运动控制系统 4. 可逆调速系统和位置随动系统.ppt

2020/6/9、自动控制系统、可逆速度控制系统和位置伺服系统、电力拖动自动控制系统、第4章、2020/6/9、自动控制系统、基于本章前3章，进一步探讨可逆速度控制系统和位置伺服系统。本课件考虑了大部分学校教育时的限制，以及电气工程及其自动化专业的一般教育要求，以可逆调速系统为主要内容。2020/6/9，自动控制系统，4.1可逆直流速度控制系统，内容提要问题建议晶闸管-电动机系统的可逆线晶闸管-电动机系统的反馈制动两套晶闸管可逆线的回路循环可逆速度控制系统，2020/6/9，自动控制系统，自动控制系统，2020/6/9，自动控制系统，提出4.1.0问题(继续)，改变电枢电压的极性或改变励磁磁通方向，改变直流电动机的旋转方向本来是很简单的事情。但是，电动机供电后，电力电子装置的单向电气传导将使问题复杂化，需要专用可逆电力电子装置和自动控制系统。2020/6/9，自动控制系统，4.1.1单片机控制的PWM可逆直流速度控制系统，中小型可逆直流速度控制系统，多采用由电力电子电源开关设备组成的桥式可逆PWM变换器，如本书1.3.1节所述。第1.3.4节图1-22显示了电源开关设备使用IGBT的PWM可逆速度控制系统的主电路，在小容量系统中，可以使用智能电源模块(IPM)封装IGBT、速流二极管、驱动电路和过流、低压保护等。2020/6/9，自动控制系统，系统配置，图4-1PWM可逆直流速度控制系统示意图，2020/6/9，自动控制系统，系统配置(续)，图中的ur-adapter；需要注意的是，UPEM桥可逆电力电子转换器，主电路与图1-22相同，DC转换器必须是可逆的。包含Gd-光隔离电路和开关放大电路的驱动电路模块；2020/6/9，自动控制系统，系统配置(续)，单芯片微机软件中包含的UPW-PWM波生成链接；Tg-对于速度测量发电机，如果速度调整精度高，可以使用数字速度测量代码盘。Ta-霍尔电流传感器；给定定量n*，给定I*d和反馈n，Id已经是数值量了。2020/6/9，自动控制系统，如图3-4所示，控制系统一般为转速，电流双闭环控制，电流环为内环，速度环为外环，内环的采样周期小于外环的采样周期的系统控制。电流采样值和速度采样值都有AC组件，通常使用阻塞电路过滤，但由于阻塞值过大导致动态响应延迟，因此可能会将硬件过滤和软件过滤功能结合在一起。2020/6/9，自动控制系统，系统控制(续)n * max到0到n * max之间的旋转速度发生变化，达到正常状态后，输出到微型计算机的PWM信号占空比将在0到0范围内发生变化，UPEM输出平均电压系数=1、2020/6/9、自动控制系统、同一腿臂和下两个电源电子设备不能同时打开，直流电源段落在从VT1、VT4指南切换到VT2、VT3指南或反向切换时应留出死区时间。对于功率晶体管，死区时间约为30s需要。对于IGBT，死区时间必须小于或等于5s。2020/6/9，自动控制系统，具有4.1.2循环控制的可逆晶闸管-电动机系统，i.v-m系统的可逆线根据电机理论改变电枢电压的极性或改变励磁磁通方向，可以改变直流电动机的旋转方向。因此，V-M系统的可逆线有两种方法：电枢反转可逆线。女子反向可逆线。，2020/6/9，自动限制系统，1。有多种形式的电枢反向线、电枢反向可逆线。此处介绍了以下三种方法：(1)接触器开关切换用可逆线(2)晶闸管开关切换用可逆线(3)两组晶闸管设备反向并行可逆线，2020/6/9，自动控制系统，(1)接触器开关切换用可逆线，KMF闭合，KMR关闭，马达反转。ud，id，id，2020/6/9，自动控制系统，(2)用于晶闸管交换机交换的可逆线路，VT1，VT4传导VT2、VT3传导、马达反转。晶闸管交换机交换的可逆线路，ud，id，vt1，vt2，vt3，vt4，id，缺点：接触开关，开关寿命短；汽车自由停车后才能反转，需要很长时间。