伺服系统复习提纲.docx

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伺服系统复习提纲

1.伺服系统的定义、SPWM用什么波产生，占空比概念，改变占空比方法；（P2、P95）

在自动控制系统中，使输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为随动系统，亦称伺服系统。

数控机床的伺服系统是指以机床移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。

脉冲的宽度按正弦规律变化并和正弦波等效的矩形脉冲序列称为SPWM波形

占空比是指高电平在一个周期之内所占的时间比率

改变占空比方法:

（1）定宽调频法

保持一定，使

在0~

范围内变化

（2）调宽调频法

保持一定，使

在0~

范围内变化

（3）定频调宽法

保持一定，使

在0~T范围内变化

2.按反馈比较控制方式伺服系统分有几种；伺服系统按照调节理论分类可以分为哪几种？

它们各有什么特点？

（P4）

按反馈比较控制方式伺服系统分：

脉冲、数字比较伺服系统；相位比较伺服系统；幅值比较伺服系统；全数字伺服系统；

按伺服系统按照调节理论分类分：

（1）开环伺服系统其特点：

没有检测反馈装置,它以其控制结构简单、调试方便以及低成本、易维修的优点而广泛应用于各类生产实际中。

但是开环控制的步进电动机系统其定位精度比较低、速度低、驱动力低。

（2）闭环伺服系统其特点：

定位精度高，速度调节快。

但系统的结构较复杂、成本高，且调试维修较难、工作台惯性大

（3）半闭环伺服系统其特点：

半闭环系统介于以上两者之间，精度没有闭环高，调试却比闭环方便。

但驱动功率大，快速响应好

3.直流电机的调速方式有？

（P79）

调节电枢电压

及改变电枢附加电阻R,调磁调速

4.调速系统的稳态性能用什么来衡量（P79）

1）静态调试指标：

1.调速范围D=

/

2.转差率

3.调速范围与转差率的关系：

D=

/

=

2）动态调速指标1.跟随性能指标

（1）上升时间

（2）超调量

（3）调节时间

2.抗扰性能指标

（1）动态降落

（2）恢复时间

（3）震荡次数k

5.无静差调速系统中必须采用积分I调节器/比例积分PI调节器

6.莫尔条纹的特性3种效应；占空比定义是什么？

（P43）

（1）对应特性

（2）放大特性（3）平均效应

占空比是指高电平在一个周期之内所占的时间比率

7.晶闸管的伏安特性曲线，以及导通条件和关断条件，维持电流，擎住电流；全控器件写出三种名称（IGBT，GTO，MOSFET）优缺点；（P11-31）

两个导通条件：

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（正向偏置）

关断条件：

SCR导通后阳极电流减小到某一数值以下

两个电流：

I擎住电流和I维持电流。

全控型器件有：

（1）绝缘门极晶体管IGBT优点：

具有电导调制效应，其通流能力很强

缺点：

开关速度较慢，所需驱动功率大，驱动电路复杂。

（2）门极关断晶闸管GTO优点：

GTO是四层器件，具有开关频率较高，不需要辅助转流电路和开关容量等，其性能介于普通晶闸管和大功率晶体管之间，在电压和电流方面均有充分发展的空间，在高电压大电流领域将取代传统晶闸管

缺点：

门极反向关断电流大，开关缓冲电路要消耗一定能量，且需要快速恢复无感电阻、无感电容、二级管等元器件。

（3）功率场效应晶体管MOSFET优点：

驱动电路简单，需要驱动功率小，开关速度快，工作效率高,热稳定性高于GTR

缺点：

电流容量小

8.采用PI调节器的单闭环转速负反馈直流调速系统的结构图会画，简述其调节过程和控制规律（P85）

调节过程：

当系统参数Tm、Tc、Ts已定的情况下，为保证系统稳定，其开环系数满足K<

控制规律：

由系统稳态误差要求所计算的K值还必须按系统稳定性条件进行校核必须兼顾静态和动态两种特性

9.SPWM的调制方式的种类和特点（P169）

（1）同步调制方式：

载波比N等于常数时称同步调制方式。

优点:

在逆变器输出频率变化的整个范围内，皆可保持输出波形的正、负半波完全对称，只有奇次谐波存在。

而且能严格保证逆变器输出三相波形之间具有120°相位移的对称关系。

缺点:

当逆变器输出频率很低时，每个周期内的PWM脉冲数过少，低频谐波分量较大，使负载电动机产生转矩脉动和噪声。

2）异步调制方式：

在逆变器的整个变频范围内，载波比N不是一个常数。

优点：

一般在改变调制波频率fr时保持三角波频率fc不变，因而提高了低频时的载波比，这样逆变器输出电压每个周期内PWM脉冲数可随输出频率的降低而增加，相应地可减少负载电动机的转矩脉动与噪声，改善了调速系统的低频工作特性。

