1、第二十讲,运动控制系统复习,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
2、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to
3、n 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
4、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
5、: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
6、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
7、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
8、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),K
9、s,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）
10、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
11、，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
12、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
13、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。,第四章 可逆直流调速系统,（1）V-M系统的可逆线路可分为两大类：电枢反接可逆线路电枢反接反向过程快，但需要较大容量的晶闸管装置；励磁反接可逆线路励磁反接反向过程慢，控制相对复杂，但所需晶闸管装置容 量小。,（2）每一类线路又可用不同的换向方式：接触器切换线路适用于不经常正反转的生产机械； 晶闸管开关切换线路适用于中、小功率的可逆系统； 两组晶闸管反并联线路适用于各种可逆系统。,V-M系统反并联可 逆线路的工作状态,环流的定义,采用两组晶闸管反并联的可逆V-M系统，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管
14、之间流通的短路电流，称作环流,环流的两重性,危害：一般地说，这样的环流对负载无益，徒然加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率，环流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除。 利用：只要合理的对环流进行控制，保证晶闸管的安全工作，可以利用环流作为流过晶闸管的基本负载电流，使电动机在空载或轻载时可工作在晶闸管装置的电流连续区，以避免电流断续引起的非线性对系统性能的影响。,环流的分类,（1）静态环流两组可逆线路在一定控制角下稳定工作时出现的环流，其中又有两类： 直流平均环流由晶闸管装置输出的直流平均电压所产生的环流称作直流平均环流。 瞬时脉动环流两组晶闸管输出的直流平均电压差为零，但因电压波形不同
15、，瞬时电压差仍会产生脉动的环流，称作瞬时脉动环流。,（2）动态环流仅在可逆V-M系统处于过渡过程中出现的环流。,直流平均环流 与配合控制,采用封锁触发脉冲的方法，在任何时候，只允许一组晶闸管装置工作 采用配合控制的策略，使一组晶闸管装置工作在整流状态，另一组则工作在逆变状态,配合控制的条件, f r,配合控制方法,将两组晶闸管装置的触发脉冲零位都定在90，即 当控制电压 Uc= 0 时，使 f = r = 90，此时 Ud0f = Ud0r = 0 ，电机处于停止状态。 增大控制电压Uc 移相时，只要使两组触发装置的控制电压大小相等符号相反就可以了, = 配合控制电路, = 配合控制特性,Uc
16、,- Ucm, = 控制的工作状态,待整流状态 当逆变组工作时，另一组在等待整流，称“待整流状态”。,待逆变状态 逆变组除环流外并未流过负载电流，它只是处于“待逆变状态”，表示该组晶闸管装置是在逆变角控制下等待工作,瞬时脉动环流的产生,正组整流电压和反组逆变电压之间的瞬时电压差,瞬时脉动环流的抑制,在环流回路中串入电抗器，叫做环流电抗器，或称均衡电抗器,环流电抗的大小可以按照把瞬时环流的直流分量限制在负载额定电流的5%10%来设计,制动过程,本组逆变阶段它组制动阶段它组建流子阶段；它组逆变子阶段；反向减流子阶段,无环流控制的可逆晶闸管-电动机系统,逻辑控制无环流系统,错位控制无环流系统,第五章
17、 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
18、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
19、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
20、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）自然采样法原理,利用正弦波与三角 波的自然交点，决定 脉冲输出信号极性。由于采用计数器计 数定时，故计数器计 数决定脉冲宽度或间 歇时间。,（2）规则采样法,规则采样法原理,三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc 自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期的中点（即负峰点）重合 规则采样法使两者重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化,在三角波的负峰时刻tD 对正弦信号波采样得D点，过 D作水平直线和三角波分别交于A、B点，在A点时刻tA和B点时刻tB控制开关器件的通断
