第四章 机电一体化系统的执行元件(一)

1、 第四章第四章 机电一体化系统的执行元件机电一体化系统的执行元件 （一）（一） 第一节第一节 概概 述述 一、功能： 执行元件是机电一体化系统的重要组成部分，用来将输 入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。是 一种能量变换元件。 机电一体化伺服系统要求执行元件具有转动惯量小、输 出动力大、便于控制、可靠性高和安装维护简便等特点。 二、执行元件的种类及特点 根据使用能量的不同，执行元件主要分为电磁（气）式、 液压式和气压式三大类型，如图所示。 常用执行元件的种类 各种执行元件的特点：各种执行元件的特点： 1、电气执行元件 电气执行元件主要是直流(DC)伺服电机、交流（AC） 伺服电机

2、和步进电机。能实现定位伺服，响应快，易于 CPU接口，体积小，动力大，无污染。对这些伺服电机 除了要求运转平稳以外，一般还要求动态性能好，适合 于频繁启动，便于维修等。 2、液压式执行元件 液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转 油缸、液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出 功率的情况下，液压元件具有重量轻、快速性好等特 点。 3、气压式执行元件 气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外， 与液压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的 驱动力、行程和速度，但由于空气粘性差且具有可压缩 性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。 三、对伺服控制电动机的基本要求三、对伺服控制电动机的基本要求

3、 为实现运动、功率/能量、控制运动方式的转换，对伺 服控制电动机提出了一些基本要求。 （1）性能密度大 即功率密度（Pw=P/G）或比功率密度 （Pbw=(T2/J)/G）大。 （2）快速性好 加速度大、响应特性好。 （3）位置控制与速度控制精度高、 调速范围大、低速平稳性好、分辨率 高以及振动噪音小。 （4）能适应频繁启动，可靠性高、 寿命长。 （5）易于与计算机接口，实现计 算机控制。 四、常用伺服控制电动机的控制方式四、常用伺服控制电动机的控制方式 P66P66 主要有：开环控制、半闭环控制、闭环控制三种。 开环控制：开环控制：无检测装置，常用步进电动机驱动实现， 每输入一个指令脉冲，步

4、进电动机就旋转一定角度， 它的旋转速度由指令脉冲频率控制，转角大小由脉 冲个数决定。 因无检测装置，结构简单、成本低，但由于误 差无法测出和补偿，因此开环系统精度不高。 n闭环控制：闭环控制：有检测装置，装在移动部件上，可直有检测装置，装在移动部件上，可直 接检测移动部件的位移，系统采用了反馈和误差接检测移动部件的位移，系统采用了反馈和误差 补偿技术，可很精确地控制移动部件的移动距离。补偿技术，可很精确地控制移动部件的移动距离。 n半闭环控制：半闭环控制：也有检测装置，装在伺服电动机上，在 伺服电动机的尾部装有编码器或测速发电机，分别检 测移动部件的位移和速度。由于传动件不可避免地存 在受力变

5、形和消除传动间隙等问题，因而半闭环控制 系统的控制精度不如闭环系统。 一、概述 电子技术电子技术分为微电子技术和电力电子技术。微电子技 术处理的对象是小信号（mV几十伏，mA几安），属 弱电领域，微电子器件是信息处理部件。电力电子技术 处理的对象是大信号（几十伏几千伏，几安几百安）， 属强电领域。电力电子器件能实现小信号控制大信号及 对电能进行控制和转换，从而实现弱电对执行元件，如 伺服电机、步进电机、比例电磁铁等的控制。目前功率 电子器件在机电一体化领域获得了广泛的应用。 二、常用功率电子器件 晶闸管SCR、功率晶体管GTR、 功率场效应晶体管MOSFET、绝缘 栅双极晶体管IGBT等。 第

