运动控制系统-复习知识点总结.pdf

1 运动控制系统的任务是通过对电动机电压、电流、频率等输入电量的控制，来改变工作机械的转矩、速度、位移等机械量，使各种工作机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其他应用的需要。 （运动控制系统框图）2. 运动控制系统的控制对象为电动机 ，运动控制的目的是控制电动机的转速和转角，要控制转速和转角，唯一的途径就是控制电动机的电磁转矩，使转速变化率按人们期望的规律变化。因此， 转矩控制 是运动控制的根本问题。第 1 章 可控直流电源 -电动机系统内容提要相控整流器 -电动机调速系统直流 PWM 变换器 -电动机系统调速系统性能指标1 相控整流器 -电动机调速系统原理2.晶闸管可控整流器的特点（1）晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104 以上，其门极电流可以直接用电子控制。（2）晶闸管的控制作用是毫秒级的，系统的动态性能得到了很大的改善。晶闸管可控整流器的不足之处晶闸管是单向导电的，给电机的可逆运行带来困难。晶闸管对过电压、过电流和过高的du/dt 与 di/dt 都十分敏感，超过允许值时会损坏晶闸管。在交流侧会产生较大的谐波电流，引起电网电压的畸变。需要在电网中增设无功补偿装置和谐波滤波装置。3.V-M 系统机械特4.最大失控时间是两个相邻自然换相点之间的时间，它与交流电源频率和晶闸管整流器的类型有关。5.（1）直流脉宽变换器根据PWM 变换器主电路的形式可分为可逆和不可逆两大类（2）简单的不可逆PWM 变换器 -直流电动机系统（3）有制动电流通路的不可逆 PWM- 直流电动机系统（4）桥式可逆PWM 变换器（5）双极式控制的桥式可逆PWM 变换器的优点双极式控制方式的不足之处（6）直流 PWM 变换器 -电动机系统的能量回馈问题” 。（7）直流 PWM 调速系统的机械特性6.生产机械要求电动机在额定负载 情况下所需的最高转速和最低转速之比称为调速范围 ， 用字母 D 来表示（ D 的表达式）当系统在 某一转速 下运行时，负载由理想空载 增加到 额定值 时电动机转速的变化率，称为静差率 s 。D 与 s 的相互约束关系对系统的调速精度要求越高，即要求s 越小，则可达到的D 必定越小。当要求的 D 越大时，则所能达到的调速精度就越低，即s 越大，所以这是一对矛盾的指标。第二章闭环控制的直流调速系统内容提要转速单闭环直流调速系统转速、电流双闭环直流调速系统调节器的设计方法1.异步电动机从定子传入转子的电磁功率可分成两部分：一部分是机械轴上输出的机械功率；另一部分是与转差率成正比的转差功率。.异步电动机按调速性能分类第一类基于稳态模型，动态性能要求不高，例如转速开环的变压变频调速系统和转速闭环的转差频率控制系统。而另一类则基于动态模型，动态性能要求高，例如矢量控制系统和直接转矩控制系统。同步电动机的调速：同步电动机的转差率恒为零，从定子传入的电磁功率全部变为机械轴上输出的机械功率，只能是转差功率不变型的调速系统。同步电动机的调速只能通过改变同步转速来实现，由于同步电动机极对数是固定的，只能采用变压变频调速。2.反馈控制的基本思想3.开环与闭环调速系统的区别：1 差率约束下，闭环系统的调速范围为开环系统的（1+K）倍4.反馈控制规 律5.电流截止负反馈。6.积分控制规律和比例控制规律的区别在于：。7.在阶跃输入作用之下，比例调节器的输出可以立即响应，而积分调节器的输出只能逐渐地变化，调速系统一般应具有快与准的性能，即系统既是静态无差又具有快速响应的性能。实现的方法是把比例和积分两种控制结合起来，组成比例积分调节器（PI） 。8.对于经常正、反转运行的调速系统，应尽量缩短起、制动过程的时间，完成时间最优控制。即在过渡过程中始终保持转矩为允许的最大值，使直流电动机以最大的加速度加、减速。到达给定转速时，立即让电磁转矩与负载转矩相平衡，从而转入稳态运行。9.（1）双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波（2）双闭环系统在起、制动过程中，电流闭环起作用，保持电流恒定，缩小系统的过渡过程时间。一旦到达给定转速，系统自动进入转速控制方式，转速闭环起主导作用，而电流内环则起跟随作用，使实际电流快速跟随给定值（转速调节器的输出），以保持转速恒定。（3）系统的静特性当转速调节器不饱和时表现出来的静特性是转速双闭环系统的静特性，表现为转速无静差；转速调节器饱和时表现出来的静特性是电流单闭环系统的静特性，表现为电流无静差，电流给定值是转速调节器的限幅值。（4）转速调节器的作用归纳为电流调节器的作用归纳为10 香农（ Shannon）采样定理规定：如果随时间变化的模拟信号的最高频率为fmax ，只要按照 f2fmax 采样频率进行采样，则取出的样品序列就可以代表（或恢复）模拟信号11.