第2章伺服控制基础知识课件.ppt

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1、第2章伺服控制基础知识第1页，此课件共41页哦内容提要内容提要n电力电子器件的应用电力电子器件的应用 n检测元件检测元件第2页，此课件共41页哦电力电子器件的应用电力电子器件的应用n不可控器件 n半控型器件 n 全控型器件 第3页，此课件共41页哦不可控器件n 二极管是一种不可控器件，其在电路中的图形符号和伏安特性如图2-1所示，二极管在电路中常用D表示。从伏安特性可见，当阳极电压大于阴极电压0.7V时二极管导通,当施加反向电压值达到击穿电压时二极管被击穿。利用二极管具有的单方向导电性，在电路中广泛用作：整流、箝位、隔离和续流。变流电路中用于整流和续流的二极管是功率二极管。第4页，此课件共41

2、页哦第5页，此课件共41页哦半控型器件n晶闸管晶闸管(SCR)n双向晶闸管双向晶闸管(TRIAC)第6页，此课件共41页哦晶闸管晶闸管(SCR)n晶闸管的结构和符号晶闸管的结构和符号 n晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理 n晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 第7页，此课件共41页哦晶闸管的结构和符号晶闸管的结构和符号 晶闸管是在半导体二极管、三极管之后出现的一种新型的大功率半导体器件它是一种可控制的硅整流元件，亦称可控硅。晶闸管是由四层半导体构成的。图2-2a)所示为螺栓形晶闸管的内部结构，它主要由单晶硅薄片P1，Nl，P2，N2四层半导体材料叠成，形成三个PN结。图2-2b)和c)分别为其示意

3、图和表示符号。第8页，此课件共41页哦第9页，此课件共41页哦晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理1)起始时若控制极不加电压，则不论阳极加正向电压还是反向电压，晶闸管均不导通，这说明晶闸管具有正、反向阻断能力。2)晶闸管的阳极和控制极同时加正向电压时晶闸管才能导通，这是晶闸管导通必须同时具备的两个条件。3)在晶闸管导通之后，其控制极就失去控制作用。欲使晶闸管恢复阻断状态，必须把阳极正向电压降低到一定值(或断开，或反向)。所以说晶闸管是控制导通而不控制关断的半控器件。晶闸管的PN结可通过几十至几百安的电流，因此它是一种大功率的半导体器件，由于晶闸管导通时，相当于两只三极管饱和导通，因此，阳极与阴极问

4、的管压降为1V左右，而电源电压几乎全部分配在负载电阻RL上。第10页，此课件共41页哦晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 晶闸管的阳极电压与阳极电流的关系，称为晶闸管的伏安特性，如图2-3所示。第11页，此课件共41页哦第12页，此课件共41页哦双向晶闸管双向晶闸管(TRIAC)双向晶闸管也称双向三极半导体开关元件(Bidirectional Triode Thyristor)，它和单向晶闸的区别是：第一，它在触发之后是双向导通的；第二，在门极中所加的触发信号不管是正的还是负的都可以使双向晶闸管导通。双向晶闸管可看作由两个单间晶闸管反向并联组成。第13页，此课件共41页哦 双向晶闸管的特性和单向

5、晶闸管的正向特性有点相近；只不过多了一个完全相同的反向特性而已，可见双向晶闸管具有双向导通及控制的性质。图2-5中给出的是第一、三象限的伏安特性，在这两个象限中，双向晶闸管能够实现最可靠触发导通。而第二、四象限一般是不用于触发工作。双向晶闸管可以用作固态继电器、过零开关等。作为交流开关它有很广泛的应用。第14页，此课件共41页哦全控型器件 变频调速技术的发展同现代功率开关器件的研制与发展是密切相关的。由于晶闸管(SCR)和双向晶闸管（TRIAC）元件不具备自关断能力，且开关速度低，限制了常规晶闸管变频器的性能与应用范围。80年代以来，各种具备自关断能力的全控型、高速型功率集成器件不断研制成功，

6、使得变频器技术跨人了电力电子技术的新时代。这些器件有：可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR、功率场控晶体管SIT、静电感应晶闸管(SITH)，MOS晶闸管MCT及MOS晶体管MGT等。这些现代功率开关的问世，使电力电子技术由顺变时代走入今天的逆变时代，各种各样的PWM变频电路在新型功率开关器件的支持下进人了机电一体化的实用领域。全控型器件即具备自关断能力的半导体器件，可分为三大类型：双极型、单极型和混合型。各种全控型器件的符号及等效电路见表2-1。第15页，此课件共41页哦第16页，此课件共41页哦n 双极型器件双极型器件 可关断晶闸管可关断晶闸管GTO(GateTurn-off Thyris

7、tor)功率晶体管功率晶体管GTR(GiantTransistor)静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITH(StaticlnductionThyristor)第17页，此课件共41页哦n单极型器件单极型器件 功率场控晶体管功率场控晶体管(PowerMosfet)静电感应晶体管静电感应晶体管SIT(Staticlnduction Transistor)第18页，此课件共41页哦n混合型器件混合型器件 MOS门极晶体管MGT(MOS Gate Transistor)绝缘门极晶体管IGBT(1nsulated Gate Bipolar)MOS晶闸管MCT(MOS-Coutrolled Thyristo

