运动控制系统ppt课件.ppt
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1、,自动化学院,运 动 控 制 系 统,孙跃 教授,,TEL: (023) 65111779,序言,课程的内容、目的,以电动机为控制对象、以实现既定(旋转)运动规律和特性为目标、以电力能量变换技术(电力电子应用技术)和自动控制理论及相关控制技术为手段,探讨如何构成运动控制系统。,序言,课程的地位、意义,自动化学科及自动控制领域背景知识 自动化专业的内涵及专业特征 本课程的专业地位及重要性,序言,课程的特点,支撑知识(课程)广泛 理论性和实践性结合紧密 公式多多、记忆多多、结论多多,序言,课程体系,以直流电动机为对象直流运动系统 以交流电动机为对象交流运动系统,直流拖动控制系统,第 1 篇,内容提
2、要,直流调速方法 直流调速电源 直流调速控制,引 言,直流电动机具有良好的起、制动性能,宜于在大范围内平滑调速,在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。 由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟,而且从控制的角度来看,它又是交流拖动控制系统的基础。因此,为了保持由浅入深的教学顺序,应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。,根据直流电机转速方程,直流调速方法,(1-1),由式(1-1)可以看出,有三种方法调节电动机的转速: (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。,(1)调压调速,工作条件: 保持励磁 = N ; 保持电阻 R =
3、Ra 调节过程: 改变电压 UN U U n , n0 调速特性: 转速下降,机械特性曲线平行下移。,(2)调阻调速,工作条件: 保持励磁 = N ; 保持电压 U =UN ; 调节过程: 增加电阻 Ra R R n ,n0不变; 调速特性: 转速下降,机械特性曲线变软。,(3)调磁调速,工作条件: 保持电压 U =UN ; 保持电阻 R = R a ; 调节过程: 减小励磁 N n , n0 调速特性: 转速上升,机械特性曲线变软。,调磁调速特性曲线,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
4、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。 因此,自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。,第1章 闭环控制的直流调速系统,本章着重讨论基本的闭环控制的直流调速系统及其分析与设计方法。,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,1.1 直流调速系统用的可控直流电源,根据前面分析,调压调速是直流调速系统的主要方
5、法,而调节电枢电压需要有专门向电动机供电的可控直流电源。 本节介绍几种主要的可控直流电源。,常用的可控直流电源有以下三种,旋转变流机组(G-M系统)用交流电动机和直流发电机组成机组,提供可调直流电压。 AC/DC可控整流器用可控整流器,提供可调直流电压。 直流斩波器或脉宽调制变换器不可控整流加直流斩波器,提供可调直流电压。,1.1.1 旋转变流机组,图1-1旋转变流机组供电的直流调速系统(G-M系统),Ward-Leonard系统,已经淘汰!,1.1.2 可控整流器,图1-3 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统(V-M系统),晶闸管-电动机调速系统 (V-M系统),相控整流器模式,V-M系统的
6、问题,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”。,1.1.3 直流斩波器或脉宽调制变换器,不可控交直变换器,直流斩波器,直流电动机,直流电网,变换 (输出不可调),变换 (可调电压输出),直流斩波调速 (调速),1. 直流斩波器的原理结构,图1-5 直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形,2. 斩波器的基本控制原理,在原理图中,VT 表示电力电子开关器件,VD 表示续流二极管。当VT 导通时,直流电源电压 Us 加到电动机上;当VT 关断时,直流电源与电
7、机脱开,电动机电枢经 VD 续流,两端电压接近于零。如此反复,电枢端电压波形如图1-5b ,好像是电源电压Us在ton 时间内被接上,又在 T ton 时间内被斩断,故称“斩波”。,这样,电动机得到的平均电压为,3. 输出电压计算,(1-2),式中 T 晶闸管的开关周期; ton 开通时间; 占空比, = ton / T = ton f ; 其中 f 为开关频率。,4. 斩波电路三种控制方式,根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分,有三种控制方式: T 不变,变 ton 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。,PW
8、M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;,PWM系统的优点(续),(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。,小 结,三种可控直流电源,V-M系统在上世纪6070年代得到广泛应用,目前主要用于大容量系统。 直流PWM调速系统作为一种新技术,发展迅速,应用日益广泛,
