控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、精品文檔你我共享控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、動(dòng)作控制方式及特點(diǎn)機(jī)電一體化產(chǎn)品的動(dòng)作控制方式是指其執(zhí)行機(jī)構(gòu)從一點(diǎn)移動(dòng)到另一點(diǎn)的過程中，對位置、速度或加速度等的控制方式。（一）位置控制方式位置控制方式按其控制指令來分， 有絕對值控制方式和增量值控制方式。 絕對值控制方式是先確定基準(zhǔn)坐標(biāo)系， 以此坐標(biāo)系的坐標(biāo)值為位置控制指令。 而增量值控制方式則以從當(dāng)前位置向下一個(gè)位置移動(dòng)所需的移動(dòng)量為控制指令。1、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定位這種定位方式的結(jié)構(gòu)最簡單。它是以步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行單元，用對應(yīng)于所需移動(dòng)動(dòng)量的脈沖數(shù)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行定位的，常用于定位精神要求不太高的地方。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)脈沖頻率有上限，超過此頻率就會出現(xiàn)丟步現(xiàn)象

2、、破壞脈沖與轉(zhuǎn)角的比例關(guān)系， 因此，在使用一定頻率脈沖的情況下，難于提高動(dòng)作速度。在采用計(jì)算機(jī)控制的機(jī)電一體化產(chǎn)品中， 使用計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行運(yùn)算， 可在不丟步的范圍內(nèi)緩慢加速， 接近目標(biāo)位置時(shí)緩慢減速，達(dá)到目標(biāo)位置時(shí)停止，提高了使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。2、直流（或交流）伺服電動(dòng)機(jī)定位（絕對值方式）對于高速度和高精度的定位，需采用反饋控制。 檢測位置反饋信號的位置檢測傳感器，也有絕對值和增量值兩種控制方式。絕對值方式位置檢測器多使用感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器等， 將檢測的信號反饋給給指令輸入端并與絕對值指令信號進(jìn)行比較， 通過控制使兩者一致。 圖 1 為其原理框圖， 它由計(jì)算機(jī)發(fā)出位置指令信號，通

3、過 D/A 轉(zhuǎn)換為模擬信號，并與檢測出的位置反饋信號進(jìn)行比較。3、直流（或交流）伺服電動(dòng)機(jī)定位（增量值方式）這是利用計(jì)算機(jī)的一種增量式脈沖控制直流（交流）伺服電動(dòng)機(jī)的方式，其原理如圖2 所示。在直流伺服電動(dòng)機(jī)上裝有脈沖發(fā)生器， 由于電動(dòng)機(jī)只能轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)于脈沖數(shù)轉(zhuǎn)角，因此，用直流伺服電動(dòng)機(jī)的高速響應(yīng)性實(shí)現(xiàn)了類似于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功能。這種方法是在要求高性能定位的機(jī)電一體化產(chǎn)品中常用的方法。腹有詩書氣自華精品文檔你我共享（二）速度控制方式1、速度的模擬反饋控制速度的模擬控制原理如圖3 所示。電動(dòng)機(jī)為直流（或交流）伺服電動(dòng)機(jī)， 采用測速發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成比例的電壓，作為速度反饋信號。其工作原理是利

4、用電壓比較電路，以設(shè)定電壓U 1 與測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓U3 之差 U 的形式求出廟宇轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速之差。如果實(shí)際轉(zhuǎn)速比設(shè)定轉(zhuǎn)速低，電壓差就大，從而電樞電壓U 2增大，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也升高， 于是電動(dòng)機(jī)就以規(guī)定電壓與測速發(fā)電機(jī)輸出電壓大致相同時(shí)的轉(zhuǎn)速連續(xù)旋轉(zhuǎn)。2、速度的數(shù)字反饋控制速度的數(shù)字反饋控制如圖4 所示。這種控制方式為鎖相閉控制，可以實(shí)現(xiàn)高精度的速度控制，適合于音頻設(shè)備的速度控制?？刂扑欧糯笃鞯妮敵雠c輸入脈沖和速度反饋脈沖的相位差a 成正比。 速度指令脈沖采用頻率為f2 脈沖系列， 用相位比較器比較兩個(gè)脈沖信號的相位差，通過控制使其相尊達(dá)到一致，從而達(dá)到控制速度之目的。（三）伺服控制的分