应用：不经常反转的生产机器。2020/6/9，自动控制系统，(3)晶闸管设备半并行可逆线2套，功率更大的可逆直流调速系统更多地使用晶闸管-电动机系统。由于晶闸管的单向导通性，在可逆运行过程中通常需要两组晶闸管控制的整流器反向并行可逆线，如下图所示。2020/6/9，自动控制系统，Id，b)运行范围，图4-2两组晶闸管控制整流器反转并联可逆线路，两组晶闸管设备反转并联可逆电源方式，-n，a)电路结构，m反转时，由反向晶闸管装置VR供电。两套晶闸管由两个触发装置控制，可以灵活控制电动机启动、制动和升、降速。但是，不允许同时整流两组晶闸管，否则会发生电源短路，对控制电路提出了严格的要求。2020/6/9，自动限制系统，2。如果改变励磁反向线路，励磁电流的方向，电动机也可以改变方向。与电枢反向可逆线一样，可以使用接触器开关或晶闸管开关开关开关或两组晶闸管反向并联电源来改变励磁方向。这里的反向连接可逆线如下图所示。电动机电枢为一组晶闸管装置供电，励磁绕组为另外两组晶闸管装置供电。2020/6/9，自动控制系统，励磁反向电源，晶闸管反向并行励磁反向可逆线，VR，VF，id，-id，-id女子电力只有电动机额定功率的1-5%，因此采用女子反向连接方式，所需晶闸管装置的容量小，投资少，效率高。缺点：更改切换时间长。由于女子绕组的电感很大，女子反向过程很慢。另外，由于电机不允许在磁损耗状态下运行，所以系统控制比较复杂。2020/6/9，自动控制系统，摘要，(1)V-M系统的可逆线可分为两大类。电枢反向线电枢反向过程快，但需要更大容量的晶闸管装置；励磁反向线路励磁反向过程缓慢，控制相对复杂，但所需晶闸管装置的容量较小。2020/6/9，自动控制系统，(2)每种类型的线路可以使用不同的整流方法。接触器开关线适用于不经常反转的生产机器。晶闸管开关开关线适用于中小型可逆系统。两套晶闸管防并行线适用于多种可逆系统。2020/6/9，自动限制系统，2。晶闸管-电动机系统的反馈制动，1 .晶闸管装置的整流和逆变状态可以在两套晶闸管防并联线路的V-M系统中，晶闸管装置在整流或有源逆变状态下运行。在电流连续条件下，晶闸管设备的平均理想空载输出电压为(4-1)、2020/6/9、自动控制系统、控制角度为90时，晶闸管设备处于整流状态。如果控制角度为90，则晶闸管装置是逆变器。因此，在整流状态下，Ud0是正值。在逆变状态下，Ud0为负。为了方便起见，定义反相器角度=180时，反相器电压公式为ud0=-ud0 maxcos，(4-2)，反相器电压公式，2020/6/9，自动控制系统，2。由单个晶闸管设备的有源逆变、单个晶闸管设备驱动的V-M系统，在关闭起重机类型的负载时，也会发生整流器和有源逆变状态。a)整流状态：提起重物。90，Ud0 6150，E，n0在电网中为马达提供能量。Id，2020/6/9，自动控制系统，b)逆变状态：放下重物90，Ud0 615，E，n0从马达反馈到电网。Id，2020/6/9，自动控制系统，c)机械特性，整流状态：马达在象限1中工作；逆变状态：马达在四象限工作。TL，图4-3单套V-M系统起重机类型负载整流和逆变状态，2020/6/9，自动控制系统，3。两组晶闸管设备半并联整流和逆变、两组晶闸管设备半并联可逆线的整流和逆变状态原理是相同的，不同于逆变状态的具体条件。以晶闸管装置整流和半晶闸管装置逆变器为例，说明了两套晶闸管装置逆并联可逆电路的工作原理。2020/6/9，自动控制系统，a)郑组晶闸管设备VF整流器，VF为整流状态：此时，n/f/90，Ud0f 61500，E，n0电动机在电路中电气运行，P，Id，2020/6/9，自动控制系统，b)半组晶闸管设备VR逆变，电动机需要反馈制动时电动机逆电动势的极性保持不变，因此，要反馈电，必须产生逆电流，逆电流不能通过VF循环。