第四章 伺服传动技术

消耗功率较反应电机小、需正负脉冲供电、启 动和运行频率较小、有定位转矩
启动和运行频率较高、需正负脉冲供电、消耗 功率较小、有定位转矩
直线步进电动机
提供直线运动、结构简单、惯量小
超声波电动机
低速大转矩、无电磁干扰、动作响应快、无输 入自锁
三、电力电子器件——功率放大器的开关器件
1、晶闸管（ SCR ）：晶体闸流管，可控硅整 流器
和混合式。
2）基本结构——三相反应式步进电机
(1) 定子
U1
(2) 转子
V2
1
W2
4
2
3
W1
V1
三相反应式步进
电动机原理图
U2
三相反应式步进电动机的典型结构
U1
V2
W2
W1
V1
U2
3）工作原理
一拍 从一次通电到另一次通电。 步距角 每一拍转子转过的角度。
(1) m 相单 m 拍运行（三相单三拍运行）
O
过渡时，要经过放大 区。
放大区 ib3 ib2
ib1 ib1< ib2 < ib3
截止区 U ce
GTR的输出特性
3、绝缘栅双极晶体管（ IGBT）
1) IGBT的结构和工作原理
三端器件：栅极G、集电极C和发射极E
发射极 栅极
E
G
N+ P N+
N+ P N+
J3 J2
N-
N+
J1
P+
C 集电极
漂移区 缓冲区 G
同步型（SM）：采用永磁结构的同步电动机，又称无刷直流伺服电 动机。 特点：多用于机床进给控制、工业机器人关节传动和其他需要运动和位 置控制的场合。
感应型（异步型）（IM）：笼型感应电动机 特点：多用于机床主轴系统。
2）基本结构——三相异步型交流伺服电机
交流伺服电机外形图
3）工作原理——三相异步型交流伺服电机
第四章 伺服传动技术
第一节 概述
一、伺服系统的结构组成及分类
1、伺服系统的概念 伺服系统是自动控制系统的一类，它的输出变量
通常是机械运动如位置、速度及加速度，它的根 本任务是实现输出变量的某种状态能够自动、连 续、精确地复现输入指令信号的变化规律。
一、伺服系统的结构组成及分类
2、 （电气）伺服系统的组成 例：数控机床伺服系统
a) T型
b) H型
作用在电机两端的平均电压为：
Ua
U AB
( 2ton T
1)U s
H型PWM功率放大器控制原理图
H型PWM功率放大器 电压和电流波形
2）PWM（脉宽调制）功率放大器的控制电路 ——脉冲调制器
锯齿波脉冲调制器
锯齿波脉冲调制器波形图 a) Uc=0 b) Uc>0 c) Uc<0
U 增加 GE
U GE(th)
UU
FM CE
第二节 直流伺服系统
定义： 采用直流伺服电机作为执行元件的伺服系统。
直流伺服电机控制回路
第二节 直流伺服系统
1、直流伺服电机
1）基本结构
直流伺服电动机的结构与一般的电机结构相似，也是由定 子、转子和电刷等部分组成，在定子上有励磁绕组和补偿绕 组，转子绕组通过电刷供电。
定子旋转磁场 电 磁 力 的 产 生
2、交流伺服电机的控制——三相异步型
第四节 步进伺服系统
定义： 采用步进电机作为执行元件的伺服系统。
1、步进电动机
1）功能、用途和分类
功能 将电脉冲信号转换成转角或转速信号。 转角θ ∝脉冲信号的个数； 转速 n ∝脉冲信号的频率。 用途 高精度的角度控制。 分类 按定子相数不同：三相、四相、五相、六相等； 按转子材料不同：永磁式、反应式（磁阻式）
2、功率晶体管（ GTR ）：电力晶体管 1）GTR的结构和工作原理
与普通的双极结型晶体管（三极管）基本原理是一样的。 主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。
2）GTR的基本特性
(1) 静态特性
Ic
输出特性：截止区、
放大区和饱和区。
在电力电子电路中 GTR工作在开关状态。
在开关过程中，即在 截止区和饱和区之间
G
注入区 关断：栅射极间施加反压或不加信
号时，即UGE<或=0 ，EIGBT关断。
E
b)
c)
2) IGBT的基本特性 (1) IGBT的静态特性
I
I
C
C
输出特性，分为三个 区域：正向阻断区、 有源区和饱和区。
有源区
饱 和 区
OU
GE(th)
U 反向阻断区 RM
正向阻断区
U
O
GE
转移特性——IC与 U压GUE间GE的(IthG)关)BT系的(开转启移电特性和输出特性
由图可以看出，它与一般的反馈控制系统一样， 也是由控制器、功率放大器、执行机构（伺服电 机）、反馈测量装置等部分组成。
一、伺服系统的结构组成及分类
3、伺服系统的分类 从系统结构特点来看，有单回路伺服系统、多
回路伺服系统和开环伺服系统、闭环伺服系统； 从系统组成元件的性质来看，有电气伺服系统、
A A G
a)
G
P1 N1 P2 N2
J1 J2 J3
K b)
K G
A c)
外形有螺栓型和平板型两种封装。
