1、陜西國防學(xué)院機(jī)電工程系機(jī)電教研室第4章：機(jī)電一體化技術(shù)伺服驅(qū)動技術(shù)4.1 概述伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成機(jī)電一體化的伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、類型繁多，但從自動控制理論的角度來分析，伺服控制系統(tǒng)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)等五局部。伺服系統(tǒng)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(tǒng)的反響信號進(jìn)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(jī)來實(shí)現(xiàn)。2.控制器;控制器通常是計算機(jī)或PID控制電路，其主要任務(wù)是比照較元件輸出的偏差信號進(jìn)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(zhuǎn)化成機(jī)

2、械能，驅(qū)動被控對象工作。機(jī)電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機(jī)或液壓、氣動伺服機(jī)構(gòu)等。4.被控對象;5.檢測環(huán)節(jié);檢測環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M(jìn)行測量并轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路。伺服系統(tǒng)的分類 伺服系統(tǒng)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(shù)特性分類。 (2)按驅(qū)動元件的類型分類。 (3)按控制原理分類。 伺服系統(tǒng)的技術(shù)要求1.系統(tǒng)精度伺服系統(tǒng)精度指的是輸出量復(fù)現(xiàn)輸入信號要求的精確程度，以誤差的形式表現(xiàn)，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。2.穩(wěn)定性伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指當(dāng)作用在系統(tǒng)上的干擾消失以后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來穩(wěn)定狀態(tài)的能力

3、；或者當(dāng)給系統(tǒng)一個新的輸入指令后，系統(tǒng)到達(dá)新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的能力。 3.響應(yīng)特性響應(yīng)特性指的是輸出量跟隨輸入指令變化的反響速度，決定了系統(tǒng)的工作效率。響應(yīng)速度與許多因素有關(guān)，如計算機(jī)的運(yùn)行速度、運(yùn)動系統(tǒng)的阻尼和質(zhì)量等。4.工作頻率工作頻率通常是指系統(tǒng)允許輸入信號的頻率范圍。當(dāng)工作頻率信號輸入時，系統(tǒng)能夠按技術(shù)要求正常工作；而其它頻率信號輸入時，系統(tǒng)不能正常工作。 4.2 執(zhí)行元件執(zhí)行元件的分類及其特點(diǎn)執(zhí)行元件是能量變換元件，其目的是控制機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動。機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)要求執(zhí)行元件具有轉(zhuǎn)動慣量小，輸出動力大，便于控制，可靠性高和安裝維護(hù)簡便等特點(diǎn)。根據(jù)使用能量的不同，可以將執(zhí)行元件分為電磁式

4、、液壓式和氣壓式等幾種類型。 執(zhí)行元件的種類(1)電磁式執(zhí)行元件能將電能轉(zhuǎn)化成電磁力，并用電磁力驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動，如交流電機(jī)、直流電機(jī)、力矩電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等。(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(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動。 (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(zhì)由液體改為氣體。 直流伺服電動機(jī)1.直流伺服電動機(jī)的分類直流伺服電動機(jī)按勵磁方式可分為電磁式和永磁式兩種。 2.直流伺服電動機(jī)的根本結(jié)構(gòu)及工作原理直流伺服電動機(jī)主要由磁極、電樞、電刷及換向片組成。 直流伺服電動機(jī)根本結(jié)構(gòu)3.直流伺服電動機(jī)的特性分析直流伺服電動機(jī)采用電樞電壓控

5、制時的電樞等效電路。 電樞等效電路當(dāng)電動機(jī)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，回路中的電流Ia保持不變，那么電樞回路中的電壓平衡方程式為Ea=Ua-IaRa (4-1)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(zhuǎn)子在磁場中以角速度切割磁力線時，電樞反電動勢Ea與角速度之間存在如下關(guān)系： Ea=Ce (4-2)式中，Ce是電動勢常數(shù)，僅與電動機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)；是定子磁場中每極的氣隙磁通量。 由式4-1、式4-2得Ua-IaRa=Ce 4-3此外，電樞電流切割磁場磁力線所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩Tm可由下式表達(dá): Tm=CmIa那么 Tm=CmIn 式中，Cm是轉(zhuǎn)矩常數(shù)，僅與電動機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)。 (4-