常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间、超调量和调节时间，12.为了使系统对阶跃给定无稳态误差，不能使用0 型系统，至少是型系统；当给定是斜坡输入时，则要求是型系统才能实现无稳态误差。两种系统的比较典型 I 型系统和典型型系统在稳态误差上有区别。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。这些是设计时选择典型系统的重要依据。电流调节器的设计(采用I 型系统 ) 设计分为以下几个步骤：1.电流环结构图的简化简化内容忽略反电动势的动态影响等效成单位负反馈系统小惯性环节近似处理2.电流调节器结构的选择3.电流调节器的参数计算4.电流调节器的实现设计举例：1.电流环的设计 确定时间常数整流装置滞后时间常数Ts 电流滤波时间常数Toi 电流环小时间常数之和Ti 选择电流调节器结构要保证稳态电流无差，可按典型I 型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，用PI 型电流调节器。计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数电流环开环增益KI ACR 的比例系数Ki 校验近似条件电流环截止频率满足晶闸管整流装置传递函数的近似条件：满足忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：满足电流环小时间常数近似处理条件12. 异步电动机T 型等效电路异步电动机简化等效电路27(A)异步电动机的机械特性28.变压变频调速是改变同步转速的一种调速方法，同步转速随频率而变化基频以下调速原理：恒压频比控制：基频以上调速28 基频以下电流补偿控制：基频以下运行时，采用恒压频比的控制方法具有控制简便的优点，但负载的变化将导致磁通的改变，因此采用定子电流补偿控制，根据定子电流的大小改变定子电压，可保持磁通恒定。eTns1n10emTms0小结：A.恒压频比控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，低速时需适当提高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降B.恒定子磁通、恒气隙磁通和恒转子磁通的控制方式均需要定子电流补偿，控制要复杂一些。C.恒定子磁通和恒气隙磁通的控制方式虽然改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。D.恒转子磁通的控制方式，可以得到和直流他励电动机一样的线性机械特性，性能最佳。29.异步电动机变频调速需要电压与频率均可调的交流电源，常用的交流可调电源是由电力电子器件构成的静止式功率变换器，一般称为变频器。间接变频 :先将恒压恒频的交流电整成直流电，再将直流电逆变成电压与频率均可调的交流，直接变频 ;将恒压恒频的交流电直接变换为电压与频率均可调的交流电，无需中间直流环节30.交-直-交变频器主回路结构图30.PWM 基本思想：控制逆变器中电力电子器件的开通或关断，输出电压为高度相等、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31.以频率与期望的输出电压波相同的正弦波作为调制波（Modulation wave） ，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrier wave） ，当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得高度相等、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（Sinusoidal pulse Width Modulation ，简称 SPWM ）32.三相 PWM 逆变器双极性SPWM 波形2dU2dUACBOOM+34 电流跟踪PWM （CFPWM ，Current Follow PWM ）的控制方法是：在原来主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值，在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波形，这就能比电压控制的SPWM 获得更好的性能。它是以正弦波电流为控制目标的4-13 电流滞环跟踪控制的A 相原理-12dU2dU*AiAih2A1VD4VD1VT4VTHBC图 4-14 电流滞环跟踪控制时的三相电流波形与相电压PWM 波形电流跟踪控制的精度与滞环的宽度有关，同时还受到功率开关器件允许开关频率的制约。当环宽选得较大时，开关频率低，但电流波形失真较多，谐波分量高；如果环宽小，电流跟踪性能好，但开关频率却增大了。