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文档简介
1、习题六答案1、什么是伺服控制?为什么机电一体化系统的运动控制往往是伺服控制?伺服控制系统是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作,从而获得精确的位置、速度及动 力输出的自动控制系统.机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多,但从自动控制理论的角度来分析,伺服控制 系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。2、机电一体化系统的伺服驱动有哪几种形式?各有什么特点?(1)、按被控量参数特性分类按被控量不同,机电一体化系统可分为位移、速度、力矩等各种伺服系统。其它系统还 有温度、湿度、磁场、光等各种参数的伺服系统(2)、按驱动元件的类型分类按驱动元件的不同可分为电气伺服系统、液压
2、伺服系统、气动伺服系统。电气伺服系统 根据电机类型的不同又可分为直流伺服系统、交流伺服系统和步进电机控制伺服系统。(3)、按控制原理分类按自动控制原理,伺服系统又可分为开环控制伺服系统、闭环控制伺服系统和半闭环控 制伺服系统。3、机电一体化对伺服系统的技术要求是什么?机电一体化伺服系统要求具有精度高、响应速度快、稳定性好、负载能力强和工作频率 范围大等基本要求,同时还要求体积小、重量轻、可靠性高和成本低等。4、试分析直流伺服电机的结构与工作原理。直流伺服电动机主要由磁极、电枢、电刷及换向片结构组成(如图6-3所示)。其中磁 极在工作中固定不动,故又称定子。定子磁极用于产生磁场。在永磁式直流伺服
3、电动机中, 磁极采用永磁材料制成,充磁后即可产生恒定磁场。在他励式直流伺服电动机中,磁极由冲 压硅钢片叠成,外绕线圈,靠外加励磁电流才能产生磁场。电枢是直流伺服电动机中的转动 部分,故又称转子,它由硅钢片叠成,表面嵌有线圈,通过电刷和换向片与外加电枢电源相 连。图6-3直流伺服电动机基本结构图6-4电枢等效电路直流伺服电动机是在定子磁场的作用下,使通有直流电的电枢(转子)受到电磁转矩的 驱使,带动负载旋转。通过控制电枢绕组中电流的方向和大小,就可以控制直流伺服电动机 的旋转方向和速度。当电枢绕组中电流为零时,伺服电动机则静止不动。直流伺服电动机的控制方式主要有两种:一种是电枢电压控制,即在定子
4、磁场不变的情 况下,通过控制施加在电枢绕组两端的电压信号来控制电动机的转速和输出转矩;另一种是 励磁磁场控制,即通过改变励磁电流的大小来改变定子磁场强度,从而控制电动机的转速和 输出转矩。采用电枢电压控制方式时,由于定子磁场保持不变,其电枢电流可以达到额定值,相应的输 出转矩也可以达到额定值,因而这种方式又被称为恒转矩调速方式。而采用励磁磁场控制方 式时,由于电动机在额定运行条件下磁场已接近饱和,因而只能通过减弱磁场的方法来改变 电动机的转速。由于电枢电流不允许超过额定值,因而随着磁场的减弱,电动机转速增加, 但输出转矩下降,输出功率保持不变,所以这种方式又被称为恒功率调速方式5、试分析直流伺
5、服电机与交流伺服电机在控制上有什么不同?直流伺服电机具有良好的调速特性,较大的启动转矩和相对功率,易于控制及响应快等 优点。尽管其结构复杂,成本较高,在机电一体化控制系统中还是具有较广泛的应用。6、常用的变流技术是什么?各有什么用途?交流调压器一一把固定交流电压变成可调的交流电压。7、比较直流伺服电动机和交流伺服电动机的适用环境差别。直流伺服电机具有良好的调速特性,较大的启动转矩和相对功率,易于控制及响应快等 优点。尽管其结构复杂,成本较高,在机电一体化控制系统中还是具有较广泛的应用。与直流伺服电动机比较,交流伺服电动机不需要电刷和换向器,因而维护方便和对环境 无要求;此外,交流电动机还具有转
6、动惯量、体积和重量较小,结构简单、价格便宜等优点; 尤其是交流电动机调速技术的快速发展,使它得到了更广泛的应用。8、了解伺服电动机的机械特性有什么意义,习、惯性称呼机械特性硬的含义 是什么?如果直流伺服电动机的机械特性较平缓,则当负载转矩变化时,相应的转速变化较小,这时 称直流伺服电动机的机械特性较硬。9、有一脉冲电源,通过环形分配器将脉冲分配给五相十拍通电的步进电机定子 励磁绕组,测得步进电机的转速为100r/min,已知转子有24个齿,求:步进电机的步距角;脉冲电源的频率。10、三相变磁阻式步进电动机,转子齿数Z=100,双拍制通电,要求 电动机转速为120r/min,输入脉冲频率为多少?