5、類按動(dòng)力源來分，目前使用的伺服控制機(jī)構(gòu)有電氣伺服和電一液（氣）伺服等類型。在電一液伺服控制機(jī)構(gòu)中（見圖 5），目標(biāo)值 P1 增加時(shí)，則它與位置反饋信號 P0 的偏差 E 為正，電一液伺服閥的滑閥離開中位右移， 液壓源的高壓油流入油缸的左側(cè)。 同時(shí)， 油缸右側(cè)的油經(jīng)伺服閥返回油箱，油缸活塞桿向右移動(dòng)，用位置傳感器（如電位器）檢測活塞桿的位置，腹有詩書氣自華精品文檔你我共享傳感器的輸出為 P0，當(dāng) P0 與目標(biāo)值 P1 的偏差 E 為零時(shí)，伺服滑閥返回中位，活塞桿停止定位。電氣伺服機(jī)構(gòu)也是以同樣的方法進(jìn)行位置控制的，如圖6 所示。目標(biāo)值P1 增加，偏差信號 E 為正時(shí)， DC伺服電動(dòng)機(jī)的伺服放大器

6、產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電流I ，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)， 經(jīng)減速器減速帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)。負(fù)載軸（或電動(dòng)機(jī)軸）上裝有角度傳感器（如編碼器），產(chǎn)生檢測信號P0 與目標(biāo)值P1 進(jìn)行比較，負(fù)載軸（或電動(dòng)機(jī)軸）一直回轉(zhuǎn)到偏差值E 為零時(shí)停止。除上述根據(jù)動(dòng)力源對伺服控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行分類外，還可以根據(jù)位置，速度及控制信號的處理方法進(jìn)行分類。對電氣伺服機(jī)構(gòu)來說，可分為以下幾種：1、模擬伺服控制如圖 7 所示，偏差的運(yùn)算及電動(dòng)機(jī)的位置、速度信號等全部使用模擬信號控制就是模擬伺服控制。用模擬運(yùn)算回路進(jìn)行偏差的運(yùn)算，用電位器進(jìn)行位置檢測，用測速發(fā)電機(jī)進(jìn)行速度檢測。這種伺服方式是最早被采用的，也是最基本的伺服方式。2、數(shù)字伺服控制如圖 8 所示， D

7、C伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角與速度全部用脈沖編碼器檢測，目標(biāo)值與位置信號的偏差用計(jì)數(shù)器進(jìn)行運(yùn)算。這種使用數(shù)字控制回路進(jìn)行偏差運(yùn)算及位置與速度檢測運(yùn)算的方式就是數(shù)字DC伺服控制。控制位置時(shí)，首先由偏差計(jì)數(shù)器對指令脈沖計(jì)數(shù)，并通過 D/A 轉(zhuǎn)換器將這個(gè)數(shù)字信號值變換成模擬信號輸入到伺服放大器，伺服放大器的腹有詩書氣自華精品文檔你我共享輸出驅(qū)動(dòng)DC伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。通過脈沖編碼器將電動(dòng)機(jī)的回轉(zhuǎn)鋝變換成脈沖信號，反饋到偏差計(jì)數(shù)器， 當(dāng)反饋信號與指令信號的偏差為零時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止回轉(zhuǎn)。又能由于電動(dòng)機(jī)的回轉(zhuǎn)速度與脈沖編碼器的頻率成比例，所以用 F/U（頻率 / 電壓）轉(zhuǎn)換器將脈沖頻率變換成直流電壓就可以等到速度信號。3

8、、軟件伺服控制如圖 9 所示，位置與速度反饋環(huán)的運(yùn)算處理全部由微型計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)地用軟件進(jìn)行處理的伺服控制可以稱為軟件伺服。將脈沖編碼器與測速發(fā)電機(jī)檢測到的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)角與速度信號讀入微型計(jì)算機(jī)， 并用預(yù)先編好的計(jì)算機(jī)程序?qū)ι鲜鲂盘?（按著采樣周期）進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算處理，然后由計(jì)算機(jī)發(fā)出驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的信號。從確保伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性來看，也可以將速度信號的一部分直接反饋給伺服放大器。這種方法不但硬件結(jié)構(gòu)簡單，而且可以用軟件靈活地對伺服系統(tǒng)做各種補(bǔ)償，這是它的最大特點(diǎn)。但是，因?yàn)槲⑿陀?jì)算機(jī)的運(yùn)算程序直接插入到伺服系統(tǒng)中， 采樣周期一長， 對伺服系統(tǒng)的特性就有影響， 不但使控制性能變差，還使伺服系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。 為

9、此，就要求微型計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)要具有高速運(yùn)算和調(diào)整處理的能力。二、伺服驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)（一）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性與配套使用的驅(qū)動(dòng)電源有密切關(guān)系。 驅(qū)動(dòng)電源由脈沖分配器和功率放大器組成，如圖 10 所示。驅(qū)動(dòng)電源是將變頻信號源（計(jì)算機(jī)或數(shù)控裝置等）送來的脈腹有詩書氣自華精品文檔你我共享沖信號及方向信號按照要求的配電方式自動(dòng)地循環(huán)供給電動(dòng)機(jī)各相繞組，以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子正反向旋轉(zhuǎn)。變頻信號源是可以提供從幾赫茲（HZ）到幾萬赫茲（HZ）的頻率信號連續(xù)可調(diào)的脈沖信號發(fā)生器。 因此，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量和頻率就可精確控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角和速度。1、脈沖分配器步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各相繞組必須按一定的順序

