第四章 机电一体化系统的执行元件(一)

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。 （ 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） 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。

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。
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。
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。
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； 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。
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。
负载电压的平均值为：
1 Ua 2


1 cos 2U 2 sin td (t ) 0.45U 2 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
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。 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。

（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。 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。
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。
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 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。
（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： 正半周： 0 ＜ ωt ＜ α， ug=0 ， SCR正向阻断，uL=0；ωt=α时， 加入 ug 脉冲， SCR 导通，若忽 略其正向压降，uL=u2。 负半周： π≤ωt ＜ 2π ，当 u2 自 然过零时， SCR 自行关断而处 于反向阻断状态，uL=0。 α称为控制角，θ称为导通角， 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。
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。
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。 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。
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。
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。

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 。
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。
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。
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
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。
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。 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。

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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。
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。