9、特别在中、小容量的系统中,已取代V-M系统成为主要的直流调速方式。,1.2 晶闸管-电动机系统(V-M系统) 的主要问题,本节讨论V-M系统的几个主要问题: (1)触发脉冲相位控制; (2)电流脉动及其波形的连续与断续; (3)抑制电流脉动的措施; (4)晶闸管-电动机系统的机械特性; (5)晶闸管触发和整流装置的放大系数和 传递函数。,在如图可控整流电路中,调节触发装置 GT 输出脉冲的相位,即可很方便地改变可控整流器 VT 输出瞬时电压 ud 的波形,以及输出平均电压 Ud 的数值。,1.2.1 触发脉冲相位控制,等效电路分析,如果把整流装置内阻移到装置外边,看成是其负载电路电阻的一部分,
10、那么,整流电压便可以用其理想空载瞬时值 ud0 和平均值 Ud0 来表示,相当于用图示的等效电路代替实际的整流电路。,图1-7 V-M系统主电路的等效电路图,瞬时电压平衡方程,(1-3),对ud0进行积分,即得理想空载整流电压平均值Ud0 。 用触发脉冲的相位角 控制整流电压的平均值Ud0是晶闸管整流器的特点。 Ud0与触发脉冲相位角 的关系因整流电路的形式而异,对于一般的全控整流电路,当电流波形连续时,Ud0 = f () 可用下式表示,整流电压的平均值计算,(1-5),表1-1 不同整流电路的整流电压值,* U2 是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。,整流与逆变状态,当 0 0 ,晶闸管
11、装置处于整流状态,电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。 为避免逆变颠覆,应设置最大的移相角限制。相控整流器的电压控制曲线如下图,逆变颠覆限制,通过设置控制电压限幅值,来限制最大触发角。,1.2.2 电流脉动及其波形的连续与断续,由于电流波形的脉动,可能出现电流连续和断续两种情况,这是V-M系统不同于G-M系统的又一个特点。,决定电流连续与否的关键:电枢回路总电感储能的大小!,V-M系统主电路的输出,图1-9 V-M系统的电流波形,1.2.3 抑制电流脉动的措施,在V-M系统中,脉动电流会产生脉动的转矩,对生产机械不利,同时也
12、增加电机的发热。为了避免或减轻这种影响,须采用抑制电流脉动的措施,主要是: 设置平波电抗器; 图1-3中的L 增加整流电路相数; 采用多重化技术。,(1)平波电抗器的设置与计算,单相桥式全控整流电路 三相半波整流电路 三相桥式整流电路,(1-6),(1-8),(1-7),(2)多重化整流电路,如图电路为由2个三相桥并联而成的12脉波整流电路,使用了平衡电抗器来平衡2组整流器的电流。,并联多重联结的12脉波整流电路,(1)电流连续情况,图1-10 电流连续时V-M系统的机械特性,结论:只要电流连续,晶闸管可控整流器就可以看成是一个线性的可控电压源。,1.2.4 晶闸管-电动机系统的机械特性,(2
13、)电流断续情况,当电流断续时,由于非线性因素,机械特性方程要复杂得多。且特性表现出严重的非线性特征。,图1-11 完整的V-M系统机械特性,(3)V-M系统机械特性的特点,图1-11绘出了完整的V-M系统机械特性,分为电流连续区和电流断续区。由图可见: 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。,1.2.5 整流(含触发电路)环节的传递函数,在进行调速系统的分析和设计时,可以把晶闸管触发和整流装置当作系统中的一个环节来看待。 应用线性控制理论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。,实际的触发电路和整流电路都是非线性
14、的,只能在一定的工作范围内近似看成线性环节。 如有可能,最好先用实验方法测出该环节的输入-输出特性,即曲线,图1-13是采用锯齿波触发器移相时的特性。设计时,希望整个调速范围的工作点都落在特性的近似线性范围之中,并有一定的调节余量。,整流环节的放大系数的计算,整流环节(含触发电路)的放大系数可由工作范围内的特性率决定,计算方法是,图1-13 晶闸管触发与整流装置的输入-输出特性和的测定,(1-12),整流环节的传递函数,在动态过程中,可把晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞后环节,其滞后效应是由晶闸管的失控时间引起的。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
15、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。,用单位阶跃函数表示滞后,则晶闸管触发与整流装置的输入-输出关系为 按拉氏变换定理,晶闸管装置的传递函数表示为 (1-14),Ts 值的选取,Ts是电路的惯性时间常数。相对于整个系统的响应时间来说,Ts 是不大的,在一般情况下,可取其统计平均值 Ts = Tsmax /2,并认为是常数。也有人主张按最严重的情况考虑,取Ts = Tsmax 。表1-2列出了不同整流电路的失控时间。,表1-2 各种整流电路的失控时间(f =50Hz),由于式(1-14)中包含指数函数,它使系统成为非最小相位系统,分析和设计都比较麻