6、4)將式4-4代入式4-3并整理，可得到直流伺服電動機(jī)運(yùn)行特性的一般表達(dá)式由此可以得出空載 Tm0，轉(zhuǎn)子慣量忽略不計和電機(jī)啟動0時的電機(jī)特性:1當(dāng)Tm0時，有 (4-5)(4-6)2當(dāng)0時，有 式中，Td稱為啟動瞬時轉(zhuǎn)矩，其值也與電樞電壓成正比。如果把角速度看作是電磁轉(zhuǎn)矩Tm的函數(shù)，即=f(Tm)，那么可得到直流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式為(4-8) 式中,0是常數(shù)， 。 (4-7)如果把角速度看作是電樞電壓Ua的函數(shù)，即=f(Ua)，那么可得到直流伺服電動機(jī)的調(diào)節(jié)特性表達(dá)式式中,k是常數(shù)， 。 根據(jù)式(4-8)和式(4-9)，給定不同的Ua值和Tm值，可分別繪出直流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性曲線和

7、調(diào)節(jié)特性曲線。 (4-9) 直流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性直流伺服電動機(jī)的調(diào)節(jié)特性由圖可見，直流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性是一組斜率相同的直線簇。每條機(jī)械特性和一種電樞電壓相對應(yīng)，與軸的交點(diǎn)是該電樞電壓下的理想空載角速度，與Tm軸的交點(diǎn)那么是該電樞電壓下的啟動轉(zhuǎn)矩。由圖可見，直流伺服電動機(jī)的調(diào)節(jié)特性也是一組斜率相同的直線簇。每條調(diào)節(jié)特性和一種電磁轉(zhuǎn)矩相對應(yīng)，與Ua軸的交點(diǎn)是啟動時的電樞電壓。從圖中還可看出，調(diào)節(jié)特性的斜率為正，說明在一定的負(fù)載下，電動機(jī)轉(zhuǎn)速隨電樞電壓的增加而增加；而機(jī)械特性的斜率為負(fù)，說明在電樞電壓不變時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加而降低。4.影響直流伺服電動機(jī)特性的因素上述對直流伺服電動機(jī)

8、特性的分析是在理想條件下進(jìn)行的，實(shí)際上電動機(jī)的驅(qū)動電路、電動機(jī)內(nèi)部的摩擦及負(fù)載的變動等因素都對直流伺服電動機(jī)的特性有著不容忽略的影響。1驅(qū)動電路對機(jī)械特性的影響;直流伺服電動機(jī)是由驅(qū)動電路供電的，假設(shè)驅(qū)動電路的內(nèi)阻是Ri，加在電樞繞組兩端的控制電壓是Uc，那么可畫出如圖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) (4-10)于是在考慮了驅(qū)動電路的影響后，直流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式變成 (4-11)將式(6-11)與式(6-8)比較可以發(fā)現(xiàn)，由于驅(qū)動電路內(nèi)阻Ri的存在而使機(jī)械特性曲線變陡了。 含驅(qū)動電路的電樞等效回路驅(qū)動電路內(nèi)阻對機(jī)械特性

9、的影響如果直流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性較平緩，那么當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化較小，這時稱直流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性較硬。反之，如果機(jī)械特性較陡，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化就較大，那么稱其機(jī)械特性較軟。顯然，機(jī)械特性越硬，電動機(jī)的負(fù)載能力越強(qiáng)；機(jī)械特性越軟，負(fù)載能力越低。毫無疑問，對直流伺服電動機(jī)應(yīng)用來說，其機(jī)械特性越硬越好。由于功放電路內(nèi)阻的存在而使電動機(jī)的機(jī)械特性變軟了，這種影響是不利的，因而在設(shè)計直流伺服電動機(jī)功放電路時，應(yīng)設(shè)法減小其內(nèi)阻。2直流伺服電動機(jī)內(nèi)部的摩擦對調(diào)節(jié)特性的影響，直流伺服電動機(jī)在理想空載時即Tm1=0，其調(diào)節(jié)特性曲線從原點(diǎn)開始。但實(shí)際上直流伺服電動機(jī)內(nèi)部存在摩擦如

