运动控制系统清华版课件第4章

运动控制系统,大连理工大学城市学院,电子与自动化学院 教 师：梅彦平 2010-2011学年春季学期,第2篇 交流调速系统,本篇主要内容,一、概述 1、交流调速系统的发展 2、交流调速系统的主要类型 3、闭环控制的异步电动机变压调速系统 二、基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 1、转速开环恒压频比控制调速系统 通用变频器-异步电动机调速系统 2、转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.0 交流调速系统概述,本节主要内容 1、交流调速系统的发展 2、交流调速系统的主要调速方法 3、异步电动机调压调速系统,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,一、交流调速系统的发展,4.0 交流调速系统概述,1、“直调交不调”：,20%直流调速系统 80%交流传动系统,2、交流调速系统与直流调速系统的比较,直流调速系统：工艺复杂、成本高 换向器限制电机的容量和转速 电刷火花、环火限制安装环境 可靠性低、维护成本高 控制简单、调速性能好 交流调速系统：功率大、转速高、性价比高、不受环境影响 控制复杂、调速性能目前还不如直流系统,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,一、交流调速系统的发展,4.0 交流调速系统概述,3、交流调速系统的复杂性和难点,4、技术突破,（1）准确的数学模型难以建立 （2）转矩控制困难 （3）受调速装置中器件的发展阶段限制 （4）受调速系统精度和成本的限制,（1）电力电子技术的发展 （2）微处理器及数字信号处理技术的发展 （3）现代控制理论的应用及交流调速原理的发展和成熟,交流调速系统是今后传动系统发展的方向，特别是基于 交流电机动态模型的各种先进控制方法的交流调速系统。,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,二、交流调速系统的主要调速方法,转差功率消耗型：降电压调速、转差离合器调速、转子串电阻调速 转差功率馈送型：绕线电机串级调速 转差功率不变型：变极对数调速、变压变频调速,4.0 交流调速系统概述,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.0 交流调速系统概述,三、异步电动机调压调速,1、交流调压器相控三相交流调压电路,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.0 交流调速系统概述,三、异步电动机调压调速,1、交流调压器相控三相交流调压电路,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.0 交流调速系统概述,三、异步电动机调压调速,1、交流调压器相控三相交流调压电路,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.0 交流调速系统概述,三、异步电动机调压调速,1、交流调压器,电路结构： 采用晶闸管反并联供电方式 实现异步电动 机可逆运行,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.0 交流调速系统概述,三、异步电动机调压调速,2、调压调速,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.0 交流调速系统概述,三、异步电动机调压调速,2、调压调速,高转子电阻电动机 （交流力矩电动机） 在不同电压下的机械特性,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.0 交流调速系统概述,三、异步电动机调压调速,3、带转速负反馈的闭环控制异步电动机调压调速系统,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.0 交流调速系统概述,三、异步电动机调压调速,3、带转速负反馈的闭环控制异步电动机调压调速系统,静特性,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.0 交流调速系统概述,三、异步电动机调压调速,3、带转速负反馈的闭环控制异步电动机调压调速系统,异步电机闭环变压调速系统的静态结构图,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.1 异步电动机的变压变频调速基本原理,Us ,一、基本原理,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,1、基频向下调速恒压频比的控制方式,4.1 异步电动机的变压变频调速基本原理,一、基本原理,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,2、基频向上调速 Us=UsN m 减小,4.1 异步电动机的变压变频调速基本原理,一、基本原理,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.1 异步电动机的变压变频调速基本原理,二、电压频率协调控制时的机械特性,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,变压变频调速，必须具备能够同时控制电压幅值和频率的交流电源，即需要配置变压变频器VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）,4.2 电力电子变压变频器,一、交-交变压变频器,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,正、反两组晶闸管可控整流装置按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压 u0 ， u0 的幅值决定于各组可控整流装置的控制角 ， u0 的频率决定于正、反两组整流装置的切换频率。,4.2 电力电子变压变频器,一、交-交变压变频器,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.2 电力电子变压变频器,一、交-交变压变频器,整半周控制方式 如果控制角一直不变， 则输出平均电压是方波。