7、步距角为多少?11、简述交流电动机变频调速控制方案。开环控制无速度传感器的矢量控制带速度传感器矢量控制永磁同步电动机开环控制12、试分析三相SPWM的控制原理。在PWM型逆变电路中,使用最多的是图6-43a的三相桥式逆变电路,其控制方式一般 都采用双极性方式。U、V和W三相的PWM控制通常公用一个三角波载波uc,三相调制 信号U ru , U rv和,U rw的相位依次相差1200o U、V和W各相功率开关器件的控制规律 相同,现以U相为例来说明。当Uru uc时,给上桥臂晶体管V1以导通信号,给下桥臂晶 体管V4以关断信号,则U相相对于直流电源假想中点N的输出电压Uun= Ud/2。当Uq
8、uc 时,给V4以导通信号,给V1以关断信号,则UUN=Ud/2。V1和V4的驱动信号始终是互补 的。当给V1 (V4)加导通信号时,可能是V1 (V4)导通,也可能二极管VD (VD4)续流 导通,这要由感性负载中原来电流的方向和大小来决定,和单相桥式逆变电路双极性SPWM 控制时的情况相同。V相和w相的控制方式和u相相同。uun、uvn和uwn的波形如图 6-43b所示。可以看出,这些波形都只有土Ud两种电平。像这种逆变电路相电压(uUN、uVN 和uwN )只能输出两种电平的三相桥式电路无法实现单极性控制。图中线电压Uuv的波形 可由UUN _ UVN得出。可以看出,当臂1和6导通时,U
9、UV = Ud,当臂3和4导通时,UUV =_Ud,当臂1和3或4和6导通时,Uuv=0,因此逆变器输出线电压由+Ud、-Ud、0三种电平构成。负载相电压UUN可由下式求得u u uNNWN-(6-18)UN un,3从图中可以看出,它由(2/3) Ud,(1/3) Ud和0共5种电平组成。图6-43三相SPWM逆变电路及波形9补的。在双极性SPWM控制方式中,同一相上下两个臂的驱动信 颇 了防止上下两个臂直通而造成短路,在给一个臂施加关I(b)旦实际上为一个臂施加导通信号。延迟时间的长短主要由功率开关器件将会给输出的PWM波形带来影响,使其偏离正弦波。13、分析影响直流伺服电机的影响因素。(
10、1)驱动电路对机械特性的影响(2)直流伺服电动机内部的摩擦对调节特性的影响(3)负载变化对调节特性的影响信号后,再延迟A时间,才给另的14、变流技术有哪几种应用形式?举出各种变流器的应用实例。变流技术按其功能应用可分成下列几种变流器类型:整流器一一把交流电变为固定的(或可调的)直流电。逆变器一一把固定直流电变成固定的(或可调的)交流电。斩波器一一把固定的直流电压变成可调的直流电压。交流调压器一一把固定交流电压变成可调的交流电压。周波变流器一一把固定的交流电压和频率变成可调的交流电压和频率。15、什么是PWM?直流PWM调压比其它调压方式有什么优点?斩波器调压控制直流伺服电机速度的方法又称为脉宽
11、调制(Pulse Width Modulation) 直流调速。如图所示为脉宽调速原理示意图。将图6-31a中的开关S周期性地开关,在一个周期T内闭合的时间为t,则一个外加的 固定直流电压U被按一定的频率开闭的开关S加到电动机的电枢上,电枢上的电压波形将 是一列方波信号,其高度为U、宽度为C,如图6-31b所示。电枢两端的平均电压为:Ud = TJPdt = TU = p U(6-17)式中 p = t /T=Ud/U,(0 p uc时,给上桥臂晶体管V1以导通信号,给下桥臂晶 体管V4以关断信号,则U相相对于直流电源假想中点N的输出电压Uun= Ud/2o当Uq uc 时,给V4以导通信号,