6、二节第二节 功率电子器件及应用功率电子器件及应用 三、晶闸管 （一）概述 晶闸管是晶体闸流管(Thyristor) 的 简 称 ， 又 称 可 控 硅 整 流 器 （Silicon Controlled Rectifier SCR），简称可控硅，是目前应用 最广的半导体功率开关元件。它既 有单向导电的整流作用，又有可控 的开关作用。晶闸管的通态损耗小， 控制功率大。几十一、二百mA的 电流，2、3伏电压的微小功率信号 可以对几百安、数千伏的电源进行 控制和转换。 2、晶闸管的主要用途： （1）整流 ACDC （2）逆变 将直流电转变为交流电 （3）变频 改变交流电频率 （4）交流调压 调节交流

7、电压 （5）无触点开关 能迅速接通或切断大功率的交流 或直流电路，而不产生火花，适用于防火、防爆的场合。 1、晶闸管的特点： 体积小、重量轻、效率高、寿命长、动作快以及使 用方便等。被广泛应用于可控整流、交流调压、无触 点电子开关、逆变及变频等电子电路中。 3、 晶闸管的分类晶闸管的分类 晶闸管有多种分类方法。 （1）按关断、导通及控制方式分类 可分为普通晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、 门极关断晶闸管（GTO）、BTG晶闸管、温控晶 闸管和光控晶闸管等多种。 （2）按引脚和极性分类 可分为二极晶闸管、三极晶闸管和四极晶闸管。 （3）按封装形式分类 可分为金属封装晶闸管、 塑封晶闸管和陶瓷封装

8、晶闸 管三种类型。其中，金属封 装晶闸管又分为螺栓形、平 板形、圆壳形等多种；塑封 晶闸管又分为带散热片型和 不带散热片型两种。 螺栓形晶闸管 平板形晶闸管外形及结构 （4）按电流容量分类 可分为大功率晶闸管、中功率晶闸管和小 功率晶闸管三种。通常，大功率晶闸管多采用 金属壳封装，而中、小功率晶闸管则多采用塑 封或陶瓷封装。 （5）按关断速度分类 可分为普通晶闸管和高频（快速）晶闸管。 （二）普通单向晶闸管 1、晶闸管的结构、原理 单向晶闸管(SCR)符号和 原理如图所示。SCR有三个 极，分别为阳极A、阴极K 和控制极G（又称门极）。 从物理结构看，它是一个 PNPN四层半导体器件，其 工作

9、原理可以用一个PNP晶 体管和一个NPN晶体管的组 合来加以说明。图b）为晶 闸管的内部等效电路图。 对照等效电路分析原理对照等效电路分析原理 2、等效电路分析得出的三个结论：、等效电路分析得出的三个结论： n （1）晶闸管导通必须具备两个条件： 阳极A与 阴极K之间要加正向电压EA； 控制极G与阴极K之 间也要有足够的正向电压和正向电流（EG，IG）。 n （2）晶闸管一旦导通，控制极即失去控制作用， 只要维持阳极电位高于阴极电位和阳极电流IA大于维 持电流IH，就可继续导通。 n （3）为使晶闸管关断，必须使阳极电流IA减小到 维持电流IH以下，这只要使阳极电压减小到零或者将 其反向即可。

10、 双向晶闸管为NPNPN 五层半导体器件，结构和 特性相当一对反向并联的 普通晶闸管，可实现双向 导通。其结构和符号如右 图所示。 双向晶闸管（双向晶闸管（TRIAC） ： 双向可控硅是在普通可控硅的基础上发展而成的，它 不仅能代替两只反极性并联的可控硅，而且仅需一个触 发电路，是比较理想的交流开关器件交流开关器件。其英文名称TRIAC 即三端双向交流开关三端双向交流开关之意 。 n 双向可控硅除门极G以外的其 它两个电极统称为主端子，或称为 第一阳极与第二阳极，用T1(A1)、 T2(A2)表示。 其特点是：双向可控硅第一阳 极T1与第二阳极T2间，无论所加电 压极性是正向还是反向，只要控制