10、通電才能工作。這種使電動(dòng)機(jī)繞組的通電方式按一定規(guī)律變化的電子部件稱為脈沖分配器或環(huán)形分配器。實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配的方法有三種。 一種是采用計(jì)算機(jī)軟件利用查表或計(jì)算方法進(jìn)行脈沖分配的環(huán)行分配器，簡稱“軟環(huán)分” 。表 1 為三相六拍分配狀態(tài)，可將表中狀態(tài)代碼01H， 03H， 02H， 06H，05H 列入程序數(shù)據(jù)表中，通過軟件可依次提取數(shù)據(jù)并經(jīng)脈沖分配具有更多的優(yōu)點(diǎn)。由于“軟環(huán)分”占用計(jì)算機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，故會使插補(bǔ)一次的時(shí)間增加，易影響步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度。另一種是采用小規(guī)模集成電路（三個(gè)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器）搭接成脈沖環(huán)形分配器，如圖11 所示為三相六拍環(huán)形分配器。 第三種是采用專用環(huán)形分配器集成電路器件，如

11、CH250即為一種三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)環(huán)形分配器，它可以實(shí)現(xiàn)三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各種環(huán)形分配，使用方便，接口簡單。表 1三相六拍分配狀態(tài)轉(zhuǎn)向1-2 相通電CPCBA代碼轉(zhuǎn)向A000101HAB101103H正B201002H反BC311006HC410004HCA510105HA000101H腹有詩書氣自華精品文檔你我共享2、功率放大器從計(jì)算機(jī)輸出口或從環(huán)形分配器輸出的信號脈沖電流一般只有幾個(gè)毫安，不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，必須采用功率放大器將脈沖電流進(jìn)行放大，使其到幾電培至十幾安培， 從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。由于電動(dòng)機(jī)各相繞組都是繞在鐵心上的線圈，所以電感較大，繞組通電時(shí)，電流上升受到限制，因而影響電動(dòng)

12、機(jī)繞組電流的大小。繞組斷電時(shí)，電感中磁場的儲能元件將維持繞組中已有的電流不能突變，在繞組斷電時(shí)會產(chǎn)生反電動(dòng)勢，為使電流盡快衰減，并釋放反電動(dòng)勢，必須增加適當(dāng)?shù)睦m(xù)流回路。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所使用的功率放大電路有電壓型和電流型。電壓型又分為單電壓型、 又電壓型（高低壓型） ，電流型中有恒流驅(qū)動(dòng)、斬波驅(qū)動(dòng)等。 單電壓電路如圖 12 所示， 圖中 WA、WB、W分別為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的三相繞組，每相繞組由一組放大器驅(qū)動(dòng)。放大器輸入端與脈沖環(huán)型分B配器相連。沒有脈沖輸入時(shí)，功率放大器3DK4和 3DK15 均截止。繞組中無電流通過，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)；當(dāng) A 相通電，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步。脈沖依次加入A、 B、C 三個(gè)輸入端時(shí)，三

13、組放大器分別 驅(qū)動(dòng)不同的繞組，使電動(dòng)機(jī)一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)。電路中與繞組并聯(lián)的二極管D 起續(xù)流作用，即在功放管截止時(shí)， 使儲存在繞組中的能量通過二極管形成續(xù)流回路泄放，從而保護(hù)功放管。 與繞組串聯(lián)的電阻R 為限流電阻， 限制通過繞組的電流不致超過其額定值，以免電動(dòng)機(jī)過度發(fā)熱甚至被燒壞。R 的阻值一般在 5 20 范圍內(nèi)選取。該電路結(jié)構(gòu)簡單，但電阻R串在大電流回路中，要消耗能量，使放大功率降低，同時(shí)由于繞組電感L較大，電路對脈沖電流的反應(yīng)較慢，因此，輸出脈沖波形差、輸出功率低。這種放大器主要用于對速度要求不高的小型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。目前實(shí)際采用的電路大多選用改進(jìn)型電路，如高低雙電源供電，恒流供電和斬波供方式

14、，在應(yīng)用過程中可參考相關(guān)資料。3、細(xì)分驅(qū)動(dòng)上述提到的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各種功率放大電路都是按照環(huán)形分配器決定的分配方式， 控制電動(dòng)機(jī)各相繞組的導(dǎo)通或截止，從而使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)行，步距角的大小只有兩種， 即整步工作或半步工作。 步距角由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)確定。如果要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有更小的步距角或者為減小電動(dòng)機(jī)振動(dòng)、噪聲等原因， 可以在每次輸入脈沖切換時(shí)，不是將繞組電流全部通入或切除，而是分級地改變相應(yīng)繞組中的電流大小，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的每步運(yùn)行也只有步距角的一部分。這里繞陰電流不是一個(gè)方波，而是階梯波， 額定電流是臺階式的投入或切除，若電流分成n 個(gè)臺階，則轉(zhuǎn)子步距角普為正常值的1/n。這種將一個(gè)步距解細(xì)分成