缺点：

但异步调制方式在改善低频工作性能的同时，又失去了同步调制的优点。

当载波比N随着输出频率的降低而连续变化时，它不可能总是3的倍数．势必使输出电压波形及其相位都发生变化，难以保持三相输出的对称性，因而引起电动机工作不平稳。

（3）分段同步调制方式

优点：

实际应用中，多采用分段同步调制方式，它集同步和异步调制方式之所长，而克服了两者的不足。

在一定频率范围内采用同步调制，以保持输出波形对称的优点，在低频运行时，使载波比分级地增大，以采纳异步调制的长处。

缺点：

采用分段同步调制方式，需要增加调制脉冲切换电路，从而增加控制电路的复杂性。

10.矢量控制的原理（P182）

矢量控制的基本原理是把交流电动机解析成与直流电动机一样，根据磁场及其正交的电流乘积就是转矩这一最基本的原理，从理论上将电动机定子侧电流分解成简历磁场的励磁分量和产生转矩的转矩分量的两个正交矢量来处理，然后分别进行控制，故称为矢量控制。

也就是说，矢量控制是一种高性能异步电动机控制方式，它基于电动机的动态数学模型，通过控制交流电动机定子电流的幅值和相位，分别控制电动机的转矩电流和磁通电流，具有与直流电动机调速类似或者更加优越的控制性能。

11.转速电流双闭环直流调速系统启动时转速和电流波形，分析转速调节器和电流调节器的作用；PI调节器饱和与非饱和；（P89）

由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。

第I阶段电流上升的阶段（0~t1）:

突加给定电压U*n后，Id上升，当Id小于负载电流IdL时，电机还不能转动。

当Id≥IdL后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值U*im，强迫电流Id迅速上升。

直到，Id=Idm，Ui=U*im电流调节器很快就压制Id了的增长，保持动态平衡。

这一阶段的特点是转速调节器ASR因阶跃给定作用而迅速饱和，而电流调节器ACR一般为不饱和，以保证电流环的调节作用，强迫电流Id上升，并达到Im.

第II阶段恒流升速阶段（t1~t2）：

在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流U*im给定下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。

在Uim的恒值控制下，内环恒定Idm的自动调节过程是：

n↑→E↑→Id↓→Ufi↓→I--ΔUiI>0→Uct↑→Ud0↑→Id↑--n↑←

调节作用使Id略小于Idm而维持不变，转速线性上升，响应的E、Udo、Uct也都是线性上升，t2时刻n上升达给定转速。

第Ⅲ阶段转速调节阶段（t2以后）：

当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值U*im，所以电机仍在加速，使转速超调。

转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，U*i和Id很快下降。

但是，只要Id仍大于负载电流IdL，转速就继续上升。

直到Id=IdL时，转矩Te=TL，则dn/dt=0，转速n才到达峰值（t=t3时）。

此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在一小段时间内（t3~t4），Id

（1）转速调节器的作用1）使转速n跟随给定电压

变化，实现转速无静差调节

2）对负载变化起抗扰作用

3）其饱和输出限幅值作为系统允许最大电流的给定，起饱和非线性控制作用，以实现系统在最大电流约束下起动过程。

（2）电流调节器的作用1）起动时，实现最大允许电流条件下的恒流升速调节-时间最优。

2）在转速调节过程中，是电流跟随其给定电压

变化

3）对电网电压波动及时起扰动作用

4）当电动机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护作用。

如果故障消失，系统能自动恢复正常。

PI调节器饱和---输出达到限幅值（饱和的调节器暂时阻断输入与输出的关系，相当于使该调节为开环）

PI调节器非饱和---输出未达到限幅值（PI作用使输入电压在稳态时总为零）

12.双闭环系统原理图，转速负反馈系数、电流反馈系数计算（P89）

电流调节环

为电流反馈系数

13.PID反馈控制系统框图，并写出其控制律和控制特点；按照校正装置的位置分类可分为哪些？

（控制工程书P232）

（一）比例控制器（P调节）其传递函数表示为

特点：

（能使过程较快的稳定）从减小偏差的角度出发，我们应该增加

，但是另一方面，

还影响系统的稳定性，

增加通常导致系统的稳定性下降，过大的

往往使系统产生激烈的振荡和不稳定。

因此在设计时必须合理的优化

，在满足精度要求下选择适当的

值。

增益调整是系统校正与综合时最基本、最简单的方法。

（二）积分控制器（I调节）其传递函数表示为

特点：

（能使过程为无差控制）是无差调节，也就是说当系统达到平衡后，阶跃信号稳态设定值和被调量无差，偏差

等于0。

（三）微分控制器（D调节）其传递函数表示为

特点：

（克服受控对象的延迟和惯性，减小过程的动态偏差）可以对被调量的变化趋势进行调节，及时避免出现大的偏差。

一般情况下，实现微分作用不是直接对检测信号进行微分操作，因为这样会引入很大的冲击，造成某些器件工作不正常。

（四）比例-积分-微分控制器（PID调节）特点：

PID控制原理简单，使用方便，适应性强

在合理的优化

、

和

的参数后，可以使系统具有提高稳定性、快速响应、无残差等理想的性能。

校正装置在系统中的联结方式：

1顺馈校正、2干扰补偿、3串联校正、4反馈校正

14.工程设计法中典型I型和II型系统的传递函数，及其参数意义，并分析在直流双闭环调速系统中分别把转速环和电流环设计成何种典型系统，为什么（P113）

典型I型系统开环传递函数：

典型参数:

