运动控制系统直流部分.ppt

运动控制系统MotionControlTheory主讲人 罗慧 控制科学与工程系 E mail keyluo 1 直流调速系统 电力拖动自动控制系统 第1篇 2 引言 直流电机调速系统优点 调速范围广 易于实现平滑调速 起动 制动性能好 动态性能良好 缺点 有换向器和电刷 高速或过载时容易产生换向火花 使用环境受限 噪声大 维护困难 结构复杂 成本高 交流电机调速系统优点 异步电动机结构简单 坚固耐用 维护方便 造价低廉 使用环境广 运行可靠 便于制造大容量 高转速 高电压电机 缺点 调速性能比直流电机差 尤其是低速时 3 引例 他励直流发电机端电压自动控制系统 1 问题的提出 励磁绕组 额定转速 负载电流 电机的电枢绕组内阻为R1 4 用户用电量的多少随时间变化 负载电流I是经常波动的 依发电机外特性 问题提出 不论负载电流I如何变化 如何保证发电机的输出电压恒为额定值 发电机的空载电势 发电机的电枢电阻 额定负载电流 额定端电压当时 当时 5 2 解决方案一 开环控制 人工调节 工人测量发电机端电压 判断输出端电压是否正常 如果不正常就改变励磁电流 使端电压等于希望值 6 3 解决方案二 采用闭环控制 平衡工作点 如果偏离平衡工作点 功率放大 7 建立高性能的自动控制系统的原则 采用闭环系统引入负反馈按偏差控制 8 交直流调速系统的应用制造业 钢板连轧 加工机床 电炉 造纸 印刷 纺织 印染 起重 传送等高新产业 机器人 电动汽车 高速列车等生活 冰箱 空调 洗衣机 电梯等军事 舰炮控制 潜艇推进等 9 开环or闭环 开环调速系统 开环 系统的输出量不被引回 对系统的控制部分不产生影响 例 步进数控 10 连轧机 闭环调速系统 11 12 自动控制系统设计步骤 直流调速系统研究方法 系统建模 物理模型 数学模型 2 系统分析 开环系统 单闭环系统 双闭环系统 静态特性 动态性能 系统设计 频域分析方法 工程设计方法 13 直流电机的模型 直流电动机运行遵循的4个基本方程 14 直流电机的动态模型 15 电枢回路的电磁时间常数 电机拖动系统的机电时间常数 直流电机的动态模型 16 电枢回路的电磁时间常数 电机拖动系统的机电时间常数 直流电机的静态模型 17 2 1可控直流源及建模2 2稳态调速性能指标和开环系统的机械特性2 3转速反馈控制的直流调速系统 比例单环 2 4带电流截止负反馈的直流调速系统 比例单环 2 5比例积分控制规律和无静差调速系统 PI单环 第2章转速反馈控制的直流调速系统 18 直流电机稳态转速方程 直流电机调速方法 调节转速的方法 1 改变电枢回路电阻R2 改变励磁磁通 3 改变电枢电压Ud 19 图1旋转变流机组供电的直流调速系统 G M系统 2 1直流调速系统用的可控直流电源一 3种可控直流电源 20 1 旋转变流机组 2 静止式可控整流器 通过晶闸管 Thyristor 直接对交流电源电压进行可控整流 电流连续时 整流电压的平均值 21 图2晶闸管可控整流器供电的直流调速系统 V M系统 V M系统的优点 与G M系统相比较 晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上 其门极电流可以直接用晶体管来控制 不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器 在控制作用的快速性上 变流机组是秒级 而晶闸管整流器是毫秒级 这将大大提高系统的动态性能 22 V M系统的缺点 由于晶闸管整流器的单向导电性 它不允许电流反向 给系统的可逆运行造成困难 电流容易断续 需串联较大的平波电抗器 由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变 殃及附近的用电设备 造成 电力公害 23 图1 5直流斩波器 电动机系统的原理图和电压波形 3 直流PWM变换器 24 1 直流斩波器 电动机得到的平均电压为 输出电压计算 式中T 开关周期 ton 开通时间 占空比 ton T tonf 其中f为开关频率 25 2 桥式双极性PWM变换器 输出电压平均值 26 PWM调速系统的优点 1 主电路结构简单 需用的功率器件少 2 低速性能好 稳速精度高 调速范围宽 可达1 10000左右 3 开关频率高 动态性能好 若与快速响应的电机配合 则系统频带宽 动态响应快 4 直流电源采用不控整流时 电网功率因数比相控整流器高 27 二 晶闸管整流开环调速系统的机械特性 V M调速系统的机械特性电流连续时 电流断续时 1 理想空载转速很高 2 机械特性很软 相当于整流内阻变大 见表2 1 三 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数 非线性晶闸管整流放大系数的线性化处理 29 如果不能实测特性 可以根据装置的参数估算 例如 设触发电路控制电压的调节范围为Uc 0 10V相对应的整流电压的变化范围是Ud 0 220V可取 Ks 220 10 22 晶闸管触发和整流装置的放大系数估算 30 晶闸管整流传递函数的近似处理 晶闸管触发与整流的失控时间与纯滞后特性 以单相全波纯电阻负载整流电路为例 31 具体见表2 2 晶闸管触发与整流装置的传递函数 如果失控时间足够小 满足以下条件 可以忽略高阶项 晶闸管触发与整流装置的传递函数可近似为一阶惯性环节 32 闭环截止频率 开环截止频率 四 直流PWM调速系统的机械特性 不可逆PWM变换器 定义 对不可逆PWM变换器 特点 线路简单 电流不能反向 无制动能力 只能单象限运行 33 不可逆直流PWM调速系统的机械特性 34