15、若干步的驅(qū)動(dòng)方法稱為細(xì)分驅(qū)動(dòng)。細(xì)分驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是：腹有詩書氣自華精品文檔你我共享（ 1）在不改動(dòng)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的情況下，能使步距角減小。但細(xì)分后的步距角精度不高，功率放大電路也變得復(fù)雜；（ 2）能使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平衡，提高勻速性，并能減弱或消除振蕩。要實(shí)現(xiàn)細(xì)分， 需要將繞組中的矩形電流波改成階梯形電流波，即設(shè)法使繞組中的電流以若干個(gè)等幅等寬度階梯上升到額定值，并以同樣階梯從額定值下降到零。圖 13（ a）為四階梯細(xì)分電路原理，它利用4 只功率晶體管作為開關(guān)元件，其基極開關(guān)電壓 U 1U 4 的波形如圖13（ b）所示。在繞組電流上升過程中，4 只功率晶體管按順序?qū)?。每?dǎo)通一個(gè)，繞組中電流便上升一個(gè)

16、臺階。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)也跟著轉(zhuǎn)動(dòng)一小步。接高壓UDD 的晶體管，其作用是加快各晶體管導(dǎo)通初期繞組電流上升速度。在繞組電流下降過程中，4 只功率晶體管按順關(guān)斷。為使每關(guān)斷一個(gè)晶體管，電流都能快速下降一個(gè)臺階，在關(guān)斷任一個(gè)低壓管前，可先將剩下的全部關(guān)斷一段時(shí)間，使繞組通過泄放回路放電，然后再重新開通。（二）微處理器的問世，給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)開辟了新的途徑，各種單片微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展和普及，為設(shè)計(jì)功能很強(qiáng)而價(jià)格低廉的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器提供了條件。使用微型計(jì)算機(jī)對步進(jìn)電動(dòng)進(jìn)行控制有串行和并行兩種方式。1、串行控制具有串行控制功能的單片機(jī)系統(tǒng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源之間具有較小的連線。在種系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)電源中必

17、須含有環(huán)形分配器?？刂品绞饺鐖D14 所示。2、并行控制使用微機(jī)系統(tǒng)的數(shù)個(gè)端口直接控制步進(jìn)電動(dòng)各相的導(dǎo)通與截止，導(dǎo)通與截止的順序通過軟件來實(shí)現(xiàn)，因此可不用硬件環(huán)形分配器，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向由軟件邏輯決定。這種控制方式（見圖15），簡化了硬件結(jié)構(gòu)，充分利用了計(jì)算機(jī)資源，但占用了計(jì)算機(jī)的運(yùn)行時(shí)間。（三）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)速度控制對于點(diǎn)位控制系統(tǒng)，從起點(diǎn)至終點(diǎn)的運(yùn)行速度都有一定要求。如果要求運(yùn)行的速度小于系統(tǒng)的極限啟動(dòng)頻率，則系統(tǒng)可以按要求的速度直接啟動(dòng)，運(yùn)行至終點(diǎn)后可立即停發(fā)脈沖串而令其停止工作，系統(tǒng)在這樣的運(yùn)行方式下速度可認(rèn)為是恒定的。但在一般情況下，系統(tǒng)的極限啟動(dòng)頻率是比較低的，而要求的運(yùn)行速度往往較

18、高。如果系統(tǒng)以要求的速度直接啟動(dòng)該速度已超過極限啟動(dòng)頻率而不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或根本不能運(yùn)行的情況。系統(tǒng)運(yùn)行起來之后， 如果到達(dá)終點(diǎn)時(shí)突然停發(fā)脈沖串， 令其立即停止， 則因?yàn)橄到y(tǒng)的慣性原因， 會發(fā)生沖過的現(xiàn)象， 使點(diǎn)位控制發(fā)生偏差。 因此在點(diǎn)位控制過程中， 運(yùn)行速度都需要一個(gè)加速一恒速一減速一（低恒速）一停止的過程。如圖16 所示。各種系統(tǒng)在工作過程中，都要求加減速過程時(shí)間盡量短， 而恒速埋單盡量長。 特別是在要求快速響應(yīng)的工作中， 從起點(diǎn)至終點(diǎn)運(yùn)行的時(shí)間要求最短，而恒速的速度最高。升速規(guī)律一般可有兩種選擇一是按照直線規(guī)律升速；二是按指數(shù)規(guī)律升速。按直線規(guī)律升速時(shí)加速度為恒值，要求步進(jìn)電

