运动控制系统总结ppt课件

运动控制系统总结 第1章绪论 什么是运动控制系统 运动控制系统是以机械运动的驱动设备 电动机为控制对象 以控制器为核心 以电力电子功率变换装置为执行机构 在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统 运动控制系统及其组成 直流调速系统 直流电动机的数学模型简单 转矩易于控制 换向器与电刷的位置保证了电枢电流与励磁电流的解耦 使转矩与电枢电流成正比 交流调速系统 交流电动机 尤其是笼型感应电动机 结构简单交流电动机动态数学模型具有非线性多变量强耦合的性质 比直流电动机复杂得多 运动控制系统的转矩控制规律 忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩 运动控制系统的简化运动方程式 转矩控制是运动控制的根本问题磁链控制同样重要 生产机械的负载转矩特性 生产机械的负载转矩TL是一个必然存在的不可控扰动输入 恒转矩负载 a 位能性恒转矩负载b 反抗性恒转矩负载 恒功率负载 直流调速系统 电枢回路 调节直流电动机转速的方法 1 调节电枢供电电压 2 减弱励磁磁通 3 改变电枢回路电阻 调磁调速特性曲线 第2章 转速反馈控制的直流调速系统 晶闸管整流器 电动机系统 电流连续时V M系统的机械特性 晶闸管触发电路与整流装置的传递函数 输入输出关系为 直流PWM变换器 电动机系统 电压和电流波形 不可逆PWM变换器 直流电动机系统 一般电动状态的电压 电流波形 有制动电流通路的不可逆PWM变换器 直流电动机系统 图2 11有制动电流通路的不可逆PWM变换器 直流电动机系统 的正脉冲比负脉冲窄 始终为负 制动状态的电压 电流波形 d 轻载电动状态的电流波形 VT1 VD2 VT2和VD1四个管子轮流导通 直流PWM调速系统 电流连续 的机械特性 转速控制的要求和稳态调速性能指标 调速范围静差率s 图2 14不同转速下的静差率 特性a和b的硬度相同 特性a和b额定速降相同 特性a和b的静差率不相同 静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准 调速范围 静差率和额定速降之间的关系 转速反馈控制直流调速系统 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图 图2 21额定励磁下直流电动机的动态结构框图 a 电压电流间的结构框图 b 电流电动势间的结构框图 c 直流电动机的动态结构框图 反馈控制规律 2 4直流调速系统的数字控制 数字测速方法的精度指标 当被测转速由n1变为n2时 引起记数值增量为1 则该测速方法的分辨率是转速实际值和测量值之差与实际值之比定义为测速误差率 M法测速 记取一个采样周期内旋转编码器发出的脉冲个数来算出转速的方法称为M法测速 又称频率法测速 2 77 M法测速分辨率为 2 78 M法测速的分辨率与实际转速的大小无关 M法的测速误差率的最大值为 2 79 max与M1成反比 转速愈低 M1愈小 误差率愈大 T法测速 T法测速是测出旋转编码器两个输出脉冲之间的间隔时间来计算转速 又被称为周期法测速 准确的测速时间是用所得的高频时钟脉冲个数M2计算出来的 即 电动机转速为 2 80 T法测速的分辨率定义为时钟脉冲个数由M2变成 M2 1 时转速的变化量 2 81 综合式 2 80 和式 2 81 可得 2 82 T法测速的分辨率与转速高低有关 转速越低 Q值越小 分辨能力越强 M T法测速 在M法测速中 随着电动机的转速的降低 计数值减少 测速装置的分辨能力变差 测速误差增大 T法测速正好相反 随着电动机转速的增加 计数值减小 测速装置的分辨能力越来越差 综合这两种测速方法的特点 产生了M T测速法 它无论在高速还是在低速时都具有较高的分辨能力和检测精度 在高速段 与M法测速的分辨率完全相同 在低速段 M1 1 M2随转速变化 分辨率与T法测速完全相同 M T法测速无论是在高速还是在低速都有较强的分辨能力 2 5 2带电流截止负反馈环节的直流调速系统 图2 38电流截止负反馈环节 a 利用独立直流电源作比较电压 b 利用稳压管产生比较电压 图2 40带电流截止负反馈的闭环直流调速系统稳态结构框图 图2 41带电流截止负反馈比例控制闭环直流调速系统的静特性 