10、轉(zhuǎn)子與軸承間的摩擦等，直流伺服電動機(jī)在啟動時需要克服一定的摩擦轉(zhuǎn)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。 3負(fù)載變化對調(diào)節(jié)特性的影響在負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL不變的條件下，直流伺服電動機(jī)角速度與電樞電壓成線性關(guān)系。但在實(shí)際伺服系統(tǒng)中，經(jīng)常會遇到負(fù)載隨轉(zhuǎn)速變動的情況，如粘性摩擦阻力是隨轉(zhuǎn)速增加而增加的，數(shù)控機(jī)床切削加工過程中的切削力也是隨進(jìn)給速度變化而變化的。這時由于負(fù)載的變動將導(dǎo)致調(diào)節(jié)特性的非線性?？梢?，由于負(fù)載變動的影響，當(dāng)電樞電壓Ua增加時，直流伺服電動機(jī)角速度的變化率越來越小，這一點(diǎn)在變負(fù)載控制時應(yīng)格外注意。摩擦及負(fù)載變動對調(diào)節(jié)特性的影響5.直流伺服系統(tǒng)由于伺服控

11、制系統(tǒng)的速度和位移都有較高的精度要求，因而直流伺服電動機(jī)通常以閉環(huán)或半閉環(huán)控制方式應(yīng)用于伺服系統(tǒng)中。直流伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制是針對伺服系統(tǒng)的最后輸出結(jié)果進(jìn)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(tǒng)的中間環(huán)節(jié)如電動機(jī)的輸出速度或角位移等進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)節(jié)的控制方法。它們都對系統(tǒng)輸出進(jìn)行實(shí)時檢測和反響，并根據(jù)偏差對系統(tǒng)實(shí)施控制。兩者的區(qū)別僅在于傳感器檢測信號的位置不同，由此導(dǎo)致設(shè)計、制造的難易程度不同,工作性能不同，但兩者的設(shè)計與分析方法根本上是一致的。 閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖半閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖步進(jìn)電動機(jī) 1.步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理步進(jìn)電動機(jī)按其工作原理主要可分為磁電式和反響式兩大

12、類，這里只介紹常用的反響式步進(jìn)電動機(jī)的工作原理。三相反響式步進(jìn)電動機(jī)的工作原理，其中步進(jìn)電動機(jī)的定子上有6個齒，其上分別纏有U、V、W三相繞組，構(gòu)成三對磁極；轉(zhuǎn)子上那么均勻分布著4個齒。步進(jìn)電動機(jī)采用直流電源供電。當(dāng)U、V、W三相繞組輪流通電時，通過電磁力的吸引，步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)子一步一步地旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)動原理圖 假設(shè)U相繞組首先通電，那么轉(zhuǎn)子上、下兩齒被磁場吸住，轉(zhuǎn)子就停留在U相通電的位置上。然后U相斷電，V相通電，那么磁極U的磁場消失，磁極V產(chǎn)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(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)了30。隨后V相斷電，W相通電，根據(jù)同樣的道理，轉(zhuǎn)子又逆

13、時針轉(zhuǎn)了30，停止在W相通電的位置上。假設(shè)再U相通電，W相斷電，那么轉(zhuǎn)子再逆轉(zhuǎn)30。定子各相輪流通電一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一個齒。步進(jìn)電動機(jī)繞組按UVWUVWU依次輪流通電，步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)子就一步步地按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。反之，如果步進(jìn)電動機(jī)按倒序依次使繞組通電，即UWVUWVU那么步進(jìn)電動機(jī)將按順時針方向旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電動機(jī)繞組每次通斷電使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱之為步距角。上述分析中的步進(jìn)電動機(jī)步距角為30。對于一個真實(shí)的步進(jìn)電動機(jī)，為了減少每通電一次的轉(zhuǎn)角，在轉(zhuǎn)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(dāng)U相定子小齒與轉(zhuǎn)子小齒對正時，V相和W相定子上的齒那么處于錯開狀態(tài)。真實(shí)步進(jìn)電動機(jī)

