运动控制系统上海大学全部章节内容.ppt
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1、2019/5/6,1,电力拖动自动控制系统 运动控制系统,多媒体课件 高敬格 制作,2019/5/6,2,第1篇 直流拖动控制系统,第1章 闭环控制的直流调速系统 第2章 转速、电流双闭环直流调速系统和 调节器的工程设计方法 第3章 直流调速系统的数字控制 第4章 可逆直流调速系统,目 录,2019/5/6,3,第2篇 交流拖动控制系统,第5章 闭环控制的异步电动机变压调速系 统一种转差功率消耗型调速系统 第6章 笼型异步电动机变压变频调速系统 转差功率不变型调速系统 第7章 绕线转子异步电动机双馈调速系统 转差功率馈送型调速系统,目 录,2019/5/6,4,第1篇 直流拖动控制系统,第1篇
2、 直流拖动控制系统,2019/5/6,5,1. 运动控制系统的定义,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。 这类系统通过控制电动机的转矩、转速和转角,将电能转换为机械能,实现运动机械的运动要求。,0 绪论,2019/5/6,6,2. 运动控制系统的分类,按被控量分: 以转速为被控量的系统调速系统 以角位移或直线位移为被控量的系统 位置随动(伺服)系统。 按驱动电机的类型分: 直流电机带动生产机械直流传动系统 交流电机带动生产机械交流传动系统,0 绪论,2019/5/6,7,按控制器类型分: 以模
3、拟电路构成的控制器模拟控制系统 以数字电路构成的控制器数字控制系 统 按控制系统中闭环的多少分: 单环、双环、多环控制系统,0 绪论,2019/5/6,8,3. 运动控制系统的基本结构,控制器按照给定值和实际运行的反馈值之差,调节控 制量; 功率驱动装置一方面按控制量的大小将电网中的电能 作用于电动机上,调节电动机的转矩大小,另一方面 按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换成电动机 所需的交流电或直流电; 电动机按供电大小拖动生产机械运转。,0 绪论,2019/5/6,9,4. 运动控制系统各部分的组成,运动控制系统的三个组成部分,任何一部分微小的变化可构成不同的运动控制系统,这些系统的共性、
4、特点以及分析设计方法即本课题的研究内容,将可能的每一部分列表如下:,0 绪论,2019/5/6,10,0 绪论,2019/5/6,11,5. 直流电动机的优点,良好的起、制动性能 静差小 稳定性好 宜于大范围内平滑调速 晶闸管变流装置的应用高水平的直流拖 动系统,0 绪论,2019/5/6,12,6. 直流电动机的缺点,机械换向问题 不适合在恶劣环境下应用 高转速、高电压、大容量的直流电动机制 造困难,交流拖动控制系统,0 绪论,2019/5/6,13,但是,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,应很好地掌握直流拖动控制系统。 最
5、基本的电力拖动控制系统调速系统通过控制转速实现机械运动的控制,0 绪论,2019/5/6,14,7. 直流电动机的工作原理,定子励磁绕组通过直流电流时产生主磁通和 励磁磁势,电枢绕组通过的电枢电流I,则产 生电枢反应磁势,励磁磁势和电枢反应磁势正 交,通常直流电机在其主磁极上加有补偿绕 组,电枢反应磁势对主磁通没有影响,电机 电枢绕组中的电流I 与定子主磁通 相互作 用,产生电磁力和电磁转矩,电枢因而转动,0 绪论,2019/5/6,15,8. 电动机的电磁转矩,电磁转矩中的和I相互独立 良好的转矩控制特性 良好的转速调节性能,0 绪论,2019/5/6,16,9. 直流电机转速方程,n 转速
6、(r/min),U 电枢电压(V),I 电枢电流(A),R 电枢回路总电阻( ), 励磁磁通(Wb),Ke 由电机结构决定的电动势常数,0 绪论,2019/5/6,17,10. 调节电动机转速的方法,调节电枢供电电压U; 减弱励磁磁通; 改变电枢回路电阻R。,0 绪论,2019/5/6,18,调节电枢供电电压调速,工作条件: 保持励磁 = N 保持电阻 R = Ra 调节过程: 改变电压 UN Un n0 调速特性 转速下降,机械特 性曲线平行下移,恒转矩 调速方法,响应快,一定范围内无级平滑调速,但需要大容量直流电源,0 绪论,2019/5/6,19,调节励磁磁通调速,工作条件: 保持电压
7、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。,恒功率 调速方法,响应慢,小范围内的平滑调速,所需电源容量小,0 绪论,2019/5/6,20,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 n ,n0不变; 调速特性: 转速下降,机械特性曲线变软。,调节电枢回路电阻调速,有级调速,平滑性差,空载时无调速能力,少用,0 绪论,2019/5/6,21,第1章 闭环控制的直流调速系统,1.1 直流调速系统用的可控直流电源 1.2 晶闸管电动机系统的主要问题 1.3 直流脉宽调速系统的主要问题 1
8、.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 1.7 电压反馈电流补偿控制的直流调速系统,第1章 闭环控制的直流调速系统,2019/5/6,22,1.1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介绍三种常 用的可控直流电源. 1.1.1 旋转变流机组 1.1.2 静止式可控整流器 1.1.3 直流斩波器或脉宽调制变换器,1.1 直流调速系统用的可控直流电源,2019/5/6,23,1.1.1 旋转变流机组供电的直