有三个联接端。(阳极A，阴极K，门极G)
螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧 密联接且安装方便。
平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。
常用晶闸管
螺栓型晶闸管 平板型晶闸管外形及结构
晶闸管的工作原理
G
H
O
U
U +U
DRM
bo
A
Biblioteka Baidu
U DSM
-I A
晶闸管的伏安特性
IG2>IG1>IG
晶闸管的基本特性
（2）反向特性
反向特性类似二极管的反 向特性。
反向阻断状态时，只有极 小的反相漏电流流过。
当反向电压达到反向击穿 电压后，可能导致晶闸管 发热损坏。
IA 正向 导通
URSMURRM
IH
IG2 IG1 IG=0
注入区
C
ID RN V-J1+ IC
C
-+
+
-IDRon
G
E E
a)
b)
c)
IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号
a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号
C
IGBT的原理
导通：栅射极间ID施加R正N 压V-大J1+于开I启C
C
-+
漂移区 电压UGE(th)时，+即UGE > UGE(th)， 缓冲区 IGBGT导通。 -IDRon
变磁阻电动机
反应式步进电动机 永磁式步进电动机 混合式步进电动机
直线步进电动机
无磁电动机—— 超声波电机
2、特点
名称 直流伺服电动机
特点 可控性好、稳定性好、响应快、有电刷接触
交流伺服电动机 励磁电流小、体积较小、机械强度高、无电刷
反应式步进电动 机
永磁式步进电动 机
混合式步进电动 机
启动和运行频率高、断电时无定位转矩、消耗 功率较大。
1) 使晶闸管导通的条件是什么？
晶闸管承受正向电压，并在门极施加触发电流
2) 维持晶闸管导通的条件是什么？
使晶闸管的电流大于能保持晶闸 管导通的最小电流，即维持电流。
3) 怎样才能使晶闸管由导通变为关断？
要使晶闸管由导通变为关断，可利用外加电压和 外电路的作用使流过晶闸管的电流降到维持电流 以下，便可使导通的晶闸管关断。
3）工作原理——以永磁式为例
N
＋ U －S
N
－ U ＋S
电刷
＋ U －
N
S 换向片
N
＋
U
－
S
4）直流伺服电机的励磁方式
+ Ia
Ua
EM
－
If + Uf
－
电磁式
+ Ia
Ua
EM
－
永磁式
5）直流伺服电机的电压平衡方程式
励磁电压 Uf →If →Φ ↓
电枢电压 Ua →Ia →T →n →E
励磁电路：
(2) m 相双 m 拍运行（三相双三拍运行）
(3) m 相单－双 2m 拍运行（三相单－双六拍运行）
(1) m 相单 m 拍运行（三相单三拍运行） 通电顺序： U 相→V 相→W 相→U 相。
U1
一步
U1
两步
U1
V2
4
1
W2
V2
1
W2
V2
W2
3
4
2
1
4
2
2
W1
3
V1
W1
3
V1
W1
V1
U2
① U 相通电
第四节 交第流三伺节服电交动流机伺服系统
定义： 采用交流伺服电机作为执行元件的伺服系统。
1、交流伺服电机
与普通直流伺服电动机相比较，普通交流伺服电动机的特点是：它不 需要电刷和换向器，因而避免了由于存在电刷和换向器而引起的一系列 弊病。此外，它的转动惯量、体积和重量一般来说也较小。
1）交流伺服电动机种类
液压伺服系统和电气—液压伺服系统、电气—气 动伺服系统等； 从系统输出量的物理性质来看，有速度或加速 度伺服系统和位置伺服系统等； 从系统中所包含的元件特性和信号作用特点来 看，有模拟式伺服系统和数字式伺服系统。
开环伺服系统
☆ 开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件； ☆ 没有位置反馈回路和速度反馈回路； ☆ 设备投资低，调试维修方便，但精度差，高速扭矩小； ☆ 用于中、低档数控机床及普通机床改造。
闭环伺服系统
☆闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工作台上； ☆检测装置构成闭环位置控制。 ☆闭环方式被大量用在精度要求较高的大型数控机床上。
半闭环伺服系统
☆位置检测元件安装在电动机轴上或丝杠上，用以精确控制 电机的角度，为间接测量；
☆坐标运动的传动链有一部分在位置闭环以外，其传动误差 没有得到系统的补偿；
U2
② V 相通电
U2
③ W 相通电
三步
※ 步距角：θ = 30°
(2) m 相双 m 拍运行（三相双三拍运行） 通电顺序： UV 相→VW 相→WU 相。
