伺服控制基础知识
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伺 服 系 统
第 2 篇
伺服控制基础知识
内容提要
电力电子器件的应用
检测元件
电力电子器件的应用
不可控器件 半控型器件
全控型器件
不可控器件
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。
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。
差动变压器和微同步器
旋转变压器
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。
双向晶闸管的特性和单向晶闸管的正向特性 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。
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。
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，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。
光 栅
光栅的基本工作源理
图2-55是光栅测量装置的逻辑框图。
习题和思考题
2-1 使晶闸管导通的条件是什么？ 2-2 维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变为 关断？ 2-3 IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET的驱动电路各有什么特点？ 2-4 试说明IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET各自的优缺点。 2-5 常用的速度检测装置有哪几种？各有何优点，其测量精度如何 保证？ 2-6 常用的角度检测装置有哪几种？各有何优点，其测量精度如何 保证？ 2-7 常用的位置检测装置有哪几种？各有何优点，其测量精度如何 保证？ 2-8 试述光栅的检测原理。 2-9 简述鉴相器的工作原理。
检测元件
速度检测 角度（角位移）检测
位置检测
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： Uo＝K*n＝K K′dθ/dt (2-1) 式中 K K′-比例常数(即输出特性的斜率)；n及θ --测速发电机转子 的旋转速度及旋转角度。
光电测速盘
光电测速原理 电动机旋转方向辨别
数字测速方法
光电测速原理
电动机旋转方向辨别
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： M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； T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； M/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。
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D／A转换器，变成位置控制 的指令去伺服驱动部件。
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。
半控型器件
晶闸管(SCR) 双向晶闸管(TRIAC )
晶闸管(SCR)
晶闸管的结构和符号 晶闸管的工作原理
晶闸管的伏安特性
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22a)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22b)和c)分别为其示意图和表示符号。
异步(交流)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 241所示。
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。
直流测速发电机与异步测速发电机的性能比较 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。 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。 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。
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。
双极型器件
• 可关断晶闸管GTO(GateTurn-off Thyristor)
• 功率晶体管GTR(GiantTransistor)
• 静电感应晶闸管 SITH(StaticlnductionThyristor)
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。
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。
感应同步器
应用举例 感应同步器的应用电路有鉴相型和鉴幅型 两种。
鉴相型测量电路的基本原理是：用正弦波基准信号对滑 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。 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。
单极型器件
• 功率场控晶体管(PowerMosfet)
• 静电感应晶体管SIT(Staticlnduction Transistor)
wenku.baidu.com
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 Thyristor) • 功率集成电路PIC(Power Integrated Circuit)
第 2 篇
伺服控制基础知识
内容提要
电力电子器件的应用
检测元件
电力电子器件的应用
不可控器件 半控型器件
全控型器件
不可控器件
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。
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。
差动变压器和微同步器
旋转变压器
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。
双向晶闸管的特性和单向晶闸管的正向特性 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。
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。
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，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。
光 栅
光栅的基本工作源理
图2-55是光栅测量装置的逻辑框图。
习题和思考题
2-1 使晶闸管导通的条件是什么？ 2-2 维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变为 关断？ 2-3 IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET的驱动电路各有什么特点？ 2-4 试说明IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET各自的优缺点。 2-5 常用的速度检测装置有哪几种？各有何优点，其测量精度如何 保证？ 2-6 常用的角度检测装置有哪几种？各有何优点，其测量精度如何 保证？ 2-7 常用的位置检测装置有哪几种？各有何优点，其测量精度如何 保证？ 2-8 试述光栅的检测原理。 2-9 简述鉴相器的工作原理。
检测元件
速度检测 角度（角位移）检测
位置检测
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： Uo＝K*n＝K K′dθ/dt (2-1) 式中 K K′-比例常数(即输出特性的斜率)；n及θ --测速发电机转子 的旋转速度及旋转角度。
光电测速盘
光电测速原理 电动机旋转方向辨别
数字测速方法
光电测速原理
电动机旋转方向辨别
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： M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； T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； M/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。
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D／A转换器，变成位置控制 的指令去伺服驱动部件。
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。
半控型器件
晶闸管(SCR) 双向晶闸管(TRIAC )
晶闸管(SCR)
晶闸管的结构和符号 晶闸管的工作原理
晶闸管的伏安特性
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22a)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22b)和c)分别为其示意图和表示符号。
异步(交流)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 241所示。
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。
直流测速发电机与异步测速发电机的性能比较 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。 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。 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。
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。
双极型器件
• 可关断晶闸管GTO(GateTurn-off Thyristor)
• 功率晶体管GTR(GiantTransistor)
• 静电感应晶闸管 SITH(StaticlnductionThyristor)
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。
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。
感应同步器
应用举例 感应同步器的应用电路有鉴相型和鉴幅型 两种。
鉴相型测量电路的基本原理是：用正弦波基准信号对滑 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。 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。
单极型器件
• 功率场控晶体管(PowerMosfet)
• 静电感应晶体管SIT(Staticlnduction Transistor)
wenku.baidu.com
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 Thyristor) • 功率集成电路PIC(Power Integrated Circuit)