運(yùn)動控制系統(tǒng) 復(fù)習(xí)知識點總結(jié)

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1、. - 1 運(yùn)動控制系統(tǒng)的任務(wù)是通過對電動機(jī)電壓、電流、頻率等輸入電量的控制，來改變工作機(jī)械 的轉(zhuǎn)矩、速度、位移等機(jī)械量，使各種工作機(jī)械按人們期望的要求運(yùn)行，以滿足生產(chǎn)工藝及其 他應(yīng)用的需要。〔運(yùn)動控制系統(tǒng)框圖〕 2. 運(yùn)動控制系統(tǒng)的控制對象為 電動機(jī)，運(yùn)動控制的目的是 控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角 ，要控制轉(zhuǎn) 速和轉(zhuǎn)角，唯一的途徑就是控制電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)速變化率按人們期望的規(guī)律變化。因 此，轉(zhuǎn)矩控制是運(yùn)動控制的根本問題。 第 1 章可控直流電源-電動機(jī)系統(tǒng) 內(nèi) 容 提 要 相控整流器-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 直流 PWM 變換器-電動機(jī)系統(tǒng) 調(diào)速系統(tǒng)性能指標(biāo) 1 相控整流器

2、-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理 2.晶閘管可控整流器的特點 〔1〕晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在 104 以上，其門極電流可以直接用電子控制。 〔2〕晶閘管的控制作用是毫秒級的，系統(tǒng)的動態(tài)性能得到了很大的改善。 晶閘管可控整流器的缺乏之處 晶閘管是單向?qū)щ姷?，給電機(jī)的可逆運(yùn)行帶來困難。 晶閘管對過電壓、過電流和過高的 du/dt 與 di/dt 都十分敏感，超過允許值時會損壞晶閘管。 在交流側(cè)會產(chǎn)生較大的諧波電流，引起電網(wǎng)電壓的畸變。需要在電網(wǎng)中增設(shè)無功補(bǔ)償裝置和諧 波濾波裝置。 3.V-M 系統(tǒng)機(jī)械特 4.最大失控時間是兩個相鄰自然換相點之間的時間，它與交流電源頻率和晶 閘管整流器的類型

3、有關(guān)。 5.〔1〕直流脈寬變換器根據(jù) PWM 變換器主電路的形式可分為可逆和不可逆兩大類 〔2〕簡單的不可逆 PWM 變換器-直流電動機(jī)系統(tǒng) 〔3〕有制動電流通路的不可 逆 PWM-直流電動機(jī)系統(tǒng) 〔4〕橋式可逆 PWM 變換器 〔5〕雙極式控制的橋式可逆 PWM 變換器的優(yōu)點 雙極式控制方式的缺乏之處 〔6〕直流 PWM 變換器-電動機(jī)系統(tǒng)的能量回饋問題 〞?！?〕直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性 6..生產(chǎn)機(jī)械要求電動機(jī)在額定負(fù)載情況下所需的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比稱為調(diào)速范圍，用字 母 D 來表示〔D 的表達(dá)式〕 當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時，負(fù)載由理想空載增加到額定值時

4、電動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化率，稱為靜差 率 s。 D 與 s 的相互約束關(guān)系 對系統(tǒng)的調(diào)速精度要求越高，即要求 s 越小，那么可到達(dá)的 D 必定越小。 當(dāng)要求的 D 越大時，那么所能到達(dá)的調(diào)速精度就越低，即 s 越大，所以這是一對矛盾的指標(biāo)。 第二章閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 內(nèi) 容 提 要 n 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) n 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法 1. 異步電動機(jī)從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率可分成兩局部：一局部是機(jī)械軸上輸出的機(jī)械功率； 另一局部是與轉(zhuǎn)差率成正比的轉(zhuǎn)差功率。.異步電動機(jī)按調(diào)速性能分類第一類基于穩(wěn)態(tài)模型，動 -  -可 修編-

