中国计量学院运动控制系统.ppt

1,运动控制系统,复习课,2,第二章,1.脉宽调制 p 答:利用电力电子开关的导通与关断，将直流电压变成连续可变的电压，并通过控制脉冲宽度或周期达到变压变频的目的。,3,第二章,2. 直流蓄电池供电的电流可反向的两象限直流斩波调速系统,已知:电源电压Us=300V,斩波器占空比为30%,电动机反电动势E=100V,在电机侧看,回路的总电阻R=1。问蓄电池的电流Id是多少?是放电电流还是充电电流? p 答:因斩波电路输出电压u0的平均值: U0=Us=30%300=90 V Ea Id=( U0- E)/ R=(90-100)/1=-10A 是充电电流,电动机工作在第象限的回馈制动状态, 直流蓄电池吸收能量。,4,第二章,3. PWM调速系统的开关频率 答: 电力晶体管的开关频率越高，开关动态损耗越大；但开关频率提高，使电枢电流的脉动越小，也容易使电流连续，提高了调速的低速运行的平稳性，使电动机附加损耗减小；从PWM变换器传输效率最高的角度出发，开关频率应有一个最佳值；当 开关频率比调速系统的最高工作频率高出10倍左右时，对系统的动态特性的影响可以忽略不计。,5,第二章,4静差率s与空载转速n0的关系 p19 答：静差率s与空载转速n0成反比，n0下降，s上升。所以检验静差率时应以最低速时的静差率 为准。,6,第二章,5. 反馈控制有静差调速成系统原理图,各部件的名称和作用。 p21 答： 比较器： 给定值与测速发电机的负反馈电压比较,得到转速偏差电压Un。 比例放大器A：将转速偏差电压Un放大，产生电力电子变换器UPE所需的控制电压Uc。 电力电子变换器UPE：将输入的三相交流电源转换为可控的直流电压Ud。 M电机：驱动电机。 TG发电机：测速发电机检测驱动电机的转速。 电位器：将测速发电机输出电压降压，以适应给定电压幅值U*n 。,7,第二章,6分析转速负反馈单闭环调速系统的基本性质,说明单闭环调速系统能减少稳态速降的原因，改变给定电压或者调整转速反馈系数能否改变电动机的稳态转速?为什么? P2325 答：负反馈单闭环调速系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降的变化。 稳态转速为： 从上式可可得：改变给定电压能改变稳态转速；调整转速反馈系数，则K也要改变，因此也能改变稳态转速。,8,第二章,7闭环空载转速n0b比开环空载转速n0k小多少?如何保证n0b=n0k p23 答: n0b是n0k的1/（1+K）。欲使n0b=n0k有两种办法： （1）若给定电源可变，则 。 （2）一般不能改变给定电源，则在控制器中引入KP为好。,8,9,第二章,9闭环控制系统具有良好的抗扰能力和控制精度的原因 答：闭环控制系统是建立在负反馈基础上，按偏差进行控制。当系统中由于某种原因使被控量偏离希望值而出规偏差时，必定产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差，使被控制量与希望值趋于一致，所以闭环控制系统具有良好的抗扰动能力和控制精度。,10,第二章,10闭环控制系统一般由哪几部分组成?有哪些作用量和被控制量? 答：闭环控制系统一般由给定元件、比较元件、放大校正元件、执行元件、被控对象、检测反馈元件等组成。系统有给定量(输入量)、反馈量、控制量、扰动量、被控量(输出量)。 11,11,第二章,12试说明转速负反馈调速系统工作原理。 答：转速负反馈直流调速系统由转速给定、转速调节器ASR、触发器GT、晶闸管变流器V、测速发电机TG等组成； 当电动机负载TL增加时，电枢电流Id也增加，电枢回路压降增加，电动机转速下降，则转速反馈电压Ufn也相应下降,而转速给定电压Ugn不变，U=Ugn-Ufn增加。转速调节器ASR输出Uc增加，使控制角减小,晶闸管整流装置输出电压Ud增加，于是电动机转速便相应自动回升,其调节过程可简述为： 上述过程循环往复，宣至U=0为止。,12,第二章,13反馈控制系统为什么极性不能接错 答：控制系统一般都是负反馈系统。如果错接成正反馈系统，对调速系统造成超速“飞车”或振荡等故障，后果非常严重。 14截流环节的主要作用和物理实现的方法 P 答: 电流截止负前(反)馈的作用是：(1)限流保护（过载自动保护）;(2)加速起动过程。 载流环节的物理实现方法有：(1)比较电压法;(2)稳压管法;(3)封锁运放法。,13,第二章,15有静差系统与无差系统的区别 答：根本区别在于结构上(控制器中)有无积分控制作用，PI控制器可消除阶跃输入和阶跃扰动作用下的静差，称为无静差系统，P控制器只能降低静差，却不能消除静差，故称有静差系统。