9、流调速系统,同步或异步交流电动机,直流发电机,需调速的直流电动机,变流,直流励 磁发电机,2019/5/6,24,G-M系统,国际上称Ward-Leonard系统,1.1.1 旋转变流机组供电的直流调速系统,2019/5/6,25,旋转变流机组的特点,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。 至少包含两台与调速电动机容量相当的 旋转电机以及一台励磁发电机 设备多,体积大,费用高,效率低,安装需要 打地基,噪声大,维护不便 在20世纪60年代以前广泛使用。,1.1.1 旋转变流机组供电的直流调速系统,2019/5/6,26,1.1.2 静止式可控整流器,触发 装置,晶闸管可控整
10、流电路,控制电压,触发脉冲 的相位,Ud,V-M系统,又称静止的Ward-Leonard系统,2019/5/6,27,与G-M系统相比较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。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在10 4以上,其门极电流可以直接用晶体管来控制,不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器. 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。,1.1.2 静止式可控整流器,2019/5/6,28,V-M系统存在的问题,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
11、。 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. 滞后触发,晶闸管可控整流器相当于感性负载,吸收滞后的无功电流,功率因数低,尤其在深调速状态,晶闸管导通角小,产生较大的高次谐波,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”.,1.1.2 静止式可控整流器,2019/5/6,29,1.1.3 直流斩波器或脉宽调制变换器,在干线铁道电力机车、工矿电力机车、城市有轨和无轨电车和地铁电机车等电力牵引设备上,常采用直流串励或复励电动机,由恒压直流电网供电,过去用切换电枢回路电阻来控制电机的起动、制动和调速,在电阻中
12、耗电很大。,1.1.3 静止式可控整流器或脉宽调制变换器,2019/5/6,30,为了节能,并实行无触点控制,现在多用电力电子开关器件,如快速晶闸管、GTO、IGBT等. 采用简单的单管控制时,称直流斩波器(直流调压器):利用开关器件来实现通断控制,将直流电源电压断续加到负载上,通过通、断时间的变化来改变负载上的直流电压平均值,将恒压变成平均值可调的直流电源直流直流变换器,1.1.3 静止式可控整流器或脉宽调制变换器,2019/5/6,31,t,Ud,ton,“T-ton” 斩断,续流 二极管,电力电 子开关器件,为占空比,1.1.3 静止式可控整流器或脉宽调制变换器,2019/5/6,32,
13、三种改变输出平均电压的调制方法,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,改变占空比混合调制(两点式控制)。当负载电流或电压低于某一最小值,开关器件导通,当高于某一最大值时,使开关器件关断。,1.1.3 静止式可控整流器或脉宽调制变换器,2019/5/6,33,PWM调速系统的优点,主电路所需的功率器件少,线路简单,控制方便; 开关频率高,仅靠电动机电枢电感的滤波作用可以获得脉动很小的直流电流,低速性能好,稳速精度高,调速范围宽,可达1:10000左右,同时电机损耗及发热都较小; 功率开关器件工作在开关状态,损耗小,当开关频
14、率适当时,开关损耗也不大,装置效率较高,对电网的影响小,功率因数高,效率高; 开关频率高,一般在几kHz,频带宽,响应速度快,动态抗干扰能力强。,1.1.3 静止式可控整流器或脉宽调制变换器,2019/5/6,34,小 结,三种可控直流电源中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,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。,2019/5/6,35,1.2.1 触发脉冲相位控制 1.2.2 电流脉动及其波形的连续与断续 1.2.3 抑制电流脉动的措施 1.2.4 晶闸管-电动机系统的机
15、械特性 1.2.5 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传 递函数,1.2 晶闸管电动机系统(V-M系统)的主要问题,1.2 晶闸管电动机系统的主要问题,2019/5/6,36,1.2.1 触发脉冲相位控制,通过调节控制电压UC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。,2019/5/6,37,等效电路分析,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,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。,1.2.
