《运动控制系统》知识要点

运动控制系统知识要点PH.D戴卫力CH1闭环控制的直流调速系统 直流调速公式的推想11 =匕二当Ce = KeKe 调节电枢电压U： 弱磁（只能弱，升磁会导致磁饱和）； 改变电枢回路电阻R属无级调速的为和：有级调速的为：调速范圉小的 因此，采用的最多的是。1.1加在直流电机电枢绕组上的直流电源类型：旋转变流机组、静止式可控整流器、PWM控制变换器抑制电流脉动的措施：1）增加整流电路相数，或采用多重化技术。2）设置平波电抗器。VM系统电流工作在断续时，有两个显著的特点：一是机械特性变软；二是理 想空载转速高。不可逆PWM变换器中，加在电机两端的端电压是桥式可逆PWM变换器的输出平均电压为（2D-l）Us （D=ton/T） 调速系统的稳态性能指标：调速范圉D:电动机提供的最高转速max和最低转速Ihmn之比；D = Umax / l】min注意的是：这里的最高和最低转速是指电动机额肚负载时的最高和最低转速。 静差率S：负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落Ahn，与理想空载转速no之比;s = Aiin /no机械特性越硬，静差率越小，转速的稳定性就越高。一般以电动机的额左转速I】N作为最高转速。为什么说只要当调速范围和静差率同时提才有意义？并且静差率指标应以最 低速时所能达到的数值为准。直流变压调速系统中调速范圉、静差率和额宦速降Z间的关系：运动控制系统知识箜点 第1页（共7页）D= nNSAon (1- s)闭环调速系统的静特性表示闭环系统电动机转速与负载电流间的稳态关系。UIdR A IdRn = Aiin =CC转速负反馈直流调速系统运动控制系统知识箜点 第3页（共7页）AUll=Un-Un Uc = KpAUnUdo =KsUcUdO 一 IdR11=CeUn = dl则转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式_ KpKsUn-IdR _ KpKsUn Rid nCe(l + KpKsa/Ce) Ce(l + K)_Ce(l + K) 其中，K=KpKsa/Ce闭环系统的开环传递函数。 稳态结构图开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系：1) 闭环系统的静特性比开环系统的机械特性硬的多;Allcl =1 + K运动控制系统知识箜点 第#页（共7页）2) 闭环系统的静差率要比开环系统小的多1 + K运动控制系统知识箜点 第#页（共7页）3) 如果所要求的静差率一定，闭环系统可以大大提高调速范围。Dei (1 + K)Dop反馈控制规律：1) 只用比例放大器的反馈控制系统，其被调帚仍有静差。2) 反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定。反馈控制系统所能抑制的只是被反馈环包围的前向通道上的扰动。运动控制系统知识箜点第2页(共7页)运动控制系统知识箜点 第#页（共7页）3）系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度。闭环直流调速系统稳态参数的计算电流截止负反馈造成电流很大有2种情况：1）启动时，由于转速很低，造成电枢电流很大2）遇到堵转时电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻挖土机特性：截止电流应大于电机的额定电流，1込1（1.1-1.2）In系统的稳定性判断PI调节器的设计比例积分控制规律和无静差调速系统积分控制可以使系统在无静差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速。比例调疔器的输出只取决于输入偏差量的现状，而积分调&器的输出则包含了 输入偏差量的全部历史。比例部分的作用是增强快速性。积分部分是消除稳态误差。电压反馈电流补偿控制的直流调速系统电压反馈+电流前馈电流正反馈的作用又称作电流补偿控制只有电流正反馈的调速系统的临界稳泄条件正是其静特性的全补偿条件。过补 偿是不稳定的。电流正反馈可以用来补偿一部分静差，以提高调速系统的稳态性能。但指望电 流正反馈来实现无静差，因为这时系统已达到稳定的边缘。