5、 . - 態(tài)性能要求不高，例如轉(zhuǎn)速開環(huán)的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速閉環(huán)的轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)。而另一 類那么基于動態(tài)模型，動態(tài)性能要求高，例如矢量控制系統(tǒng)和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。 同步電動機(jī)的調(diào)速：同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率恒為零，從定子傳入的電磁功率全部變?yōu)闄C(jī)械軸上輸 出的機(jī)械功率，只能是轉(zhuǎn)差功率不變型的調(diào)速系統(tǒng)。同步電動機(jī)的調(diào)速只能通過改變同步轉(zhuǎn)速 來實現(xiàn)， 由于同步電動機(jī)極對數(shù)是固定的，只能采用變壓變頻調(diào)速。 2.反應(yīng)控制的根本思想 3.開環(huán)與閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的區(qū)別： 1 差率約束下，閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍為開環(huán)系統(tǒng)的〔1+K〕倍 4.反應(yīng)控制規(guī)律 5..電流截止負(fù)反應(yīng)。 6.積分控制規(guī)律

6、和比例控制規(guī)律的區(qū)別在于： 。7.在階躍輸入作用之下，比例調(diào)節(jié)器的輸出可以立即響應(yīng)，而積分調(diào)節(jié)器的輸出只能逐漸地 變化，調(diào)速系統(tǒng)一般應(yīng)具有快與準(zhǔn)的性能，即系統(tǒng)既是靜態(tài)無差又具有快速響應(yīng)的性能。實現(xiàn) 的方法是把比例和積分兩種控制結(jié)合起來，組成比例積分調(diào)節(jié)器〔PI〕。 8..對于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，應(yīng)盡量縮短起、制動過程的時間，完成時間最優(yōu)控制。 即在過渡過程中始終保持轉(zhuǎn)矩為允許的最大值，使直流電動機(jī)以最大的加速度加、減速。到達(dá) 給定轉(zhuǎn)速時，立即讓電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。 9.〔1〕雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流波 〔2〕雙閉環(huán)系統(tǒng)在起、制動過程中，電流

7、閉環(huán)起作用，保持電流恒定，縮小系統(tǒng)的過渡過程時 間。一旦到達(dá)給定轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)自動進(jìn)入轉(zhuǎn)速控制方式，轉(zhuǎn)速閉環(huán)起主導(dǎo)作用，而電流內(nèi)環(huán)那么 起跟隨作用，使實際電流快速跟隨給定值〔轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出〕，以保持轉(zhuǎn)速恒定。 〔3〕系統(tǒng)的靜特性 當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和時表現(xiàn)出來的靜特性是轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差； 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和時表現(xiàn)出來的靜特性是電流單閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性，表現(xiàn)為電流無靜差，電流給 定值是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的限幅值。 〔4〕轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用歸納為 電流調(diào)節(jié)器的作用歸納為 10 香農(nóng)〔Shannon〕采樣定理規(guī)定：如果隨時間變化的模擬信號的最高頻率為 fmax ，只要按 照 f>2fm

8、ax 采樣頻率進(jìn)展采樣，那么取出的樣品序列就可以代表〔或恢復(fù)〕模擬信號 11.常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)有上升時間、超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間， 12.為了使系統(tǒng)對階躍給定無穩(wěn)態(tài)誤差，不能使用 0 型系統(tǒng)，至少是Ⅰ型系統(tǒng)； 當(dāng)給定是斜坡輸入時，那么要求是Ⅱ型系統(tǒng)才能實現(xiàn)無穩(wěn)態(tài)誤差。 兩種系統(tǒng)的比擬 n 典型 I 型系統(tǒng)和典型Ⅱ型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)誤差上有區(qū)別。 n 典型 I 型系統(tǒng)在跟隨性能上可以做到超調(diào)小，但抗擾性能稍差。 n 典型Ⅱ型系統(tǒng)的超調(diào)量相對較大，抗擾性能卻比擬好。 n 這些是設(shè)計時選擇典型系統(tǒng)的重要依據(jù)。 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(采用 I 型系統(tǒng)) 設(shè)計分為以下幾個步驟： 1.電流