16、1 触发脉冲相位控制,2019/5/6,38,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,对ud0进行积分理想空载整流电压平均值Ud0 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:,从自然换相点算起的 触发脉冲控制角; Um = 0 时的整流电压 波形峰值; m交流电源一周内的整 流电压脉波数,1.2.1 触发脉冲相位控制,2019/5/6,39,不同整流电路的平均整流电压值,当00,晶闸管装置处于整流状态,电功率从交流侧输送到直流侧; 当/2max时,Ud0 0,装置处于有源
17、逆变状态,电功率反向传送。,1.2.1 触发脉冲相位控制,2019/5/6,40,相控整流器的电压控制曲线,O,1.2.1 触发脉冲相位控制,2019/5/6,41,1.2.2 电流脉动及其波形的连续与断续,整流电路存在着有限的脉波数电压波形的脉动 电流波形的脉动电流连续和断续V-M系统不 同于G-M系统的一个特点。 当V-M系统主电路有足够大的电感量,且电动机的负载足够大时,整流电流具有连续的脉动波形。 当电感量较小或负载较轻时,在某一相导通后电流升高的阶段里,电感中的储能较少;等到电流 下降而下一相尚未被触发以前,电流已经衰减到 零,于是,便造成电流波形的断续。,2019/5/6,42,V
18、-M系统的电流波形,结论:电流波形的断续平均值描述的系统带来非 线性因素机械特性的非线性影响系统的运行性 能尽量避免电流断续,1.2.2 电流脉动及其波形的连续与断续,2019/5/6,43,1.2.3 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; 增加整流电路相数; 采用多重化技术。,2019/5/6,44,平波电抗器的电感量,选择原则:按照低速轻载时保证电流连续的条件, 一般取最小电流Idmin为电动机额定电流的5%10%, 再利用它计算所需的总电感量,减去电
19、枢电感平 波电抗的电感值。 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:,1.2.3 抑制电流脉动的措施,2019/5/6,45,多重化整流电路,2个三相桥式整流电路并联而成的12相脉波整流电 路,使用了平衡电抗器来平衡2组整流器的电流。,1.2.3 抑制电流脉动的措施,2019/5/6,46,1.2.4 晶闸管-电动机系统的机械特性,当电流连续时,V-M系统的机械特性方程式:,改变控制角,得一族平行直线,和G-M系统的特性很相似,电流较小的部分画成虚线,表明这时电流波形可能断续,公式已经不适用。,2019/5/6,47,当电流断续时,由于非线性因素,机械特性方程要 复杂得多
20、。以三相半波整流电路构成的V-M系统为 例,电流断续时机械特性须用下列方程组表示:,当阻抗角 已知时,对于不同的控制角,可用数值解法求出一族电流断续时的机械特性。对于每一条特性,求解过程都计算到 = 2/3为止( 角再大,电流已连续),对应于 = 2/3 的曲线是电流断续区与连续区的分界线。,1.2.4 晶闸管-电动机系统的机械特性,2019/5/6,48,增大,结论:当电流连续时,特性还比较硬,是一个线性的可控电压源 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,1.2.4 晶闸管-电动机系统的机械特性,2019/5/6,49,1.2.5 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函
21、数,把晶闸管触发和整流装置当作一个环节,应用线性控制理论进行直流调速系统的分析或设计时,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的,只能在一定的工作范围内近似看成线性环节。如可能,最好先用实验方法测出该环节的输入-输出特性,即曲线,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。,2019/5/6,50,1. 晶闸管触发和整流装置的放大系数的计算,晶闸管触发和整流装置的放大系数可由工作范围内 的特性斜率决定:,1.2.5 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数,2019/5/6,51,2. 晶闸管触发和整流装置的放大系数估
22、算,如果不可能实测特性,只好根据装置的参数估算. 例如: 设触发电路控制电压的调节范围为: Uc = 010V 相对应的整流电压的变化范围是: Ud = 0220V 可取: Ks = 220/10 = 22,1.2.5 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数,2019/5/6,52,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。,1.2.5 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数
23、,2019/5/6,53,3. 晶闸管触发与整流失控时间分析,t1时刻,某一对晶闸管导通,控制角为a1 UC在t2发生变化,晶闸管已经导通,UC不起作用; t3时刻,晶闸管关断,新的控制电压对应的控制角为a2; t4时刻另一对晶闸管导通,平均电压下降。,1.2.5 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数,2019/5/6,54,最大的失控时间,失控制时间是随机的,它的大小随控制电压发生变 化的时刻而改变,最大可能的失控时间就是两个相 邻自然换相点之间的时间,与交流电源频率和整流 电路形式有关,由下式确定:,式中 :f 交流电流频率 m一周内整流电压的脉冲波数,1.2.5 晶闸管触发和整流装置
24、的放大系数和传递函数,2019/5/6,55,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。,各种整流电路的失控时间(f =50Hz),1.2.5 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数,2019/5/6,56,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:,晶闸管装置的传递函数为:,上式包含指数函数,使系统成为非最小相位系统,分析 和设计都比较麻烦.为了简化,先将其按泰勒级数展开,1.2.5 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数,2019/5/6
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