运动控制系统复习提纲newPPT课件.ppt

ThefinalexamofMotionControlTechnology 2020 3 18 1 Outline 直流电动机单闭环调速系统直流电动机双闭环调速系统异步机调压调速 机械特性异步机VVVF系统转差频率控制异步机多变量数学模型与磁场定向控制 矢量控制异步机的直接转矩控制 2020 3 18 2 他励直流电动机的机械特性 2020 3 18 3 由式可以看出 有三种方法调节电动机的转速 1 调节电枢供电电压U 2 减弱励磁磁通 3 改变电枢回路电阻R 2020 3 18 4 2020 3 18 5 1转速单闭环调速系统的组成 2020 3 18 6 2开环系统机械特性与闭环系统静特性的比较 机械特性比较 7 2020 3 18 结论 闭环系统可以获得比开环系统硬得多的静态特性 在满足一定静差率的要求下 闭环系统大大提高了调速范围 但是闭环系统必须设置检测装置和电压放大器 8 2020 3 18 9 2020 3 18 10 显然 简单的开环调速系统是满足不了生产机械工艺要求的 只有把额定负载下的转速降落从开环调速系统的r min降低到满足要求的2 63r min才行 这就应采用负反馈控制 构成闭环调速系统 2020 3 18 转速负反馈自动调速系统静态参数的计算 2020 3 18 11 无静差调速系统 图1 46积分控制无静差调速系统突加负载时的动态过程 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 12 2020 3 18 13 2转速 电流双闭环调速系统的组成 特点 1 ASR为PI调节器 系统无静差 起动时ASR的输出饱和 取Uim Idm 2 ACR起电流调节作用 对电流 转矩 指令的随动 对电流环内的扰动及时调节 组成原理图 从结构上看 电流调节环 内环 转速调节环 外环 2020 3 18 14 全数字式系统的实物图 比单闭环没有增加任何硬件 2020 3 18 15 3转速 电流双闭环调速系统的静特性 当调节器饱和时 输入和输出之间的联系被暂时隔断 相当于使该调节器所在的闭环成为开环 输出达到限幅值 当调节器不饱和时 PI调节器的积分作用使输入偏差电压在稳态时总是等于零 输出未达到限幅值 这样的稳态特征是分析双闭环调速系统的关键 2020 3 18 16 静特性分析 1 转速调节器不饱和 稳态工作时 2020 3 18 17 2020 3 18 18 2 转速调节器饱和 2020 3 18 19 2020 3 18 20 3 稳态参数的计算 2020 3 18 简答1 4分 简述调速系统中转速控制的要求和调速指标 2 5分 简述晶闸管相控变流器直流电机调速系统的主要问题 3 3分 典型I型系统和典型II型系统哪一个动态跟踪性能更好 哪一个抗干扰性能更好 4 4分 在转速 电流双闭环直流调速系统中 系统对于负载扰动和电网扰动 哪一个响应要快一些 为什么 5 4分 简述转速 电流双闭环直流调速系统的起动过程 并画出起动过程中的电流和转速波形 6 直流电机调速有种控制方式 分别是 计算 15分 有一系统 其控制对象的传递函数为要求设计一个无静差系统 按以下要求对系统进行动态校正 试确定调节器的结构 并选择其参数 在阶跃输入下 超调量 5 在阶跃输入下 超调量 2 2020 3 18 21 转速电流双闭环直流无静差调速系统在额定负载下稳定运行 转速调节器ASR和电流调节器ACR的输入分别为多少 分别列出ASR和ACR的输出表达式 若减少转速给定电压Un 而其它参数保持不变 则电动机转速n的变化是增加 减少或是不变 若减少转速反馈系数 而其它参数保持不变 则电动机转速n和转速反馈电压Un的变化是增加 减少或是不变 若突减负载至空载稳定运行 则电动机转速n和端电压Ud的变化分别是增加 减少或是不变 画出此时IdL Id n Uct在调整过程中的波形 2020 3 18 22 参考题 2020 3 18 23 交流部分 2020 3 18 24 交流电动机机械特性的表达式 1 稳态公式 2 与I2 不正交 有互感和漏感 3 与I2 还是中间变量 所以需要考察其他形式的表达式 1 物理表达式 25 2020 3 18 26 2020 3 18 三相异步电动机在电压 频率均为额定值不变 定 转子回路不串入任何电路元件条件下的机械特性 称为固有机械特性 其T s曲线 也即T n曲线 如图5 3 13所示 其中曲线1为电源正相序时的 曲线2为负相序时的曲线 1 形状 2固有机械特性分析 27 2020 3 18 28 2020 3 18 十一 恒压频比控制策略的出发点 采用电压型PWM逆变器 假设 忽略空间和时间谐波 忽略磁饱和 忽略铁损 29 2020 3 18 30 2020 3 18 31 2020 3 18 32 2020 3 18 1 基频以下调速 33 2020 3 18 2 基频以上调速 按照电力拖动原理 在基频以下 磁通恒定时转矩也恒定 属于 恒转矩调速 性质 而在基频以上 转速升高时转矩降低 基本上属于 恒功率调速 34 2020 3 18 基频以下的电压频 率协调控制时的机械特性 35 2020 3 18 36 2020 3 18 37 2020 3 18 38 2020 3 18 39 2020 3 18 40 2020 3 18 图6 3 7给出上述3种控制方式下的机械特性曲线 显然 恒控制的稳态性能最好 可以获得和直流电动机完全相同的线性机械特性 这正是高性能交流变频调速所要求的特性 41 2020 3 18 1 系统组成 2020 3 18 42 转差频率控制规律 Te s就是机械特性Te f s 2020 3 18 43 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 图6 40按恒 m值控制的Te f s 特性 2020 3 18 44 图6 41不同定子电流时恒Eg 控制所需的电压 频率特性 O Us 1 Const Eg 1 Const 定子电流增大的趋势 2020 3 18 45 系统组成 图6 