9、環(huán)構(gòu)造圖的簡化 簡化內(nèi)容 n 忽略反電動勢的動態(tài)影響 n 等效成單位負(fù)反應(yīng)系統(tǒng) n 小慣性環(huán)節(jié)近似處理 2.電流調(diào)節(jié)器構(gòu)造的選擇 3.電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算 4.電流調(diào)節(jié)器的實現(xiàn) -  -可 修編- s oi I T e . - 設(shè)計舉例： 1.電流環(huán)的設(shè)計 ① 確定時間常數(shù) 整流裝置滯后時間常數(shù) T 電流濾波時間常數(shù) T 電流環(huán)小時間常數(shù)之和 T ②選擇電流調(diào)節(jié)器構(gòu)造  i n 要保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型 I 型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。 n 電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，用 PI 型電流調(diào)節(jié)器。 ③計算電流

10、調(diào)節(jié)器參數(shù) 電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù) 電流環(huán)開環(huán)增益 K ACR 的比例系數(shù) Ki ④校驗近似條件 電流環(huán)截止頻率 滿足晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件： 滿足忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件： 滿足電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 12. 異步電動機(jī) T 型等效電路 異步電動機(jī)簡化等效電路 27(A)異步電動機(jī)的機(jī)械特性 s n 0  n  1 s m 1 0 T 28.變壓變頻調(diào)速是改變同步轉(zhuǎn)速的一種em調(diào)速方法，同步轉(zhuǎn)速隨頻率而變化 基頻以下調(diào)速原理： 恒壓頻比控制：基頻以上調(diào)速 28 基頻以下電流補(bǔ)

11、償控制：基頻以下運(yùn)行時，采用恒壓頻比的控制方法具有控制簡便的優(yōu)點， 但負(fù)載的變化將導(dǎo)致磁通的改變，因此采用定子電流補(bǔ)償控制，根據(jù)定子電流的大小改變定子 電壓，可保持磁通恒定。 -  -可 修編- U A ~ U . - 小結(jié)： A.恒壓頻比控制最容易實現(xiàn)，它的變頻機(jī)械特性根本上是平行下移，硬度也較好，能夠滿足一 般的調(diào)速要求，低速時需適當(dāng)提高定子電壓，以近似補(bǔ)償定子阻抗壓降 B.恒定子磁通、恒氣隙磁通和恒轉(zhuǎn)子磁通的控制方式均需要定子電流補(bǔ)償，控制要復(fù)雜一些。 C.恒定子磁通和恒氣隙磁通的控制方式雖然改善了低速性能。但機(jī)械特性還是非線性的

12、，產(chǎn)生 轉(zhuǎn)矩的能力仍受到限制。 D.恒轉(zhuǎn)子磁通的控制方式，可以得到和直流他勵電動機(jī)一樣的線性機(jī)械特性，性能最正確。 29.異步電動機(jī)變頻調(diào)速需要電壓與頻率均可調(diào)的交流電源，常用的交流可調(diào)電源是由電力電子 器件構(gòu)成的靜止式功率變換器，一般稱為變頻器。 間接變頻:先將恒壓恒頻的交流電整成直流電，再將直流電逆變成電壓與頻率均可調(diào)的交流， 直接變頻;將恒壓恒頻的交流電直接變換為電壓與頻率均可調(diào)的交流電，無需中間直流環(huán)節(jié) 30.交-直-交變頻器主回路構(gòu)造圖 + d 2 ~ O' + d 2  B  C  M  O 30.PWM 根本思想：控制逆

13、變器中電力電子器件的開通或關(guān)斷，輸出電壓為高度相等 、寬度按 一定規(guī)律變化的脈沖序列，用這樣的高頻脈沖序列代替期望的輸出電壓 31.以頻率與期望的輸出電壓波一樣的正弦波作為調(diào)制波〔Modulation wave〕，以頻率比期望波 高得多的等腰三角波作為載波〔Carrier wave〕，當(dāng)調(diào)制波與載波相交時，由它們的交點確定逆 變器開關(guān)器件的通斷時刻，從而獲得高度相等、寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖序列，這種調(diào)制方 法稱作正弦波脈寬調(diào)制〔Sinusoidal pulse Width Modulation，簡稱 SPWM 〕 32.三相 PWM 逆變器雙極性 SPWM 波形 -  -

