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习题六答案
1、什么是伺服掌握?为什么机电一体化系统的运动掌握往往是伺服掌握?伺服掌握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掌握系统.机电一体化的伺服掌握系统的结构、类型繁多,但从自动掌握理论的角度来分析,伺服掌握系统一般包括掌握器、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、液压伺服系统、气动伺服系统电气伺服系统依据电机类型的不同又可分为直流伺服系统、沟通伺服系统和步进电机掌握伺服系统
(3)、按掌握原理分类按自动掌握原理,伺服系统又可分为开环掌握伺服系统、闭环掌握伺服系统和半闭环掌握伺服系统
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、负载力量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、牢靠性高和成本低等
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电动机中,磁极采纳永磁材料制成,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,带动负载旋转通过掌握电枢绕组中电流的方向和大小,就可以掌握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掌握方式主要有两种一种是电枢电压掌握,即在定子磁场不变的状况下,通过掌握施加在电枢绕组两端的电压信号来掌握电动机的转速和输出转矩;另一种是励磁磁场掌握,即通过转变励磁电流的大小来转变定子磁场强度,从而掌握电动机的转速和输出转矩采纳电枢电压掌握方式时,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纳励磁磁场掌握方式时,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转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、试分析直流伺服电机与沟通伺服电机在掌握上有什么不同?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,易于掌握及响应快等优点尽管其结构简单,成本较高,在机电一体化掌握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?沟通调压器一一把固定沟通电压变成可调的沟通电压
7、比较直流伺服电动机和沟通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,易于掌握及响应快等优点尽管其结构简单,成本较高,在机电一体化掌握系统中还是具有较广泛的应用与直流伺服电动机比较,沟通伺服电动机不需要电刷和换向器,因而维护便利和对环境无要求;止匕外,沟通电动机还具有转动惯量、体积和重量较小,结构简洁、价格廉价等优点;尤其是沟通电动机调速技术的快速进展,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?假如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,通过环形安排器将脉冲安排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1)步进电机的步距角;2)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步距角为多少?
11、简述沟通电动机变频调速掌握方案1开环掌握2无速度传感器的矢量掌握3带速度传感器矢量掌握4永磁同步电动机开环掌握
12、试分析三相SPWM的掌握原理在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,其掌握方式一般都采纳双极性方式U、V和W三相的PWM掌握通常公用一个三角波载波uc,三相调制信号U「uUn和Urw的相位依次相差
12011、丫和W各相功率开关器件的掌握规律相同现以U相为例来说明当UruuJ寸,给上桥臂晶体管Vi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UrUc时,给V4以导通信号,给V]以关断信号,则UuN=Ud/2V]和V4的驱动信号始终是互补的当给ViV4加导通信号时,可能是ViV4导通,也可能二极管VDiVD4续流导通,这要由感性负载中原来电流的方向和大小来打算,和单相桥式逆变电路双极性SPWM掌握时的状况相同V相和W相的掌握方式和U相相同Uun、Uvn和Uw;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掌握图中线电压Uuv的波形可由Uun-Uvn得出可以看出,当臂1和6导通时,Uuv=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、-
5、三种电平构成负载相电压Uun可由下式求得从图中可以看出,它由±2/3Ud±1/3Ud和共5种电平组成ab图6-43三相SPWM逆变电路及波形在双极性SPWM掌握方式中,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At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打算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
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整特性的影响3负载变化对调整特性的影响
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沟通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沟通电斩波器一一把固定的直流电压变成可调的直流电压沟通调压器一一把固定沟通电压变成可调的沟通电压周波变流器一一把固定的沟通电压和频率变成可调的沟通电压和频率