14、的工作原理與上同，只是步距角是小齒距夾角的1/3。三相反響式步進(jìn)電動機(jī)2.步進(jìn)電動機(jī)的通電方式如果步進(jìn)電動機(jī)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，那么這種通電方式稱為單相通電方式。三相步進(jìn)電動機(jī)的單相通電方式稱為三相單三拍通電方式。 如果步進(jìn)電動機(jī)通電循環(huán)的每拍中都有兩相繞組通電，那么這種通電方式稱為雙相通電方式。三相步進(jìn)電動機(jī)采用雙相通電方式時，稱為三相雙三拍通電方式。如果步進(jìn)電動機(jī)通電循環(huán)的各拍中交替出現(xiàn)單、雙相通電狀態(tài)，那么這種通電方式稱為單雙相輪流通電方式。三相步進(jìn)電動機(jī)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

15、情況下，m相步進(jìn)電動機(jī)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(yīng)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(jìn)電動機(jī)的矩頻特性輸出轉(zhuǎn)矩與輸入脈沖頻率的關(guān)系較差，在通電換相過程中，轉(zhuǎn)子狀態(tài)不穩(wěn)定，容易失步，因而實(shí)際應(yīng)用中較少采用。某三相反響式步進(jìn)電動機(jī)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(jìn)電動機(jī)在各種工作頻率下都具有較大的負(fù)載能力。不同通電方式時的矩頻特性通電方式不僅影響步進(jìn)電動機(jī)的矩頻特性，對步距角也有影響。一個m相步進(jìn)電動機(jī)，如其轉(zhuǎn)子上有z個小齒，那么其步距角可通過下式計算：式中，k是通電方式系數(shù)

16、。當(dāng)采用單相或雙相通電方式時，k1；當(dāng)采用單雙相輪流通電方式時，k2?？梢姡捎脝坞p相輪流通電方式還可使步距角減小一半。步進(jìn)電機(jī)的步距角決定了系統(tǒng)的最小位移，步距角越小，位移的控制精度越高。 3. 步進(jìn)電動機(jī)的使用特性 1 步距誤差。 2 最大靜轉(zhuǎn)矩。 3 啟動矩頻特性。 當(dāng)伺服系統(tǒng)要求步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行頻率高于最大允許啟動率時，可先按較低的頻率啟動， 然后按一定規(guī)律逐漸加速到運(yùn)行頻率。90BF002型步進(jìn)電動機(jī)的啟動矩頻特性曲線。 由圖可見， 負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大， 所允許的最大啟動頻率越小。 啟動矩頻特性4運(yùn)行矩頻特性。90BF002型步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線。 運(yùn)行矩頻特性5 最大相電壓和最大

17、相電流。 4. 步進(jìn)電動機(jī)的控制與驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)的電樞通斷電次數(shù)和各相通電順序決定了輸出角位移和運(yùn)動方向，控制脈沖分配頻率可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動機(jī)的速度控制。 因此，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)一般采用開環(huán)控制方式。 開環(huán)步進(jìn)電動機(jī)控制系統(tǒng)框圖， 系統(tǒng)主要由環(huán)形分配器、 功率驅(qū)動器、 步進(jìn)電動機(jī)等組成。 開環(huán)步進(jìn)電動機(jī)控制系統(tǒng)框圖步進(jìn)電動機(jī)在一個脈沖的作用下， 轉(zhuǎn)過一個相應(yīng)的步距角， 因此只要控制一定的脈沖數(shù)， 即可精確控制步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)過的相應(yīng)的角度。 但步進(jìn)電動機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)環(huán)形分配的方法有兩種。