CH2闭环控制的直流调速系统转速、电流双闭环和带电流截止负反馈的转速单闭环系统之间有什么区别？起动过程分为3个阶段，分别为电流上升阶段，恒流升速阶段以及转速调节阶 段。双闭环直流调速系统的起动过程有3个特点：1）饱和非线性控制2）转速超调3）准时间最优控制抗负载扰动只能靠转速调节器来限制电网电压扰动电流环和转速环都起到抗扰的作用。转速和电流调节器的作用：转速调节器的作用一一1）实现转速无静差：2）对负载变化起抗扰作用；运动控制系统知识箜点 第5页（共7页）2）其输出限幅决定电动机允许的最大电流。电流调节器的作用一一1）电流跟随转速环的输出；2）对电网电压的波动及时起到抗扰作用；2）在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，加快动态过程。3）电动机过载或堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。 调节器的工程设计方法典型I型系统：W(s)-人s(Ts + l)典型II型系统：w二Ds-(Ts + l)控制系统的动态性能指标：跟随性能指标：上升时间，超调量与峰值时间、调卩时间抗扰性能指标：动态降落，恢复时间一般來说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主，而随动系统的动态指标则以 跟随性为主。一般来说，在动态性能上典型系统可以在跟随性上做到超调量小，但抗扰性能 较差；而典型型系统的超调量相对较大，抗扰性能较好。如果系统要求有良好的跟随性能，可按典型I型系统设计；如果主要要求有良好的抗扰性能。设计计算1、明确校正后系统的类型2、对不满足典型系统的进行典型化处理（传递函数的近似处理）1）高频段小惯性环节的近似处理2）高阶系统的降阶处理3）低频大惯性环节的处理（一般校正成典型II型系统才用到）W（s） = K（l）zs3、根据校正目标系统传递函数，选择调节器结构传函4、根据具体性能指标进行参数计算I型系统：西门子的最佳整定方法，二阶最佳系统KT = 0.5或K = gII 型系统：中频宽h = 5, r = liT , K = -v，21rT-中频宽的定义h =g K = GXCOzCh3直流调速系统的数字控制（1）量化精度的定义和采样频率选择最化精度炉（计算机内部存储值）/物理最的实际值，见书例题香浓采样定理：采样频率应不小于信号最高频率的2倍，才能使原信号不发生 明昭畸变。数字测速和滤波常见的测速装置有直流测速发电机、旋转编码器、位買霍尔传感器、光电编码 盘等。常见的数字测数方法有3种，分别为M法、T法和M/T法。M法：在一定的测试时间内，读取测速装置输出的脉冲个数M,转速越高，M 越大，速度测量越精确。此测速方法适合测试高速段。T法：在测速装置输出的相邻脉冲的时间间隔内，对已知频率亦的高频时钟脉 冲进行计数，当转速较低时，频率血的高频脉冲数目增加，测量精度提高。MTT法：应保证高频时钟脉冲计数器与旋转编码器输出脉冲计数器同时开启与 关闭，以减小误差。该测速方法能适用的转速范围明显扩大，是目前广泛应用的一 种测速方法。数字测速方法的精度指标（1）分辨率：在数字测速方法中，改变一个计数字所对应的转速变化量来表 示分辨率。（2）测速误差率：转速实际值和测最值之差与实际值之比定义为测速误差率。 数字滤波：（1）算术平均值滤波；（2）中值滤波；（3）中值平均滤波数字PI调节器有位置式和增量式。位置式PI调节器的结构清晰，P和I两部 分作用分明，但计算复杂，需计算过去所有的偏差。而增最式PI调节器算法只需 要当前和上一拍的偏差即可计算输出的偏差量。为安全起见，需对调节器的输出实 行限幅。增最式PI调节器算法只需输出限幅，而位置式必须同时设积分限幅和输 出限幅。Ch4可逆直流调速系统和位置随动系统有环流控制的VM系统：由正组变流器VF与反组变流器VR构成。在控制上 需注意：（1）VF与VR必须不能同时匸作在幣流或逆变状态：（2）根据电动机的运行状态和电枢电流流向来判定哪组变流器参与工作，并推知变流器的 丄作状态，电机反电势与变流器输出电压之间的关系；（选择）环流产生的木质是正组变流器与反组变流器的输出直流电圧之间存在电斥差。 若：（1）输出平均电压不等（引起直流平均环流）则应使UdOr =Udof 所以=180或s=佞,即a = /3配合控制运动控制系统知识要点 第7页（共7页）（2）输出瞬时电压不等（引起瞬时脉动环流）消除瞬时脉动环流，可釆用无环流控制。