伺服控制基礎(chǔ)知識演示文稿第1頁，共39頁。優(yōu)選伺服控制基礎(chǔ)知識第2頁，共39頁。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第3頁，共39頁。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D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(dǎo)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娦裕陔娐分袕V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4頁，共39頁。第5頁，共39頁。半控型器件晶閘管(SCR)

雙向晶閘管(TRIAC)第6頁，共39頁。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

第7頁，共39頁。晶閘管的結(jié)構(gòu)和符號

晶閘管是在半導(dǎo)體二極管、三極管之后出現(xiàn)的一種新型的大功率半導(dǎo)體器件它是一種可控制的硅整流元件，亦稱可控硅。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)，它主要由單晶硅薄片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。第8頁，共39頁。第9頁，共39頁。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(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，由于晶閘管導(dǎo)通時，相當于兩只三極管飽和導(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載電阻RL上。第10頁，共39頁。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。第11頁，共39頁。第12頁，共39頁。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)之后是雙向?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并聯(lián)組成。第13頁，共39頁。

雙向晶閘管的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(dǎo)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14頁，共39頁。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。

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。第15頁，共39頁。第16頁，共39頁。

雙極型器件

可關(guān)斷晶閘管GTO(GateTurn-offThyristor)功率晶體管GTR(GiantTransistor)

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

第17頁，共39頁。單極型器件

功率場控晶體管(PowerMosfet)

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

第18頁，共39頁?；旌闲推骷?/p>

MOS門極晶體管MGT(MOSGateTransistor)

絕緣門極晶體管IGBT(1nsulatedGateBipolar)MOS晶閘管MCT(MOS-CoutrolledThyristor)功率集成電路PIC(PowerIntegratedCircuit)第19頁，共39頁。檢測元件

速度檢測角度（角位移）檢測位置檢測第20頁，共39頁。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。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?，在理想狀態(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(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)電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度及旋轉(zhuǎn)角度。第21頁，共39頁。

可見，測速發(fā)電機主要有兩種用途：

1.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；

2.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22頁，共39頁。異步(交流)測速發(fā)電機

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23頁，共39頁。第24頁，共39頁。直流測速發(fā)電機

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。第25頁，共39頁。第26頁，共39頁。直流測速發(fā)電機與異步測速發(fā)電機的性能比較異步測速發(fā)電機的主要優(yōu)點是：不需要電刷和換向器，因而結(jié)構(gòu)簡單，維護容易，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。其主要缺點是：存在剩余電壓和相位誤差，且負載的大小和性質(zhì)會影響輸出電壓的幅值和相位。直流測速發(fā)電機的主要優(yōu)點是：沒有相位波動，沒有剩余電壓，輸出特性的斜率比異步測速發(fā)電機的大。其主要缺點是：由于有電刷和換向器，因而結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護不便，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。實際選用時，應(yīng)注意以上特點。在自動控制系統(tǒng)中，測速發(fā)電機常用來作調(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)電動機的轉(zhuǎn)速，它產(chǎn)生速度反饋電壓以提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。第27頁，共39頁。

光電測速盤光電測速原理

電動機旋轉(zhuǎn)方向辨別

數(shù)字測速方法

第28頁，共39頁。光電測速原理第29頁，共39頁。電動機旋轉(zhuǎn)方向辨別第30頁，共39頁。數(shù)字測速方法

在閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)中，根據(jù)脈沖計數(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)生的脈沖數(shù)來獲得被測速度值；T法測速是指：測量相鄰二個脈沖的時間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)脈沖發(fā)生器發(fā)送的脈沖數(shù)來確定被測速度值。第31頁，共39頁。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、差動變壓器、微同步器、自整角機、旋轉(zhuǎn)變壓器等，這里介紹部分測角(位移)元件。第32頁，共39頁。差動變壓器和微同步器

第33頁，共39頁。

旋轉(zhuǎn)變壓器

第34頁，共39頁。位置檢測

在伺服系統(tǒng)中運動部件的位置檢測分角位移和直線位移檢測。上述介紹的角位移傳感器一般用于小角位移（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。第35頁，共39頁。感應(yīng)同步器

第36頁，共39頁。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。第37頁，共39頁。鑒相型測量電路的基本原理是：用正弦波基準信號對滑尺的sin和cos兩個繞組進行激磁時，則從定尺繞組取得的感應(yīng)電勢將對應(yīng)于基準信號的相位，并反映滑尺與定尺的相對位移。將感應(yīng)同步器測得的反饋信號的相