电力拖动系统第4章课件

第4章可逆控制的直流调速系统电力拖动自动控制系统—运动控制系统4.1.0问题的提出有许多生产机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速地起动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是说，需要可逆的调速系统。•电机的运行状态可处在转速和电磁转矩的坐标系的四个象限中，称为四象限运行。图4-1调速系统的四象限运行问题的提出（续）改变电枢电压的极性，或者改变励磁磁通的方向，都能够改变直流电机的旋转方向，这本来是很简单的事。然而当电机采用电力电子装置供电时，由于电力电子器件的单向导电性，问题就变得复杂起来了，需要专用的可逆电力电子装置和自动控制系统。4.1直流PWM可逆调速系统中、小功率的可逆直流调速系统多采用由电力电子功率开关器件组成的桥式可逆PWM变换器，其中功率开关器件采用IGBT，在小容量系统中则可用将IGBT、续流二极管、驱动电路以及过流、欠压保护等封装在一起的智能功率模块—IPM。33886模块功能原理图IN1/2：LogicInputControl1TruelogicinputcontrolofOUT1/2(i.e.,IN1/2logicHigh=OUT1/2logicHigh).MC33886•The33886isabletocontrolcontinuousinductiveDCloadcurrentsupto5.0A.Outputloadscanbepulsewidthmodulated(PWM-ed)atfrequenciesupto10kHz•Features••SimilartotheMC33186DH1withEnhancedFeatures••5.0Vto40VContinuousOperation••120mΩRDS(ON)H-BridgeMOSFETs••TTL/CMOSCompatibleInputs••PWMFrequenciesupto10kHz4.1直流PWM可逆调速系统•PWM变换器电路有多种形式，可分为不可逆与可逆两大类，•还有一种带制动电流通路的不可逆PWM-直流电动机系统，其电流能够反向。之所以不可逆是因为平均电压始终大于零，因而转速不能反向。•如果要求转速反向，需要改变PWM变换器输出电压的正负极性，使得直流电动机可以在四象限中运行，由此构成了可逆的PWM变换器-直流电动机系统。4.1.1桥式可逆PWM变换器图4-2桥式可逆PWM变换器电路•双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为•占空比ρ和电压系数γ的关系为•当ρ1/2时，γ为正，电动机正转；•当ρ1/2时，γ为负，电动机反转；•当ρ=1/2时，γ=0，电动机停止。sonsonsondUTtUTtTUTtU)12(12（4-1）（4-2）Ud可正可负，电流可正可负4.1.2直流PWM可逆直流调速系统转速反向的过渡过程•ab，Id:IdL0。•bc，Id:0-Idm。•cd，n：nN0。•de，n：0-nN•ef，Id=-IdL。图4-4在坐标系上表示的电动机反向轨迹可逆调速系统仿真0123456-1500-1000-500050010001500单片微机控制的PWM可逆直流调速系统•三相交流电源经不可控整流器变换为电压恒定的直流电源，再经过直流PWM变换器得到可调的直流电压，给直流电动机供电。•检测回路包括电压、电流、温度和转速检测，转速检测用数字测速。•微机控制具备故障检测功能，对电压、电流、温度等信号进行实时监测和报警。•一般选用专为电机控制设计的单片微机，配以显示、键盘等外围电路，通过通信接口与上位机或其他外设交换数据。•系统组成图4-1PWM可逆直流调速系统原理图UPEM—桥式可逆电力电子变换器TA—霍尔电流传感器；UR—整流器GD-驱动电路UPW-电压-脉宽转换系统控制无论是电流采样值还是转速采样值都有交流分量，常采用阻容电路滤波，但阻容值太大时会延缓动态响应，为此可采用硬件滤波与软件滤波相结合的办法。