《运动控制系统复习》PPT课件

运动控制系统复习,运动控制系统的定义与分类,定义： 以机械运动的驱动设备电动机为被控对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下组成的电力传动自动控制系统。 分类： （1）按被控物理量分：以转速为被控量的系统叫调速系统，以角位移或直线位移为被控量的系统叫随动系统（或伺服系统）。 （2）按驱动电动机的类型分：用直流电动机带动生产机械的为直流传动系统，用交流电动机带动生产机械的为交流传动系统。 （3）按控制器的类型分：用模拟电路构成控制器的系统为模拟控制系统，用数字电路构成控制器的系统为数字控制系统。,第一章 单闭环直流调速系统,直流调速方法,（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。,三种调速方法的性能与比较,对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。 改变电阻只能有级调速； 减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。,常用的可控直流电源,旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。 静止式可控整流器用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。 直流斩波器或脉宽调制变换器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斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压,V-M系统的特点,晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。,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,V-M系统的问题,由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。 晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/dt与di/dt 都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。 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”。,直流斩波器或脉宽调制变换器,斩波电路三种控制方式,T 不变，变ton 脉冲宽度调制(PWM）； ton不变，变 T 脉冲频率调制(PFM）； ton和 T 都可调，改变占空比混合型。,PWM系统的优点,（1）主电路线路简单，需用的功率器件少； （2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小； （3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右； （4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；,（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高； （6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。,整流与逆变状态,当 0 0 ，晶闸管装置处于整流状态，电功率从交流侧输送到直流侧； 当 /2 max 时， Ud0 0 ，装置处于有源逆变状态，电功率反向传送。,抑制电流脉动的措施,设置平波电抗器； 增加整流电路相数； 采用多重化技术,晶闸管-电动机系统的机械特性,电流连续,电流断续,V-M系统机械特性的特点,当电流连续时，特性还比较硬； 断续段特性则很软，而且呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高。,晶闸管触发和整流装置的传递函数,简单的不可逆PWM变换器,有制动的不可逆PWM变换器电路,桥式可逆PWM变换器,（1）电流一定连续； （2）可使电机在四象限运行； （3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区； （4）低速平稳性好，系统的调速范围可达1:20000左右； （5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。,在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。,PWM控制与变换器的数学模型,电能回馈与泵升电压的限制,泵升电压形成的原因; 抑制泵升电压的方法,控制要求,（1）调速； （2）稳速； （3）加、减速,调速指标,调速范围,静差率,调速范围、静差率和额定速降的关系,开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系,（1）闭环系统静性可以比开环系统机械特性硬得多。,（2）如果比较同一的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要小得多,（3）当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围,（4）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器,反馈控制规律的特点,1. 被调量有静差,2. 抵抗扰动, 服从给定,3. 系统的精度依赖于给定和反馈检测精度,直流电动机的传递函数,控制与检测环节的传递函数,放大器,测速反馈,闭环调速系统的动态结构图,n(s),U*n (s),IdL (s),Uct (s),Un (s),+,-,Ks,Tss+1,KP,+,-,R (Tl s+1),Ud0 (s),反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件,静态性能指标：闭环系统的开环增益越大越好； 动态性能分析：为了保证系统的稳定性，闭环系统的开环增益却不宜太大。 