第四章-机电一体化系统的执行元件(一)

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 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。
（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 P66
主要有：开环控制、半闭环控制、闭环控制三种。
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。
第二节 功率电子器件及应用
一、概述
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。
（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。
当G极和T2极相对于T1的电压均为正时，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 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。
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。
塑封晶闸管和陶瓷封装晶闸 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。
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0.4~1.2V。
该参数影响管耗及发热。
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=1~5V，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） 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。
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。
3、 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 可分为二极晶闸金属封装晶闸管、
（三） 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。
双向晶闸管（TRIAC） ：
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。其英文名称TRIAC 即三端双向交流开关之意 。
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D1—D4组成桥式整流电路，双基极二极管T1构 成张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 D1—D4 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。
（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。
三、对伺服控制电动机的基本要求
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。
对照等效电路分析原理
2、等效电路分析得出的三个结论：
（1）晶闸管导通必须具备两个条件：① 阳极A与 阴极K之间要加正向电压EA；② 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）。 （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。 （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。
负载电压的平均值为：
U a

1
2

2U
2
sin
td
(t)

0.45U
2

1
cos
2

由上式可见，负载电阻上的直流电压是控 制角α的函数，所以改变α的大小就可以控制负 载直流电压在0~0.45U2之间变化 。
单相交流可控硅桥式整流电路 （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。
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 1、单相半波可控整流电路
整流电路工作原理：
SC正R正半向周阻：断0＜，ωutL＜=0α；，ωutg==α0时，， 加略然其负过入正半零ug脉向周时压冲：，降，πS≤C，SωRCtu自＜RL=导行2uπ2通关，。，断当若而u2自处忽 于反α称向为阻控断制状角态，，θu称L=为0。导通角， 显然α+θ=π。当α=0，θ=180度 时 ， 可 控 硅 全 导 通 ； 当 α=180 度 ， θ=0 ， 可 控 硅 全 关 断 ， 输 出电压为零。
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。
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。
2、晶闸管的主要用途： （1）整流 — AC→DC （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。
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。
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。
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。
闭环控制：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 补偿技术，可很精确地控制移动部件的移动距离。
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。
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：
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。
第四章 机电一体化系统的执行元件 （一）
第一节 概 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
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 和最大工作电流1.5~2倍。
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 为器件的 额定电压。额定电压在 1000V 以下时每 100V 为一挡；