11、 极G和第一阳极T1间加有正负极性 不同的触发电压，就可触发导通呈 低阻状态。此时T1、T2间压降约为 1V。 n 当G极和T2极相对于T1的电压均为正时均为正时，T2是阳极， T1是阴极。反之，当G极和T2极相对于T1的电压均为负均为负 时时，T1变成阳极，T2为阴极。双向可控硅由于正、反向 特性曲线具有对称性，所以它可在任何一个方向导通。 n 双向可控硅一旦导通，即使失去触发电压，也能继 续保持导通状态。只有当第一阳极T1、第二阳极T2电流 减小，小于维持电流或T1、T2间当电压极性改变且没有 触发电压时，双向可控硅才截断，此时只有重新加触发 电压方可导通。 （三）（三） 晶闸管的主要参数

12、晶闸管的主要参数 1、正向阻断（重复）峰值电压UDRM 指控制极（门极）G开路，晶闸管处于正向 阻断（截止）时，允许加在阳极A和阴极K之间 正向电压的最大值。 2、反向阻断（重复）峰值电压URRM 指控制极（门极）G开路，晶闸管处于正向 阻断（截止）时，允许加在阳极A和阴极K之间 反向电压的最大值。 通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的值作为 该器件的额定电压。 3、额定正向（通态）平均电流IF 指在规定的环境温度和标准散热条件下，允许连续通 过晶闸管阳极的工频（50Hz）正弦波半波电流平均值。 注：选择晶闸管时应留有一定的功率余量，其额定 峰值电压和额定电流均应高于受控电路的最大工作电压

13、 和最大工作电流1.52倍。 4、正向平均电压降UF 也称通态平均电压或通态压降，是指在规定环境温度 和标准散热条件下，当通过晶闸管的电流为额定电流时， 其阳极A与阴极K之间电压降的平均值，通常为0.41.2V。 该参数影响管耗及发热管耗及发热。 5、控制极触发电压UG、触发电流IG 指在规定的环境温度和一定的正向阳极电压 (U=6V)条件下，使晶闸管从阻断状态转变为完全 导通状态所需要的最小控制极直流电压和电流， UG=15V，IG为几十到几百毫安。 6、维持电流IH 指在控制极开路和规定的环境温度下，维持 晶闸管导通的最小阳极电流。当正向电流小于IH 时，导通的晶闸管会自动关断。 （四）

14、国产晶闸管的型号 按照国内晶闸管有关标准，晶闸管的型号由以下5部 分组成： 各部分的含义如下： 第1部分：用汉语拼音字母“K”，表示“可控硅”。 第2部分：也是汉语拼音字母，表示晶闸管的类型， 如“P”表示普通型；“K”表示快速型；“S”表示双向型； “N”表示逆导型；“G”表示可关断型。 第3部分：为1到3位数字，表示器件的额定通态平均 电流IF。系列产品分为 1A、5A、10A、20A、30A、50A、 100A、200A、300A、400A、500A、600A、1000A等数 值。 第4部分（横线后面的第 1 部分）：表示额定电压， 是以 100V 为单位标注的，即该数字乘以 100V

15、为器件的 额定电压。额定电压在 1000V 以下时每 100V 为一挡； 额定电压在 1000V以上的器件每 200V 为一挡，如该部分 为“5”，表示额定电压为 500V；为“12”，表示额定电压 为 1200V。 第5部分：表示器件的通态平均电压UF，用一位大写 字母表示，如 A、B、C、D 等。不同的字母表示不同的 通态平均电压值。字母与通态平均电压的具体对应关系 可查有关手册。 例如：有一晶闸管的型号为 KP100-12D，其意义为： 普通型晶闸管，通态平均电流为100A，额定电压为 1200V，通态平均电压为 D 级。 （五）晶闸管应用举例 n1、单相半波可控整流电路 整流电路工作原

