运动控制系统--上海大学---全部章节内容

自动化与电气工程系2020/6/301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自动化与电气工程系2020/6/302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自动化与电气工程系2020/6/303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自动化与电气工程系2020/6/304第1篇直流拖动控制系统第1篇直流拖动控制系统自动化与电气工程系2020/6/3051.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绪论自动化与电气工程系2020/6/3062.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绪论自动化与电气工程系2020/6/307按控制器类型分：以模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绪论自动化与电气工程系2020/6/3083.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。控制器功率驱动装置生产机械电动机电网给定值0绪论自动化与电气工程系2020/6/3094.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、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绪论自动化与电气工程系2020/6/3010控制器功率驱动装置电动机转速/电流、电压调节器三相桥式晶闸管整流装置直流电动机P/PI/PID调节器三相半波晶闸管整流装置交流电动机模糊控制器不可控整流——PWM斩波器异步电动机(绕线式/鼠笼式)自适应控制器交交变频器同步电机标量控制器交直变频器永磁同步电机矢量控制器电压型逆变器开关磁阻电机直接转矩控制器电流型逆变器无换向器电机0绪论自动化与电气工程系2020/6/30115.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绪论自动化与电气工程系2020/6/30126.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绪论自动化与电气工程系2020/6/3013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绪论自动化与电气工程系2020/6/30147.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绪论自动化与电气工程系2020/6/30158.电动机的电磁转矩ΦIKTme电磁转矩中的Φ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绪论自动化与电气工程系2020/6/30169.直流电机转速方程ΦKIRUnen—转速（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绪论自动化与电气工程系2020/6/301710.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ΦKIRUne自动化与电气工程系2020/6/3018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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绪论自动化与电气工程系2020/6/3019调节励磁磁通调速工作条件：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绪论自动化与电气工程系2020/6/3020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。nn0OIILRaR1R2R3nNn1n2n3调阻调速特性曲线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绪论自动化与电气工程系2020/6/3021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1.4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自动化与电气工程系2020/6/30221.1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自动化与电气工程系2020/6/30231.1.1旋转变流机组供电的直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直流励磁发电机自动化与电气工程系2020/6/3024G-M系统，国际上称Ward-Leonard系统n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限G-M系统机械特性1.1.1旋转变流机组供电的直流调速系统自动化与电气工程系2020/6/3025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自动化与电气工程系2020/6/30261.1.2静止式可控整流器触发装置晶闸管可控整流电路控制电压触发脉冲的相位UdV-M系统,又称静止的Ward-Leonard系统自动化与电气工程系2020/6/3027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。1.1.2静止式可控整流器自动化与电气工程系2020/6/3028V-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。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静止式可控整流器自动化与电气工程系2020/6/30291.1.3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。1.1.3静止式可控整流器或脉宽调制变换器自动化与电气工程系2020/6/3030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自动化与电气工程系2020/6/3031tUdTtonb）电压波形图OuUsM++__VDVTUsa）原理图控制电路MM++__VDVTUs“T-ton”斩断续流二极管电力电子开关器件ρ为占空比ssondρUUTtU1.1.3静止式可控整流器或脉宽调制变换器自动化与电气工程系2020/6/3032三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自动化与电气工程系2020/6/3033PWM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自动化与电气工程系2020/6/3034小结三种可控直流电源中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。自动化与电气工程系2020/6/30351.2.1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自动化与电气工程系2020/6/3036OOOOOu2wt1p2pwtwtwtwtwtucudiduVTqa1.2.1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。u1TGTRLu2uduVTid自动化与电气工程系2020/6/3037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。ud0idEV-M系统主电路的等效电路图RL+_+_整流装置内阻器电阻平波电抗电枢电阻:R