《運動控制系統(tǒng)》知識要點

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1、《運動控制系統(tǒng)》知識要點 PH.D戴衛(wèi)力 CH1閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 直流調(diào)速公式的推想11 =匕二當(dāng) Ce = Ke① Ke① ① 調(diào)節(jié)電樞電壓U： ② 弱磁（只能弱，升磁會導(dǎo)致磁飽和）； ③ 改變電樞回路電阻R 屬無級調(diào)速的為①和②：有級調(diào)速的為③：調(diào)速范圉小的② 因此，采用的最多的是①。 1.1加在直流電機電樞繞組上的直流電源 類型：旋轉(zhuǎn)變流機組、靜止式可控整流器、PWM控制變換器 抑制電流脈動的措施： 1） 增加整流電路相數(shù)，或采用多重化技術(shù)。 2） 設(shè)置平波電抗器。 V?M系統(tǒng)電流工作在斷續(xù)時，有兩個顯著的特點：一是機械特性變軟；二是理 想空載轉(zhuǎn)速高。

2、 不可逆PWM變換器中，加在電機兩端的端電壓是 橋式可逆PWM變換器的輸出平均電壓為（2D-l）Us （D=ton/T） 調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)： 調(diào)速范圉D:電動機提供的最高轉(zhuǎn)速"max和最低轉(zhuǎn)速Ihmn之比； D = Umax / l】min 注意的是：這里的最高和最低轉(zhuǎn)速是指電動機額肚負載時的最高和最低轉(zhuǎn)速。 靜差率S：負載由理想空載增加到額定值時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落Ahn，與理想空 載轉(zhuǎn)速no之比; s = Aiin /no 機械特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性就越高。 一般以電動機的額左轉(zhuǎn)速I】N作為最高轉(zhuǎn)速。 為什么說只要當(dāng)調(diào)速范圍和靜差率同時提才有意義？并且靜差

3、率指標(biāo)應(yīng)以最 低速時所能達到的數(shù)值為準(zhǔn)。 直流變壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圉、靜差率和額宦速降Z間的關(guān)系： 《運動控制系統(tǒng)》知識箜點 第1頁（共7頁） D= nNS Aon (1- s) 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動機轉(zhuǎn)速與負載電流間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。 U—IdR A IdR n = Aiin = C C 轉(zhuǎn)速負反饋直流調(diào)速系統(tǒng) 《運動控制系統(tǒng)》知識箜點 第3頁（共7頁） AUll=Un-Un Uc = KpAUn Udo =KsUc UdO 一 IdR 11= Ce Un = dl 則轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式 _ KpKsUn-

4、IdR _ KpKsUn Rid n~Ce(l + KpKsa/Ce) ~ Ce(l + K)_Ce(l + K) 其中，K=KpKsa/Ce＞閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)。 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 開環(huán)系統(tǒng)機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系： 1) 閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性比開環(huán)系統(tǒng)的機械特性硬的多; Allcl = 1 + K 《運動控制系統(tǒng)》知識箜點 第#頁（共7頁） 2) 閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要比開環(huán)系統(tǒng)小的多 1 + K 《運動控制系統(tǒng)》知識箜點 第#頁（共7頁） 3) 如果所要求的靜差率一定，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。 Dei — (1 + K)Dop 反饋控制規(guī)律： 1

5、) 只用比例放大器的反饋控制系統(tǒng)，其被調(diào)帚仍有靜差。 2) 反饋控制系統(tǒng)的作用是：抵抗擾動，服從給定。 反饋控制系統(tǒng)所能抑制的只是被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動。 《運動控制系統(tǒng)》知識箜點第2頁(共7頁) 《運動控制系統(tǒng)》知識箜點 第#頁（共7頁） 3）系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測的精度。 ★閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計算 電流截止負反饋 造成電流很大有2種情況： 1） 啟動時，由于轉(zhuǎn)速很低，造成電樞電流很大 2） 遇到堵轉(zhuǎn)時 電流負反饋的作用相當(dāng)于在主電路中串入一個大電阻 挖土機特性：截止電流應(yīng)大于電機的額定電流，1込1（1.1-1.2）In 系統(tǒng)的穩(wěn)定性判斷