实际使用中，应在器件开关频率允许的前提下，尽可能选择小的环宽35.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 ，Space Vector PWM）控制 ” 。（1）电压与磁链空间矢量的关系图 4-17 旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹图 4-18 电压矢量圆轨迹（2）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。（3）.按空间矢量的平行四边形合成法则，用相邻的两个有效工作矢量合成期望的输出矢量，这就是电压空间矢量PWM （SVPWM ）的基本思想。所谓等效是指在一个开关周期内，产生的1s2s3s1su2su3su14s4suO1su2su3su14suO定子磁链的增量近似相等。通常以开关损耗较小和谐波分量较小为原则，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。（4）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作用时间、平分为二后， 安放在开关周期的首端和末端，把零矢量的作用时间放在开关周期的中间，并按开关次数最少的原则选择零矢量。（5）零矢量分布的实现方法将零矢量平均分为4 份，在开关周期的首、尾各放1 份，在中间放两份，将两个基本电压矢量的作用时间、平分为二后，插在零矢量间。按开关损耗较小的原则，选取零矢量（6） 会根据要求判别期望定子磁链的轨迹P161 （8）SVPWM的实现（7）SVPWM 控制模式的特点36.转差频率控制的基本思想若能够保持气隙磁通不变，且在s 值较小的稳态运行范围内，异步电动机的转矩就近似与转差角频率成正比。也就是说，在保持气隙磁通不变的前提下，可以通过转差角频率来控制转矩，这就是转差频率控制的基本思想。第 5 章内容提要异步电动机动态数学模型异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统异步电动机按定子磁链控制的直接转矩控制系统直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较1.异步电动机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。异步电动机无法单独对磁通进行控制，在数学模型中就含有两个变量的乘积项，因此，即使不考虑磁路饱和等因素，数学模型也是非线性的。2.三相异步电动机定子三相绕组在空间互差，转子也可等效为空间互差三个绕组，各绕组间存在严重的交叉耦合。此外，每个绕组都有各自的电磁惯性，再考虑运动系统的机电惯性，转速与转角的积分关系等，动态模型是一个高阶系统。3.矢量控制和直接转矩控制是两种基于动态模型的高性能的交流电动机调速系统4.异步电动机变压变频调速中，输入时电压（或电流）和频率，输出是转速和磁通5.异步电动机动态模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成。6.3/2 变换： 三相绕组可以用相互独立的对称两相绕组等效代替，等效的原则是产生的磁动势相等。所谓独立是指两相绕组间无约束条件，即不存在约束条件，所谓对称是指两相绕组在空间互差90 。2s/2r 变换：两相静止绕组，通以两相平衡交流电流，产生旋转磁动势。如果令两相绕组转起来，且旋转角速度等于合成磁动势的旋转角速度，则两相绕组通以直流电流就产生空间旋转磁动势41 按转子磁链定向： （1）令 dq 坐标系与转子磁链矢量同步旋转，且使得d 轴与转子磁链矢量重合，即为按转子磁链定向同步旋转坐标系mt。由于 m 轴与转子磁链矢量重合，则（2）为了保证m 轴与转子磁链矢量始终重合，必须使50 通过按转子磁链定向，将定子电流分解为励磁分量和转矩分量，使转子磁链仅由定子电流励磁分量产生，而电磁转矩正比于转子磁链和定子电流转矩分量的乘积，实现了定子电流两个分量的解耦。因此，按转子磁链定向同步旋转坐标系中的异步电动机数学模型与直流电动机动态模型相当。根据定子磁链幅值偏差的符号和电磁转矩偏差的符号，再依据当前定子磁链矢量所在的位置，直接选取合适的电压空间矢量，减小定子磁链幅值的偏差和电磁转矩的偏差，实现异步电动机电磁转矩与定子磁链的控制。可以通过控制定子磁链的旋转角速度，进而控制电磁转矩。按定子磁链定向将定子电压分解为两个分量，控制定子磁链幅值的变化率，控制定子磁链矢量旋转角速度，再通过转差频率控制定子电流的转矩分量，最后控制转矩。结合表 5-1,5-2.5-24 综合分析同步电动机变频调速的电压频率特性与异步电动机变频调速相同，基频以下采用带定子压降补偿的恒压频比控制方式，基频以上采用电压恒定的控制方式