,调制控制方式 要获得正弦波输出，就必须在每一组整流装置导通期间不断改变其控制角。,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.2 电力电子变压变频器,一、交-交变压变频器,三相桥式交交变频电路,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.2 电力电子变压变频器,二、交-直-交变压变频器,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.2 电力电子变压变频器,二、交-直-交变压变频器,1、SPWM调制原理 以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高 得多的等腰三角波作为载波（Carrier wave），并用频率和期 望波相同的正弦波作为调制波（Modulation wave），当调制波 与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻， 从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等 幅不等宽的矩形波。,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.2 电力电子变压变频器,二、交-直-交变压变频器,1、SPWM调制原理,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.2 电力电子变压变频器,二、交-直-交变压变频器,2、SPWM逆变器主电路,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.3 转速开环恒压频比控制调速系统 通用变频器-异步电动机调速系统,一、系统组成,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.3 转速开环恒压频比控制调速系统 通用变频器-异步电动机调速系统,一、系统组成,主电路由二极管整流器UR、PWM逆变器UI和中间直流电路三部分组成，采用大电容C 滤波，兼有无功功率交换的作用。,限流电阻：为了避免大电容C在通电瞬间产生过大的充电电流，在整流器和滤波电容间的直流回路上串入限流电阻（或电抗），通上电源时，先限制充电电流，再延时用开关K将短路，以免长期接入时影响变频器的正常工作，并产生附加损耗。,泵升限制电路：由于二极管整流器不能为异步电机的再生制动提供反向电流的通路，通用变频器一般都用电阻吸收制动能量。减速制动时，异步电机进入发电状态，首先通过逆变器的续流二极管向电容C充电，当中间直流回路的电压（通称泵升电压）升高到一定的限制值时，通过泵升限制电路使开关器件导通，将电机释放的动能消耗在制动电阻上。为了便于散热，制动电阻器常作为附件单独装在变频器机箱外边。,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.3 转速开环恒压频比控制调速系统 通用变频器-异步电动机调速系统,一、系统组成,控制电路现代SPWM变频器的控制电路大都是以微处理器为核心的数字电路，其功能主要是接受各种设定信息和指令，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的SPWM信号。微机芯片主要采用8位或16位的单片机，或用32位的DSP。,SPWM信号产生：可以由微机本身的软件产生，由SPWM端口输出，也可采用专 用的SPWM生成电路芯片。 检测与保护电路：各种故障的保护由电压、电流、温度等检测信号经信号处理 电路进行分压、光电隔离、滤波、放大等综合处理，再进入 A/D转换器，输入给CPU作为控制算法的依据，或者作为开关 电平产生保护信号和显示信号。,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.3 转速开环恒压频比控制调速系统 通用变频器-异步电动机调速系统,一、系统组成,给定积分：由于系统本身没有自动限制起制动电流的作用，因此，频率设定信 号必须通过给定积分算法产生平缓升速或降速信号，升速和降速的 积分时间可以根据负载需要由操作人员分别选择。,信号设定：需要设定的控制信息主要有：U/f 特性、工作频率、频率升高时间、 频率下降时间等，还可以有一系列特殊功能的设定。由于通用变频 器-异步电动机系统是转速或频率开环、恒压频比控制系统，低频 时，或负载的性质和大小不同时，都得靠改变U/f函数发生器的特 性来补偿，使系统达到恒定，在通用产品中称作“电压补偿”或“转矩 补偿”。,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.3 转速开环恒压频比控制调速系统 通用变频器-异步电动机调速系统,一、系统组成,变频器的基本控制作用,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.3 转速开环恒压频比控制调速系统 通用变频器-异步电动机调速系统,二、变频器简介,1、基本控制方式,U/f协调控制：结构简单，开环控制，精度和动态特性不理想； 转差频率控制：闭环控制，动、静态性能较好； 矢量控制：基于动态模型，动、静态性能好，结构复杂； 直接转矩控制：基于动态模型，动、静态性能好，结构复杂；,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.3 转速开环恒压频比控制调速系统 通用变频器-异步电动机调速系统,二、变频器简介,2、变频器品牌介绍,欧美：德国西门子、法国施耐德、芬兰ABB、美国艾默生、通用 日本：富士、安川、欧姆龙、松下、三垦、日立、东芝、三菱 国产：森兰、普传、安邦信、海利普、阿尔法、日业等。 国内占有率排名： 富士（12.5%）西门子（9.6%）ABB（9%）三菱（7.2%）安川（5.2%） 三垦（4.7%）施耐德（3.6%）艾默生（3.6%）森兰（2.4%）日立（2.2%）,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.3 转速开环恒压频比控制调速系统 通用变频器-异步电动机调速系统,二、变频器简介,3、变频器的选择,变频器型号的选择 考虑的基本内容是使用环境、电网电压、负载大小和特性。 