控制系统一般采用转速、电流双闭环控制，电流环为内环，转速环为外环，内环的采样周期小于外环的采样周期。系统控制（续）当转速给定信号在-n*max~0~+n*max之间变化并达到稳态后，由微机输出的PWM信号占空比ρ在0~½~0的范围内变化，使UPEM的输出平均电压系数为=–1~0~+1，实现双极式可逆控制。4.2位置随动系统•4.2.1位置随动系统的组成•4.2.2位置随动系统的特征•4.2.3常用位置传感器简介•4.2.4位置随动系统的稳态误差分析和参数计算•4.2.5位置随动系统的动态校正4.2位置随动系统•1、定义•狭义上的是指一个带位置反馈的自动控制系统，它的另一个名称就是伺服系统•被控制量：负载的机械空间位置的线位移或角位移2、特点当位置给定量做任意变化时，该系统的输出量快速而准确地复现给定量地变化3、应用范围数控机床的定位控制和加工轨迹控制、火炮方位的自动跟踪、船舵的自动控制4.2.1位置随动系统的组成•图4－14所示是电位器式小功率位置随动系统，它由五部分组成：位置传感器、电压比较放大器、电力电子变换器、伺服电机、减速器和负载SM+-RP1RP2U*Uθm操纵轮负载AUPEUcUsUdin+-减速器mΔU4.2.2位置随动系统的特征及其与调速系统的比较•1、位置随动系统的主要特征•①能使输出位移快速而准确的复现给定位移；•②位置传感器精度要求高，应准确给出反映位移误差的电信号；•③电压和功率放大器以及拖动系统都是可逆的；•④稳态精度高、动态响应快速；位置随动系统和调速系统的主要区别•调速系统——给定量一经设定即保持恒值，系统的主要作用是保证稳定和抵抗干扰；•位置随动系统——给定量可能是随机变化的，要求输出量准确跟随给定量的变化，系统在保证稳定的基础上，更突出快速响应能力。•综上，动态稳定性和稳态精度是两种系统都必须具备的，但在动态性能中，调速系统强调抗干扰性，伺服系统更强调快速跟随性能。4.2.3常用位置传感器简介电位器•优点：电位器是最简单的位移-电压传感器，可以直接给出电压信号，价格便宜，使用方便；•缺点：滑臂与电阻间有滑动接触，容易磨损和接触不良，可靠性较差。基于电磁感应原理的位置传感器•属于模拟式位置传感器，包括自整角机、旋转变压器、感应同步器等；•可靠性和精度都比较好。4.2.3常用位置传感器简介光电编码器由光源、光栅码盘和光敏元件三部分组成，直接输出数字式电脉冲信号，是现代数字伺服系统主要采用的位置传感器；光电编码器主要分增量式和绝对式两种，也有将两者结合为一体的混合式编码器。增量值旋转编码器，也叫圆光栅、脉冲码盘，从这些名称可以知道，它是圆形的光栅刻线码盘，旋转后通过光通量的明暗变化，产生脉冲，通过外部设备的计数脉冲，来增量地加（或减）脉冲数而测得旋转的角度。脉冲数直接与位移的增量成正比；常用的圆形码盘每转发出N=500～5000个脉冲；精度高者可达数万个脉冲计算速度：见前§3－3的测速算法绝对编码器•绝对编码器光码盘上有许多道由里至外的刻线码道，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线。。。。。。编排，这样，在编码器的每一个位置，通过n个光眼读取每道刻线的通、暗，获得一组2进制编码，这就称为n位绝对编码器。这样的编码器是由码盘的机械位置决定的，每个位置的编码是唯一、绝对的，所以称为绝对值编码器。它不受停电、干扰的影响。格雷码的绝对编码器的分度盘•A、二进制码盘•优点是清晰明了；•缺点是码盘在转动时有可能有可能出现两位以上的数字同时改变，产生粗大误差，如“0111”变为“1000”时，可能应光电管排列不齐或特性不一致，致使高位产生偏移。•B、循环码码盘•为了从根本上消除“粗大误差”，采用了循环码码盘。又称格雷码盘。其特点是码盘在旋转过程中，相邻码道每次只有一个码发生变化，因而当读数改变时，只可能有一个光电管处于交界上。