈動磁通Φf，即Φf

＝ΦfmSinωt，如果轉(zhuǎn)子靜止不動，則因為磁通Φf只在杯形轉(zhuǎn)子中感應(yīng)變壓器電勢和渦流，渦流產(chǎn)生的磁通將阻礙Φf的變化，其合成磁通Φ1的軸線仍與勵磁繞組的軸線重合，而與輸出繞組WC的軸線相互垂直，故不會在輸出繞組上感應(yīng)出電勢，所以，輸出電壓Uo＝0，如圖2-41(a)所示。但如果轉(zhuǎn)子以n的轉(zhuǎn)速沿順時針方向旋轉(zhuǎn)，則杯形轉(zhuǎn)子就要切割磁通Φ1而產(chǎn)生切割電勢е2P及電流i2P，如圖2-3-1(b)所示。因е＝BLV，故е2P

的有效值E2p與由Φ1m及n正比，即E2p∝Φ1m*n第二節(jié)

檢測元件當勵磁電壓Uf一定時，由Φ1m基本不變(Uf＝4．44*f1*n1*Φ1m)即

E2p∝n(2-2)由е2P產(chǎn)生的電流i2P也要產(chǎn)生一個脈動磁通Φ2,其方向正好與輸出繞組WC軸線重合，且穿過WC，所以就在輸出繞組WC上感應(yīng)出變壓器電勢e0，其有效值E0與磁通Φ2成正比，即

E0∝Φ2(2-3)而Φ2∝E2p(2-4)將式(2-4)及(2-2)代人式(2-3)，可得

E0∝n或U0∝E0∝K*n上式說明：在勵磁電壓Uf一定的情況下，當輸出繞組的負載很小時，異步測速發(fā)電機的輸出電壓U0與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n成正比。如圖2-42所示。第二節(jié)

檢測元件圖2-42異步測速發(fā)電機的輸出特性圖2-43輸出特性的線性度

1一工程上選取的理想輸出特性曲線

2一實際輸出特性曲線第二節(jié)

檢測元件

(二)直流測速發(fā)電機1.基本原理直流測速發(fā)電機是一種用來測量轉(zhuǎn)速的小型他勵直流發(fā)電機，其工作原理見圖2-44?？蛰d時，電樞兩端電壓：

Ua0＝E=Ce*n(2-6)由此看出，空載時測速發(fā)電機的輸出電壓與它的轉(zhuǎn)速成正比。第二節(jié)

檢測元件

圖2-44直流測速發(fā)電機工作原理圖2-45輸出特性第二節(jié)

檢測元件2.特性有負載時，直流測速發(fā)電機的輸出電壓將滿足

U0＝E-IaRa(2-7)式中，Ra—包括電樞電阻和電刷接觸電阻。電樞電流

Ia＝Ua／RL(2-8)式中，RL為負載電阻。將式(2-6)及式(2-8)代人式(2-7)可得