18、 一種是計算機(jī)軟件分配， 采用查表或計算的方法使計算機(jī)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(jī)軟件資源，減少硬件本錢， 尤其是多相電動機(jī)的脈沖分配更能顯示出這種分配方法的優(yōu)點(diǎn)。 但由于軟件運(yùn)行會占用計算機(jī)的運(yùn)行時間， 因而會使插補(bǔ)運(yùn)算的總時間增加， 從而影響步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行速度。 另一種是硬件環(huán)形分配， 采用數(shù)字電路搭建或?qū)Ｓ玫沫h(huán)形分配器件將連續(xù)的脈沖信號經(jīng)電路處理后輸出環(huán)形脈沖。 采用數(shù)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(gòu)成， 特點(diǎn)是體積大， 本錢高， 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CH25

19、0即為三相步進(jìn)電動機(jī)的專用環(huán)形分配器。環(huán)形分配器CH250引腳圖(a) 引腳功能； (b) 三相六拍線路圖環(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(qū)動 常見的步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電路有三種： (1 單電源驅(qū)動電路。這種電路采用單一電源供電，結(jié)構(gòu)簡單，本錢低，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(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動。單民源驅(qū)動電路(2雙電源驅(qū)動電路。雙電源驅(qū)動電路又稱高、低壓驅(qū)動電路，采用高壓和低壓兩個電源供電。 高、低壓驅(qū)動電路(3斬波限流驅(qū)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(guān)，

20、使電流在控制脈沖持續(xù)期間始終保持在規(guī)定值上下。這種電路功率大，功耗小，效率高，目前應(yīng)用最廣。斬波限流驅(qū)動電路波形圖斬波限流驅(qū)動電路 6.2.4 交流伺服電動機(jī) 1.異步型交流電動機(jī)三相異步電動機(jī)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(dāng)在定子繞組中通入三相電源時，定子繞組就會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為式中,f1為定子供電頻率; p為定子線圈的磁極對數(shù); n1為定子轉(zhuǎn)速磁場的同步轉(zhuǎn)速。 異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速方程為 式中,n為電動機(jī)轉(zhuǎn)速；s為轉(zhuǎn)差率。 2. 同步型交流電動機(jī) 同步交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速用下式表達(dá)： 式中,f1為定子供電頻率；p為定

21、子線圈的磁極對數(shù)；n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。3.交流伺服電機(jī)的性能由電機(jī)理論知道，三相異步電動機(jī)定子每相電動勢的有效值E1為E1f1 N1m 式中, m為每極氣隙磁通；N1為定子相繞組的有效匝數(shù)。 由上式可見，m的值是由E1和f1共同決定的，對E1和f1進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?，就可以使氣隙磁通m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(diào)速。曲線a為U1/E1常數(shù)時的電壓頻率關(guān)系曲線，曲線b為有電壓補(bǔ)償時近似的E1/f1常數(shù)電壓頻率關(guān)系曲線。恒壓頻比控制特性(2基頻以上的弱磁通變頻調(diào)速。 異步電動機(jī)變頻調(diào)速的根本控制方式如下圖。 異步電動機(jī)變頻調(diào)速控制特性4.交流電動機(jī)變頻調(diào)速的控制方案 根據(jù)生產(chǎn)

22、的要求、變頻器的特點(diǎn)和電動機(jī)的種類，會出現(xiàn)多種多樣的變頻調(diào)速控制方案。這里只討論交-直-交(AC-DC-AC)變頻器。開環(huán)控制開環(huán)控制的通用變頻器三相異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)控制框圖所示。 開環(huán)異步電動機(jī)變頻調(diào)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(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)控制框圖。 矢量控制變頻器的異步電動機(jī)變頻調(diào)速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(jī)閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)控制框圖。異步電動機(jī)閉環(huán)控制變頻調(diào)速4永磁同步電動機(jī)開環(huán)控制永磁同步電動機(jī)開環(huán)控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)控制框圖。永磁同步電動機(jī)開環(huán)控制變頻調(diào)速4.3 電力電子變流技術(shù)4.3.1 開關(guān)器件特性 目前，