对I型系统进行工程设计时，通常选用K=1/（2T）或

为典型参数

典型II型系统开环传递函数：

（

）

图中：

为低频转折频率

为高频转折频率，

典型参数：

有两个参数K和

需确定，为方便起见引入一个新变量h,令h

为什么把电流环应该（设计/校正）成典型I型系统？

答1、从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用I型系统就够了。

2、从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。

为什么把转速环应该（设计/校正）成典型Ⅱ型系统？

答：

首先是基于稳态无静差的要求。

在负载扰动作用点后已经有了一个积分环节。

为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型Ⅱ型系统。

再从动态性能看，调速系统首先应具有良好的抗扰性能，典型Ⅱ型系统恰好能满足要求。

15.双极性可逆PWM变换器电路原理图分析，优缺点。

（P99）

（1）正向运行：

第1阶段，在0≤t≤ton期间，Ug1、Ug4为正，VT1、VT4导通，Ug2、Ug3为负，VT2、VT3截止，电流id沿回路1流通，电动机M两端电压UAB=+Us；

第2阶段，在ton≤t≤T期间，Ug1、Ug4为负，VT1、VT4截止，VD2、VD3续流，并钳位使VT2、VT3保持截止，电流id沿回路2流通，电动机M两端电压UAB=–Us；

（2）反向运行：

第1阶段，在0≤t≤ton期间，Ug2、Ug3为负，VT2、VT3截止，VD1、VD4续流，并钳位使VT1、VT4截止，电流–id沿回路4流通，电动机M两端电压UAB=+Us；

第2阶段，在ton≤t≤T期间，Ug2、Ug3为正，VT2、VT3导通，Ug1、Ug4为负，使VT1、VT4保持截止，电流–id沿回路3流通，电动机M两端电压UAB=–Us；

双极性工作制的优点是：

（1）电流一定连续；

（2）可使电动机在四个象限运行；（3）电动机停止时有微振电流，能消除摩擦死区；（4）低速时每个IGBT管的驱动脉冲仍较宽，有利于保证IGBT管可靠导通；（5）低速平稳性好，调速范围很宽

缺点：

在工作过程中，四个IGBT管都处于开关状态，开关损耗大，而且容易发生上、下两管直通（即同时导通）的事故，减低了装置的可靠性。

16.变频调速时为什么要采用电压频率协调控制的控制方式

三种控制方式：

1、T不变，变ton—脉冲宽度调制（PWM）；

2、ton不变，变T—脉冲频率调制（PFM）；

3、ton和T都可调，改变占空比—混合型。

17.按照转差功率分类交流调速系统；

（1）转差功率馈送型调速系统

（2）转差功率不变型调速系统（3）转差功率消耗型调速系统

18.伺服系统的概念，伺服系统的主要特点，伺服系统分类（按照控制理论，按照反馈方式）；位置速度检测元件（名称）；

在自动控制系统中，使输出量能量以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为随动系统，亦称伺服系统。

伺服系统的主要特点：

（1）精确的检测装置

（2）有多种反馈比较原理与方法（3）高性能伺服电动机（4）宽调速范围的调速调节系统

按照调节理论分：

开环伺服系统、闭环伺服系统、半闭环伺服系统

按反馈比较方式分：

脉冲、数字比较伺服系统；相位比较伺服系统；幅值比较伺服系统；全数字伺服系统；

位置速度检测元件：

模拟速度检测元件和数字速度检测元件（P33）

1、某直流伺服系统的电机额定值为：

220V，15A,1500r/min,电枢电阻为1Ω，整流装置内阻为1Ω，触发整流电路的增益为40，最大给定电压是15V。

（1）绘制系统结构图

（2）采用转速负反馈单闭环有差调速系统，开环放大倍数Kp=100。

当静差率S=2%时，其调速范围是多少？

（3）若采用无静差直流调速系统，则转速负反馈系数为多少？

（4）n=800r.pm时，额定负载下，反馈电压Ufi和触发电路的控制电压Uc各为多少？

解：

（1）

（2）

（3）无静差条件给定的电压与反馈电压相等

（4）

2、已知双闭环直流伺服系统，直流电动机额定参数如下：

UN=220V，IN=10A，nN=1500r.pm，电枢回路启动电流最大值为40A，整流装置放大倍数Ks=40，RΣ=1.5Ω（电枢电阻Ra=1Ω），给定电压最大值为15V，两个PI调节器输出限幅值都为10V。

求：

1）绘制系统原理图。

P89

2）转速负反馈系数α和电流反馈系数β分别为多少？

3）堵转时，转速反馈电压Ufn电流反馈电压Ufi和触发电路的控制电压Uc各为多少？

4）给定为8V时，额定负载下，电枢两端电压Ud0为多少？

解

（1）

（2）

（3）堵转时n=0，

（4）