25位多圈绝对值光电编码器wi308172单圈绝对式光电编码器，从转动中测量光栅盘各道刻线，以获取唯一的编码，当转动超过360度时，编码又回到原点，这样就不符合绝对编码唯一的原则，这样的编码只能用于旋转范围360度以内的测量多圈式光电式编码器是在单圈式光电编码器的基础上通过机械传动原理利用钟表齿轮机械原理结构制作而成。特性参数工作电压:10～30Vdc极性保护消耗电流:40mA(24Vdc)；80mA(12Vdc)输出信号:SSI同步串行信号，冗余两相推挽式A、B增量输出信号(1024线)分辨率/圈:8192(13位)连续4096圈1024线/圈4.2.3常用位置传感器简介-磁性编码器4.2.4位置随动系统的稳态误差分析和参数计算随动系统的性能指标•稳态跟踪误差——当系统达到稳定运行时，伺服系统实际位置与目标值之间的误差，由系统结构和参数决定；•动态性能指标包括：超调量、跟随速度及跟随时间、调节时间、振荡次数、抗扰动能力等。随动系统的稳态误差产生稳态误差的因素包括•检测误差——来源于反馈通道的检测元件，取决于传感器的原理和制造精度，是传感器本身所固有的，控制系统无法克服；•系统误差——与位置随动系统控制结构和输入量的形式有关。位置传感器误差量级电位器度（º）自整角机≤1º旋转变压器角分（΄）圆盘式感应同步器角秒（΄΄）直线式感应同步器微米（μm）光电和磁性编码器360º/N随动系统的稳态误差——检测误差随动系统的稳态误差—系统误差•系统误差包括给定误差和扰动误差•由系统本身的结构和参数造成的稳态给定误差和在扰动作用下的稳态扰动误差，与系统的结构、参数，以及给定输入和扰动输入量的类型、大小与作用点有关。•对于位置伺服系统来说，由于转角是转速对时间的积分，控制对象中的最后一个环节是积分环节，所以系统至少是Ⅰ型系统；由于Ⅲ型和Ⅲ型以上的系统是很难稳定的，因此通常伺服系统多采用Ⅰ型和Ⅱ型系统。随动系统的稳态指标——系统误差随动系统的稳态误差—系统误差•..给定误差esr(∞)与系统的开环增益K和前向通道中所有积分环节的总数p+q有关；•..扰动误差esf(∞)只与扰动作用点以前部分的前向通道增益K1和积分环节个数p有关。例题4－1自整角机位置随动系统)sin()()sin((t)UftUtUtUbsmbsf)/(V3.57UUKbsmmbsbs自整角位置随动系统简介一、自整角机位置随动系统的组成和数学模型BSTBST相敏整流校正装置可逆功放SM*mmufUbsUphUctUd负载减速器1、自整角机mbsmmbsmbsUsinUU输出电压幅值)/(V3.57UUKbsmmbsbs2、相敏整流器US与Ubs同频同相Us5Ubs变压器变比1:1互感器的同名端~UbsC2Ubs1Ubs2UsC1R2R1VD2VD1Uph++U1U2当角差时0mUbs1和Us正半周1bss1UUU1bss2UUU2bs1bs21phUUUUU负半周靠电容维持电压基本不变当角差时0m1bss1UUU1bss2UUU)UU(UUU2bs1bs21ph自整角机位置随动系统的组成和数学模型相敏整流器输出电压直流分量与输入电压成正比，并能根据角差极性来改变其极性1STK)S(WphphURP3、可逆功率放大器1STKSS4、执行机构5、减速器ndti6dt60360inmSKiS6)S(n)S()S(Wgmg自整角机位置随动系统动态结构图伺服电机：230W，110V，2.9A，2400r/min，Ra＝3.4Ω；电枢回路总电阻Ra＝5.1Ω，减速器速比i＝60。自整角机放大系数Kbs＝1.25V/(º)；KrpKaKs=200。自整角机本身的检测误差ed=0.5º；负载转矩为20Nm，输入轴最高转速求该系统的稳态误差。sm/200APR采用PD控制，增益为Ka例4.1③对应的负载电流：A解：系统参数计算①计算伺服电动机的电动势系数和转矩系数：V·min/rN·m/A333.0201iTL0417.