6、 PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計 比例積分控制規(guī)律和無靜差調(diào)速系統(tǒng) 積分控制可以使系統(tǒng)在無靜差的情況下保持恒速運行，實現(xiàn)無靜差調(diào)速。 比例調(diào)疔器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀，而積分調(diào)&器的輸出則包含了 輸入偏差量的全部歷史。 比例部分的作用是增強快速性。積分部分是消除穩(wěn)態(tài)誤差。 電壓反饋電流補償控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 電壓反饋+電流前饋 電流正反饋的作用又稱作電流補償控制 只有電流正反饋的調(diào)速系統(tǒng)的臨界穩(wěn)泄條件正是其靜特性的全補償條件。過補 償是不穩(wěn)定的。 電流正反饋可以用來補償一部分靜差，以提高調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。但指望電 流正反饋來實現(xiàn)無靜差，因為這時系統(tǒng)已達到穩(wěn)定的邊緣。 CH2閉

7、環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)和帶電流截止負反饋的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)之間有什么區(qū)別？ 起動過程分為3個階段，分別為電流上升階段，恒流升速階段以及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階 段。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有3個特點： 1）飽和非線性控制2）轉(zhuǎn)速超調(diào)3）準(zhǔn)時間最優(yōu)控制 抗負載擾動只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器來限制 電網(wǎng)電壓擾動電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)都起到抗擾的作用。 轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的作用： 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用一一 1）實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差：2）對負載變化起抗擾作用； 《運動控制系統(tǒng)》知識箜點 第5頁（共7頁） 2）其輸出限幅決定電動機允許的最大電流。 電流調(diào)節(jié)器的作用一一 1） 電流跟隨轉(zhuǎn)速環(huán)的輸出；

8、2）對電網(wǎng)電壓的波動及時起到抗擾作用； 2） 在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電動機允許的最大電流，加快動態(tài)過程。 3） 電動機過載或堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法 典型I型系統(tǒng)： W(s)-人 s(Ts + l) 典型II型系統(tǒng)： w⑸二D s-(Ts + l) 控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)： 跟隨性能指標(biāo)：上升時間，超調(diào)量與峰值時間、調(diào)卩時間 抗擾性能指標(biāo)：動態(tài)降落，恢復(fù)時間 一般來說，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主，而隨動系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)則以 跟隨性為主。 一般來說，在動態(tài)性能上典型系統(tǒng)可以在跟隨性上做到超調(diào)量小，但抗擾性能 較差

9、；而典型型系統(tǒng)的超調(diào)量相對較大，抗擾性能較好。 如果系統(tǒng)要求有良好的跟隨性能，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計；如果主要要求有良 好的抗擾性能。 設(shè)計計算 1、 明確校正后系統(tǒng)的類型 2、 對不滿足典型系統(tǒng)的進行典型化處理（傳遞函數(shù)的近似處理） 1） 高頻段小慣性環(huán)節(jié)的近似處理 2） 高階系統(tǒng)的降階處理 3） 低頻大慣性環(huán)節(jié)的處理（一般校正成典型II型系統(tǒng)才用到）W（s） = K（l） zs 3、 根據(jù)校正目標(biāo)系統(tǒng)傳遞函數(shù)，選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)傳函 4、 根據(jù)具體性能指標(biāo)進行參數(shù)計算 I型系統(tǒng)：西門子的最佳整定方法，二階最佳系統(tǒng)KT = 0.5或K = g II 型系統(tǒng)：中頻寬h =

10、5, r = liT , K = -^v， 21rT- 中頻寬的定義h = g K = GXCOz Ch3直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制 （1）量化精度的定義和采樣頻率選擇 最化精度爐（計算機內(nèi)部存儲值）/物理最的實際值，見書例題 香濃采樣定理：采樣頻率應(yīng)不小于信號最高頻率的2倍，才能使原信號不發(fā)生 明昭畸變。 數(shù)字測速和濾波 常見的測速裝置有直流測速發(fā)電機、旋轉(zhuǎn)編碼器、位買霍爾傳感器、光電編碼 盤等。常見的數(shù)字測數(shù)方法有3種，分別為M法、T法和M/T法。 M法：在一定的測試時間內(nèi)，讀取測速裝置輸出的脈沖個數(shù)M,轉(zhuǎn)速越高，M 越大，速度測量越精確。此測速方法適合測試高速段。 T法：