19、動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩為恒值。從電動(dòng)機(jī)本身的矩一頻特性來看，在轉(zhuǎn)速不是很高的范圍內(nèi)，輸出的轉(zhuǎn)矩可認(rèn)為基本恒定。但實(shí)際上電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩將有所下降，如按指數(shù)規(guī)律升速，加速度的變化接近電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律。對升速過程的控制有很多種方法，軟件編程也十分靈活，技巧很多。此外，利用模擬/數(shù)字集成電路也可能實(shí)現(xiàn)升降速控制，但實(shí)現(xiàn)起來復(fù)雜且不靈活。（四）直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方法直流伺服電動(dòng)機(jī)在機(jī)電一體化設(shè)備中作為動(dòng)力元件，其功能是將輸入的受控電壓/電流能量，轉(zhuǎn)換為電樞軸上的角位移或錯(cuò)落角速度輸出。直流伺服電動(dòng)機(jī)用直流供電，為調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和方向，需要對其直流電壓的大小和方向進(jìn)行控制。目前常用可控硅直

20、流調(diào)速驅(qū)動(dòng)和晶體管脈寬調(diào)速驅(qū)動(dòng)兩種方式。腹有詩書氣自華精品文檔你我共享1、可控硅（ SCR）直流驅(qū)動(dòng)方式可控硅又稱為晶閘管， 是一種大功率的半導(dǎo)體器件。 既有單向?qū)щ姷恼髯饔茫?又有可控的開關(guān)作用。 可能用作整流電路給直流電動(dòng)機(jī)供電， 若將專用的觸發(fā)電路與整流電路相結(jié)合起來，可以實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。（ 1）SCR 是半控型器件，只能控制其開通，不能控制其關(guān)斷。（ 2）它的工作頻率也不能太高（小于400HZ），這限制了它的應(yīng)用。（ 3）通態(tài)損耗小，控制功率大。（ 4）起開關(guān)作用時(shí)，沒有機(jī)械抖動(dòng)現(xiàn)象。20 世紀(jì) 70 年代后期， 可關(guān)斷晶閘管 （GTO ）、功率晶閘管 （GTR ）、功率場控晶

21、體管 （功率 MOS FET ）等全控型（既可控制開通又可控制關(guān)斷）器件及其模塊的出現(xiàn)和實(shí)用化使得對電能的控制和轉(zhuǎn)近進(jìn)入嶄新的領(lǐng)域。特別是 20 世紀(jì) 80 年代出現(xiàn)的絕緣門極雙極晶體管（ 1GBT ），兼有 GTR 和功率 MOSFET 兩者的全部優(yōu)點(diǎn)，因而獲得廣泛的應(yīng)用。圖17 是它的結(jié)構(gòu)示意圖和圖形符號。它是 PNPN4 層半層體3 端器伯， 有 3 個(gè) PN 結(jié) J1、J2、J3；3 個(gè)引出電極A 、K 、G。電極名稱：A 為陽極： K 為陰極； G 為門極（也稱控制極） 。它的等效電路如圖17 所示。門極電流IG的注入，使T2 產(chǎn)生 I C2 ，I C2 又使 T 1 產(chǎn)生 IC1，

22、這進(jìn)一步增大了T 2 的基極電流，從而加速了晶閘管的飽和導(dǎo)通。對圖17 進(jìn)行分析可行出如下三點(diǎn)結(jié)論：（ 1）晶閘管導(dǎo)通必須具備兩個(gè)條件：一是陽極A 與陰極 K 之間要加正向電壓（圖中為UA ）；二是門極G 與陰極 K 之間也要有足夠的正向電壓和正向電流（圖中為UG 和 IC）。（ 2）晶閘管一旦導(dǎo)通，門極即失去控制作用，只要維持陽極電位高于陰極電位和陽極電流 IA 大于維持電流 I K 就可繼續(xù)導(dǎo)通。（ 3）為使晶閘管關(guān)斷， 必須使陽極電流 I A 減小到維持電流 IK 以下， 這只有使陽極電壓減小到零或者反射的方法來實(shí)現(xiàn)。普通晶閘管可以用于可控整流（AC DC ）電路，逆變（DC AC ）電

23、路和其他開關(guān)電路。圖 18 是單相全控橋式整流電路。圖19 是整流電壓波形，其中UG 是觸發(fā)脈沖波形，a為觸發(fā)角， 要由觸發(fā)電路提供。所以整流電路的控制實(shí)際上就是觸發(fā)控制角a 的控制， 在直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速過程中實(shí)際上也是通過調(diào)整a 角來進(jìn)行控制的。2、晶體管脈寬調(diào)制（PWA ）直流調(diào)速驅(qū)動(dòng)晶體管脈寬調(diào)制直流調(diào)速系統(tǒng)與用頻率信號作開關(guān)的晶閘管系統(tǒng)相比，具有以下特點(diǎn)：（ 1）由于系統(tǒng)主電源采用整流濾波，因而對電網(wǎng)波形影響小，幾乎不產(chǎn)生諧波影響。（ 2）由于晶體管開關(guān)工作頻率很高（在 2KH Z 左右），因此系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)速精度等性能指標(biāo)都較好。（ 3）電樞電流的脈動(dòng)量小，容易連接，不必外加濾波