,14,第二章,16比例积分(PI)调节器的特点 p 答:PI调节器的输出电压U0由两部分组成。第一部分KPUi是比例部分,第二部分 是积分部分。当t=0突加Ui瞬间，电容C相当于短路，反馈回路只有电阻Rf,此时相当于P调节器，输出电压 ，随着电容C被充电开始积分，输出电压U0线性增加，只要输入Ui继续存在，U0一直增加饱和值（或限幅值）为止。,15,第二章,17.数字PWM调速系统与PWM调速系统有多大差异? P9798 答: 两者之间没有本质的区别，主要区别是全数字PWM调速系统的控制电路应用微机控制,而一般PWM调速的控制电路应用集成电路控制，（当然其控制性能比微机控制要差很多）。,16,第二章,18. 简述8031单片机全数字直流调速系统的工作原理。 p 答: 主电路由4个电力晶体管模块构成的H型PWM变换器。 采用霍尔电流传感器经AD转换后将电流反馈信号Ui送给单片机，有四个电力晶体管的基极驱动电路，内用光电隔离元件使单片机与主电路隔离，测速发电机的输出电压Un、速度给定信号Un*，经AD转换器将模拟量变成数字量后输入单片机，单片机完成转速、电流的PI调节控制算法，产生与V-M系统调速相似的输出控制,19. 转速调节器为PI调节器的直流调速系统，当其反馈系数增大，系统稳定后转速反馈电压Un是增加、减小还是不变?,第二章,18,第三章,1双闭环调速系统拖动恒转矩负载在额定情况下运行，如调节转速反馈系数使其逐渐减小时，系统各环节的输出量将如何变化？,19,第三章,2. ASR和ACR均采用PI调节器的双闭环调速系统，Uim*=10V，主电路最大电流Idm=100A，当负载电流由20A增加到30A时,试问: Ui*应如何变化? Uct 应如何变化? Uct 值由哪些条件决定? P56，习题2-8 答: Ui*从2V增加到3V。 Uct略有增加。 Uct由转速n和负载电流Idl(稳态时即Id)决定。,20,第三章,3. 双闭环调速系统的起动过程分为几个阶段？各有什么特点？ 56-57 答: 双闭环直流调速系统突加给定电压 由静止状态起动时，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I、II、III三个阶段: 电流上升阶段, 电流 迅速上升,直到 ， ，电流调节器很快就压制了 的增长，在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR不饱和 恒流升速阶段,ASR饱和，转速环相当于开环，电流 基本上保持恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。 转速调节阶段。当转速上升到给定值 时，转速调节器ASR的输入偏差减小到零，输出维持在限幅值 ，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，开始退出饱和状态， 和 很快下降。 双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：饱和非线性控制；转速超调；准时间最优控制。,21,第三章,4. 在转速、电流双闭环调速系统中，出现电网电压波动与负载扰动时，哪个调节器起主要调节作用? p5859 答：电网电压波动时，ACR起主要调节作用;负载扰动时，ASR起主要抗扰调节作用。,22,第三章,5转速电流双闭环系统中，转速调节器、电流调节器的作用? p59 答：转速调节器和电流调节器的作用： (1)转速调节器ASR的作用。 1）转速n跟随转速给定电压Un变化?稳态无静差。 2)突加负载时转速调节器ASR和电流调节器ACR均参与调节作用，但转速调节器ASR处于主导作用，对负载变化起抗扰作用。 3）其输出电压限幅值决定允许最大电流值。 (2)电流调节器ACR的作用 1)起动过程中保证获得允许最大电流。 2)在转速调节过程中，使电流跟随其电流给定电压Un变化。 3）电源电压波动时及时抗扰作用，使电动机转速几乎不受电源电压波动的影响。 4)当电动机过载、堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到安全保护作用。,23,第三章,6直流调速系统有哪些主要性能指标? p19, p62 答：直流调速系统主要性能指标包括静态性能指标和动态性能指标两个部分。 静态主要性能指标有阔速范围D、静差率s、nN。动态性能指标分成给定控制信号和扰动信号作用下两类性能指标。给定控制信号作用下的动态性能指标有上升时间tr，调节时间ts (亦称过滤过程时间)和超调量。