16、理：整流电路工作原理： 正半周：0t，ug=0， SCR正向阻断，uL=0；t=时， 加入ug脉冲，SCR导通，若忽 略其正向压降，uL=u2。 负半周：t2，当u2自 然过零时，SCR自行关断而处 于反向阻断状态，uL=0。 称为控制角，称为导通角， 显然+=。当=0，=180度 时，可控硅全导通；当=180 度，=0，可控硅全关断，输 出电压为零。 由上式可见，负载电阻上的直流电压是控 制角的函数，所以改变的大小就可以控制负 载直流电压在00.45U2之间变化 。 负载电压的平均值为：负载电压的平均值为： 2 cos1 45. 0)(sin2 2 1 22 UttdUU a 单相交流可控硅

17、桥式整流电路 （a）整流电路；（b）波形图 2、可控硅交流调压器 目前交流调压器多采用可控硅调压器。 （1）应用实例一：普通单向可控硅调压 这里介绍一台电路简单、制作容易、控 制方便的可控硅交流调压器，用途较广，可 用作家用电器的调压装置，进行照明灯调光， 电风扇调速、电熨斗调温等的控制。该调压 器的输出功率可达100W。 单结晶体管简介： 单结晶体管又称双基极二 极管，它是一种只有一个PN 结和两个电阻接触电极的半 导体器件，其结构、符号和 等效电路如图所示。 电路原理：电路原理： 可控硅交流调压器由可控整流电路和触发电路两部分组 成。二极管D1D4组成桥式整流电路，双基极二极管T1构 成张

18、弛振荡器作为可控硅的同步触发电路。通电后，220V 交流电通过负载电阻RL经二极管D1D4整流，在可控硅 SCR的A、K两端形成一个脉动直流电压，该电压由电阻R1 降压后作为触发电路的直流电源。 在交流电的正半周，整流电压通过R4、W1对电容C充 电。当充电电压Uc达到T1管的峰值电压Up时，T1管由截止 变为导通，于是电容C通过T1管的e、b1结和R2迅速放电， 结果在R2上获得一个尖脉冲。这个脉冲作为控制信号送到 可控硅SCR的控制极，使可控硅导通。 可控硅导通后的管压降很低，一般小于1V，所以张弛振 荡器停止工作。当交流电通过零点时，可控硅自关断。 在交流电在负半周，电容C又从新充电如此

19、周而 复始。这样，每次交流电压过零后，张弛振荡器发出第 一个触发脉冲的时刻都相同，这个时刻取决于W1的阻值 和C的电容量。调节W1的阻值，就可以改变电容器C的充 电时间，也就改变了第一个Ug发出的时刻，相应地改变 了可控硅的控制角，使负载RL上输出电压的平均值发生 变化，达到调压的目的。 （2）应用实例二：双向可控硅调压 该电路是最基本的可控硅调光电路，电位器RW1、 电阻R1、电容C2构成移相网络，通过双向触发二极管 改变可控硅导通角实现调压，从而改变灯泡的亮度。 但该电路对其它电器很可能造成严重干扰，因为 其原理是通过触发可控硅，对交流电压正弦波进行削 波来实现电压的调节，输出的电压波形存

20、在严重的畸 变，产生大量的电磁谐波。这种干扰尤其对无线电设 备最为严重，如对中波收音机干扰相当严重。 电感电感L和电容和电容C1构成滤波电路用来消除可控硅工构成滤波电路用来消除可控硅工 作时产生的电磁干扰。虽然还是不能完全消除干扰，作时产生的电磁干扰。虽然还是不能完全消除干扰， 但大量的干扰波已被阻止反馈到电网中。但大量的干扰波已被阻止反馈到电网中。 可精确最小亮度的调光电路可精确最小亮度的调光电路 四、功率晶体管四、功率晶体管 习惯上将耗散功率大于1W 的晶体管称为功 率（电力）晶体管，简称GTR（Giant Transistor， 按英文直译为巨型晶体管）。GTR区别于小功 率晶体管在于它