15、什么是PWM直流PWM调压比其它调压方式有什么优点?斩波器调压掌握直流伺服电机速度的方法又称为脉宽调制PulseWidthModulation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被按肯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=7fUdt=/U=pU6-17JO式中0=c/T=Ud/U0pl夕为导通率或称占空比当T不变时,只要转变导通时间7,就可以转变电枢两端的平均电压Ud当乙从0〜T转变时,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
16、沟通变频调速有哪几种类型,各有什么特点?1开环掌握开环掌握的通用变频器三相异步电动机变频调速系统掌握框图如图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-异步电动机该掌握方案结构简洁,牢靠性高但是,由于是开环掌握方式,其调速精度和动态响应特性并不是特别抱负尤其是在低速区域电压调整比较困难,不行能得到较大的调速范围和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,也难以达到
0.5%的精度,所以采纳这种V/F掌握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矢量掌握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掌握无速度传感器的矢量掌握变频器异步电机变频调速系统掌握框图如图6-26所示对比图6-25图,两者的差别仅在使用的变频器不同由于使用无速度传感器矢量掌握的变频器可以分别对异步电动机的磁通和转矩电流进行检测、掌握,自动转变电压和频率,使指令值和检测实际值达到全都,从而实现了矢量掌握虽说它是开环掌握系统,但是大大提升了静态精度和动态品质转速精度约等于
0.5%转速响应也较快假如生产要求不是特别高的情形下,采纳矢量变频器无传感器开环异步电机变频调速是特别合适的,可以达到掌握结构简洁,牢靠性高的实效
(3)带速度传感器矢量掌握带速度传感器矢量掌握变频器的异步电机闭环变频调速系统掌握框图如图6-27所示图6-27异步电机闭环掌握变频调速PG-速度脉冲发生器矢量掌握异步电机闭环变频调速是一种抱负的掌握方式它具可以从零转速起进行速度掌握,即甚低速亦能运行,因此调速范围很宽广,可达100:1或1000:1;可以对转矩实行精确掌握;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
17、什么是SPWMSPWM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,其掌握方式一般都采纳双极性方式U、V和W三相的PWM掌握通常公用一个三角波载波三相调制信号UruUrv和Urw的相位依次相差120°oUV和W各相功率开关器件的掌握规律相同现以U相为例来说明当Uru〉w时,给上桥臂晶体管VI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UrSW时,给V4以导通信号,给V1以关断信号,则UuN=Ud/2V]和V4的驱动信号始终是互补的当给ViV4加导通信号时,可能是ViV4导通,也可能二极管VDiVD4续流导通,这要由感性负载中原来电流的方向和大小来打算,和单相桥式逆变电路双极性SPWM掌握时的状况相同V相和W相的掌握方式和U相相同Uun、Uvn和Uw;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掌握图中线电压Uuv的波形可由Uun.Uvn得出可以看出,当臂1和6导通时,Uuv二Ud,当臂3和4导通时,Uuv=-Ud,当臂1和3或4和6导通时,Uuv=O因此逆变器输出线电压由+
5、-Ud、三种电平构成负载相电压Uun可由下式求得
18、用SPWM进行沟通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]1调制波和载波曲线
①是正弦调制波,其周期打算于需要的调频比kf振幅值打算于ku曲线
②是采纳等腰三角波的载波,其周期打算于载波频率,振幅不变,等于ku=l时正弦调制波的振幅值,每半周期内全部三角波的极性均相同即单极性调制波和载波的交点,打算了SPWM脉冲系列的宽度和脉冲音的间隔宽度,每半周期内的脉冲系列也是单极性的2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⑴调制波和载波调制波仍为正弦波,其周期打算于kf振幅打算于ku中曲线
①,载波为双极性的等腰三角波,其周期打算于载波频率,振幅不变,与ku=l时正弦波的振幅值相等调制波与载波的交点打算了逆变桥输出相电压的脉神系列,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-uc;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?伺服电机环形安排,对掌握信号进行功率放大
20、试分析半桥逆变电路的工作原理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%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uo为矩形波,其幅值为Um=Ud/2输出电流io波形随负载阻抗角而异设t2时刻以前Vi导通t2时刻给Vi关断信号,给V2导通信号,但感性负载中的电流io不能立即转变方向,于是VD2导通续流当t3时刻io降至零时VD2截止,V2导通,i0开头反向同样,在t4时刻给V2关断信号,给Vi导通信号后,V2关断,VDi先导通续流,t5时.刻Vi才导通当Vi或V2导通时,负载电流和电压同方向,直流侧向负载供应能量;而当VDi或VD2导通时,负载电流和电压反方向,负载中电感的能量向直流侧反馈,既负载将其汲取的无功能量反馈回直流侧反馈回的能量临时储存在直流侧电容中,直流侧电容起到缓冲这种无功能量的作用二极管VDi、VD2是负载向直流侧反馈能量的通道,同时起到使负载电流连续的作用,VDi、VD2被称为反馈二极管或续流二极管。