11、在測速裝置輸出的相鄰脈沖的時間間隔內(nèi)，對已知頻率亦的高頻時鐘脈 沖進行計數(shù)，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時，頻率血的高頻脈沖數(shù)目增加，測量精度提高。 MTT法：應(yīng)保證高頻時鐘脈沖計數(shù)器與旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖計數(shù)器同時開啟與 關(guān)閉，以減小誤差。該測速方法能適用的轉(zhuǎn)速范圍明顯擴大，是目前廣泛應(yīng)用的一 種測速方法。 數(shù)字測速方法的精度指標(biāo) （1） 分辨率：在數(shù)字測速方法中，改變一個計數(shù)字所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化量來表 示分辨率。 （2） 測速誤差率：轉(zhuǎn)速實際值和測最值之差與實際值之比定義為測速誤差率。 數(shù)字濾波：（1）算術(shù)平均值濾波；（2）中值濾波；（3）中值平均濾波 數(shù)字PI調(diào)節(jié)器有位置式和增量式。位置式PI調(diào)節(jié)器

12、的結(jié)構(gòu)清晰，P和I兩部 分作用分明，但計算復(fù)雜，需計算過去所有的偏差。而增最式PI調(diào)節(jié)器算法只需 要當(dāng)前和上一拍的偏差即可計算輸出的偏差量。為安全起見，需對調(diào)節(jié)器的輸出實 行限幅。增最式PI調(diào)節(jié)器算法只需輸出限幅，而位置式必須同時設(shè)積分限幅和輸 出限幅。 Ch4可逆直流調(diào)速系統(tǒng)和位置隨動系統(tǒng) 有環(huán)流控制的V?M系統(tǒng)：由正組變流器VF與反組變流器VR構(gòu)成。在控制上 需注意： （1） VF與VR必須不能同時匸作在幣流或逆變狀態(tài)： （2） 根據(jù)電動機的運行狀態(tài)和電樞電流流向來判定哪組變流器參與工作，并推知變流器的 丄作狀態(tài)，電機反電勢與變流器輸出電壓之間的關(guān)系；（選擇） 環(huán)流產(chǎn)生的木質(zhì)是正

13、組變流器與反組變流器的輸出直流電圧之間存在電斥差。 若： （1）輸出平均電壓不等（引起直流平均環(huán)流） 則應(yīng)使UdOr =~Udof 所以=180或s=佞,即a = /3配合控制 《運動控制系統(tǒng)》知識要點 第7頁（共7頁） （2）輸出瞬時電壓不等（引起瞬時脈動環(huán)流） 消除瞬時脈動環(huán)流，可釆用無環(huán)流控制。按照實現(xiàn)無環(huán)流控制原理的不同, 無環(huán)流可逆系統(tǒng)又有兩大類：邏輯控制無環(huán)流系統(tǒng)和錯位控制無環(huán)流系統(tǒng)。 為什么對于a = p配合控制，我們還稱之為有環(huán)流系統(tǒng)？如何抑制環(huán)流? CH5異步電機調(diào)速 按照交流異步電動機的原理，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率Pm可分為兩部分：一 部分Pmech=

14、（l-S）Pm是拖動負載的有效功率，稱作機械功率；另一部分Ps = sPm是 傳輸給轉(zhuǎn)于電路的轉(zhuǎn)差功率。轉(zhuǎn)差功率是否增大，是消耗掉還是得到回收，是評價 調(diào)速系統(tǒng)效率高低的標(biāo)志。從這點出發(fā)，可把異步電機調(diào)速系統(tǒng)分為三類： （1） 轉(zhuǎn)差功率消耗型 降電壓調(diào)速、轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速 （2） 轉(zhuǎn)差功率饋送型 繞線轉(zhuǎn)子電動機串級調(diào)速、雙饋電動機調(diào)速 （3） 轉(zhuǎn)差功率不變型 變極對數(shù)調(diào)速、變床變頻調(diào)速 異步電動機的功率和轉(zhuǎn)矩 （1）功率關(guān)系 從電網(wǎng)輸入有功功率:H =mUilicosQ； 進入轉(zhuǎn)子的電磁功率：Pm = R - Pcul - PFe 轉(zhuǎn)化成總機械功率：Pq =