24、電抗器也可平衡工作。（ 4）系統(tǒng)的調(diào)速范圍很寬，并使傳動(dòng)裝置具有較好的線性。使用寬調(diào)速伺服電動(dòng)機(jī)，可達(dá) 1000 倍以上調(diào)速范圍。（ 5）系統(tǒng)使用的功率元件少，線路簡單，用4 個(gè)功率三極管就可組成可逆式直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。由于晶體管直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)具有上述特點(diǎn)，所以它一出現(xiàn)就受到廣泛的應(yīng)用和重視，發(fā)展非常迅速。晶體管 PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)工作原理：晶體管PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)際上是利用晶體管的開關(guān)工作特性，調(diào)制恒定電壓的直流源，按一個(gè)固定的頻率來接通與斷開放大器，并根據(jù)外加控制信號來改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”與“斷開”時(shí)間的長短，使加在電動(dòng)機(jī)電樞上電腹有詩書氣自華精品文檔你我共享壓“占空比”改變，

25、即改變電樞兩端平均電壓大小，從而達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。要了解 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的工作原理，關(guān)鍵要了解PWM 放大器的工作原理。PWM 放大器都是由脈沖頻率發(fā)生器、電壓一脈沖變換與分配器、功率放大器等部分組成，如圖20 所示。脈沖頻率發(fā)生器可以是三角波脈沖發(fā)生器或者為鋸齒波脈沖發(fā)生器，它的作用是產(chǎn)生一個(gè)頻率發(fā)生器送來三角波電壓 U0 在其中混合后，產(chǎn)生一個(gè)寬度被調(diào)制了的開關(guān)脈沖信號。分配器的作用是將電壓一脈沖變換器輸出的脈沖信號按一定的邏輯關(guān)系分別送到功率放大器的各個(gè)晶體管基極， 以保證各晶體管協(xié)調(diào)工作。功率放大器工作在開關(guān)狀態(tài)，其對寬度被調(diào)制了的脈沖信號進(jìn)行功率放大以驅(qū)動(dòng)主電路的功率晶體管

26、。圖21 所示是一個(gè)電壓一脈沖變換器線路及調(diào)制原理的波形圖。當(dāng)控制電壓U e 為零時(shí)，輸出電壓U A 和 UB 的脈沖寬度相同，且等于 T/2（ T 為三角波的周期） 。當(dāng) U e 為正時(shí)， U A 的寬度大于T/2 ， UB 的寬度小于T/2，如圖21（b）所示； 當(dāng) U e 為負(fù)時(shí)，情況則相反。由此可得到UA 、UB 兩種不同的被調(diào)制直流電壓。（五）交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方法由于交流伺服電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上分為兩類，因此在控制方式上也采用不同的方法。1、同步（ SM）開明伺服電動(dòng)機(jī)控制方法采用永久磁鐵磁場的同步電動(dòng)機(jī)不需要磁化電流控制，只要檢測磁鐵轉(zhuǎn)子的位置即可，故比 IM 型伺服電動(dòng)機(jī)容易控制。

27、轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理與直流伺服電動(dòng)機(jī)相同。 SM 型伺服電動(dòng)機(jī)的控制框圖如圖 22 所示。2、異步（ IM ）型伺服電動(dòng)機(jī)的控制方法感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，制造簡單，價(jià)格低廉， 因而具有很好的發(fā)展前景，代表了將來的伺服技術(shù)的方向。 該電動(dòng)機(jī)相對同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)控制比較復(fù)雜， 而且電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)還存在著效率低、發(fā)熱嚴(yán)重等有待克服的技術(shù)問題。該電動(dòng)機(jī)常用的控制方法有：（ 1）矢量控制 即利用微處理器和計(jì)算機(jī)數(shù)控（ CNC ）對交流電動(dòng)機(jī)作磁場的矢量控制。把交流電動(dòng)機(jī)的作用原理看作和直流電動(dòng)機(jī)相似，像直流電動(dòng)機(jī)那樣實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制。M=C M Ia式中 CM 轉(zhuǎn)矩系數(shù)； 氣隙磁通，Wb。對于補(bǔ)償較好的電動(dòng)

