5.2 驱动
§5.1 讲的是部件,本节讲整条驱动链的动态行为。教材开篇一句就定下了方法(§5.2):
「本节介绍驱动机械手关节的电气驱动和液压驱动的工作。从描述动态特性的数学模型出发,得到可以突出控制特性和机械传输影响的方框图。」
也就是说:本节不满足于「电机有电阻电感」这种定性描述,而是要把每一段写成传递函数,最后拼成一张能拿去设计控制器的框图——这张框图将在第 8 章(运动控制)里被直接使用。录播 01:03:28–01:44:57。
两条路线与一条类比
本节要建立的两个模型结构完全平行,教材特意点明:「图 5.2 和图 5.6 的结构比较清楚地显示了电气驱动和液压驱动动态特性的类比关系」。这个类比可以一次性记住:
| 电气驱动 | 液压驱动 | 角色 |
|---|---|---|
| 电枢电压 | 阀杆位移 | 控制作用的入口 |
| 电枢电流 | 压差 | 与输出力矩成正比的内变量 |
| 电流反馈回路(传感器 ) | 压力反馈回路 | 局部反馈(结构特征) |
| 电枢电感 、电阻 | 可压缩性流速 、渗漏 | 造成动态滞后的储能/泄漏项 |
但教材随即给出一句重要的警告:「这种类比不应令人相信,可以由液压驱动来实现速度控制发电机或力矩控制发电机的作用」——压力反馈回路是液压系统的固有结构特征,「除非引入适当变换器并实现相关控制电路,否则不能将其修正」。换句话说:电气驱动可以选用要不要电流反馈,液压驱动的压力反馈去不掉。
执行系统是心脏、是肌肉:「整个上面就是咱们的关节执行系统……是(机器人)机械系统的心脏,相当于咱们人体的肌肉这部分」(01:03:27)。
接下来改从数学模型看:「咱们下面的几个 PPT 呢,主要就是从数学模型的角度出发,来分析咱们驱动系统或者执行系统的(性能)」(01:03:49)。
- 本节的方法是什么(一句话)?
- 电气驱动与液压驱动的框图里,哪两个变量互为类比?哪一个变量各自与输出力矩成正比?
- 为什么说液压的压力反馈「去不掉」,而电气的电流反馈可以「不用」?
核对
从描述动态特性的数学模型出发,画出能突出控制特性与机械传输影响的方框图。
控制入口:电枢电压 ↔ 阀杆位移 ;与输出力矩成正比的量:电枢电流 ↔ 压差 。
因为压力反馈是液压伺服阀/分布器/发动机这一物理结构的固有特征,除非额外引入变换器与控制电路才能改;而电流反馈在电气驱动里是一个可以取舍的设计选择(例如为抑制干扰力矩可以不加)。
5.2 小结与常见错误
- 一条方法论:从数学模型出发,把每一段写成方程,最后拼成能拿去设计控制器的框图(本节给出的两张图,第 8 章直接使用)。
- 一组类比:电气驱动与液压驱动的框图结构平行(控制入口、与力矩成正比的内变量、局部反馈回路),但压力反馈是液压的结构特征、去不掉,电流反馈则是可取舍的设计选择。
- 本章其余各节的引子:5.2.1 建立电气模型、5.2.2 建立液压模型、5.2.3 量化传动装置的影响、5.2.4 用它设计位置环。
- 以为「电气与液压可以互相替代特性」——教材明确警示:不能由液压实现速度 / 力矩控制发电机的作用(或反之)。
- 把驱动建模当成纯理论——这里的每一张框图都在第 8 章的控制器设计里出现。
- 漏掉「局部反馈」这一层——电气侧是电流环、液压侧是压力环,这是两者动态差别的关键所在。