此时，利用控制电路，可以切换到半组晶闸管装置VR，并以逆变状态运行。2020/6/9，自动控制系统，VR逆变器状态：此时，E|Ud0r|，n0电动机输出功率启用反馈制动。P，Id，2020/6/9，自动控制系统，c)机械特性范围，c)机械特性工作范围，换向状态：V-M系统在象限1中工作。反相器状态：V-M系统在第二象限中工作。2020/6/9，自动限制系统，4。在V-M系统的四象限操作、可逆调速系统中，在正向切换时，可以使用半组晶闸管进行反馈制动，在反向操作时可以使用正晶闸管进行反馈制动。这样，通过以相反的并行方式使用两组晶闸管装置，实现了电动机的四象限操作。摘要可逆线正向反转时晶闸管装置和电动机的运行状态见表4-1。2020/6/9，自动控制系统，表4-1V-M系统反并行可逆线路运行状态，2020/6/9，自动控制系统，反并行晶闸管设备其他应用，非可逆调速系统也经常需要快速反馈制动此时，两种晶闸管装置的容量大小可能不同，半组仅在短时间内给电机提供制动电流，不提供正常运行的电流，实际使用的容量可能较小。2020/6/9，自动限制系统，3。可逆V-M系统的循环问题，1 .回路及其种类循环的定义：采用两组晶闸管半并联可逆V-M系统，两组整流电压同时出现，产生短路电流，两组晶闸管之间没有直接流动的电流过流，如下图所示。2020/6/9，自动控制系统，循环的形成，id，IC，IC-循环id-负载电流，2020/6/9，自动控制系统，循环的危害和利用利用：只要合理控制循环系统，确保晶闸管的安全运行，循环就可以作为通过晶闸管的基本负载电流，在空载或轻载期间，电动机可以在晶闸管设备的电流连续区域工作，防止电流间歇引起的非线性对系统性能的影响。，2020/6/9，自动控制系统，循环的分类，有时出现以下特性不同的循环。(1)静态循环两组可逆线在一定控制角度稳定运行时出现的循环有以下两种：直流平均循环晶闸管设备输出的直流平均电压产生的循环称为直流平均循环。瞬间脉动循环晶闸管输出两组直流平均电压差为0，但是电压波形不同的话，瞬间电压差会持续发生称为瞬间脉动循环的脉动循环。2020/6/9，自动控制系统，循环的分类(继续)，(2)动态循环是可逆V-M系统在切换过程中发生的唯一循环。这里主要分析了静态循环的形成原因，讨论了其控制方法和抑制措施。2020/6/9，自动限制系统，2。直流平均循环和拟合控制，在两套晶闸管半并行可逆V-M系统中，如果正VF和反组VR都处于整流状态，则两组直流平均电压为正和负连接时，较大的直流平均循环是不可避免的。为了避免出现直流平均循环，需要采取必要的措施。例如，使用切断触发脉冲的方法，可以随时只操作一组晶闸管设备。一套晶闸管装置在整流状态下运行，另一套在变频器上运行的合作控制策略。2020/6/9，自动控制系统，(1)为了防止直流平均循环发生，郑组处于整流状态时，强制将半组置于逆变器中，控制其振幅相等，如果必须用逆变电压顶住整流电压，直流平均循环为0。因此，ud0r=-ud0f是表达式(4-1)，ud0f=ud0 maxco sfud0f=ud0 maxco Sr其中f和r分别是VF和VR的控制角度。2020/6/9，自动控制系统，由于两组晶闸管设备相同，因此直流平均循环为零时cosr=cosf或r f=180 (4-3)反向组控制显示为反相器角度r，则f=r (4-4)这称为“拟合控制”。为了更可靠地消除直流平均循环，可以使用f r (4-5)、2020/6/9、自动控制系统(2)连接控制方法，可以将两组晶闸管设备的触发脉冲零点均设置为90，以便进行连接控制。也就是说，将控制电压Uc=0设置为f=r=90。此时，如果Ud0f=Ud0r=0，电动机将停止。提高控制电压Uc相移时，可以使两组触发器的控制电压大小相等符号相反。这些触发控制电路如下图所示。2020/6/9，自动控制系统，(3)=控制电路，