必须通过动态校正的方法来解决动态与静态的矛盾。,积分调节器,采用积分调节器，当转速在稳态时达到与给定转速一致，系统仍有控制信号，保持系统稳定运行，实现无静差调速。,比例与积分控制的比较,比例积分控制规律,比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。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。,稳态参数计算,第二章 双闭环直流调速系统和工程设计方法,转速、电流双闭环直流调速系统的组成,转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定了电流给定电压的最大值； 电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。,系统稳态结构图,两个调节器的作用,双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。 当负载电流达到 Idm 后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。,稳态参数计算,转速 n 是由给定电压U*n决定的； ASR的输出量U*i是由负载电流 IdL 决定的； 控制电压 Uc 的大小则同时取决于 n 和 Id，或者说，同时取决于U*n 和 IdL,图2-6 双闭环直流调速系统的动态结构图,U*n,Uc,-IdL,n,Ud0,Un,+,-,-,+,-,Ui,WASR(s),WACR(s),Ks,Tss+1,1/R,Tl s+1,R,Tms,U*i,Id,1/Ce,+,E,系统动态结构,数学模型,转速调节器,电流调节器,起动过程,第 I 阶段 电流上升阶段,第 II阶段 恒流升速阶段,第阶段 转速调节阶段,起动过程的特点,（1）饱和非线性控制； （2）转速超调； （3）准时间最优控制,转速调节器的作用,1）调速系统的主导调节器，跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差。 2）对负载变化起抗扰作用。 3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。,电流调节器的作用,1）在转速的调节过程中，使电流跟随外环调节器的输出量变化。 2）对电网电压波动起抗扰作用。 3）动态过程中，加快动态过程。 4）当电机过载和堵转时，限制电枢电流，起快速保护作用。,跟随性能指标,抗扰性能指标,tr 上升时间 超调量 ts 调节时间,Cmax 动态降落 tv 恢复时间,典型 I 型系统在跟随性能上可以做到超调小，但抗扰性能稍差， 典型型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。,两种系统比较,非典型系统的典型化,调节器结构的选择,高频段小惯性环节的近似处理,高阶系统的降阶近似处理,低频段大惯性环节的近似处理,系统设计的一般原则,先内环后外环,电流调节器的设计,1.电流环结构图的简化：1）忽略反电动势的动态影响 2）等效成单位负反馈系统 3）小惯性环节近似处理 2.电流调节器结构的选择（电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统） 3.电流调节器的参数计算 4.电流调节器的实现,转速调节器的设计,1.电流环的等效闭环传递函数 （传递函数化简） 2.转速调节器结构的选择 1）系统等效和小惯性的近似处理 2）转速环结构简化 3）转速调节器选择（典型 型系统） 3.转速调节器参数的选择 4.转速调节器的实现,恒转矩调速方式,在调压调速范围内，因为励磁磁通不变，容许的转矩也不变，称作“恒转矩调速方式”。,恒功率调速方式,在弱磁调速范围内，转速越高，磁通越弱，容许的转矩不得不减少，转矩与转速的乘积则不变，即容许功率不变，是为“恒功率调速方式”。,电枢电压与励磁配合控制特性,Te,N,nN,nmax,UN,U,第三章 直流调速系统的数字化,数字控制的主要特点,离散化和数字化,离散化和数字化的负面效应,（1）A/D转换的量化误差,（2） D/A转换的滞后效应,数字测速指标,（1）分辩率,（2）测速精度,（3）检测时间 Tc,数字测速方法,1. 旋转编码器,2. 测速原理,（1）M法脉冲直接计数方法； （2）T 法脉冲时间计数方法； （3）M/T法脉冲时间混合计数方法,M法测速只适用于高速段,T法测速适用于低速段,PI调节器的差分方程,位置式算法,增量式算法,积分分离算法,能有效抑制振荡，或减小超调，常用于转速调节器。,智能型PI调节器,专家系统 模糊控制 神经网络控制,智能控制特点： 控制算法不依赖或不完全依赖于对象模型，因而系统具有较强的鲁棒性和对环境的适应性。,第五章 异步电机调压调速系统,交流拖动控制系统的应用领域,一般性能的节能调速 高性能的交流调速系统和伺服系统 特大容量、极高转速的交流调速,交流调速系统的主要类型,降电压调速； 转差离合器调速； 转子串电阻调速； 绕线电机串级调速或双馈电机调速； 变极对数调速； 变压变频调速,按电动机的能量转换类型分类,1. 转差功率消耗型调速系统,2.转差功率馈送型调速系统,3. 转差功率不变型调速系统,异步电动机变压调速系统,异步电动机等效电路,电流公式,转矩公式,电磁转矩与定子电压的平方成正比,最大转矩公式,变压调速系统的特点,静特性左右两边都有极限，不能无限延长，它们是额定电压UsN 下的机械特性和最小输出电压Usmin 下的机械特性。 当负载变化时，如果电压调节到极限值，闭环系统便失去控制能力，系统的工作点只能沿着极限开环特性变化。,近似动态结构图,转速调节器,交流调压器和触发装置,测速反馈环节,异步电机近似的传递函数,由于它是偏微线性化模型，只能用于机械特性线性段上工作点附近的稳定性判别和动态校正，不适用于起制动时转速大范围变化的动态响应。,由于它完全忽略了电磁惯性，分析与计算有很大的近似性,第六章 异步电机变压变频调速系统,变压变频调速的 基本控制方式,保持电机中每极磁通量m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。