运动控制系统重要知识点串讲.ppt

第2章单闭环控制的直流调速系统 掌握 五大问题 晶闸管整流器 用可控整流器 以获得可调的直流电压 主要用于大容量 调速精度要求较低的系统 直流脉宽调制变换器 PWM 用恒定直流电源或不控整流电源供电 利用电力电子开关器件进行脉宽调制 以产生可变的平均电压 在中 小容量的系统中应用日益广泛 第一 直流调速系统用的可控直流电源 第二 调速系统稳态性能 调速范围 静差率 指标之间的关系 转速降 1 稳态指标 2 稳态结构图 能熟练绘制 3 稳态参数设计 请参考教材57面2 5 58面2 9 作业本 解题思路回顾 4 扰动性能分析 PI调节器输入 输出特性 比例部分能迅速响应控制作用 积分部分则最终消除稳态偏差 第三 PI调节的性能 有静差调速系统 当负载转矩由TL1突增到TL2时 有静差调速系统的转速n 偏差电压 Un和控制电压Uc的变化过程示于右图 无静差调速系统 虽然现在 Un 0 只要历史上有过 Un 其积分就有一定数值 足以产生稳态运行所需要的控制电压Uc 积分控制规律和比例控制规律的根本区别就在于此 思考题 1在转速负反馈单闭环有静差系统中 突减负载后系统又进入稳定运行状态 此时 输出电压Ud是增加 减小还是不变 2在无静差调速系统中 突加负载后进入稳态时转速和输出电压Ud是增加 减少还是不变 第四 数字控制 1 数字控制特点 信号的离散化是微机数字控制系统的第一个特点 信号的数字化是微机数字控制系统的第二个特点 增加一对发光与接收装置 使两对发光与接收装置错开光栅节距的1 4 正转时A相超前B相 反转时B相超前A相 采用简单的鉴相电路可以分辨出转向 2 数字检测正反转的原理 M法测速 3 测速方法 M法测速只适用于高速段 T法测速 T法测速适用于低速段 M T法测速 高低速段均可 PI调节器算法 4 数字PI调节器 位置式算法 增量式算法 第五 过电流保护 电流截止负反馈 1 两个原则 Idbl应小于电机允许的最大电流 一般取 Idbl 1 5 2 IN从调速系统的稳态性能上看 希望稳态运行范围足够大 截止电流应大于电机的额定电流 一般取 Idcr 1 1 1 2 IN 2 参数设计 请参考教材58面2 10 第3章 转速 电流反馈控制的直流调速系统 掌握三大问题 第一 转速 电流双闭环直流调速系统结构及性能 1 系统稳态结构图 熟练绘制 2 限幅对系统的影响 饱和 输出达到限幅值当调节器饱和时 输出为恒值 输入量的变化不再影响输出 除非有反向的输入信号使调节器退出饱和 即饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系 相当于使该调节环开环 不饱和 输出未达到限幅值当调节器不饱和时 PI作用使输入偏差电压在稳态时总是零 思考 限幅的作用呢 3 稳态参数计算 具体计算参见P94 习题3 1 3 2 作业本 4 系统相关问题分析 在双闭环调速系统中 若要调节电机的转速可以调什么参数 若要调节堵转电流需要调节什么参数 双闭环调速系统中 均用PI调节器 系统带额定负载运行 转速反馈突然断线 系统的运行状态分析 电流过载倍数为2 运行在额定工作点 突然励磁电源下降到原来的一半 分析系统的运行情况 第二 双闭环系统的起动过程分析 思考 1 经历了哪几个过程 调节器对应的状态 2 系统能以最大加速度启动的根本原因 3 恒流升速时 电流只能接近于最大电流而不能完全达到最大电流的原因 第三 工程设计方法 1 典型系统 或 且 比T大得越多 系统的稳定性越好 2 具体设计 参见教材P94习题3 7及作业 可逆直流调速系统 第4章 掌握三大问题 第一 V M系统中的环流 1 环流种类 A静态环流 两组可逆线路在一定控制角下稳定工作时出现的环流 其中又有两类 直流平均环流 由晶闸管装置输出的直流平均电压所产生的环流称作直流平均环流 瞬时脉动环流 两组晶闸管输出的直流平均电压差为零 但因电压波形不同 瞬时电压差仍会产生脉动的环流 称作瞬时脉动环流 B动态环流 仅在可逆V M系统处于过渡过程中出现的环流 2 直流平均环流的抑制 配合控制 Ud0f Ud0maxcos fUd0f Ud0maxcos r 整流 逆变 当刚好满足 时 称为配合控制 此控制方法可以抑止平均环流 产生原因 平均电压差异 即 和 的差异 3 瞬时脉动环流及抑制 直流平均环流可以用配合控制消除 