按照实现无环流控制原理的不同, 无环流可逆系统又有两大类：逻辑控制无环流系统和错位控制无环流系统。为什么对于a = p配合控制，我们还称之为有环流系统？如何抑制环流?CH5异步电机调速按照交流异步电动机的原理，从定子传入转子的电磁功率Pm可分为两部分：一 部分Pmech=（l-S）Pm是拖动负载的有效功率，称作机械功率；另一部分Ps = sPm是 传输给转于电路的转差功率。转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价 调速系统效率高低的标志。从这点出发，可把异步电机调速系统分为三类：（1）转差功率消耗型降电压调速、转差离合器调速、转子串电阻调速（2）转差功率馈送型绕线转子电动机串级调速、双馈电动机调速（3）转差功率不变型变极对数调速、变床变频调速异步电动机的功率和转矩（1）功率关系从电网输入有功功率:H =mUilicosQ；进入转子的电磁功率：Pm = R - Pcul - PFe转化成总机械功率：Pq = mil? （- 12）= Pm - Pcu2 = - Pcu2 = （1 S）PmSS从轴上输出的有效机械功率：P? = Pq - PQ - pA = Pl - （Pcul + Pcu2 + PFe + PG + pj = Pl - 另 P效率：二眷X1OO%=（1-孕）X100%其中：Pcul是消耗在定子绕组上的铜耗，PFe是消耗在定子上的铁耗，Pcu?是 消耗在转子绕组上的铜耗，PC为机械损耗，P为定转子开槽等引起的附加损耗。（2）转矩关系转矩平衡方程：I=T2+To空载转矩：Tg+T誉+詈电磁转矩：Tm-Pg _ Pg _ BnG (1 S)QiQi例题1：某三相六极50Hz感应电动机，Pn = 28kW, UN =380V , nN =950r/miii ,cos= 0.88 o 己知额定运行时各项损耗为Pail = lkW, Pfc = 500W t Pq = 800W ,运动控制系统知识要点 第6页（共7页）Pa = 50W ,试求额定运行时的：(1)转差率；(2)转子铜耗；(3)效率；(4)定子 电流；(5)转子电流频率。解:(1)同步转速:m =60f/p = 60x50/3 = 1000 (r/min)则额定运行时的转差率：S = (1000-950)/1000 = 0.05(2)总的机械功率：Pq = Pn + PQ + Pa = 28+0.8+0.05 = 28.85 (kW)电磁功率：Pm = Pq/(I- S) = 28.85/(I-0.05) = 30.37 (kW)转子铜耗：Pcu2 = SPm = 0.05x30.37 = 1.518 (kW)(3)输入功率：Pl =Rn+pcui +pFe = 30.37 + 1.0 + 0.5 = 31.87 (kW) 效率：n= x 100% = x 100% = 87.85%P131.87（4）定子电流：I1_H31870一 5NA、a/3U 1 cosa/3 x 380 x 0.88(5)转子电流频率：f2 = Sfi =0.05x50= 2.5 (Hz)变压调速在恒转矩负载下的调速范圉较小，且在低速时由于转差功率人而效率 较低，为能在恒转矩负载下扩大调速范围，则应提高电动机转子的电阻值。在变压 调速下，若为恒转矩负载，则转速越低时，转差功率损耗越大，异步电动机不宜氏 期在低速下工作。若负載为风机类负载，则异步电机在变汗调速下的转差功耗较小, 适合在低速下运行。变压变频调速分基频以上调速和基频以下调速。基频以下电压频率协调控制按 不同的控制方式分为恒压频比控制（Us/e=恒值）、恒Eg/血控制和恒爲/血控 制。恒压频比控制最容易实现，其变频机械特性基木上是平行下移，硬度较好，但 低速带载能力有限。若要提高低速时的带载能力，需要对定子压降实行补偿。其最 大电磁转矩随着转速的降低而减小。恒Eg/控制是通常对恒压频比控制实行定子阻抗压降的补偿，其最大电磁转 矩不随转速发生变化，保持恒定不变，改善了低速性能。恒E/血控制可以得到和他励直流电机一样的线性机械特性，是最好的控制方 式。请按照本知识要点，认真复习，研读教科书和联系课后习题。运动控制系统知识箜点 第7页（共7页）