U1
U1
U1
V2
W2
V2
W2
V2
W2
W1
V1
U2
① UV 相通电
W1
V1
U2
② VW 相通电
W1
V1
U2
③ WU 相通电
※ 步距角：θ = 30°
晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 a) 双晶体管模型 b) 工作原理
晶闸管的静态特性
（1）正向特性
端IG=施0加时正，向器电件压两， 只有很小的正向 漏电流，为正向 阻断状态。
UU RSM RRM
U
A
IH 维持电流
雪崩
晶闸管本身的压
击穿
降很小，在1V左
右。
I A 正向 导通
I
I I =0
I
G2
G1
☆半闭环伺服系统的精度低于闭环系统。 ☆适用于精度要求适中的中小型数控机床。
一、伺服系统的结构组成及分类
3、伺服系统的基本要求
对伺服系统的基本要求有稳定性、精度和快速响 应性。
稳定性是指作用在系统上的扰动消失后，系统 能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入指 令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态 的能力。
补偿绕组(c)
励磁绕组 (f) ia
Fr Fc
Fs
Ua Uf
if
电枢绕组(a)
（电磁式）直流伺服电机的定子
(a) 转子主体
(b) 电枢硅钢片
（电磁式）直流伺服电机的转子
2）分类
直流伺服电动机按激磁方式可分为电磁式和永磁式两 种。电磁式的磁场由激磁绕组产生；永磁式的磁场由永 磁体(永久磁铁)产生。电磁式直流伺服电动机是一种目前 巳普遍使用的伺服电动机，特别是在大功率范围内(100w 以上)。永磁式直流伺服电动机由于尺寸小、重量轻、效 率高、出力大、结构简单，无需激磁等一系列优点而被 越来越重视。
1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。 1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产 品。
1958年商业化。
开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时 代。
20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。
能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容 量的场合具有重要地位。
晶闸管的结构及符号
A
G
KK
UA
O
UDRM Ubo +UA
UDSM
雪崩 击穿
-IA
晶闸管的伏安特性
IG2>IG1>IG
晶闸管正常工作时的特性
承受反向电压时，不论门极是否有触发电流， 晶闸管都不会导通。
承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情 况下晶闸管才能开通。
晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。
要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到 维持电流IH以下 。
(3) m 相单－双 2m 拍运行 (三相单－双六拍运行）
通电顺序：U→UV →V→VW →W →WU →U。
n=
E KE
=
Ua－Ra
KE
Ia
=
Ua KE
－
Ra KEKT
T
n Ua3＞Ua2＞Ua1
Ua3 Ua2 Ua1
O
T
机械特性
n T3＞T2＞T1
T1 T2 T3
O
Ua
调节特性
2、直流伺服电机驱动电路——功率放大器
1）PWM（脉宽调制）功率放大器
利用大功率器件的开关作用，将直流电压转换成一定 频率的方波电压，通过对方波脉冲宽度的控制改变输出电 压的平均值。
+ Ia
If +
Uf = Rf If 电枢电路：
Ua E M
Uf
Ua = E + Ra Ia －
－
6）直流伺服电机的电磁转矩及电动势
电磁转矩
T = KT Ia (N·m)
单位：A
KT 电磁转矩系数
电动势
E = KEn (V)
单位：r/min
KE 感应电动势系数 KT = KE
7）直流伺服电机的静态特性
精度是伺服系统的一项重要的性能要求。它是 指其输出量复现输入指令信号的精确程度。
快速响应性有两方面含义，一是指动态响应过 程中，输出量跟随输入指令信号变化的迅速程度， 二是指动态响应过程结束的迅速程度。
二、伺服电动机——电气伺服系统的执行元件
1、分类
伺服电动机
固定磁阻电动机
直流伺服电机 交流伺服电机