变频器容量的选择 按标称功率选择 按电动机额定电流选择 按电动机实际运行电流选择 按转矩过载能力选择 按启动特性选择,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.3 转速开环恒压频比控制调速系统 通用变频器-异步电动机调速系统,二、变频器简介,4、富士变频器简介,主要包括紧凑型E11S系列、小容量通用紧凑型FRENIC-Mini 系列、高性能G11系列、风机泵类专用P11S系列以及高性能矢量控制型变频器VG7-UD系列等多种类型，同时每一种系列有包括了各种不同的容量等级，可满足各种应用领域和场合的不同容量和功能的要求。,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.3 转速开环恒压频比控制调速系统 通用变频器-异步电动机调速系统,二、变频器简介,4、富士变频器简介E11S,主要特点： 1、最小等级的小型化 2、PID功能 3、多种频率设定方法 4、标准RS-485通信接口 5、适用于大多数工业设备领域控制,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.3 转速开环恒压频比控制调速系统 通用变频器-异步电动机调速系统,二、变频器简介,4、富士变频器简介E11S,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.3 转速开环恒压频比控制调速系统 通用变频器-异步电动机调速系统,二、变频器简介,4、富士变频器简介E11S,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.3 转速开环恒压频比控制调速系统 通用变频器-异步电动机调速系统,二、变频器简介,4、变频器与PLC连接,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.4 转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统,一、问题的提出,1、转速开环变频调速系统：静、动态性能都有限。,2、引入转速闭环：提高动、静态性能，实现无静差。,3、具体分析：,调速系统的动态性能就是控制转矩的能力,二、转差频率控制的基本概念及控制规律,1、转差频率控制的基本概念,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.4 转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统,二、转差频率控制的基本概念及控制规律,令 s = s1 ，并定义为转差角频率,稳态运行s值很小时：,若保持磁通不变， 控制转差频率就代表控制转矩,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.4 转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统,1、转差频率控制的基本概念,2、转差频率控制规律,可以看出： 在s 较小的稳态运行段上，转矩 Te基本上与s 成正比； 当Te 达到其最大值Temax 时，s 达到smax值。,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.4 转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统,二、转差频率控制的基本概念及控制规律,取 dTe / ds = 0 可得：,2、转差频率控制规律,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.4 转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统,二、转差频率控制的基本概念及控制规律,转差频率控制的基本规律之一,就可以基本保持 Te与s 的正比关系。,在转差频率控制系统中，只要给s限幅，使其限幅值为,2、转差频率控制规律,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.4 转速闭环转差频控制的变压变频调速系统,二、转差频率控制的基本概念及控制规律,保持m恒定，按恒Eg/1控制时可保持m恒定。,2、转差频率控制规律,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.4 转速闭环转差频控制的变压变频调速系统,二、转差频率控制的基本概念及控制规律,从等效电路可知，要实现恒 Eg/1控制，须在Us/1 = 恒值的基础上再提高电压Us以补偿定子电流压降。忽略电流相量相位变化的影响，不同定子电流时恒Eg/1控制所需的电压-频率特性Us=f(1, Is)如图所示。,2、转差频率控制规律,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.4 转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统,二、转差频率控制的基本概念及控制规律,转差频率控制的基本规律之二,只要 Us 和1及 Is 的关系符合上图所示特性，就能保持 Eg/1 恒定，也就是保持 m 恒定。,2、转差频率控制规律,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.4 转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统,二、转差频率控制的基本概念及控制规律,总结起来，转差频率控制的规律是： （1）在ssm的范围内，转矩Te基本上与s成正比，条件是 气隙磁通不变。 （2）在不同的定子电流值时，按函数关系Us=f(1 ,Is) 控制定子电压和频率，就能保持气隙磁通m恒定。,1、系统组成,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,4.4 转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统,三、转差频率控制系统结构及性能分析,第4章 基于稳态模型 的异步电动机调速系统,频率控制：转速调节器ASR的输出信号是转差频率给定s*，与实测 转速信号 相加，即得定子频率给定信号1* 即,电压控制：由1*和定子电流反馈信号Is从微机存储的Us=f(1 ,Is) 函数中查得定子电压给定信号Us*，用Us*和1*控制PWM电 压型逆变器，即得异步电机调速所需的变压变频电源。,4.4 转