而瞬时脉动环流却是自然存在的 为了抑制瞬时脉动环流 可在环流回路中串入电抗器 叫做环流电抗器 或称均衡电抗器 用Lc表示 环流电抗的大小可以按照把瞬时环流的直流分量限制在负载额定电流的5 10 来设计 产生原因 瞬时电压差异 第二 无环流逻辑控制器 2 DLC动作的充分必要条件 1 组成 电流给定信号Ui 改变极性和零电流检测器发出零电流信号 第三 PWM可逆调速系统 1 PWM变换器 主电路 的工作原理 在一个开关周期内 当0 t ton时 UAB US 电枢电流id沿回路1流通 当ton t T时 驱动电压反号 id沿回路2经二极管续流 UAB US Ton 1 2 UAB的平均值为正 电动机正转 反之则反转 Ton 1 2 平均输出电压为零 电动机停止 脉宽调制器是控制电路的核心 它将输入直流信号转换成与之成比例的方波信号 以便于对晶体管进行控制 2 脉宽调制器的工作原理 调制波信号 提供基准 偏置信号 调零 控制信号 调节脉冲宽度 波形分析 基于稳态模型的异步电动机变频调速系统 第5章 掌握四大问题 第一 交流调速的基本类型 异步电动机转速表达式为 改变定子供电电源频率 变频调速 改变磁极对数 改极调速 改变转差率 改变转差率调速 串电阻 调压 转差功率消耗型调速系统转子串电阻的调速 改变转子电压调速 转差离合器调速 转差功率回馈型调速系统串级调速 转差功率不变型调速系统改极调速 变频调速两种调速方法属于此类 第二 交流变频调速的基本理论 保持电机中每极磁通量为额定值不变 如果磁通太弱 没有充分利用电机的铁心 是一种浪费 如果过分增大磁通 又会使铁心饱和 从而导致过大的励磁电流 严重时会因绕组过热而损坏电机 1 变频调速的基本原则 异步电动机的电动势Eg 气隙 或互感 磁通在定子每相绕组中的感应电动势 Es 定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势 Er 转子全磁通在转子绕组中的感应电动势 折合到定子边 异步电动机的磁通气隙磁通 Eg f1 c定子全磁通 简称定子磁通 ES f1 c转子全磁通 简称转子磁通 Er f1 c 2 变频调速的控制方式 异步电机变压变频调速的控制特性 Us mN m 3 交流变频调速控制的机械特性 几种电压 频率协调控制方式的特性比较 不同电压 频率协调控制方式时的机械特性 恒Er 1控制 恒Eg 1控制 恒Us 1控制 a b c 几种协调控制方式的比较 综上所述 在正弦波供电时 按不同规律实现电压 频率协调控制可得不同类型的机械特性 恒压频比 Us 1 Constant 控制最容易实现 它的变频机械特性基本上是平行下移 硬度也较好 能够满足一般的调速要求 但低速带载能力有些差强人意 必须对定子压降实行补偿 恒Eg 1控制通常是对恒压频比控制实行电压补偿而实现的 可以在稳态时达到气隙磁通 m Constant 从而改善了低速性能 但机械特性还是非线性的 产生转矩的能力仍受到限制 恒Er 1控制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特性 按照转子全磁通 rm恒定进行控制 即得Er 1 Constant 而且 在动态中也尽可能保持 rm恒定是矢量控制系统的目标 当然实现起来是比较复杂的 第三 变频调速系统中的变频器 1 变频器的分类 直接变频器 亦称交 交变频器 它直接将固定频率的交流电源电压变换成幅值和频率均可调的交流电压 AC AC间接变频器 亦称交 直 交变频器 它先通过整流器将固定频率的交流电源电压变换成平均值可调的直流电压 再通过逆变器将直流电压变换成幅值和频率均可调的交流电压 AC DC AC 根据滤波器不同 间接变频器又可分为 电压源型变频器 电容滤波 变频电源近似于电压源电流源型变频器 电感滤波 变频电源近似于电流源 2 变频器中的脉宽调制 PWM 技术 正弦波脉宽调制 SPWM 技术电流滞环跟踪PWM CFPWM 控制技术电压空间矢量PWM SVPWM 控制技术 正弦波脉宽调制 SPWM 技术 控制目的 输出电压和正弦波形等效控制方法 调制法 正弦波作为调制信号 三角波作为载波 两波相交处控制器件的通断 输出SPWM波形 控制电路框图 三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形 