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机电一体化答案
习题六盐城工学院〔B机电081〕
6-1、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展动作，从而获得准确的位置、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构造、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、比拟环节等五局部。
6-2、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、交流伺服系统与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、闭环控制伺服系统与半闭环控制伺服系统。
6-3、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、负载能力强与工作频率范围大等根本要求，同时还要求体积小、重量轻、可靠性高与本钱低等。
6-4、试分析直流伺服电机的构造及工作原理。
直流伺服电动机主要由磁极、电枢、电刷及换向片构造组成〔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局部，故又称转子，它由硅钢片叠成，外表嵌有线圈，通过电刷与换向片及外加电枢电源相连。
图6-3直流伺服电动机根本构造图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与大小，就可以控制直流伺服电动机的旋转方向与速度。
当电枢绕组中电流为零时，伺服电动机那么静止不动。
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与输出转矩；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与输出转矩。
采用电枢电压控制方式时，由于定子磁场保持不变，其电枢电流可以到达额定值，相应的输出转矩也可以到达额定值，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与，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
6-5、试分析直流伺服电机及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，较大的启动转矩与相对功率，易于控制及响应快等优点。
尽管其构造复杂，本钱较高，在机电一体化控制系统中还是具有较广泛的应用。
6-6、常用的变流技术是什么？
各有什么用途？
交流调压器——把固定交流电压变成可调的交流电压。
6-7、比拟直流伺服电动机与交流伺服电动机的适用环境差异。
直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动转矩与相对功率，易于控制及响应快等优点。
尽管其构造复杂，本钱较高，在机电一体化控制系统中还是具有较广泛的应用。
及直流伺服电动机比拟，交流伺服电动机不需要电刷与换向器，因而维护方便与对环境无要求；此外，交流电动机还具有转动惯量、体积与重量较小，构造简单、价格廉价等优点；尤其是交流电动机调速技术的快速开展，使它得到了更广泛的应用。
6-8、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，那么当负载转矩变化时，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。
6-9、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，转子有24个齿，求：
1〕步进电机的步距角；
2〕脉冲电源的频率。
6-10、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步距角为多少
6-11、简述交流电动机变频调速控制方案。
〔１〕开环控制
〔2〕无速度传感器的矢量控制
〔3〕带速度传感器矢量控制
〔 4〕永磁同步电动机开环控制
6-12、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与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Uru,Urv与,Urw的相位依次相差1200。
U、V与W各相功率开关器件的控制规律一样，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，那么U相相对于直流电源假想中点N’的输出电压UUN’=Ud/2。
当UruV1与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VD1〔VD4〕续流导通，这要由感性负载中原来电流的方向与大小来决定，与单相桥式逆变电路双极性SPWM控制时的情况一样。
V相与W相的控制方式与U相一样。
UUN’、UVN’与Uwn’的波形如图6-43b所示。
可以看出，这些波形都只有±Ud两种电平。
像这种逆变电路相电压〔uUN’、uVN’与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与6导通时，UUV=Ud，当臂3与4导通时，UUV=―Ud，当臂1与3或4与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
〔6-18〕
从图中可以看出，它由〔±2/3〕Ud，〔±1/3〕Ud与0共5种电平组成。
（a）（b）
图6-43三相SPWM逆变电路及波形
在双极性SPWM控制方式中，同一相上下两个臂的驱动信号都是互补的。
但实际上为了防止上下两个臂直通而造成短路，在给一个臂施加关断信号后，再延迟△t时间，才给另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的关断时间决定。
这个延迟时间将会给输出的PWM波形带来影响，使其偏离正弦波。
6-13、分析影响直流伺服电机的影响因素。
〔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
6-14、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以下几种变流器类型：
整流器——把交流电变为固定的〔或可调的〕直流电。
逆变器——把固定直流电变成固定的〔或可调的〕交流电。
斩波器——把固定的直流电压变成可调的直流电压。
交流调压器——把固定交流电压变成可调的交流电压。
周波变流器——把固定的交流电压与频率变成可调的交流电压与频率。
6-15、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调制〔PulseWidthModulation〕直流调速。
如下图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τ，那么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，如图6-31b所示。
电枢两端的平均电压为：
〔6-17〕
式中=/T=Ud/U，（0<<1）为导通率〔或称占空比〕。
当T不变时，只要改变导通时间，就可以改变电枢两端的平均电压Ud。
当从0~T改变时，Ud由零连续增大到U。
实际电路中，一般使用自关断电力电子器件来实现上述的开关作用，如GTR、MOSFET、IGBT等器件。
图6-3中的二极管是续流二极管，当S断开时，由于电枢电感的存在，电动机的电枢电流可通过它形成续流回路。
6-16、交流变频调速有哪几种类型，各有什么特点？
〔１〕开环控制
开环控制的通用变频器三相异步电动机变频调速系统控制框图如图6-25所示。
图6-25开环异步电动机变频调速
VVVF-通用变频器IM-异步电动机
该控制方案构造简单，可靠性高。
但是，由于是开环控制方式，其调速精度与动态响应特性并不是十分理想。
尤其是在低速区域电压调整比拟困难，不可能得到较大的调速范围与较高的调速精度。
异步电动机存在转差率，转速随负荷力矩变化而变动，即使目前有些变频器具有转差补偿功能及转矩提升功能，也难以到达0.5%的精度，所以采用这种V/F控制的通用变频器异步机开环变频调速适用于一般要求不高的场合，例如风机、水泵等机械。
图6-26矢量控制变频器的异步电动机变频调速
VVVF-矢量变频器
〔2〕无速度传感器的矢量控制
无速度传感器的矢量控制变频器异步电机变频调速系统控制框图如图6-26所示。
比照图6-25图，两者的差异仅在使用的变频器不同。
由于使用无速度传感器矢量控制的变频器，可以分别对异步电动机的磁通与转矩电流进展检测、控制，自动改变电压与频率，使指令值与检测实际值到达一致，从而实现了矢量控制。
虽说它是开环控制系统，但是大大提升了静态精度与动态品质。
转速精度约等于0.5%，转速响应也较快。
如果生产要求不是十分高的情形下，采用矢量变频器无传感器开环异步电机变频调速是非常适宜的，可以到达控制构造简单，可靠性高的实效。
〔3〕带速度传感器矢量控制
带速度传感器矢量控制变频器的异步电机闭环变频调速系统控制框图如图6-27所示。
图6-27异步电机闭环控制变频调速
PG-速度脉冲发生器
矢量控制异步电机闭环变频调速是一种理想的控制方式。
它具可以从零转速起进展速度控制，即甚低速亦能运行，因此调速范围很宽广，可达100:
1或1000:
1；可以对转矩实行准确控制；系统的动态响应速度甚快；电动机的加速度特性很好等优点
6-17、什么是SPWM？
SPWM信号是数字信号形式还是模拟信号形式？
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与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Uru,Urv与,Urw的相位依次相差1200。
U、V与W各相功率开关器件的控制规律一样，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，那么U相相对于直流电源假想中点N’的输出电压UUN’=Ud/2。
当UruV1与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VD1〔VD4〕续流导通，这要由感性负载中原来电流的方向与大小来决定，与单相桥式逆变电路双极性SPWM控制时的情况一样。
V相与W相的控制方式与U相一样。
UUN’、UVN’与Uwn’的波形如图6-43b所示。
可以看出，这些波形都只有±Ud两种电平。
像这种逆变电路相电压〔uUN’、uVN’与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与6导通时，UUV=Ud，当臂3与4导通时，UUV=―Ud，当臂1与3或4与6导通时，Uuv=0，
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