28、機(jī)， 電樞反應(yīng)影響很小， 當(dāng)激勵(lì)電流不變時(shí)， 轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比，控制電流就等于控制轉(zhuǎn)矩， 所以比較容易實(shí)現(xiàn)良好的動(dòng)態(tài)性能。 而交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電流 I 2 的關(guān)系為M=C M I 2cos?式中，氣隙磁通 ，轉(zhuǎn)子電流I2，轉(zhuǎn)子功率因數(shù)cos? 是滑差系數(shù)S 函數(shù)，難以直接控制。比較容易控制的是定子電流I1，而定子電流I1 又是轉(zhuǎn)子電流I 2 的折合值與激勵(lì)電流I0的矢量和。 因此，要準(zhǔn)確地動(dòng)態(tài)控制轉(zhuǎn)矩顯然比較困難。 矢量變換控制方式設(shè)法在交流電動(dòng)機(jī)上模擬直流電動(dòng)機(jī)控制轉(zhuǎn)矩的規(guī)律，以使交流電動(dòng)機(jī)具有同樣產(chǎn)生控制電磁轉(zhuǎn)矩的能力。矢量變換控制的基本思路是按照產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁場這一等效原

29、則建立起來的。眾所周知，三相固定的對稱繞組A 、 B、 C，通以三相正弦平衡交流電流i a, i b, i c 時(shí)，即產(chǎn)生轉(zhuǎn)速為 0 的旋轉(zhuǎn)磁通 ，如圖 23 所示。產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁通不一定非要三相不可，除三相以外。二相、四相對稱繞組，通以兩相平衡電流ia 和 ib（時(shí)間上相差 900）時(shí)，所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁通 ，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場的大小和轉(zhuǎn)速都相等時(shí)，圖23（a）、 (b) 兩套繞組等效。圖23(c) 中有兩個(gè)匝數(shù)相等、 互相垂直的繞組M和 T，分別通以直流電流 i M 和 iT，產(chǎn)生位置固定的磁通 。如果使兩個(gè)繞組以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，磁通 也隨著旋轉(zhuǎn)起來， 可以和圖 23（a）、(b)繞組等效。當(dāng)觀察者站在鐵心

30、上和繞組一起旋轉(zhuǎn)時(shí)，會認(rèn)為是通以直流的互相垂直的固定繞組。如果取腹有詩書氣自華精品文檔你我共享磁通 的位置和 M繞組的平面正交， 就和等效的直流電動(dòng)機(jī)繞組沒有差別了，如圖 24 所示，其中 Fa 是電樞磁勢， F1 是激磁磁勢， 繞組 1-1是等效的激磁繞組， 繞組 a-a 是與帶換向器的電樞繞組等效的繞組。這時(shí)圖23(c) 中的 M繞組， T 繞組相當(dāng)于電樞繞組。這樣以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場為準(zhǔn)則，圖23（ a）中三相繞組、圖 23(b)的二相繞組與圖 23(c)中的直流繞組等效。三相電流ia, i b, i c與 i 和 i之間存在著確定的關(guān)系，即矢量, i , 以及 iMT變換關(guān)系。要保持和為某一

31、定值，則流ia, i b, ic 必須按一定的規(guī)律變化。只要按照這個(gè)規(guī)律去控制三相電流 ia,i b, i c，就可以等效地控制 iM 和 i T，達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩的目的，從而得到和直流電動(dòng)機(jī)一樣的性能。如圖 24 所示，矢量控制系統(tǒng)的工作原理如下：由插補(bǔ)器發(fā)出速度指令，在比較器與檢測器來的信號 （經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換）相與之后， 再經(jīng)放大器磅出轉(zhuǎn)矩指令M（ M=3/2K S 2,式中，IK S 為比例系數(shù)， I2 為電樞電流， 為有效磁場束） ，至矢量處理電路，該電路由轉(zhuǎn)角計(jì)算回路、乘法器、比較器等組成。另一方面，檢測器的輸出信號也被送到矢量處理電路中的轉(zhuǎn)角計(jì)算回路，將電動(dòng)機(jī)的回轉(zhuǎn)位置 變換成 s

32、in 2/3)和 sin( 4/3)信號，由矢量處rr,sin( rr理電路輸出 Msin 2/3)和 Msin( 4/3)3個(gè)電流信號， 經(jīng)放大并與電動(dòng)機(jī)回路的r , Msin( rr電流檢測信號比較之后，經(jīng)脈寬調(diào)制（ PWM ）電路放大之后，控制三相橋式晶體管電路，使交流伺服電動(dòng)機(jī)按規(guī)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)， 并輸出所需要的轉(zhuǎn)矩值。 檢測器檢測出的信號還可送到位置控制回路，與插補(bǔ)器來的脈沖信號進(jìn)行比較，完成位置環(huán)控制。（ 2）變頻調(diào)速控制由電動(dòng)機(jī)學(xué)可知，交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n 與下列因素有關(guān)，即n 60f (1 s) p式中n電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min ；?外加電源頻率，H Z；P電動(dòng)機(jī)極對數(shù)；S滑差率

