运动控制系统01

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,运动控制系统,-,电力拖动自动控制系统,湖南科技大学 吴新开,2011,年,9,月,绪论,(Introduction),运动控制系统的定义,运动控制系统的发展历程,运动控制系统的发展趋势,课程定位,本课程的学习方法,运动控制系统的定义,运动控制系统,(Motion control system),或电力拖动自动控制系统,(Control system of electric drive),以电动机及其拖动的机械设备为,控制对象,，以控制器为,核心,、以电力电子功率变换装置为,执行机构,，在,控制理论,指导下可实现电气传动功能的自动控制系统。,课程特点,多学科的交叉学科,电力电子学、电机拖动、自动控制原理、电子学、计算机控制技术等,工程系统学科,应用系统分析方法解决系统的构成、系统控制方法、设计方法等问题,知识面广、实用性强,源于工程系统，解决工程系统,运动控制系统的发展历程,（,Developed course),19,世纪,80,年代以前,，直流电气传动是唯一的电气传动方式；,19,世纪末,出现了交流电，解决了三相制交流电的输送和分配问题，研制了鼠笼式异步电机；（结实、少维护，适应环境宽、容量大，电压和转速高，但转矩控制非线性）,运动控制系统的发展历程,（,Developed course),20,世纪,30,年代,，,开始使用直流调速系统,20,世纪,70,年代以来,，电力电子技术、微电子技术、现代控制理论和电机理论促进了交流调速系统的发展。到目前，,交流调速系统已占据电机速度控制系统的主导地位。,运动控制系统的发展趋势,（,Developing trend),驱动的交流化,驱动系统的高速化和超小、超大型化,高转速上万转分钟,超小型化应用于微型机器人、微型飞行器,超大型化数,MKW,系统的集成化,控制的数字化、智能化和网络化,4.,课程定位,(Course nature),核心专业课程,以运动控制系统为核心的系统原理的分析与设计,5.,学习方法,(Study ways),关注系统的工程背景,学习一些问题提出的背景和解决思路,有助于创新性思维和能力的提高,;,应用理论解决实际问题,掌握一些具体的知识点,系统的稳定性,动静态特性,建模方法,分析方法,控制方法和设计方法,掌握重点系统,(,单输入单输出系统,多输入单输出系统,),相关知识的综合应用,多看,多想,多问,多做,多实践,第,1,篇,直流拖动控制系统,1.1,直流调速系统用的可控直流电源,直流调速方法,直流调速电源,直流调速控制,根据直流电机转速方程,1.1.1,直流调速方法,n,U,I,R,K,e,转速（,r/min,）；,电枢电压（,V,）；,电枢电流（,A,）；,电枢回路总电阻（,）,；,励磁磁通（,Wb,）,；,由电机结构决定的电动势常数。,（,1-1,）,由式（,1-1,）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,。,（,1,）调压调速,工作条件,：,保持,励磁,=,N,；,保持电阻,R=R,a,调节过程,：,改变电压,U,N,U,U,n,，,n,0,调速特性,：,转速下降，机械特性曲线平行下移。,n,n,0,O,I,I,L,U,N,U,1,U,2,U,3,n,N,n,1,n,2,n,3,调压调速特性曲线,（,2,）调阻调速,工作条件,：,保持,励磁,=,N,；,保持电压,U=U,N,；,调节过程,：,增加电阻,R,a,R,R,n,，,n,0,不变；,调速特性,：,转速下降，机械特性曲线变软。,n,n,0,O,I,I,L,R,a,R,1,R,2,R,3,n,N,n,1,n,2,n,3,调阻调速特性曲线,（,3,）调磁调速,工作条件,：,保持电压,U=U,N,；,保持电阻,R=R,a,；,调节过程,：,减小,励磁,N,n,，,n,0,调速特性,：,转速上升，机械特性曲线变软。,n,n,0,O,T,e,T,L,N,1,2,3,n,N,n,1,n,2,n,3,调磁调速特性曲线,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。,因此，自动控制的直流调速系统往往,以调压调速为主。,1.1.2,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。,(1),旋转变流机组,图,1-1,旋转变流机组供电的直流调速系统（,G-M,系统）,G-M,系统工作原理,由原动机（柴油机、交流异步或同步电动机）拖动直流发电机,G,实现变流，由,G,给需要调速的直流电动机,M,供电，调节,G,的励磁电流,i,f,即可改变其输出电压,U,，从而调节电动机的转速,n,。,这样的调速系统简称,G-M,系统，国际上通称,Ward-Leonard,系统。,G-M,系统特性,n,第,I,象限,第,IV,象限,O,T,e,T,L,-,T,L,n,0,n,1,n,2,第,II,象限,第,III,象限,图,1-2 G-M,系统机械特性,(2),静止式可控整流器,图,1-3,晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（,V-M,系统）,V-M,系统工作原理,晶闸管,-,电动机调速系统（简称,V-M,系统，又称静止的,Ward-Leonard,系统），图中,VT,是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置,GT,的控制电压,U,c,来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压,U,d,，从而实现平滑调速。,V-M,系统的特点,与,G-M,系统相比较,：,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。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在,10,4,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。,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,d,V,/d,t,与,d,i,/d,t,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”。,(3),直流斩波器或脉宽调制变换器,在干线铁道电力机车、工矿电力机车、城市有轨和无轨电车和地铁电机车等电力牵引设备上，常采用直流串励或复励电动机，由恒压直流电网供电，过去用切换电枢回路电阻来控制电机的起动、制动和调速，在电阻中耗电很大,。,a,）,原理图,b,）,电压波形图,t,O,u,U,s,U,d,T,t,on,控制电路,M,1).,直流斩波器的基本结构,图,1-5,直流斩波器,-,电动机系统的原理图和电压波形,2).,斩波器的基本控制原理,在原理图中，,VT,表示电力电子开关器件，,VD,表示续流二极管。当,VT,导通时，直流电源电压,U,s,加到电动机上；当,VT,关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经,VD,续流，两端电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形如图,1-5b,，好像是电源电压,U,s,在,t,on,时间内被接上，又在,T,t,on,时间内被斩断，故称,“斩波”,。,这样，电动机得到的平均电压为,3).,输出电压计算,(1-2),式中,T,晶闸管的开关周期；,t,on,开通时间；,占空比，,=,t,on,/,T=t,on,f,；,其中,f,为开关频率。,为了节能，并实行无触点控制，,现在多用电力电子开关器件，如快速晶闸管、,GTO,、,IGBT,等。,采用简单的单管控制时，称作,直流斩波器,，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，,脉宽调制变换器（,PWM-Pulse Width Modulation,）。,4).,斩波电路三种控制方式,根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分，有三种控制方式：,T,不变，变,t,on,脉冲宽度调制（,PWM,）；,t,on,不变，变,T,脉冲频率调制（,PFM,）；,t,on,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；,PWM,系统的优点（续）,（,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。,小 结,三种可控直流电源，,V-M,系统在上世纪,6070,年代得到广泛应用，目前主要用于大容量系统。,直流,PWM,调速系统作为一种新技术，发展迅速，应用日益广泛，特别在中、小容量的系统中，已取代,V-M,系统成为主要的直流调速方式。,作业,补充题：,V-M,系统因为具有一系列优点而获得了广泛的应用,其主要的优、缺点是什么？,