12、给V1以关断信号,则UUN=Ud/2o V1和V4的驱动信号始终是互补 的。当给V1 (V4)加导通信号时,可能是V1 (V4)导通,也可能二极管VD (VD4)续流 导通,这要由感性负载中原来电流的方向和大小来决定,和单相桥式逆变电路双极性SPWM 控制时的情况相同。V相和W相的控制方式和U相相同。UUN、UVN和Uwn的波形如图 6-43b所示。可以看出,这些波形都只有土Ud两种电平。像这种逆变电路相电压(uUN、uVN 和uWN)只能输出两种电平的三相桥式电路无法实现单极性控制。图中线电压Uuv的波形 可由UUN 一 UVN得出。可以看出,当臂1和6导通时,UUV = Ud,当臂3和4导
13、通时,UUV =_Ud,当臂1和3或4和6导通时,Uuv=0,因此逆变器输出线电压由+Ud、-Ud、0三种电 平构成。负载相电压uun可由下式求得u = u U UN * U V * U WNUN UN,318、用SPWM进行交流变频调速所对应的传统方法有哪些?各有什么特点?实施SPWM的基本要求1、单极性SPWM法调制波和载波:曲线是正弦调制波,其周期决定于需要的调频比kf,振幅值决定于 ku,曲线是采用等腰三角波的载波,其周期决定于载波频率,振幅不变,等于ku=1时正弦 调制波的振幅值,每半周期内所有三角波的极性均相同(即单极性)。调制波和载波的交点,决定了 SPWM脉冲系列的宽度和脉冲音
14、的间隔宽度,每半周期 内的脉冲系列也是单极性的。单极性调制的工作特点:每半个周期内,逆变桥同一桥臂的两个逆变器件中,只有一个 器件按脉冲系列的规律时通时通时断地工作,另一个完全截止;而在另半个周期内,两个器 件的工况正好相反,流经负载ZL的便是正、负交替的交变电流。2、双极性SPWM法(1)调制波和载波:调制波仍为正弦波,其周期决定于kf,振幅决定于ku,中曲线,载波为双极性的等腰 三角波,其周期决定于载波频率,振幅不变,与ku=1时正弦波的振幅值相等。调制波与载波的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲系列,此脉冲系列也是双极性的, 但是,由相电压合成为线电压(uab=ua-ub;ubc=ub-u
15、c;uca=uc-ua)时,所得到的线电压脉冲系列 却是单极性的。(2)双极性调制的工作特点:逆变桥在工作时,同一桥臂的两个逆变器件总是按相电压 脉冲系列的规律交替地导通和关断,毫不停息,而流过负载ZL的是按线电压规律变化的交 变电流。19、步进电动机是什么电机?它的驱动电路的功能是什么?伺服电机。环形分配,对控制信号进行功率放大。20、试分析半桥逆变电路的工作原理Zx半桥逆变电路原理如图6-36a所示,它有两个导电臂,每个导电臂由一个可控元件和一 个反并联二极管组成。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容,使得两个电容的联结点 为直流电源的中点。设电力晶体管V和V2基极信号在一个周期内各有半周正偏和反偏,且二者互补。当 负载为感性时,其工作波形如图6-36b所示。输出电压波形u0为矩形波,其幅值为Um =Ud /2输出电流i0波形随负载阻抗角而异。设t2时刻以前V1导通。t2时刻给V1关断信号, 给V2导通信号,但感性负载中的电流i0不能立刻改变方向,于是vd2导通续流。当七时 刻i0降至零时VD2截止,V2导通,i0开始反
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