运动控制-绪论-第一章之.ppt

运动控制系统 电力拖动自动控制系统 绪论 本课程研究的对象和主要内容运动控制过程控制对象刚体 固体形态 非刚体 流体形态 控制参数位置 速度 加速度等温度 压力 流量等控制设备电气线路 变频器 PLC等泵 阀 SCR等系统CIMS 生产流水线DCS FCS CIPS 控制物体 生产设备 的运动 运动的原动机 发动机 汽轮机 电动机等 以电动机带动生产机械运动 电力拖动 在无人直接参与下 自动产生控制信号 使某种过程或对象按预定的要求规律变化的系统 自动控制系统 电力拖动自动控制系统 以电动机为控制对象的自动控制系统 电机的控制 起动 停止 制动 反转 调速等电动机 直流电动机 交流电动机交 直流调速系统 电机控制技术 本课程的研究对象与内容 系统的分析与设计 校正 本课程的研究方法 绪论 本课程的性质与任务本课程是一门专业课 任务 掌握自控系统的分析与设计方法 目标 有能力分析和设计其它自动控制系统 本课程的特点与预备知识特点 实践性 工程性 涉及的知识面广 自动控制理论 电子技术 电机拖动 电力电子技术 直流拖动控制系统的地位直流电动机转速与其它参数之间的稳态关系 第一篇直流拖动控制系统 三种调速方法 Ud R 第1章闭环控制的直流调速系统本章提要 1 1直流调速系统用的可控直流电源1 2晶闸管 电动机系统 V M系统 的主要问题1 3直流脉宽调速系统的主要问题1 4反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计1 5反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计1 6比例积分控制规律和无静差调速系统 第1章闭环控制的直流调速系统 1 1直流调速系统用的可控直流电源三种形式 旋转变流机组 G M系统静止式可控整流器 V M系统直流斩波器或PWM变换器 旋转变流机组 G M系统 工作原理 优缺点 静止式可控整流器 V M系统 工作原理 优缺点 直流斩波器或PWM变换器 工作原理 优缺点 第1章闭环控制的直流调速系统 1 2晶闸管 电动机系统 V M系统 的主要问题电枢电压调节的实现 脉冲相位控制V M系统的机械特性晶闸管触发 整流装置的放大系数和传递函数 1 2 1电枢电压调节的实现 脉冲相位控制 如图 Ud0为整流装置理想空载整流电压 由 电力电子技术 可知 Ud0的大小与 有关 即触发相位的变化将引起电枢电压的变化 1 2 2V M系统的机械特性 机械特性 电机转速与电磁转矩 直流电机即电枢电流 之间的关系n f Id 电流连续时由及有其中 n与Id关系为一线性关系 改变控制角 得一族平行直线 这表明 1 V M系统的机械特性类似于直流电机的机械特性 2 电流连续时VT可看作是一个线性的可控电源 1 2 2V M系统的机械特性 电流断续时此时Id的平均值表达式变得复杂 与导通角有关 因此n f Id 关系也变成非线性 通过数值计算可画出相应的曲线 如图 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 1 2 3晶闸管触发 整流装置的放大系数和传递函数 晶闸管触发 整流装置当作系统中的一个环节来看待 进行直流调速系统分析或设计时 须事先求出这个环节的放大系数和传递函数 放大系数的求取 可由工作范围内的特性斜率决定 计算方法是 1 2 3晶闸管触发 整流装置的放大系数和传递函数 传递函数的确定 1 晶闸管触发与整流失控时间分析众所周知 晶闸管一旦导通后 控制电压的变化在该器件关断以前就不再起作用 直到下一相触发脉冲来到时才能使输出整流电压发生变化 这就造成整流电压滞后于控制电压的状况 2 失控时间Ts的确定显然 失控制时间是随机的 最大可能的失控时间就是两个相邻自然换相点之间的时间 由下式确定 3 Ts值的选取在一般情况下 可取其统计平均值Ts Tsmax 2 Tsmax见P10表1 24 传递函数的求取失控时间的出现意味着环节的输出与输入之间有时间上的滞后 用单位阶跃函数表示滞后 其关系为 则传递函数为 5 传递函数的近似由于式中包含指数函数 它使系统成为非最小相位系统 为了简化 先将该指数函数按台劳级数展开 则式变成 考虑到Ts很小 可忽略高次项 则传递函数便近似成一阶惯性环节 即 6 晶闸管触发与整流装置动态结构 