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运动控制系统 期末复习资料 修订第 3 版 第 1 章 绪论 1 什么是运动控制 电力传动又称电力拖动 是以电动机作为原动机驱动生产机械的系统的总称 运动控制系统是将电能转变为机械能的装置 用以实现生产机械按人们期望的要求运行 以满足生产工艺及其它应用的要求 2 运动控制系统的组成 现代运动控制技术是以电动机为控制对象 以计算机和其它电子装置为控制手段 以电力电子装置为弱电控制强电的纽带 以自动控制理论和信息处理理论为理论基础 以计算机数字仿真或计算机辅助设计为研究和开发的工具 3 运动控制系统的基本运动方程式 第 2 章 转速反馈控制的直流调速系统 1 晶闸管 电动机 V M 系统的组成 纯滞后环节 一阶惯性环节 2 V M 系统的主要问题 由于电流波形的脉动 可能出现电流连续和断续两种情况 3 稳态性能指标 调速范围 D 和静差率 s D 1 额定速降 D s 0 4 闭环控制系统的动态特性 静态特性 结构图 5 反馈控制规律和闭环调速系统的几个实际问题 积分控制规律和比例积分控制规律 积分控制规律 t 0 nc d 1 tUU 比例积分控制规律 稳态精度高 动态响应快 6 有静差 无静差的主要区别 比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状 而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史 比例积分放大器的结构 PI 调节器 7 数字测速方法 M 法测速 T 法测速 M T 法测速 8 电流截止负反馈的原理 采用某种方法 当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流 而电流正常时仅有转速负反 馈起作用控制转速 电流截止负反馈的实现方法 引入比较电压 构成电流截止负反馈环节 9 脉宽调制 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 10 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 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 d d d d m eLmm m m JTTDK t t rad m m e L J T T D K 2 机械转动惯量 kg m 转子的机械角速度 rad s 转子的机械转角 电磁转矩 N m 负载转矩 N m 阻转矩阻尼系数 扭转弹性转矩系数 运动控制系统 期末复习资料 修订第 3 版 11 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 12 静差率 s 与空载转速 n0 的关系 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 13 反馈控制有静差调速成系统原理图 各部件的名称和作用 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 14 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 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 15 闭环空载转速 n0b 比开环空载转速 n0k 小多少 如何保证 n0b n0k 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 16 clcl e d e nsp nn KC RI KC UKK n 0 1 1 1 gbgk UUK 运动控制系统 期末复习资料 修订第 3 版 17 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 18 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 19 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 20 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 21 截流环节的主要作用和物理实现的方法 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 22 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 23 比例积分 PI 调节器的特点 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 24 数字 PWM 调速系统与 PWM 调速系统有多大差异 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 25 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 3 章 转速 电流反馈控制的直流调试系统 1 双闭环调速系统的组成 ASR 转速调节器 ACR 电流调节器 TG 测速发电机 TA 电流互感器 UPE 电力电子变 换器 2 双闭环调速系统静特性 在正常运行时 为了实现电流的实时控制和快速跟随 希望电流调节器不要进入饱和状态 因此 对于静特性来说 只有转速调节器饱和与不饱和两种情况 3 起动过程分析 第 I 阶段电流上升的阶段 第 II 阶段恒流升速阶段 第 阶段转速调节阶段 转速调节器的作用 1 转速调节器是调速系统的主导调节器 它使转速 n 很快地跟随给定电压变化 稳态时可减小转速误差 如果采 用 PI 调节器 则可实现无静差 2 对负载变化起抗扰作用 3 输出限幅值决定电机允许的最大电流 电流调节器的作用 0 0 nncd nnnn UUUU EnUUUU 运动控制系统 期末复习资料 修订第 3 版 1 作为内环的调节器 在外环转速的调节过程中 它的作用是使电流紧紧跟随外环调节器的输出量变化 2 对电网电压波动起及时抗扰作用 3 在转速动态过程中 保证获得电机允许的最大电流 从而加快动态过程 4 当电机过载甚至堵转时 限制电枢电流的最大值 起快速的自动保护作用 4 控制系统的动态性能指标 跟随性能指标和抗扰性能指标 5 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 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 6 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 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 7 转速电流双闭环系统中 转速调节器 电流调节器的作用 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 8 直流调速系统有哪些主要性能指标 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 第 4 章 可逆控制和弱磁控制的直流调速系统 1 直流 PWM 可逆系统的原理 改变 PWM 变换器输出电压的正 负极性 使得直流电动机可以四象限运行 转速反向的过渡过程 直流 PWM 功率变换器的能量回馈 PWM 变换器的直流电源通常由交流电网经不可控的二极管整流器产生 并采用大电容 C 滤波 以获得恒定的直流电压 电容 C 同时对感性负载的无功功率起储能缓冲作用 2 V M 可逆直流调速系统的主回路结构 单组 V M 系统的可逆运行 带位能性负载 两组晶闸管反并联可逆 V M 系统 电动机的平均电枢电流 Id先从正向 IdL降低为零 a b 然后从零上升到允许的制动电流 Idm 其大小受到电流环控制 b c 接下来电动机工作在回馈制动状态 转速将减小到 0 c d 从 d 点开始 直流电动机进入了反向起动状态 d e 图中 e 点意味着转速要超调 转速环退保和 最终稳定工作在 f 点 电枢电流与 负载电流相等 e f 运动控制系统 期末复习资料 修订第 3 版 3 防止环流的措施 采用封锁触发脉冲的方法 在任何时候 只允许一组晶闸管装置工作 采用配合控制的策略 使一组晶闸 管装置工作在整流状态 另一组则工作在逆变状态 为了抑制瞬时脉动环流 可在环流回路中串入电抗器 4 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 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 5 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 第 5 章 基于稳态模型的异步电动机调速系统 1 异步电动机的稳态数学模型 异步电动机的机械特性 2 交 直 交变频器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 3 交 交变频器只有一个变换环节 把恒压恒频 CVCF 的交流电源直接变换成 VVVF 输出 因此又称直接变频器 4 PWM 控制技术 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 5 PWM 技术 电压正弦波 SPWM 消除指定次数谐波 SHEPWM 电流正弦波 CFPWM 圆形旋转磁场 SVPWM 6 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 7 转速开环变压变频调速系统的结构 由于系统本身没有自动限制起制动电流的作用 因此频率设定必须通过给定积分算法产 生平缓的升速或降速信号 8 转差频率控制规律 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 Tem 时 s 达到临 界值 sm 9 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