伺服控制基础知识课件

伺服控制基礎知識

電力電子器件的應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，當陽極電壓大於陰極電壓0.7V時二極體導通,當施加反向電壓值達到擊穿電壓時二極體被擊穿。利用二極體具有的單方嚮導電性，在電路中廣泛用作：整流、箝位、隔離和續流。變流電路中用於整流和續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)晶閘管的結構和符號

晶閘管的工作原理

晶閘管的伏安特性

晶閘管的結構和符號

晶閘管是在半導體二極體、三極管之後出現的一種新型的大功率半導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體構成的。圖2-2a)所示為螺栓形晶閘管的內部結構，它主要由單晶矽薄片P1，Nl，P2，N2四層半導體材料疊成，形成三個PN結。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)在晶閘管導通之後，其控制極就失去控制作用。欲使晶閘管恢復阻斷狀態，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斷的半控器件。晶閘管的PN結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，由於晶閘管導通時，相當於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。晶閘管的伏安特性

晶閘管的陽極電壓與陽極電流的關係，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體開關元件(BidirectionalTriodeThyristor)，它和單向晶閘的區別是：第一，它在觸發之後是雙向導通的；第二，在門極中所加的觸發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並聯組成。

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導通及控制的性質。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，雙向晶閘管能夠實現最可靠觸發導通。而第二、四象限一般是不用於觸發工作。雙向晶閘管可以用作固態繼電器、過零開關等。作為交流開關它有很廣泛的應用。全控型器件

變頻調速技術的發展同現代功率開關器件的研製與發展是密切相關的。由於晶閘管(SCR)和雙向晶閘管（TRIAC）元件不具備自關斷能力，且開關速度低，限制了常規晶閘管變頻器的性能與應用範圍。80年代以來，各種具備自關斷能力的全控型、高速型功率集成器件不斷研製成功，使得變頻器技術跨人了電力電子技術的新時代。這些器件有：可關斷晶閘管GTO、電力電晶體GTR、功率場控電晶體SIT、靜電感應晶閘管(SITH)，MOS晶閘管MCT及MOS電晶體MGT等。這些現代功率開關的問世，使電力電子技術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器件的支持下進人了機電一體化的實用領域。

全控型器件即具備自關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。

雙極型器件

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

靜電感應晶閘管SITH(StaticlnductionThyristor)

單極型器件

功率場控電晶體(PowerMosfet)

靜電感應電晶體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

在伺服系統中，機械的運動速度控制是最基本的控制內容，當對速度的穩定精度提出較高要求時，就要求對驅動電動機能夠實行速度的閉環控制。因此速度檢測元件的正確選擇和構成速度負回饋控制的電路形式，對是否能滿足系統的要求十分重要。速度閉環控制系統中，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字速度檢測元件。測速發電機就是一種模擬速度檢測元件，由測速發電機構成的速度閉環控制系統，其精度控制在3﹪之內已屬不易。測速發電機是一種微型發電機，它的作用是將轉速變為電壓信號，在理想狀態下，測速發電機的輸出電壓Uo可以用下式表示：

Uo＝K*n＝KK′dθ/dt(2-1)

式中KK′-比例常數(即輸出特性的斜率)；n及θ--測速發電機轉子的旋轉速度及旋轉角度。

可見，測速發電機主要有兩種用途：

1.測速發電機的輸出電壓與轉速成正比，因而可以用來測量轉速，故稱為測速發電機；

2.如果以轉子旋轉角度為參數變數，則可作為機電微分、積分器。因此測速發電機廣泛用於速度和位置控制系統中。根據結構和工作原理的不同，測速發電機分為直流測速發電機、非同步測速發電機和同步測速發電機，但後者用得極少。非同步(交流)測速發電機

非同步測速發電機的結構和空心杯形轉子伺服電動機相似，其原理電路圖如圖2-41所示。直流測速發電機

直流測速發電機是一種用來測量轉速的小型他勵直流發電機，其工作原理見圖2-44。直流測速發電機與非同步測速發電機的性能比較非同步測速發電機的主要優點是：不需要電刷和換向器，因而結構簡單，維護容易，慣量小，無滑動接觸，輸出特性穩定，精度高，摩擦轉矩小，不產生無線電干擾，工作可靠，正、反向旋轉時輸出特性對稱。其主要缺點是：存在剩餘電壓和相位誤差，且負載的大小和性質會影響輸出電壓的幅值和相位。直流測速發電機的主要優點是：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電機的大。其主要缺點是：由於有電刷和換向器，因而結構複雜，維護不便，摩擦轉矩大，有換向火花，產生無線電干擾信號，輸出特性不穩定，且正、反向旋轉時，輸出特性不對稱。實際選用時，應注意以上特點。在自動控制系統中，測速發電機常用來作調速系統、位置伺服系統中的校正元件，用來檢測和自動調節電動機的轉速，它產生速度回饋電壓以提高控制系統的穩定性和精度。

光電測速盤光電測速原理

電動機旋轉方向辨別

數字測速方法

光電測速原理電動機旋轉方向辨別數字測速方法

在閉環伺服控制系統中，根據脈衝計數來測量轉速的方法有M法測速﹑T法測速和M/T法測速三種：M法測速是指：在規定時間間隔Tg內，測量所產生的脈衝數來獲得被測速度值；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脈衝發生器發送的脈衝數來確定被測速度值。角度（角位移）檢測

在伺服系統中測角（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

旋轉變壓器

位置檢測

在伺服系統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，常用感應同步器、光柵、磁尺等。感應同步器

應用舉例感應同步器的應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電勢將對應於基準信號的相位，並反映滑尺與定尺的相對位移。將感應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，則控制設備繼續移動，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行激磁，則從定尺繞組輸出的感應電勢的幅值隨著定尺和滑尺的相對位置的不同而發生變化，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為應用感應同步器閉環系統電路的例子。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行比較，得到的誤差值通過D／A轉換器，變成位置控制的指令去伺服驅動部件。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。習題和思考題2-1使晶閘管導通的條件是什麼？2-2維持晶閘管導通的條件是什麼？怎樣才能使晶閘管由導通變為關斷？2-3IGBT、GTR、