扰动信号作用下的动态性能指标有最大动态速降Nmax、恢复时间tv。,24,第四章,1什么叫环流?有环流可逆系统和无环流可逆系统相比较,有何优缺点?并说明有环流可逆系统的适用场合。 124，129 答：只限于两组晶闸管之间流通的短路电流称为环流。 环流具有二重性,缺点是:环流会显著地加重晶闸管和变压器的负担，增加无功损耗，环流过大会损坏晶闸管，影响系统安全工作。环流有可供利用之处，在电动机空载或轻栽时，环流可以保证晶闸管装置工作在电流连续区，避免了电流断续引起的非线性状况对系统动、静态性能的影响。环流还具有保证可逆系统的电流实现无间断反向，加快反向时的过渡过程之优点。 适用于中小容量系统, 有较高快速性能要求的系统。,25,第四章,2. 画出两组晶闸管装置反并联有环流(=工作制)可逆调速系统控制图，分析从电机正转高速制动到低速过程中，正、反组晶闸管装置和电动机各经历了哪几种工作状态? P126129 答：本组逆变（它组待整流）阶段，电流迅速下降； 它组进入整流（本组待逆变），电流反向增大； 它组反接制动逆变（本组待整流），电机减速回馈制动，把动能转换成电能，其中大部分通过它组逆变回馈电网。,26,第四章,3无环流可逆直流调速系统对逻辑装置的基本要求 答：(1)在任何情况下，绝对不允许同时开放正反两组晶闸管变流器的触发脉冲，必须是一组晶闸管变流器触发脉冲开放工作时，另一组晶闸管变流器触发脉冲封锁而关断。 (2)逻辑装置根据转矩极性信号(Ui)和零电流信号进行逻辑判断。当转矩极性信号(Ui)改变极性时，必须等到有零电流信号后，才允许进行逻辑切换。 (3)为了系统工作可靠，在检测出“零电流信号”后再经过“关断等待时间t1” (t1=23ms)延时后才能封锁原工作组晶闸管的触发脉冲,再经过“触发等待时间t2”延时后，才能开放另一待工作组晶闸管的触发脉冲。,4. 论述逻辑无环流可逆晶闸管直流电动机调速系统的由正向电动到反向电动的过程，如何实现电枢电流的反向？,答： 从正向电动到反向电动分别为四个阶段： 本组逆变阶段，电流方向不变，电流减小 它组整流阶段，反向电流建立，电流方向改变并迅速增大 它组逆变阶段，电流方向与2相同 反向启动阶段，它组整流，电流方向与3相同，包含反向转速上升、转速调节等阶段。,28,第五章,1. 异步电动机变频调速系统中，为什么在实现变频的同时必须使电压也相应地变化（恒压频比的控制方式）？在低频段为什么要对电压进行提升补偿？在工频以上的范围变频时，电压还应当变化吗？为什么？ P158160,29,第五章,2问： 变频器调速系统一般分为哪几类? P165-168 答：(1)变频调速系统一般可分为交流交流变频和交流直流交流变频两大类，一般常用的都是交流直流交流变频器。 (2)按中间回路对无功能量处理方式的不同分为电压型和电流型两类； (3)按控制方式的不同分为Uf比例控制、转差频率控制及矢量控制等三类。,30,基本思想：控制逆变器中电力电子器件的开通和关断，输出电压幅值相等、宽度按一定规律变化的脉冲序列，用这样的高频脉冲序列代替期望的输出电压 前提：全控式电力电子开关的出现,3.PWM控制技术的基本思想,31,4.正弦波脉宽调制(SPWM)技术,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，从而获得幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲序列，这种调制方法称做正弦波脉宽调制（SPWM）。,第五章,32,第五章,5通用变频器一般分为哪几类?在选用通用变频器时主要按哪些方面进行考虑? 答：通用变频器通常分为简易型、多功能型、高性能型等三类。在选择变频器时，一般根据用途和需要进行选择，主要从变频器的类型、性能和功能、容量的大小及输出电流大小等几方面来进行考虑。,33,第五章,6异步电动机变频调速系统常用的主电路形式有哪几种？并画出它们的简图。 答：间接变频装置(交-直-交变频装置) ，先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流。 直接变额装置(交交变频装置)，每一相都是一个由正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路。,34,1. 交流电机不同模型等效的原则是什么？试以电流为例写出三相静止坐标系变换到两相旋转坐标系的过程? 答：不同电动机模型彼此等效的原则是：在不同坐标下所产生的磁动势完全一致。 变换过程如下：1）三相-两相变换（3/2变换），三相静止绕组A