14、可 修編- . - 34 電流跟蹤 PWM〔CFPWM，Current Follow PWM〕的控制方法是：在原來主回路的根底上， 采用電流閉環(huán)控制，使實際電流快速跟隨給定值，在穩(wěn)態(tài)時，盡可能使實際電流接近正弦波形， 這就能比電壓控制的 SPWM 獲得更好的性能。它是以正弦波電流為控制目標(biāo)的 + U d 2 i  * A HBC VT 1  VD 1  A -  i  A  2h -1  VT 4 U - d 2 VD 4 4-13 電流滯環(huán)跟蹤控制

15、的 A 相原理 -  -可 修編- . - 圖 4-14 電流滯環(huán)跟蹤控制時的三相電流波形與相電壓 PWM 波形 電流跟蹤控制的精度與滯環(huán)的寬度有關(guān)，同時還受到功率開關(guān)器件允許開關(guān)頻率的制約。當(dāng)環(huán) 寬選得較大時，開關(guān)頻率低，但電流波形失真較多，諧波分量高；如果環(huán)寬小，電流跟蹤性能 好，但開關(guān)頻率卻增大了。實際使用中，應(yīng)在器件開關(guān)頻率允許的前提下，盡可能選擇小的環(huán) 寬 35.把逆變器和交流電動機(jī)視為一體，以圓形旋轉(zhuǎn)磁場為目標(biāo)來控制逆變器的工作，這種控制方 法稱作“磁鏈跟蹤控制〞，磁鏈軌跡的控制是通過交替使用不同的電壓空間矢量實現(xiàn)的，所以又 稱“電壓

16、空間矢量 PWM〔SVPWM，Space Vector PWM〕控制〞。 〔1〕電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系 u s1  u s1 u s 2  ψ  s 2  ψ  s 3  w 1 O  ψ s1 ψ s 4  u s 4  u s2  w 1  O u s3  u s4 u s 3 圖 4-17 旋轉(zhuǎn)磁場與電壓空間矢量的運(yùn)動軌跡圖 4-18 電壓矢量圓軌跡 〔2〕零矢量的插入有效地解決了定子磁鏈?zhǔn)噶糠蹬c旋轉(zhuǎn)速度的矛盾。 〔3〕.按空間矢量的

17、平行四邊形合成法那么，用相鄰的兩個有效工作矢量合成期望的輸出矢量， 這就是電壓空間矢量 PWM〔SVPWM〕的根本思想。所謂等效是指在一個開關(guān)周期內(nèi)，產(chǎn)生的 -  -可 修編- . - 定子磁鏈的增量近似相等。 通常以開關(guān)損耗較小和諧波分量較小為原那么，安排根本矢量和零矢量的作用順序，一般在減 少開關(guān)次數(shù)的同時，盡量使 PWM 輸出波型對稱，以減少諧波分量。 〔4〕零矢量集中的實現(xiàn)方法 按照對稱原那么，將兩個根本電壓矢量的作用時間、平分為二后，安放在開關(guān)周期的首端和末 端，把零矢量的作用時間放在開關(guān)周期的中間，并按開關(guān)次數(shù)最少的原那么選擇零矢量。

18、〔5〕零矢量分布的實現(xiàn)方法 將零矢量平均分為 4 份，在開關(guān)周期的首、尾各放 1 份，在中間放兩份，將兩個根本電壓矢量 的作用時間、平分為二后，插在零矢量間。 按開關(guān)損耗較小的原那么，選取零矢量 〔6〕 會根據(jù)要求判別期望定子磁鏈的軌跡 P161 〔8〕SVPWM 的實現(xiàn) 〔7〕SVPWM 控制模式的特點 36.轉(zhuǎn)差頻率控制的根本思想 假設(shè)能夠保持氣隙磁通不變，且在 s 值較小的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍內(nèi)，異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩就近似與轉(zhuǎn) 差角頻率成正比。 也就是說，在保持氣隙磁通不變的前提下，可以通過轉(zhuǎn)差角頻率來控制轉(zhuǎn)矩，這就是轉(zhuǎn)差頻率 控制的根本思想。 內(nèi)容提要 第 5 章

