運動控制系統(tǒng) 復(fù)習(xí)知識點總結(jié)

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1、- 1 運動控制系統(tǒng)的任務(wù)是通過對電動機電壓、電流、頻率等輸入電量的控制，來改變工作機械的轉(zhuǎn)矩、速度、位移等機械量，使各種工作機械按人們期望的要求運行，以滿足生產(chǎn)工藝及其他應(yīng)用的需要?！策\動控制系統(tǒng)框圖〕 2.運動控制系統(tǒng)的控制對象為電動機，運動控制的目的是控制電動機的轉(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)矩控制是運動控制的根本問題。 第1章可控直流電源-電動機系統(tǒng) 內(nèi) 容 提 要 相控整流器-電動機調(diào)速系統(tǒng) 直流PWM變換器-電動機系統(tǒng) 調(diào)速系統(tǒng)性能指標(biāo) 1相控整流器-電動機調(diào)速系統(tǒng)原理 2.晶

2、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?，給電機的可逆運行帶來困難。 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)無功補償裝置和諧波濾波裝置。 3.V-M系統(tǒng)機械特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有關(guān)。 5.〔1〕直流脈寬變換器根據(jù)PWM變

3、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-直流電動機系統(tǒng) 〔3〕有制動電流通路的不可 逆PWM-直流電動機系統(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-電動機系統(tǒng)的能量回饋問題 〞?！?〕直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機械特性 6..生產(chǎn)機械要求電動機在額定負(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*一轉(zhuǎn)速下運行時，負(fù)載由理想空載增加到額定值時電動機轉(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

4、要求越高，即要求s越小，則可到達(dá)的D必定越小。 當(dāng)要求的D越大時，則所能到達(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.異步電動機從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率可分成兩局部：一局部是機械軸上輸出的機械功率；另一局部是與轉(zhuǎn)差率成正比的轉(zhuǎn)差功率。.異步電動機按調(diào)速性能分類第一類基于穩(wěn)態(tài)模型，動態(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)。而另一類則基于動態(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)。

5、 同步電動機的調(diào)速：同步電動機的轉(zhuǎn)差率恒為零，從定子傳入的電磁功率全部變?yōu)闄C械軸上輸出的機械功率，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

6、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)則起跟隨作用，使實際電流快速跟隨給定值〔轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出〕，

7、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fma* ，只要按照 f>2fma*采樣頻率進(jìn)展采樣，則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)，

8、至少是Ⅰ型系統(tǒng)； 當(dāng)給定是斜坡輸入時，則要求是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) 設(shè)計舉例

9、： 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)Ts 電流濾波時間常數(shù)Toi 電流環(huán)小時間常數(shù)之和TSi ②選擇電流調(diào)節(jié)器構(gòu)造 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KI 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T型等效電路 異步電動機簡化等效電路 27(A)異

10、步電動機的機械特性 28.變壓變頻調(diào)速是改變同步轉(zhuǎn)速的一種調(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基頻以下電流補償控制：基頻以下運行時，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。 小結(jié)： A.恒壓頻比控制最容易實現(xiàn)，它的變頻機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償，控制要復(fù)雜一些。 C.恒定子磁

11、通和恒氣隙磁通的控制方式雖然改善了低速性能。但機械特性還是非線性的，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一樣的線性機械特性，性能最正確。 29.異步電動機變頻調(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 30.PWM根本思想：控制逆變器中電力電子器件的開通或關(guān)斷，輸出電壓為高度

12、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 34 電流跟蹤PWM〔CFPWM，Current Follow PWM〕的控制方法是：

13、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 4-13電流滯環(huán)跟蹤控制的A相原理 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視為一體，以圓形旋轉(zhuǎn)磁場為目標(biāo)來控制

14、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 圖4-17 旋轉(zhuǎn)磁場與電壓空間矢量的運動軌跡圖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〕.按空間矢量的平行四邊形合成法則，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

15、為原則，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 按照對稱原則，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)最少的原則選擇零矢量。 〔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)損耗較小的原則，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

16、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)運行范圍內(nèi)，異步電動機的轉(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。 第5章 內(nèi)容提要 n 異步電動機動態(tài)數(shù)學(xué)模型 n 異步電動機按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng) n 異步電動機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. 異步電動機是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)。異步電動機無法單獨對磁通進(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)

17、模型也是非線性的。 2. 三相異步電動機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，再考慮運動系統(tǒng)的機電慣性，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調(diào)速系統(tǒng) 4. 異步電動機變壓變頻調(diào)速中，輸入時電壓〔或電流〕和頻率，輸出是轉(zhuǎn)速和磁通 5. 異步電動機動態(tài)模型由電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運動方程組成。 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，等效的原則是產(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

18、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，則兩相繞組通以直流電流就產(chǎn)生空間旋轉(zhuǎn)磁動勢 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)噶恐睾?，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?，則 （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

19、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)系中的異步電動機數(shù)學(xué)模型與直流電動機動態(tài)模型相當(dāng)。 根據(jù)定子磁鏈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苯舆x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 同步電動機變頻調(diào)速的電壓頻率特性與異步電動機變頻調(diào)速一樣，基頻以下采用帶定子壓降補償?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 同步電動機的穩(wěn)定運行分析 . z.