21、 脉冲宽度d 和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近,规则采样法原理,正弦调制信号波式中，M 称为调制度，0 a 1；r为信号波角频率。从图中可得因此可得三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度,PWM调制方法,载波比载波频率 fc与调制信号频率 fr 之比N，既 N = fc / fr根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制。,（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
22、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,（3）分段同步调制,把fr范围划分成若干个频段，每个
23、频段内保持N恒定，不同频段N不同； 在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高； 在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低,（4）混合调制,可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。,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
24、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
25、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）,
26、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
27、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
28、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。,性能比较,从总体控制结构上看，直接转矩控制(DTC)系统和矢量控制(VC)系统是一致的，都能获得较高的静、动态性能。,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,第七章 绕线式异步电机串级调速系统,双馈调速的概念,所谓“双馈”，就是指把绕线转子异步电机的定子绕组与交流电网连接，转子绕组与其他含电动势的
29、电路相连接，使它们可以进行电功率的相互传递。,双馈调速的基本结构,五种工况小结,图7-2 异步电机在转子附加电动势时的工况及其功率流程,五种工况都是异步电机转子加入附加电动势时的运行状态。在工况a,b,c中，转子侧都输出功率，可把转子的交流电功率先变换成直流，然后再变换成与电网具有相同电压与频率的交流电功率。,串级调速系统的工作原理,（1）起动,控制逆变角 ，使在起动开始的瞬间，Ud与Ui的差值能产生足够大的Id，以满足所需的电磁转矩，但又不超过允许的电流值，这样电动机就可在一定的动态转矩下加速起动。 随着转速的增高，相应地增大 角以减小值Ui，从而维持加速过程中动态转矩基本恒定,（2）调速,
30、调速原理：通过改变 角的大小调节电动机的转速。 调速过程：,（3） 停车,减小 角逐渐减速，并依靠负载阻转矩的作用自由停车。,串级调速机械特性的特征,图7-7 异步电动机串级调速时的机械特性 a) 大电机 b)小电机,串级调速时的转子整流电路,（1）一般整流变压器输入输出的频率是一样的，而异步电动机转子绕组感应电动势的幅值与频率都是变化的，随电机转速的改变而变化； （2）异步电动机折算到转子侧的漏抗值也与转子频率或转差率有关； （3）由于异步电动机折算到转子侧的漏抗值较大，所以出现的换相重叠现象比一般整流电路严重，从而在负载较大时会引起整流器件的强迫延迟换相现象。,转子整流电路的工作状态,（1
31、）第一种工作状态的特征是0 60， p = 0 此时，转子整流电路处于正常的不可控整流工作状态，可称之为第一工作区。 （2）第二种工作状态的特征是 = 60， 0 p 30 这时，由于强迫延迟换相的作用，使得整流电路好似处于可控的整流工作状态，p 角相当于整流器件的控制角，这一状态称作第二工作区。,（3）当 =30时，整流电路中会出现4个器件同时导通，形成共阳极组和共阴极组器件双换流的重叠现象，此后p 保持为30，而角继续增大，整流电路处于第三种工作状态，这是一种非正常的故障状态,串级调速时的机械特性,串级调速系统的效率,总效率,功率因数低的原因,异步电动机本身的功率因数就会随着负载的减轻而下降； 转子整流器的换相重迭和强迫延迟导通等作用都会通过电机从电网吸收换相无功功率； 逆变器的相控作用使其电流与电压不同相，也要消耗无功功率。,逆变变压器的计算,调节器参数的设计,转速环按典型II型系统设计，电流环按典型I型系统设计,串级调速系统的起动方式,在起动时必须使逆变器先电机而接上电网，停车时则比电机后脱离电网，以防止逆变器交流侧断电，使晶闸管无法关断，造成逆变器的短路事故,希望大家认真复习，深入钻研，掌握运动控制系统的基本概念、系统结构、电路工作原理、系统工作原理、基本分析与设计方法，争取考出优异的成绩，向党和人民汇报。,