21、能输出大的功率，符号及基本 原理与普通晶体管是一样的。 主要特点：耐压高、电流大、开关特性好， 但驱动电路复杂，驱动功率大。 GTR的类型： 目前常用的有GTR单管、达林顿管和模块这3种 类型。 达林顿结构的GTR是由2个或多个晶体管复合而 成，可以是PNP型也可以是NPN型，它与普通复合 三极管相似。目前作为大功率的开关应用还是GTR 模块，它是将GTR做成单元结构，然后根据不同的 用途将几个单元电路构成模块，集成在同一硅片上。 这样，大大提高了器件的集成度、工作的可靠性和 性价比，同时也实现了小型轻量化。 达林顿晶体管（Darlington transistor）的电路如图所示。图 中电阻

22、 R1和 R2 在电路导通时为 T2 提供基射极的正向偏置，在 电路关断时构成泄漏电路；二极 管D2为反相基极电流提供低阻抗 通道；二极管D1是快速二极管， 对T2 起保护作用。 达林顿管举例： TIP132 70 W at 25 Case Temperature 8 A Continuous Collector Current n ULN2003 是高耐压、大 电流复合晶体管阵列，由七 个硅NPN 复合晶体管组成。 ULN2003是大电流驱动阵列， 多用于单片机、智能仪表、 PLC、数字量输出卡等控制 电路中，可直接驱动继电器 等负载。 n ULN2003 灌电流可达 500mA，并且能够在

23、关态时 承 受 5 0 V 的 电 压 。 ULN2003 内部结构图 五、功率场效应晶体管（五、功率场效应晶体管（Power MOSFET） 分为结型和绝缘栅型。结型场效应管因有两个PN结而 得名，绝缘栅型场效应管则因栅极与其它电极完全绝缘而 得名。目前在绝缘栅型场效应管中，应用最为广泛的是 MOS场效应管，简称MOS管（即金属-氧化物-半导体场效 应管MOSFETMetal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor），此外还有PMOS、NMOS和VMOS功率场效 应管等。 特点： n 电压驱动，输入阻抗高，需要的驱动功率小而且驱 动电路简单。

24、n 开关速度快，工作频率高。 n 热稳定性好，优于GTR。 一般适用于功率不超过10kW的电力电子装置 。 Power MOSFET的结构和电气图形符号 功率场效应管用法： N沟道：和NPN三极管类似 P沟道： 和PNP三极管类似 功率场效应管IRF740简介： n器件厂商： Intersil Corporation，USA nN沟道（N Channel） nVDS 400V nRDS 0.55 n ID 10 A n封装形式： TO-220 APPLICATIONS n HIGH CURRENT SWITCHING n UNINTERRUPTIBLE POWER SUPPLY (UPS) n

25、 DC/DC COVERTERS n INDUSTRIAL AND LIGHTING EQUIPMENT 功率场效应管IRF740的极限参数： 常用N沟道功率场效应管及其参数： （ 美Intersil公司产品） IRF540 100V 28A 150W N IRF620 200V 5A 40W N IRF630 200V 9A 75W N IRF634 250V 8A 75W N IRF640 200V 18A 125W N IRF644 250V 14A 125W N IRF730 400V 5.5A 74W N IRF740 400V 10A 125W N IRF830 500V 5.9A

26、 4125W N IRF840 500V 8.0A 125W N IRFBC40 600V 3A 125W N IRFPC50 600V 10A 180W N IRFPE40 800V 5.4A 150W N 摊铺机行走控制箱内部结构摊铺机行走控制箱内部结构 驱动芯片驱动芯片 芯片散热片 电源24VDC 主控制器 键盘 集线器 RS485 显示模块 电磁阀 Y1 Y2 工作油缸 牵引臂 子 控 制 器 子 控 制 器 子 控 制 器 子 控 制 器 超声波探头 路面 自动找平系统组成框图 主控制器 键盘 集线器 RS485 显示模块 电磁阀 Y1 Y2 工作油缸 牵引臂 子 控 制 器 子 控