42转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统结构原理图 2020 3 18 46 2020 3 18 47 要根据异步机的动态数学模型 方程式 选择合适的控制策略 使异步机得到与直流机相类似的控制性能 矢量控制与标量控制的主要区别 不仅要控制电流的大小 而且控制电流的相位 本质上 矢量控制的思想是按产生同样的旋转磁场这一等效原则建立的 2020 3 18 48 磁场等效原则 2020 3 18 49 3 2变换 2s 2r变换 K P变换 2020 3 18 50 Te ist r一定ism 常数 则 r一定 异步电动机在二相同步旋转坐标系上按转子磁场定向的数学模型 M T坐标系数学模型 6 129 6 136 6 137 6 135 2020 3 18 51 图6 52异步电动机的坐标变换结构图3 2 三相 两相变换 VR 同步旋转变换 M轴与 轴 A轴 的夹角 3 2 VR 等效直流电动机模型 A B C iA iB iC it im i i 异步电动机 异步电机的坐标变换结构图和等效直流电机模型 2020 3 18 52 矢量控制系统原理结构图 图6 53矢量控制系统原理结构图 2020 3 18 53 设计控制器时省略后的部分 2020 3 18 54 磁链开环 转差型矢量控制的交 直 交电流源变额调速系统 图6 61磁链开环转差型矢量控制系统原理图 2020 3 18 55 转速 磁链闭环控制的电流滞环型PWM变频调速系统 图6 60带转矩内环的转速 磁链闭环矢量控制系统 2020 3 18 56 基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统 概述直接转矩控制系统简称DTC DirectTorqueControl 系统 是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统 在它的转速环里面 利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩 因而得名 2020 3 18 57 如果对准这一目标 把逆变器和交流电动机视为一体 按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作 其效果应该更好 这种控制方法称作 磁链跟踪控制 下面的讨论将表明 磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的 所以又称 电压空间矢量PWM SVPWM SpaceVectorPWM 控制 或 2020 3 18 58 2020 3 18 59 每次切换开关状态时 只切换一个功率开关器件 以满足最小开关损耗 2020 3 18 60 转矩的控制 设转子磁链和定子磁链为正弦量Te kTe Ts J r kTe s r sin s r kTe s r sin sr 1 由于转子的机械时间常数很大 所以转子磁链的变化远慢于定子磁链 原理分析 2020 3 18 61 转矩的控制 2 如果转子磁链和定子磁链的幅值被控制为一定 则电磁转矩的控制可以通过控制定子磁链的角度 s来实现按 1 式控制转矩时需要做两件事将定子磁链的幅值 s 控制为一定控制定子磁链角度 s来控制 sr 从而控制电磁转矩Te 原理分析 2020 3 18 62 实现方法 实现方法举例 s Te s Te 2020 3 18 63 实现方法 实现方法举例 s Te s Te 2020 3 18 64 实现方法 实现方法举例 2020 3 18 65 实现方法 电压开关矢量表 66 2020 3 18 67 2020 3 18 68 实现方法 控制系统构成图 2020 3 18 69 6 8 1直接转矩控制系统的原理和特点 系统组成 图6 62按定子磁链控制的直接转矩控制系统 逆变器异步电动机 2020 3 18 70 2020 3 18 71 表6 1直接转矩控制系统和矢量控制系统特点与性能比较 72 2020 3 18 73 2020 3 18 74 2020 3 18 75 参考题论述与绘图题 共30分 3分 分别画出恒压频比控制时及变压调速时的各两条机械特性 4分 在同一张图上定性画出以下几条曲线 从s 0到s 1 异步电动机固有的机械特性 异步电动机恒U f比控制时 变频调速的机械特性 并说明在0 sm和sm 1时 转矩Te与s的近似关系 异步电动机恒Eg f比控制时 变频调速的机械特性 异步电动机矢量控制时的机械特性 并说明此为何种值保持恒定的控制 3分 通过上述曲线比较说明矢量控制的优点 共有哪几种矢量变换 并说明转矩Te与哪几个电流有何种关系 20分 比较直接转矩控制DTC与矢量控制VC在控制方法上有什么异同 为什么说DTC是定子磁链控制 其依据是什么 2020 3 18 76 二 计算题 20分 某V M直流调速系统的直流电动机的额定值为60kW 220V 305A 1000r min 主回路总电阻R 0 18 电枢电阻 0 066 要求D 20 5 开环调速系统能否满足要求 采用转速负反馈构成单闭环系统 且已知晶闸管整流器与触发装置的电压放大系数 30 转速反馈系数 为了满足给定的要求 计算放大器的电压放大系数 2020 3 18 77 一 填空与简答 共40分 异步机变频调速系统在基频以下改变频率调速时为什么要同时改变电压 基频以下调速磁通 为多少 此时属于什么调速 分别写出典 典 系统的开环传递函数W S 的表达式 写出截止频率 c的表达式以及典 系统放大倍数K与及参数 与时间常数T和中频宽h的关系式 转速电流双闭环直流无静差调速系统在额定负载下稳定运行 若减少转速反馈系数 而其它参数保持不变 则电动机转速n和转速反馈电压Un的变化是增加 减少或是不变 若突减负载至空载稳定运行 则电动机转速n和端电压Ud的变化分别是增加 减少或是不变 画出此时IdL Id n Uct在调整过程中的波形 矢量控制的核心是 矢量控制要经过 等三种变换 来实现交流机与直流机的等效 2020 3 18 78 异步电动机在变压调速工作时 其最大转矩随电机电压的降低而 这是因为