CA段 电流负反馈被截止AB段 电流负反馈起作用 第3章 转速 电流反馈控制的直流调速系统 起动电流呈矩形波 转速按线性增长 这是在最大电流 转矩 受限制时调速系统所能获得的最快的起动 制动 过程 图3 1时间最优的理想过渡过程 图3 3双闭环直流调速系统的稳态结构图 转速反馈系数 电流反馈系数 AB段是两个调节器都不饱和时的静特性 Id Idm n n0 BC段是ASR调节器饱和时的静特性 Id Idm n n0 图3 4双闭环直流调速系统的静特性 根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数 转速反馈系数 3 6 电流反馈系数 3 7 两个给定电压的最大值U nm和U im由设计者选定 3 2转速 电流反馈控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析 3 2 1转速 电流反馈控制直流调速系统的动态数学模型 图3 5双闭环直流调速系统的动态结构图 图3 6双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形 电流Id从零增长到Idm 然后在一段时间内维持其值等于Idm不变 以后又下降并经调节后到达稳态值IdL 双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点 1 饱和非线性控制 2 转速超调 3 准时间最优控制 3 3转速 电流反馈控制直流调速系统的设计 3 3 1控制系统的动态性能指标在控制系统中设置调节器是为了改善系统的静 动态性能 控制系统的动态性能指标包括对给定输入信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的抗扰性能指标 图3 8典型的阶跃响应过程和跟随性能指标 上升时间 峰值时间 调节时间 超调量 图3 9突加扰动的动态过程和抗扰性能指标 动态降落 恢复时间 调节器的工程设计方法 常把 型和 型系统作为系统设计的目标 K值越大 截止频率 c也越大 系统响应越快 相角稳定裕度 越小 快速性与稳定性之间存在矛盾 在选择参数K时 须在快速性与稳定性之间取折衷 表3 1典型 型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系 定义中频宽 3 23 中频宽表示了斜率为20dB sec的中频的宽度 是一个与性能指标紧密相关的参数 采用 振荡指标法 中的闭环幅频特性峰值最小准则 可以找到和两个参数之间的一种最佳配合 3 25 3 26 在确定了h之后 可求得 3 29 3 30 振荡指标法 中的闭环幅频特性峰值最小准则 对于一定的h值 只有一个确定的 c 或K 可得到最小的闭环幅频特性峰值Mrmin 表3 4典型 型系统阶跃输入跟随性能指标 按Mrmin准则确定参数关系 以h 5的动态跟随性能比较适中 控制结构和扰动作用点如图3 15所示 参数关系符合准则 表3 5典型 型系统动态抗扰性能指标与参数的关系 Cb 2FK2T 控制对象的工程近似处理方法 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 3 3 3按工程设计方法设计转速 电流反馈控制直流调速系统的调节器 用工程设计方法来设计转速 电流反馈控制直流调速系统的原则是先内环后外环 先从电流环 内环 开始 对其进行必要的变换和近似处理 然后根据电流环的控制要求确定把它校正典型I型系统 再按照控制对象确定电流调节器的类型 按动态性能指标要求确定电流调节器的参数 电流环设计完成后 把电流环等效成转速环 外环 中的一个环节 再用同样的方法设计转速环为典型II型系统 3 内 外环开环对数幅频特性的比较外环的响应比内环慢 这是按上述工程设计方法设计多环控制系统的特点 图3 26双闭环调速系统内环和外环的开环对数幅频特性I 电流内环n 转速外环 第5章 基于稳态模型的异步电动机调速系统 异步电动机稳态等效电路 图5 1异步电动机T型等效电路 假定条件 忽略空间和时间谐波 忽略磁饱和 忽略铁损 异步电动机稳态等效电路 简化等效电路的相电流幅值 异步电动机的机械特性 异步电动机传递的电磁功率 机械同步角速度 异步电动机的机械特性 