16、烦。为了简化,先将该指数函数按台劳级数展开,则式(1-14)变成 (1-15),近似传递函数,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。 (1-16),整流环节(含触发电路)动态结构,1.3 直流脉宽调速系统,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。,本节提要,(1)PWM变换器的工作状态和波形; (2)直流PWM调速系统的机械特性; (3)PWM控制与变换器的数学模型;,1.3.1 PWM变换器的工作状态和电压、 电流波形,PWM变换器的作
17、用是:用PWM调制的方法,把恒定的直流电源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变换器电路有多种形式,主要分为不可逆与可逆两大类,下面分别阐述其工作原理。,1. 不可逆PWM变换器,(1)简单的不可逆PWM变换器 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统主电路原理图如图1-16所示,功率开关器件可以是任意一种全控型开关器件,这样的电路又称直流降压斩波器。, 主电路结构,2,1,电动机上的电流始终为单向,工作状态与波形,在一个开关周期内, 当0 t ton时,Ug为正,VT导通,电源电压通过VT加到电动机电枢两端; 当ton t T
18、时, Ug为负,VT关断,电枢失去电源,经VD续流。,O,电机两端得到的平均电压为 (1-17) 式中 = ton / T 为 PWM 波形的占空比,,输出电压方程,改变 ( 0 1 )即可调节电机的转速,若令 = Ud / Us为PWM电压系数,则在不可逆 PWM 变换器 = (1-18),(2)有制动的不可逆PWM变换器电路,在简单的不可逆电路中电流不能反向,因而没有制动能力,只能作单象限运行。需要制动时,必须为反向电流提供通路,如图1-17a所示的双管交替开关电路。当VT1 导通时,流过正向电流 + id ,VT2 导通时,流过 id 。应注意,这个电路还是不可逆的,只能工作在第一、二象
19、限, 因为平均电压 Ud 并没有改变极性。,图1-17,主电路结构,M,+,-,VD2,Ug2,Ug1,VT2,VT1,VD1,E,1,2,C,Us,+,VT2,Ug2,VT1,Ug1,控制要求:Ug1=-Ug2 ,即Ug1和Ug2大小相等方向相反,正向电动运行,ton T/2,工作状态与波形,正向电动状态 运行条件: ton T/2, 使:Ud E 在0 t ton期间, Ug1为正,VT1导通, Ug2为负,VT2关断。此时,电源电压Us加到电枢两端,电流 id 沿图中的回路1流通。 在 ton t T 期间, Ug1和Ug2都改变极性,VT1关断,但VT2却不能立即导通,因为id沿回路2
20、经二极管VD2续流,在VD2两端产生的压降给VT2施加反压,使它失去导通的可能。,正向电动状态(续),结论:实际上是由VT1和VD2交替导通,虽然电路中多了一个功率开关器件,但并没有被用上。与简单的不可逆电路波形(图1-16b)完全一样。,b)一般电动状态的电压、电流波形,图1-17,主电路结构,M,+,-,VD2,Ug2,Ug1,VT2,VT1,VD1,E,4,1,2,3,C,Us,+,VT2,Ug2,VT1,Ug1,控制要求:Ug1=-Ug2 ,即Ug1和Ug2大小相等方向相反,正向制动运行,ton T/2,工作状态与波形(续),正向制动状态 运行条件: ton T/2, 使:Ud E 在
21、制动状态中, id为负值,VT2就发挥作用了。这种情况发生在电动运行过程中需要降速的时候。这时,先减小控制电压,使 Ug1 的正脉冲变窄,负脉冲变宽,从而使平均电枢电压Ud降低。但是,由于机电惯性,转速和反电动势E还来不及变化,因而造成 E Ud 的局面,很快使电流id反向,VD2截止, VT2开始导通。,制动状态的一个周期分为两个工作阶段: 在 0 t ton 期间,VT2 关断,id 沿回路 4 经 VD1 续流,向电源回馈制动,与此同时, VD1 两端压降钳住 VT1 使它不能导通。 在 ton t T期间, Ug2 变正,于是VT2导通,反向电流 id 沿回路 3 流通,产生能耗制动作
22、用。 因此,在制动状态中, VT2和VD1轮流导通,而VT1始终是关断的,此时的电压和电流波形示于图1-17c。,输出波形,c)制动状态的电压电流波形,在制动状态中, VT2和VD1轮流导通,而VT1始终是关断的。,工作状态与波形(续),轻载电动状态 有一种特殊情况,即轻载电动状态,这时平均电流较小,以致在关断后经续流时,还没有到达周期 T ,电流已经衰减到零,此时,因而两端电压也降为零,便提前导通了,使电流方向变动,产生局部时间的制动作用。,输出波形,d)轻载电动状态的电流波形,轻载电动状态,一个周期分成四个阶段: 第1阶段,VD1续流,电流 id 沿回路4流通; 第2阶段,VT1导通,电流
23、 id 沿回路1流通; 第3阶段,VD2续流,电流 id 沿回路2流通; 第4阶段,VT2导通,电流 id 沿回路3流通。,在1、4阶段,电动机流过负方向电流,电机工作在制动状态; 在2、3阶段,电动机流过正方向电流,电机工作在电动状态。 因此,在轻载时,电流可在正负方向之间脉动,平均电流等于负载电流,其输出波形见图1-17d。,小 结,表1-3 二象限不可逆PWM变换器的不同工作状态,2. 桥式可逆PWM变换器,可逆PWM变换器主电路有多种形式,最常用的是桥式(亦称H形)电路,如图1-20所示。 其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种,这里只着重分析最常用的双极式控制的可逆PWM变换器
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