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5.1.3 功率放大器

执行系统的第三环。它的名字容易引起误解——放大的不是信号，是功率：控制信号 PcP_c 只负责「指挥」，真正的能量从能源 PeP_e 来。本节讲放大器在各型发动机上的具体形态：电机的斩波器/逆变器，液压的电液伺服阀。录播 00:59:59–01:02:18。

5.1.3.1 放大器的任务

定义 5.1.11 · 功率放大器的调节任务

功率放大器具有调节任务：在控制信号的作用下，功率流由一次能源提供，而且必须被传输到执行器以执行期望的运动。

换成教材 §5.1.3 的另一句话：放大器从能源中获取与控制信号成比例的部分可用功率，然后按照适当的力和流量将这些功率传送到发动机。

功率分配：放大器的输入是从一次能源获取的功率，这些功率与控制信号 PcP_c 相关联；总功率一部分被传送到执行器（PaP_a）、一部分被耗散掉（PdaP_{da}）。

注意这里的因果结构：PcP_c 决定「取多少」，PeP_e 提供「取的东西」。这就是为什么功率增益可以做到极大（见下）——分母只是一个小小的控制信号功率。

5.1.3.2 伺服电机的放大器：斩波器与逆变器

教材 §5.1.3 从「电机的类型」出发：要控制伺服电机，需要根据所用的电机类型，为其提供适当形式的电压和电流。

定理 5.1.D · 按电机类型选放大器
  • 永磁直流伺服电机：电压（或电流）是直流的 ⇒ 用 DC-DC 变换器（choppers，斩波器）；
  • 无刷直流伺服电机：电压（或电流）是交流的 ⇒ 用 DC-AC 变换器（inverters，逆变器）。

控制什么量：对永磁直流伺服电机是电压值；对无刷直流伺服电机是电压和频率值——两者都由放大器的控制信号确定，「以使电机执行期望的运动」。

方法 5.1.E · PWM 晶体管放大器与两个指标

对于关节运动通常需要的功率范围（千瓦级），使用通过脉宽调制（PWM）技术进行适当切换的晶体管放大器。教材给出两个量化指标：

功率转化率=PaPa+Pda>0.9,功率增益=PaPc 达到 106 级\text{功率转化率}=\frac{P_a}{P_a+P_{da}}>0.9,\qquad \text{功率增益}=\frac{P_a}{P_c}\ \text{达到}\ 10^6\ \text{级}

读法：功率转化率衡量「从能源取来的电有多少真正到了电机」（效率，>90%）；功率增益衡量「控制信号以小博大到什么程度」（10610^6 量级）。后者能这么大，正因为 PcP_c 只是控制信号功率、真正的能量来自 PeP_e。

5.1.3.3 液压侧的放大器：电液伺服系统

液压发动机没有「电压」可加，控制手段只能是流量（教材 §5.1.3）：

定义 5.1.12 · 电液伺服系统与分布器

对液压伺服发动机的控制，通过改变传送到发动机的压缩液体的流速来完成。 调制流速的任务通常由接口（电液伺服系统）来完成，这使得可以建立电控信号和分布器之间的关系。

  • 分布器：能够改变从一次能源传送到发动机的流体流速；
  • 执行链：电控信号通常是电流放大，并馈入一个（直接地或间接地）驱动分布器的电磁阀，其位置由适当的传感器测量；
  • 结果：得到一个基于阀杆位置的伺服系统——「它可以减少可能在发动机控制中发生的任何稳定性问题」。

线性化：通过灵巧的机械设计可能获得线性化特性；控制信号的量值决定压缩流体通过分布器的流速。

这里值得注意的是方法：液压放大器的核心不是「放大电流」，而是「用一个位置伺服系统去驱动一个阀」——把流量控制问题转化成一个成熟的阀杆位置控制问题，这正是教材所说的「减少稳定性问题」。

考点 · 老师原话（录播时间点）

直流与交流的分工：「而对于控制无刷，这时候就需要把它转化成交流，把直流转成交流，来提供给无刷（直流）电机的各个（相）」（01:01:00）。

液压靠改流速：「对于液压发动机呢，可以通过改变传送到发动机的流体的流速，来实现对发动机的（控制）」（01:02:04）。

默写点 · 合上书再写（主动回忆）
  1. 放大器从能源取功率，取多少由什么决定？取来的功率分成哪两部分？
  2. 永磁直流与无刷直流各配什么放大器？为什么？
  3. 功率转化率与功率增益的定义式各是什么？为什么增益能到 10610^6？
  4. 液压侧靠什么调节发动机？「基于阀杆位置的伺服系统」是怎么构成的？
核对

取多少由控制信号 PcP_c 决定；取来的功率一部分传送到执行器（PaP_a），一部分耗散（PdaP_{da}）。

永磁直流配 DC-DC 变换器（斩波器），因为其电压/电流是直流的；无刷直流配 DC-AC 变换器（逆变器），因为其电压/电流是交流的（需把直流转成交流供给各相）。

PaPa+Pda>0.9\dfrac{P_a}{P_a+P_{da}}>0.9；PaPc\dfrac{P_a}{P_c} 达 10610^6 级。因为分母 PcP_c 只是控制信号的功率，能量主体 PeP_e 从能源来，故比值可以极大。

靠改变传送到发动机的压缩液体的流速。构成：电流放大后的电控信号 → 电磁阀（直接或间接驱动分布器）→ 分布器改变流速；阀杆位置由传感器测量并闭环，构成阀杆位置伺服系统。

5.1.3 小结与常见错误

  • 一句话：放大器 = 「用控制信号决定从能源取多少功率」的调节器，不是信号放大器。
  • 两条路线：电机侧按电压形式分斩波器/逆变器，控制量是电压（或电压与频率）；液压侧控制流量，靠电液伺服系统 + 分布器 + 阀杆位置反馈。
  • 两个数：功率转化率 > 0.9，功率增益 10610^6 级。
常见错误清单 · 自查三条
  1. 把 PcP_c 当成「被放大的信号」以为能量来自它——能量来自 PeP_e，PcP_c 只决定分配比例。
  2. 记反斩波器/逆变器：斩波 = DC-DC（永磁直流），逆变 = DC-AC（无刷）。
  3. 以为液压侧也在「放大电流」——放大的是阀的位移，流量才是被控量。