电流滞环跟踪控制技术 CFPWM 控制目的 输出电流和正弦波形等效 控制方法 对电流实行闭环控制 采用带滞环的比较器控制器件的开关 将电流限定在正弦信号附近波动 滞环比较方式电流跟踪控制原理 滞环比较器 环宽 2h 滞环比较方式的指令电流和输出电流 电压空间矢量PWM SVPWM 控制技术 或称磁链跟踪控制技术 控制目的 使电动机内部形成圆形旋转磁场 以产生恒定的电磁转矩 控制方法 对空间电压矢量进行跟踪控制 采用线性组合方式 使空间矢量轨迹接近圆形 从而得到圆形的磁链轨迹 思路 逼近圆形时的磁链增量轨迹 如果要逼近圆形 可以增加切换次数 设想磁链增量由图中的 11 12 13 14这4段组成 这时 每段施加的电压空间矢量的相位都不一样 可以用基本电压矢量线性组合的方法获得 三种PWM控制方式的对比 SPWM希望输出电压等效于正弦信号 变频调速性能一般 CFPWM希望输出电流等效于正弦信号 变频调速性能比SPWM有所改善 SVPWM希望在异步电机内部形成圆形磁场 控制方式直接 有更少的开关次数 更大的直流电压利用率 更大的调制比和更易于数字化实现的优点 1 转速开环 电压频率协调控制的变频调速系统 第四 基于稳态模型的变频调速系统 工作频率设定 升降速时间设定 电压补偿设定 PWM产生 PWM电压 频率协调控制变频器的基本控制原理 转差频率控制的基本概念 控制拖动系统的动态性能其实就是控制电机的拖动转矩 异步电机中 令 s s 1 转差频率 Km 3np 在S很小且 m恒定的前提下 Te Km Us 1 2 s Rr 2 转速闭环 转差频率控制的变频调速系统 根据式Te Km Us 1 2 s Rr 得 当S很小且 m恒定时 Te近似与 s成正比 因此在上条件下 只要控制好 s就可以控制好Te 从而控制好系统的动态性能 使系统更加精确 这就是转差频率控制的意义 转差频率控制的规律 S必须很小 只需在控制过程中对 s限幅 就可以保证 S很小 的要求 维持 m必须恒定 只需在Us 1 恒值的基础上再提高电压Us以补偿定子电流压降即可 FBS PWM逆变器 M3 ASR 转差频率控制的变频调速系统 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 s 1 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 基于动态模型的异步电动机变频调速系统 第6章 第一 异步电动机的动态数学模型的性质 异步电机的动态数学模型是一个高阶 非线性 强耦合的多变量系统 直流电机动态数学模型只是一个单输入和单输出系统 电机的磁通关系影响着电机的数学模型复杂与否 a 三相交流绕组 三相静止坐标系 b 两相交流绕组 两相静止坐标系 c 旋转的直流绕组 两相同步旋转坐标系 第二 坐标变换的思路 第三 按转子磁链定向的异步电动机矢量控制系统 1 矢量控制原理结构图 基本原理 控制器输出的给定为在MT坐标系中的直流电流i m和i t 模仿直流电机控制 经同步反旋转变换变为静止两相坐标系中的交流电流给定信号i 和i 再经2S 3S变换成三相静止坐标系中的交流电流给定信号i A i B i C对实际的异步电机加以控制 又称转差频率矢量控制系统 一般属于磁链开环控制 它根据励磁电流分量ism和转矩电流分量ist的给定值以及转速检测值估算同步角速度 从而间接得到转子磁链相位角 2 间接矢量控制系统 1该系统是按转子磁链定向的间接矢量控制系统 2转速给定与实际速度比较经调节器输出得到直流电流给定信号ist 相当于直流电机的电枢电流 r 经计算转换得到另一直流电流给定信号ism 相当于直流电机励磁电流 经2r 3S坐标变换得到三相交流电流给定信号i a i b i c 经调节器调节得到三相交流电压给定信号 通过SPWM变频器控制实现速度控制 3由给定信号ist 及 r 经估算公式可得 s s和实际的 相加得到同步速度 1 对 1积分即可得到转子磁链的旋转角度 即可实现转子磁链的定向 系统的性能评价 这类矢量控制系统的磁场定向是由给定信号确定并靠矢量控制基本方程保证的 没有在系统运行过程中实时检测转子总磁链的方向角 问题1 这种系统属于间接磁场定向 由于电动机磁饱和情况和绕组温度变化对转子时间常数Tr的影响 以及动态过程中实际的定子电流幅值和相位与其给定值之间难免会存在偏差 这些