运动控制系统绪论

运动控制系统MotionControlSystem绪论本节内容提要运动控制系统及其组成运动控制系统分类运动控制系统的历史与发展1.1运动控制系统及其组成图1-1现代运动控制技术电机学、电力电子技术、微电子技术、计算机控制技术、控制理论、信号检测与处理技术等多门学科相互交叉的综合性学科。图1-2运动控制及其相关学科1.1运动控制系统及其组成图1-3运动控制系统及其组成1.1运动控制系统及其组成运动控制系统概念：运动控制系统是以机械运动的驱动设备—电动机为被控对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下组成的自动控制系统。运动控制系统功能：主要控制电动机的转矩、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。具体应用运动控制系统种类繁多，功能各异工业领域：数控机床；印刷电路板生产线：表面贴焊，快速打孔，机械手放置器件；国防领域：雷达跟踪，自动武器，飞行器控制；家电领域：冰箱，空调，洗衣机，电风扇等；科学研究：倒立摆机器人：机械手、足球机器人、搬运机器人等。按被控物理量分：调速系统－－以转速为被控量；伺服系统－－以角位移或直线位移为被控量；按驱动电机分：直流控制系统－－用直流电机带动生产机械；交流控制系统－－用交流电机带动生产机械；按控制器的类型分：模拟控制系统－－以模拟电路构成控制器；数字控制系统－－以数字电路构成控制器；按闭环数分：单环；双环；多环系统1.2运动控制系统的分类1.3运动控制系统的发展历史19世纪80年代以前－－仅有直流电动机系统；19世纪末，出现交流电机（鼠笼式异步交流电机）－－开始逐步使用交流电动机系统；20世纪30年代起，形成直流调速，交流不调速的格局；20世纪后期，交流调速兴起控制对象—电动机直流电动机、交流感应电动机（交流异步电动机）和交流同步电动机。用于调速系统的拖动电动机和用于伺服系统的伺服电动机。电力电子型功率放大与变换装置半控型向全控型发展低频开关向高频开关发展分立的器件向具有复合功能的功率模块发展控制器模拟控制器物理概念清晰、控制信号流向直观控制规律体现在硬件电路线路复杂、通用性差控制效果受到器件性能、温度等因素的影响以微处理器为核心的数字控制器硬件电路标准化程度高控制规律体现在软件上，修改灵活方便拥有信息存储、数据通信和故障诊断等功能1.3运动控制系统的发展历史以省电为目的：改原来交流不调速为交流调速；以减少维护为目的：改直流调速为交流调速；原直流调速达不到的领域：大功率、高压、高速场合应用交流调速系统。1.3运动控制系统的发展趋势1）高频化在功率驱动装置中，低频半控器件（晶闸管）在中小功率范围里将被高频全控器件（大功率晶体管）所代替。优越性：1）可以提高系统性能；2）可以改善电网功率因数。2）网络化适应自动化系统发展的需要：大型化,复杂化,全集成化。1.3运动控制系统的发展趋势3）交流化比较内容直流电机交流电机结构及制造有电刷，制造复杂无电刷，结构简单重量/功率约2倍1倍体积/功率约2倍1倍价格/功率几倍1倍最大容量12MW～14MW（双电枢）几十MW最大转速1000r/min左右数千r/min最高电枢电压1kV6kV~10kV安装环境要求高要求低维护较多较少调速性能好复杂本课程特点综合性强，多个学科交叉（自动控制、电子技术、计算机技术等）。工程化－－理论与实践相结合。相关课程：自动控制理论、电机与拖动基础、电力电子变流技术、模拟与数字电路、计算机控制技术、微机原理等。重视能力培养，学会如何将学到的知识具体应用到实际的工程设计中。本课程主要内容1）直流拖动控制系统单闭环控制的直流调速系统；双闭环控制的直流调速系统及其调节器的工程设计方法；可逆直流调速系统和位置随动系统2）交流调速系统异步电动机变压调速、变频调速；直流拖动控制系统第1篇内容提要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eKIRUn直流调速方法nUIRKe式中—转速（r/min）；—电枢电压（V）；—电枢电流（A）；—电枢回路总电阻（）；—励磁磁通（Wb）；—由电机结构决定的电动势常数。（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=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。nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3调压调速特性曲线（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。nn0OIILRaR1R2R3nNn1n2n3调阻调速特性曲线（3）调磁调速工作条件：保持电压U=UN；保持电阻R=Ra；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。nn0OTeTLN123nNn1n2n3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。生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩是一个必然存在的不可控扰动输入。归纳出几种典型的生产机械负载转矩特性，实际负载可能是多个典型负载的组合，应根据实际负载的具体情况加以分析。恒转矩负载负载转矩的大小恒定，称作恒转矩负载a）位能性恒转矩负载b)反抗性恒转矩负载图1-3恒转矩负载LT常数风机、泵类负载负载转矩与转速的平方成正比，称作风机、泵类负载图1-5风机、泵类负载22mnLT恒功率负载负载转矩与转速成反比，而功率为常数，称作恒功率负载图1-4恒功率转矩负载mmLLPT常数第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——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。静止式可控整流器——用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。直流斩波器或脉宽调制变换器——用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。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）•G-M系统工作原理由原动机（柴油机、交流异步或同步电动机）拖动直流发电机G实现变流，由G给需要调速的直流电动机M供电，调节G的励磁电流if即可改变其输出电压U，从而调节电动机的转速n。这样的调速系统简称G-M系统，国际上通称Ward-Leonard系统。•G-M系统特性n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限图1-2G-M系统机械特性1.1.2静止式可控整流器图1-3晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）•V-M系统工作原理晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统，又称静止的Ward-Leonard系统），图中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。•V-M系统的特点与G-M系统相比较：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104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。•V-M系统的问题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。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，在电阻中耗电很大。M++__VDVTUsa）原理图b）电压波形图tOuUsUdTton控制电路M1.直流斩波器的基本结构图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ssondUUTtU(1-2)式中T—晶闸管的开关周期；ton—开通时间；—占空比，=ton/T=tonf；其中f为开关频率。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，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，脉宽调制变换器（PWM-PulseWidthModulation）。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。•PWM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60~70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。返回目录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。a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)