15、 mil? （-~ 12）= Pm - Pcu2 = -~- Pcu2 = （1~ S）Pm S S 從軸上輸出的有效機械功率： P? = Pq - PQ - pA = Pl - （Pcul + Pcu2 + PFe + PG + pj = Pl - 另 P 效率：〃二眷X1OO%=（1-孕）X100% 其中：Pcul是消耗在定子繞組上的銅耗，PFe是消耗在定子上的鐵耗，Pcu?是 消耗在轉(zhuǎn)子繞組上的銅耗，PC為機械損耗，P△為定轉(zhuǎn)子開槽等引起的附加損耗。 （2）轉(zhuǎn)矩關(guān)系 轉(zhuǎn)矩平衡方程：I^=T2+To 空載轉(zhuǎn)矩：Tg+T△譽+詈 電磁轉(zhuǎn)矩：Tm- Pg _ Pg _ Bn

16、 G (1 — S)Qi Qi 例題1：某三相六極50Hz感應(yīng)電動機，Pn = 28kW, UN =380V , nN =950r/miii , cos= 0.88 o 己知額定運行時各項損耗為Pail = lkW, Pfc = 500W t Pq = 800W , 《運動控制系統(tǒng)》知識要點 第6頁（共7頁） Pa = 50W ,試求額定運行時的：(1)轉(zhuǎn)差率；(2)轉(zhuǎn)子銅耗；(3)效率；(4)定子 電流；(5)轉(zhuǎn)子電流頻率。 解:(1)同步轉(zhuǎn)速:m =60f/p = 60x50/3 = 1000 (r/min) 則額定運行時的轉(zhuǎn)差率：S = (1000-950)/1000

17、= 0.05 (2)總的機械功率：Pq = Pn + PQ + Pa = 28+0.8+0.05 = 28.85 (kW) 電磁功率：Pm = Pq/(I- S) = 28.85/(I-0.05) = 30.37 (kW) 轉(zhuǎn)子銅耗：Pcu2 = SPm = 0.05x30.37 = 1.518 (kW) (3)輸入功率：Pl =Rn+pcui +pFe = 30.37 + 1.0 + 0.5 = 31.87 (kW) 效率：n=— x 100% = x 100% = 87.85% P1 31.87 （4）定子電流： I1_ H — 31870 一 5NA、 a/3U 1 c

18、os a/3 x 380 x 0.88 (5)轉(zhuǎn)子電流頻率：f2 = Sfi =0.05x50= 2.5 (Hz) 變壓調(diào)速在恒轉(zhuǎn)矩負載下的調(diào)速范圉較小，且在低速時由于轉(zhuǎn)差功率人而效率 較低，為能在恒轉(zhuǎn)矩負載下擴大調(diào)速范圍，則應(yīng)提高電動機轉(zhuǎn)子的電阻值。在變壓 調(diào)速下，若為恒轉(zhuǎn)矩負載，則轉(zhuǎn)速越低時，轉(zhuǎn)差功率損耗越大，異步電動機不宜氏 期在低速下工作。若負載為風(fēng)機類負載，則異步電機在變汗調(diào)速下的轉(zhuǎn)差功耗較小, 適合在低速下運行。 變壓變頻調(diào)速分基頻以上調(diào)速和基頻以下調(diào)速?；l以下電壓?頻率協(xié)調(diào)控制按 不同的控制方式分為恒壓頻比控制（Us/e=恒值）、恒Eg/血控制和恒爲(wèi)/血控 制。 恒壓頻比控制最容易實現(xiàn)，其變頻機械特性基木上是平行下移，硬度較好，但 低速帶載能力有限。若要提高低速時的帶載能力，需要對定子壓降實行補償。其最 大電磁轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的降低而減小。 恒Eg/控制是通常對恒壓頻比控制實行定子阻抗壓降的補償，其最大電磁轉(zhuǎn) 矩不隨轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，保持恒定不變，改善了低速性能。 恒E「/血控制可以得到和他勵直流電機一樣的線性機械特性，是最好的控制方 式。 請按照本知識要點，認真復(fù)習(xí)，研讀教科書和聯(lián)系課后習(xí)題。 《運動控制系統(tǒng)》知識箜點 第7頁（共7頁）