23、各類電力電子器件所到達(dá)的功能水平如下： 普通晶閘管：12kV、1kA；4kV、3kA。 可關(guān)斷晶閘管：9kV、1kA；、。 逆導(dǎo)晶閘管：、1kA。 光觸晶閘管：6kV、；4kV、5kA。 電力晶體管：單管1kV、200A；模塊、800A；、100A。場效應(yīng)管：1kV、38A。 絕緣柵極雙極型晶體管：、400A；、100A。靜電感應(yīng)晶閘管(SITH)：、。場控晶閘管：1kV、100A。 電力電子器件的控制容量和開關(guān)頻率的應(yīng)用范圍 1.絕緣柵極雙極型晶體管IGBTIGBTInsulatedGateBipolarTransistor是在GTR和MOSFET之間取其長、避其短而出現(xiàn)的新器件，它實(shí)際上是

24、用MOSFET驅(qū)動雙極型晶體管的，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大;MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。 IGBT的簡化等效電路圖(a)結(jié)構(gòu)；(b)等效電路；(c)電氣符號2. 場控晶閘管MCTMCTMOSControlledThyristor是MOSFET驅(qū)動晶閘管的復(fù)合器件，集場效應(yīng)晶體管與晶閘管的優(yōu)點(diǎn)于一身，是雙極型電力晶體管和MOSFET的復(fù)合。 一個MCT器件由數(shù)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

25、為PNP和NPN晶體管各一個，控制MCT導(dǎo)通的MOSFETon-FET和控制MCT關(guān)斷的MOSFEToff-FET各一個。當(dāng)給柵極加正脈沖電壓時，N溝道的on-FET導(dǎo)通，其漏極電流即為PNP晶體管提供了基極電流使其導(dǎo)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(dǎo)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，這種正反響使1+21，MCT導(dǎo)通。當(dāng)給柵極加負(fù)電壓脈沖時，P溝道的off-FET導(dǎo)通，使PNP晶體管的集電極電流大局部經(jīng)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

26、體管的基極電流減小，這種正反響使1+21,MCT關(guān)斷。MCT阻斷電壓高，通態(tài)壓降小，驅(qū)動功率低，開關(guān)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(hù)電路可以簡化。MCT的開關(guān)速度超過GTR，開關(guān)損耗也小。總之，MCT被認(rèn)為是一種最有開展前途的電力電子器件。3.靜電感應(yīng)晶體管SITSITStaticInductionTransistor實(shí)際上是一種結(jié)型電力場效應(yīng)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(dāng)柵

27、極不加任何信號時，SIT是導(dǎo)通的;柵極加負(fù)偏壓時關(guān)斷。這種類型的SIT稱為正常導(dǎo)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(yīng)晶閘管SITHSITHStaticInductionThyristor是在SIT的漏極層上附加一層和漏極層導(dǎo)電類型不同的發(fā)射極層而得到的。 變流技術(shù)包括晶閘管在內(nèi)的電力電子器件是變流技術(shù)的核心。近年來，隨著電力電子器件的開展，變流技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的開展，特別是在交流調(diào)速應(yīng)用方面獲得了極大的成就。變流技術(shù)按其功能應(yīng)用可分成以下幾種變流器類型：整流器把交流電變?yōu)楣潭ǖ幕蚩烧{(diào)的直流電。 逆變器把固定直流電變成固定的或可調(diào)的交流電。斬波器把固定的直流電壓變成可調(diào)的直流電壓。交流調(diào)壓器把固定的交流電壓變成可調(diào)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(diào)的交流電壓和頻率。 1.整流器整流過程是將交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號的過程，一般可通過二極管或開關(guān)器件組成的橋式電路來實(shí)現(xiàn)。單相交流可控硅橋式整流電路(a整流電路；(b波形圖脈寬調(diào)速原理示意圖(a原理圖；(b加載在電機(jī)電樞上的電壓波形2. 斬波器H型橋式PWM晶體管功率放大器雙極式H型可逆器的電壓、電流波形的電路原理圖考慮開通延時的基極脈沖電壓信號4當(dāng)V1和V4或V2和V3始終導(dǎo)通時，電動機(jī)在最高轉(zhuǎn)速下正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。該電路中，跨接在電源兩端的上、