8、r)功率集成电路PIC(Power Integrated Circuit)第19页，此课件共41页哦检测元件检测元件 n速度检测 n角度（角位移）检测 n位置检测 第20页，此课件共41页哦速度检测 在伺服系统中，机械的运动速度控制是最基本的控制内容，当对速度的稳定精度提出较高要求时，就要求对驱动电动机能够实行速度的闭环控制。因此速度检测元件的正确选择和构成速度负反馈控制的电路形式，对是否能满足系统的要求十分重要。速度闭环控制系统中，常用的速度检测元件一般分为二类，即：模拟速度检测元件和数字速度检测元件。测速发电机就是一种模拟速度检测元件，由测速发电机构成的速度闭环控制系统，其精度控制在3之内

9、已属不易。测速发电机是一种微型发电机，它的作用是将转速变为电压信号，在理想状态下，测速发电机的输出电压Uo可以用下式表示：UoK*nK Kd/dt (2-1)式中 K K-比例常数(即输出特性的斜率)；n及-测速发电机转子的旋转速度及旋转角度。第21页，此课件共41页哦 可见，测速发电机主要有两种用途：1.测速发电机的输出电压与转速成正比，因而可以用来测量转速，故称为测速发电机；2.如果以转子旋转角度为参数变量，则可作为机电微分、积分器。因此测速发电机广泛用于速度和位置控制系统中。根据结构和工作原理的不同，测速发电机分为直流测速发电机、异步测速发电机和同步测速发电机，但后者用得极少。第22页，

10、此课件共41页哦异步异步(交流交流)测速发电机测速发电机 异步测速发电机的结构和空心杯形转子伺服电动机相似，其原理电路图如图 2-41所示。第23页，此课件共41页哦第24页，此课件共41页哦直流测速发电机直流测速发电机 直流测速发电机是一种用来测量转速的小型他励直流发电机，其工作原理见图2-44。第25页，此课件共41页哦第26页，此课件共41页哦直流测速发电机与异步测速发电机的性能比较 n异步测速发电机的主要优点是：不需要电刷和换向器，因而结构简单，维护容易，惯量小，无滑动接触，输出特性稳定，精度高，摩擦转矩小，不产生无线电干扰，工作可靠，正、反向旋转时输出特性对称。其主要缺点是：存在剩余

11、电压和相位误差，且负载的大小和性质会影响输出电压的幅值和相位。n直流测速发电机的主要优点是：没有相位波动，没有剩余电压，输出特性的斜率比异步测速发电机的大。其主要缺点是：由于有电刷和换向器，因而结构复杂，维护不便，摩擦转矩大，有换向火花，产生无线电干扰信号，输出特性不稳定，且正、反向旋转时，输出特性不对称。实际选用时，应注意以上特点。n在自动控制系统中，测速发电机常用来作调速系统、位置伺服系统中的校正元件，用来检测和自动调节电动机的转速，它产生速度反馈电压以提高控制系统的稳定性和精度。第27页，此课件共41页哦 光电测速盘 n光电测速原理光电测速原理 n电动机旋转方向辨别电动机旋转方向辨别 n

12、数字测速方法数字测速方法 第28页，此课件共41页哦光电测速原理光电测速原理第29页，此课件共41页哦电动机旋转方向辨别电动机旋转方向辨别第30页，此课件共41页哦数字测速方法数字测速方法 在闭环伺服控制系统中，根据脉冲计数来测量转速的方法有M法测速T法测速和M/T法测速三种：nM法测速是指：在规定时间间隔Tg内，测量所产生的脉冲数来获得被测速度值；nT法测速是指：测量相邻二个脉冲的时间Ttach来确定被测速度值；nM/T法测速是指：同时测量检测时间和在此检测时间内脉冲发生器发送的脉冲数来确定被测速度值。第31页，此课件共41页哦角度（角位移）检测 在伺服系统中测角（位移)的方法很多，常用的有

13、电位计、差动变压器、微同步器、自整角机、旋转变压器等，这里介绍部分测角(位移)元件。第32页，此课件共41页哦差动变压器和微同步器差动变压器和微同步器 第33页，此课件共41页哦 旋转变压器旋转变压器 第34页，此课件共41页哦位置检测 在伺服系统中运动部件的位置检测分角位移和直线位移检测。上述介绍的角位移传感器一般用于小角位移（速度）检测。而大角位移检测或直线位移检测，常用感应同步器、光栅、磁尺等。第35页，此课件共41页哦感应同步器感应同步器 第36页，此课件共41页哦应用举例 感应同步器的应用电路有鉴相型和鉴幅型两种。第37页，此课件共41页哦n鉴相型测量电路的基本原理是：用正弦波基准信

14、号对滑尺的sin和cos两个绕组进行激磁时，则从定尺绕组取得的感应电势将对应于基准信号的相位，并反映滑尺与定尺的相对位移。将感应同步器测得的反馈信号的相位与给定的指令信号相位相比较，如有相位差存在，则控制设备继续移动，直至相位差为零才停止。n鉴幅型测量电路的基本原理是：在感应同步器的滑尺两个绕组上，分别给以两个频率相同，相位相同但幅值不同的正弦波电压进行激磁，则从定尺绕组输出的感应电势的幅值随着定尺和滑尺的相对位置的不同而发生变化，通过鉴幅器可以鉴别反馈信号的幅值，用以测量位移量。图2-52是鉴相型测量控制电路原理框图。第38页，此课件共41页哦第39页，此课件共41页哦n图2-53为应用感应同步器闭环系统电路的例子。注意图中通过放大器后给滑尺sin，cos两个绕组激磁电压的幅值为峰峰值1V(UP-P=1V)，而从定尺感应的电压通过前置放大器后，获得信号波形的幅值为峰峰值10V(UP-P=10V)。反馈测量得到的信号在鉴相器与指令值进行比较，得到的误差值通过DA转换器，变成位置控制的指令去伺服驱动部件。第40页，此课件共41页哦第41页，此课件共41页哦