异步电动机的电磁转矩 机械特性方程式 异步电动机的机械特性 对s求导 并令 临界转差率 对应最大转矩的转差率 异步电动机的机械特性 对s求导 并令 最大转矩 又称临界转矩 不同控制方式下的机械特性 a 恒压频比控制b 恒定子磁通控制c 恒气隙磁通控制d 恒转子磁通控制 5 4电力电子变压变频器 脉冲宽度调制技术 现代变频器中用得最多的控制技术是脉冲宽度调制 PulseWidthModulation 简称PWM 基本思想是控制逆变器中电力电子器件的开通或关断 输出电压为幅值相等 宽度按一定规律变化的脉冲序列 用这样的高频脉冲序列代替期望的输出电压 5 4 2正弦波脉宽调制技术 以频率与期望的输出电压波相同的正弦波作为调制波 以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波 由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻 从而获得幅值相等 宽度按正弦规律变化的脉冲序列 这种调制方法称作正弦波脉宽调制 SinusoidalpulseWidthModulation 简称SPWM 5 4 2正弦波脉宽调制技术 图5 17三相PWM逆变器双极性SPWM波形 a 三相正弦调制波与双极性三角载波b c d 三相电压e 输出线电压f 电动机相电压 5 4 4电流跟踪PWM控制技术 图5 19电流滞环跟踪控制的A相原理图 5 4 5电压空间矢量PWM SVPWM 控制技术 把逆变器和交流电动机视为一体 以圆形旋转磁场为目标来控制逆变器的工作 这种控制方法称作 磁链跟踪控制 磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实现的 所以又称 电压空间矢量PWM SVPWM SpaceVectorPWM 控制 空间矢量的定义 交流电动机绕组的电压 电流 磁链等物理量都是随时间变化的 如果考虑到它们所在绕组的空间位置 可以定义为空间矢量 定义三相定子电压空间矢量 k为待定系数 空间矢量的合成 三相合成矢量 图5 21电压空间矢量 的合成矢量 电压与磁链空间矢量的关系 图5 22旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹 图5 23电压矢量圆轨迹 8个基本空间矢量 2个零矢量 6个有效工作矢量 幅值为 空间互差 基本电压空间矢量图 图5 24基本电压空间矢量图 正六边形空间旋转磁场 6个有效工作矢量完成一个周期 输出基波电压角频率 6个有效工作矢量 每个有效工作矢量作用 顺序分别作用 t时间 并使 正六边形空间旋转磁场 图5 26正六边形定子磁链轨迹 在一个周期内 6个有效工作矢量顺序作用一次 定子磁链矢量是一个封闭的正六边形 正六边形空间旋转磁场 正六边形定子磁链的大小与直流侧电压成正比 而与电源角频率成反比 正六边形空间旋转磁场 在基频以下调速时 应保持正六边形定子磁链的最大值恒定 若直流侧电压恒定 则 1越小时 t越大 势必导致 增大 正六边形空间旋转磁场 要保持正六边形定子磁链不变 必须使 在变频的同时必须调节直流电压 造成了控制的复杂性 正六边形空间旋转磁场 有效的方法是插入零矢量当零矢量作用时 定子磁链矢量的增量 表明定子磁链矢量停留不动 正六边形空间旋转磁场 有效工作矢量作用时间 当 零矢量作用时间 定子磁链矢量的增量为 正六边形空间旋转磁场 在时间 t1段内 定子磁链矢量轨迹沿着有效工作电压矢量方向运行 在时间 t0段内 零矢量起作用 定子磁链矢量轨迹停留在原地 等待下一个有效工作矢量的到来 正六边形定子磁链的最大值 正六边形空间旋转磁场 在直流电压不变的条件下 要保持 输出频率越低 t越大 零矢量作用时间 t0也越大 定子磁链矢量轨迹停留的时间越长 由此可知 零矢量的插入有效地解决了定子磁链矢量幅值与旋转速度的矛盾 恒定 只要使 t1为常数即可 期望电压空间矢量的合成 在一个开关周期T0 图5 28期望输出电压矢量的合成 的作用时间 的作用时间 合成电压矢量 SVPWM的实现 通常以开关损耗和谐波分量都较小为原则 来安排基本矢量和零矢量的作用顺序 一般在减少开关次数的同时 尽量使PWM输出波型对称 以减少谐波分量 零矢量集中的实现方法 按照对称原则 将两个基本电压矢量的