27、 制 器 子 控 制 器 子 控 制 器 超声波探头 路面 自动找平系统组成框图 电磁换向阀的驱动芯片电磁换向阀的驱动芯片 n电磁换向阀的驱动电路设计 驱动电路选用西门子公司生产的智能低端功率开关 BTS117，这是一种有三个引脚的由功率场效应管组成 的驱动电路，其特点是TTL逻辑电平输入，具有输入控 制端ESD保护、过载保护、短路保护、过压保护以及限 流等功能，内部结构如图所示。其主要参数如下：电 源电压：60V，导通电阻：100 m，额定负载电流3.5 A，负载电流上限：7A。 ESD（Electro-Static discharge）的意思是“静电释 放”。ESD是20世纪中期以来形成的

28、以研究静电的产生、 危害及静电防护等的学科。因此，国际上习惯将用于 静电防护的器材统称为ESD，中文名称为静电阻抗器。 n 该电路适用于各种阻性、感性和容性 12V和24V负载开关驱动电路。该芯片在过载 的情况下能够自动关断输出，从而保护电路 末端的功率场效应管，过载时输入控制端的 电流IIN也将发生变化，据此可以监控芯片是 否过流。 六、IGBT简介 n IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor(绝缘栅双极 型晶体管)的缩写，IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复 合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP 晶体管，它融和了这两种器件的优点

29、，既具有MOSFET器 件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱 和压降低而容量大的优点，其频率特性介于MOSFET与功 率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内，在现 代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，在较高频率 的大、中功率应用中占据了主导地位。 n 它的三个极分别是集电极(C)、发 射极(E)和栅极(G)。若在IGBT的栅极 和发射极之间加上正向驱动电压，则 MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电 极与基极之间成低阻状态而使得晶体 管导通；若IGBT的栅极和发射极之间 电压为0V，则MOS 截止，切断PNP晶 体管基极电流的供给，使得晶体管截 止。 n IGBT与

30、MOSFET一样也是电压控 制型器件，在它的栅极发射极间施 加十几V的直流电压，只有uA级的漏 电流流过，基本上不消耗功率。 IGBT的应用 *七、电源器件集成直流电源 稳压器 n又称三端稳压器 n1、功能：直流电源稳压、降压 n2、分类：电压可调、固定电压输出 n3、固定电压输出器件分为两个系列： 78系列输出为正电压， 7805：输出+5V 79系列输出为负电压， 7905：输出-5V I0max=1.5A 使用时要求：Vin-Vout2V 电压系列：5，6，9，12，15，18，24 V 管脚排列：如右图所示 注意： 78系列：外壳接地（3脚） 79系列：外壳接输入（3脚） 应用举例：

31、4、电压可调电压可调LM317可调三端稳压器可调三端稳压器 n LM317是美国国家半导体公司生产的三端 可调稳压集成电路。输出电压调节范围1.2V 37V，最大输出电流为1.5A。LM317外围电路很 简单，只需加接可调电阻即可组成基本电路形式。 LM317 内置有过载保护、安全区保护等多种保护 电路。 n性能参数：性能参数： 电压范围：1.25V37V连续可调 额定电流：1A，最大1.5A 最大压差：40V 最小压差：2V 最大功耗：20W 最高结温：125 nLM317封装外形如下： 典型应用电路： 高效 3A 降压电压稳压器 LM2676 集成电路前缀及厂商集成电路前缀及厂商 n*National Semiconductor Corp.(国家半导体公司) AD:A/D转换器；CD:CMOS数字电路；DA:D/A 转换器；LF:线性场效应；LH:线性电路；LM:线 性电路；LP:线性低功耗电路。 n*RCA Corp.(美国无线电公司) CA、LM:线性电路; CD:CMOS数字电路;