19、 n 異步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型 n 異步電動機(jī)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng) n 異步電動機(jī)按定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) n 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)與矢量控制系統(tǒng)的比擬 1. 異步電動機(jī)是一個高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。 異步電動機(jī)無法單獨對磁通進(jìn)展 控制，在數(shù)學(xué)模型中就含有兩個變量的乘積項，因此，即使不考慮磁路飽和等因素，數(shù)學(xué) 模型也是非線性的。 2. 三相異步電動機(jī)定子三相繞組在空間互差，轉(zhuǎn)子也可等效為空間互差三個繞組，各繞組 間存在嚴(yán)重的穿插耦合。此外，每個繞組都有各自的電磁慣性，再考慮運(yùn)動系統(tǒng)的機(jī)電慣 性，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角的積分關(guān)系等，動態(tài)模型是一個高階系統(tǒng)。 3. 矢量控制

20、和直接轉(zhuǎn)矩控制是兩種基于動態(tài)模型的高性能的交流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 4. 異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速中，輸入時電壓〔或電流〕和頻率，輸出是轉(zhuǎn)速和磁通 5. 異步電動機(jī)動態(tài)模型由電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動方程組成。 6. 3/2 變換：三相繞組可以用相互獨立的對稱兩相繞組等效代替，等效的原那么是產(chǎn)生的磁動 勢相等。所謂獨立是指兩相繞組間無約束條件，即不存在約束條件，所謂對稱是指兩相繞 組在空間互差 90°。 2s/2r 變換：兩相靜止繞組，通以兩相平衡交流電流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢。如果令兩相繞組轉(zhuǎn) 起來，且旋轉(zhuǎn)角速度等于合成磁動勢的旋轉(zhuǎn)角速度，那么兩相繞組通以直流電流就產(chǎn)生空 間旋轉(zhuǎn)磁動勢

21、41 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向：〔1〕令 dq 坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶客叫D(zhuǎn)，且使得 d 軸與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶?重合，即為按轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 mt。由于 m 軸與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐睾?，那? -  -可 修編- . - （2）為了保證 m 軸與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶渴冀K重合，必須使 50 通過按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，將定子電流分解為勵磁分量 和轉(zhuǎn)矩分量 ，使 轉(zhuǎn)子磁鏈僅由定子電流勵磁分量產(chǎn)生，而電磁轉(zhuǎn)矩正比于轉(zhuǎn)子磁鏈和定子電流轉(zhuǎn)矩分量的乘積， 實現(xiàn)了定子電流兩個分量的解耦。 因此，按轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型與直流電動機(jī)動態(tài)模型相當(dāng)。 根據(jù)定子磁鏈

22、幅值偏差的符號和電磁轉(zhuǎn)矩偏差的符號，再依據(jù)當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶克诘奈恢茫?直接選取適宜的電壓空間矢量，減小定子磁鏈幅值的偏差和電磁轉(zhuǎn)矩的偏差，實現(xiàn)異步電動機(jī) 電磁轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈的控制。 可以通過 控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)角速度 ，進(jìn)而控制電磁轉(zhuǎn)矩。 按定子磁鏈定向?qū)⒍ㄗ与妷悍纸鉃閮蓚€分量， 控制定子磁鏈幅值的變化率， 控制定子 磁鏈?zhǔn)噶啃D(zhuǎn)角速度，再通過轉(zhuǎn)差頻率控制定子電流的轉(zhuǎn)矩分量 ，最后控制轉(zhuǎn)矩。 結(jié)合表 5-1,5-2.5--24 綜合分析 同步電動機(jī)變頻調(diào)速的電壓頻率特性與異步電動機(jī)變頻調(diào)速一樣，基頻以下采用帶定子壓降補(bǔ) 償?shù)暮銐侯l比控制方式，基頻以上采用電壓恒定的控制方式 同步電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行分析 -  -可 修編-