33、。要改變交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，則可根據(jù)實(shí)際需要，采用改變電動(dòng)機(jī)極對數(shù)p、滑差率 S 或電動(dòng)機(jī)的外加電源頻率 ?三種方法。目前高性能的交流調(diào)速時(shí)電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩不變，需要維持磁通恒定， 這時(shí)就要求定子供電電壓做相應(yīng)調(diào)節(jié)。因此對交流電動(dòng)機(jī)供電的變頻器（VFD）一般都要求兼有調(diào)壓調(diào)頻兩種功能。近年來， 由于晶閘管以及大功率晶體管等半導(dǎo)體電力開關(guān)的問世， 它們具有接近理想開關(guān)的性能，促使變頻器迅速發(fā)展。根據(jù)改變定子電壓U及定子供電頻率的不同比例關(guān)系，具有不同的變頻調(diào)速方法，從而研制了各種類型的大容量、高性能變頻器，使交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在工業(yè)上得到推廣應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的方法很多，可分為交一直一交變頻、交一

34、交變頻、脈寬調(diào)制（PWM）變頻等。PWA變頻調(diào)速是最近發(fā)展起來的，其觸發(fā)電路輸出是一系列頻率可調(diào)的脈沖波。脈沖的幅值恒定而寬度可調(diào)，因而可以根據(jù)U1/ ?1 比值在變頻的同時(shí)改變電壓，并可按一定規(guī)律調(diào)制脈沖寬度，如按正弦波規(guī)律調(diào)制，這就是SPWM變頻調(diào)速。SPWM變頻的工作原理可用圖 24 和圖 25 加以說明。 若希望變頻輸出為圖 24（ a）所示的正弦波電壓，則它可以用圖 24（ b）所示一系列幅值不變的矩形脈沖來等效，只要對應(yīng)時(shí)間間隔內(nèi)的矩形脈沖的面積和正弦波與橫軸包含的面積相等即可。可以理解， 單位周波內(nèi)的脈沖數(shù)越多，等效的精度越高，諧波分量也越小。腹有詩書氣自華精品文檔你我共享與直流

35、 PWM相似， SPWM也分單極和雙極兩種工作方式。圖26 為單極式SPWM的波形圖。其控制控制是將相同極性的正弦波基準(zhǔn)信號UR 與等幅等距的三角波UT 相比較，以其交點(diǎn)為相應(yīng)變流器件換流的開關(guān)點(diǎn)，交點(diǎn)間隔即為被調(diào)制脈沖的寬度?？梢钥闯觯S著UR 與幅值和頻率的變化， 調(diào)制的脈沖也會在寬度和頻率上做相應(yīng)的變化，保證了變頻要求的U1/ ?1=常值。對負(fù)半周可通過反向器得到負(fù)的脈沖波。顯然，必須使UR UT，才能有正確的開關(guān)點(diǎn)。當(dāng)正弦波每個(gè)周期內(nèi)脈沖足夠多時(shí)，相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的脈沖面積與正弦波面積近似相等。由于這種脈沖波每半個(gè)周期內(nèi)只有一種極性，故稱單極性。圖 27 為正弦波脈寬調(diào)制（ SPWM）變頻調(diào)

36、速系統(tǒng)。 SPWM系統(tǒng)的組成和線路比較復(fù)雜，現(xiàn)在已有專用的 SPWM集成組件供選用，設(shè)計(jì)時(shí)可參閱有關(guān)參考書。 出師表兩漢：諸葛亮先帝創(chuàng)業(yè)未半而中道崩殂， 今天下三分， 益州疲弊， 此誠危急存亡之秋也。然侍衛(wèi)之臣不懈于內(nèi)，忠志之士忘身于外者，蓋追先帝之殊遇，欲報(bào)之于陛下也。誠宜開張圣聽，以光先帝遺德，恢弘志士之氣，不宜妄自菲薄，引喻失義，以塞忠諫之路也。宮中府中，俱為一體；陟罰臧否，不宜異同。若有作奸犯科及為忠善者，宜付有司論其刑賞，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使內(nèi)外異法也。侍中、侍郎郭攸之、費(fèi)祎、董允等，此皆良實(shí)，志慮忠純，是以先帝簡拔以遺陛下：愚以為宮中之事，事無大小，悉以咨之，然后施行，必能裨補(bǔ)闕漏，有所廣益。將軍向?qū)?，性行淑均，曉暢軍事，試用于昔日，先帝稱之曰“能 ”，是以眾議舉寵為督：愚以為營中之事，悉以咨之，必能使行陣和睦，優(yōu)劣得所。親賢臣， 遠(yuǎn)小人， 此先漢所以興隆也； 親小人， 遠(yuǎn)賢臣， 此后漢所以傾頹也。