近似的意义近似的工程条件 TsS 1 S用j 代替 从频域入手 近似条件为 工程意义上 第1章闭环控制的直流调速系统 自从全控型电力电子器件问世以后 就出现了采用脉冲宽度调制 PWM 的高频开关控制方式形成的脉宽调制变换器 直流电动机调速系统 简称直流脉宽调速系统 即直流PWM调速系统 1 3直流脉宽调速系统的主要问题PWM变换器的工作状态和波形直流PWM调速系统的机械特性PWM控制与变换器的数学模型 1 3 1PWM变换器的工作状态和电压 电流波形 PWM变换器的作用 用PWM调制的方法 把恒定的直流电压调制成频率一定 宽度可变的脉冲电压系列 从而可以改变平均输出电压的大小 以调节电机转速 PWM变换器电路形式 主要分为不可逆与可逆两大类 我们讨论桥式可逆PWM变换器 PWM变换器的控制方式 双极式 单极式 受限单极式 1 3 1PWM变换器的工作状态和电压 电流波形 桥式PWM变换器如图 双极式重载正转 0 t ton 电流id通路为1 A M B VT4 G US VT1 AM两端电压UAB Us ton t T 电流id通路为2 A M B VD3 US G VD2 AM两端电压UAB Us 平均电压 桥式PWM变换器工作分析 双极式轻载正转 0 t ton 电流id通路为4 1 1 A M B VT4 G US VT1 A4 A VD1 US G VD4 B M Aton t T 电流id通路为2 3 2 A M B VD3 US G VD2 A3 A VT2 G US VT3 B M A 桥式PWM变换器工作分析 桥式PWM变换器工作分析 单极式重载正转 0 t ton 电流id通路为1 A M B VT4 G US VT1 AM两端电压UAB Us ton t T 电流id通路为2 A M B VT4 G VD2 AM两端电压UAB 0 平均电压 单极式轻载正转 0 t ton 电流id通路为4 1 1 A M B VT4 G US VT1 A4 A VD1 US G VD4 B M Aton t T 电流id通路为2 3 2 A M B VT4 G VD2 A3 A VT2 G VD4 B M A 桥式PWM变换器工作分析 双 单极式控制方式的评价 优点 1 电流一定连续 2 可使电机在四象限运行 3 双极式时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 不足之处是 在工作过程中 双极式有4个单极式有2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 综合三种控制方式 电机的二种工作状态及负载的轻重之分 共有12种工作状况 作业 1 19画出H型PWM变换器电路图 何为单极式控制方式 分析在该控制方式下 反转轻载时的电流通路 画出电压 电流波形 1 3 2直流脉宽调速系统的机械特性 采用不同形式的PWM变换器 系统的机械特性也不一样 对于双极式控制的可逆电路 电流的方向是可逆的 无论是重载还是轻载 电流波形都是连续的 因而机械特性关系式比较简单 现在就分析这种情况 必须说明 由于采用脉宽调制 严格地说 即使在稳态情况下 脉宽调速系统的转矩和转速也都是脉动的 所谓稳态 是指电机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态 机械特性是平均转速与平均转矩 电流 的关系 双极式可逆电路电压方程 对于双极式控制的可逆电路 电压方程为 两边积分求平均值 左边 右边 ton t T 0 t ton 机械特性方程 而E Cen 有机械特性图中所示的机械曲线是电流连续时脉宽调速系统的稳态性能 图中仅绘出了第一 二象限的机械特性 双极式控制可逆电路的机械特性更可扩展到第三 四象限 n0s Us Ce 1 3 3PWM控制与变换器的数学模型 在系统中 PWM环节由PWM控制器与PWM变换器组成 如图 通过前面的分析可知 当控制电压改变时 PWM变换器输出平均电压按线性规律变化 但其响应也会有延迟 最大的时延是一个开关周期T 因此PWM控制与变换器 简称PWM装置 也可以看成是一个滞后环节 其传递函数可以写成当开关频率为10kHz时 T 0 1ms 在一般的电力拖动自动控制系统中 时间常数这么小的滞后环节可以近似看成是一个一阶惯性环节 因此 与晶闸管装置传递函数完全一致