,基频以下调速,恒值电动势频率比的控制方式,恒压频比的控制方式 （低频电压补偿）,基频以上调速,定子电压Us却不可能超过额定电压UsN，最多只能保持s=UsN，这将迫使磁通与频率成反比地降低,机械特性,恒压恒频正弦波供电,恒压频比控制（ Us /1 ）,恒 Eg /1 控制,恒 Er /1 控制,恒 Us /1 控制,恒 Er /1 控制,恒 Eg /1 控制,c,交-直-交和交-交变压变频器,交-直-交变压变频器,交-交变压变频器,电压源型和电流源型逆变器,Ld,Id,Cd,Ud,Ud,+,+,-,-,a) 电压源逆变器,b) 电流源逆变器,180导通型和120导通型逆变器,相电压,两种极性PWM控制方式的比较,单极性PWM控制方式,双极性PWM控制方式,（1）异步调制,异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式。 通常保持fc 固定不变，当fr 变化时，载波比 N 是变化的； 在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称； 当fr 较低时，N 较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小； 当fr 增高时，N 减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大,（2）同步调制,同步调制N 等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。 基本同步调制方式，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定； 三相电路中公用一个三角波载波，且取N 为3的整数倍，使三相输出对称； 为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数； fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除； fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受。,同步调制三相PWM波形,1）逆变器的一个工作周期分6个扇区，每个扇区相当于常规六拍逆变器的一拍。为了使电动机旋转磁场逼近圆形，每个扇区再分成若干个小区间T0，T0 越短，旋转磁场越接近圆形，但T0的缩短受到功率开关器件允许开关频率的制约。 2) 在每个小区间内虽有多次开关状态的切换，但每次切换都只涉及一个功率开关器件，因而开关损耗小。 3) 每个小区间均以零电压矢量开始，又以零矢量结束。 4) 利用电压空间矢量直接生成三相PWM波，计算简便。 5) 采用SVPWM控制时，逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，这比一般的SPWM逆变器输出电压提高了15%。,SVPWM控制模式有以下特点,1. 系统组成,M 3,电压 检测,泵升 限制,电流 检测,温度 检测,电流 检测,单 片 机,显示,设定,接口,PWM 发生器,驱动 电路,UR,UI,R0,R1,R2,Rb,VTb,K,R0,R1,Rb,R2,转速开环恒压频比控制调速系统 通用变频器-异步电动机调速系统,转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统,控制转差频率就代表控制转矩，这就是转差频率控制的基本概念。,转差频率控制规律,（1）在 s sm 的范围内，转矩 Te 基本上与 s 成正比，条件是气隙磁通不变。 （2）在不同的定子电流值时，按上图的函数关系 Us = f (1 , Is) 控制定子电压和频率，就能保持气隙磁通m恒定。,交流电机数学模型,交流电机数学模型的性质,高阶、非线性、强耦合的多变量系统,三相异步电动机的多变量 非线性数学模型,异步电机数学模型的性质,（1）双输入双输出的系统。 （2）非线性因素存在于1（）和2（）中。 （3）多变量之间的耦合关系主要也体现在1（）和2（） 两个环节上。,坐标变换和变换矩阵,三相-两相变换（3/2变换）,两相两相旋转变换（2s/2r变换）,K/P变换,基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统,按转子磁链定向,d轴是沿着转子总磁链矢量的方向，并称之为 M 轴，而q轴再逆时针转90，即垂直于转子总磁链矢量，称之为T轴。 这样的两相同步旋转坐标系就具体规定为 M，T 坐标系，即按转子磁链定向的坐标系。,按转子磁链定向的意义,转子磁链仅由定子电流励磁分量产生，与转矩分量无关，从这个意义上看，定子电流的励磁分量与转矩分量是解耦的。,r 与 ism之间的传递函数是一阶惯性环节，时间常数为转子磁链励磁时间常数，当励磁电流分量ism突变时，r 的变化要受到励磁惯性的阻挠，这和直流电机励磁绕组的惯性作用是一致的。,矢量控制系统原理结构图,转速、磁链闭环控制矢量控制系统直接矢量控制系统,电流滞环型PWM变频器,图6-60 带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统,磁链开环转差型矢量控制系统间接矢量控制系统,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,基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,结构特点,转速双闭环： ASR的输出作为电磁转矩的给定信号； 设置转矩控制内环，它可以抑制磁链变化对转速子系统的影响，从而使转速和磁链子系统实现了近似的解耦。 转矩和磁链的控制器： 用滞环控制器取代通常的PI调节器。,控制特点,与VC系统一样，它也是分别控制异步电动机的转速和磁链，但在具体控制方法上，DTC系统与VC系统不同的特点是：,1）转矩和磁链的控制采用双位式砰-砰控制器，省去了旋转变换和电流控制，简化了控制器的结构。 2）选择定子磁链作为被控量。 3）由于采用了直接转矩控制，在加减速或负载变化的动态过程中，可以获得快速的转矩响应，但必须注意限制过大的冲击电流，以免损坏功率开关器件。,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,