运动控制系统总结

运动控制系统总结第1章绪论什么是运动控制系统•运动控制系统是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。运动控制系统及其组成直流调速系统直流电动机的数学模型简单，转矩易于控制。换向器与电刷的位置保证了电枢电流与励磁电流的解耦，使转矩与电枢电流成正比。交流调速系统交流电动机（尤其是笼型感应电动机）结构简单交流电动机动态数学模型具有非线性多变量强耦合的性质，比直流电动机复杂得多。运动控制系统的转矩控制规律忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩，运动控制系统的简化运动方程式mmemdtdLTTdtdJ•转矩控制是运动控制的根本问题•磁链控制同样重要LemTTdtdJaTeIKT生产机械的负载转矩特性•生产机械的负载转矩TL是一个必然存在的不可控扰动输入。LemTTdtdJ恒转矩负载a）位能性恒转矩负载b)反抗性恒转矩负载恒功率负载mmLLPT常数直流调速系统•电枢回路dtdiLRiEuddd0调节直流电动机转速的方法（1）调节电枢供电电压；（2）减弱励磁磁通；（3）改变电枢回路电阻。eKIRUnnn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3调压调速特性曲线nn0OIILRaR1R2R3nNn1n2n3调阻调速特性曲线nn0OTeTLN123nNn1n2n3调磁调速特性曲线第2章转速反馈控制的直流调速系统晶闸管整流器-电动机系统•csdUKU电流连续时V-M系统的机械特性•)RIU(C1nd0de晶闸管触发电路与整流装置的传递函数•输入输出关系为)(10scsdTtUKUsTscdsseKsUsUsW)()()(0sT1K)s(Wsss直流PWM变换器-电动机系统电压和电流波形ssondUUTtU不可逆PWM变换器-直流电动机系统一般电动状态的电压、电流波形EUd有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统图2-11有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统1gU的正脉冲比负脉冲窄，dUEdi始终为负。制动状态的电压、电流波形t0idton4123Tt2t4(d)轻载电动状态的电流波形VT1、VD2、VT2和VD1四个管子轮流导通。nCRIERIUedds直流PWM调速系统（电流连续）的机械特性转速控制的要求和稳态调速性能指标调速范围静差率sminmaxnnD%1000nnsN图2-14不同转速下的静差率•特性a和b的硬度相同，•特性a和b额定速降相同，•特性a和b的静差率不相同。静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准调速范围、静差率和额定速降之间的关系)1(snsnDNN转速反馈控制直流调速系统•**(1/)(1)(1)psndpsndepseeeKKUIRKKURInCKKCCKCK转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图•图2-21额定励磁下直流电动机的动态结构框图(a)电压电流间的结构框图(b)电流电动势间的结构框图(c)直流电动机的动态结构框图反馈控制规律2.4直流调速系统的数字控制数字测速方法的精度指标•当被测转速由n1变为n2时，引起记数值增量为1，则该测速方法的分辨率是•转速实际值和测量值之差与实际值之比定义为测速误差率12nnQ100%nnM法测速•记取一个采样周期内旋转编码器发出的脉冲个数来算出转速的方法称为M法测速，又称频率法测速。(2-77)r/min601cZTMn•M法测速分辨率为（2-78）•M法测速的分辨率与实际转速的大小无关。•M法的测速误差率的最大值为（2-79）•δmax与M1成反比。转速愈低，M1愈小，误差率愈大。cccZTZTMZTMQ6060)1(6011%100M1%100ZTM60ZT)1M(60ZTM601c1c1c1maxT法测速•T法测速是测出旋转编码器两个输出脉冲之间的间隔时间来计算转速，又被称为周期法测速。•准确的测速时间是用所得的高频时钟脉冲个数M2计算出来的，即，•电动机转速为（2-80）02/fMTt026060tfnZTZM•T法测速的分辨率定义为时钟脉冲个数由M2变成(M2-1)时转速的变化量，（2-81）•综合式（2-80）和式（2-81），可得(2-82)•T法测速的分辨率与转速高低有关，转速越低，Q值越小，分辨能力越强。)1(6060)1(602202020MZMfZMfMZfQZnfZnQ0260M/T法测速•在M法测速中，随着电动机的转速的降低，计数值减少，测速装置的分辨能力变差，测速误差增大。•T法测速正好相反，随着电动机转速的增加，计数值减小，测速装置的分辨能力越来越差。•综合这两种测速方法的特点，产生了M/T测速法，它无论在高速还是在低速时都具有较高的分辨能力和检测精度。•在高速段，与M法测速的分辨率完全相同。•在低速段，M1＝1，M2随转速变化，分辨率与T法测速完全相同。•M/T法测速无论是在高速还是在低速都有较强的分辨能力。2.5.2带电流截止负反馈环节的直流调速系统图2-38电流截止负反馈环节（a）利用独立直流电源作比较电压（b）利用稳压管产生比较电压图2-40带电流截止负反馈的闭环直流调速系统稳态结构框图图2-41带电流截止负反馈比例控制闭环直流调速系统的静特性•CA段:电流负反馈被截止•AB段:电流负反馈起作用第3章转速、电流反馈控制的直流调速系统起动电流呈矩形波，转速按线性增长。这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动（制动）过程。图3-1时间最优的理想过渡过程图3-3双闭环直流调速系统的稳态结构图α——转速反馈系数β——电流反馈系数•AB段是两个调节器都不饱和时的静特性，IdIdm,n=n0。•BC段是ASR调节器饱和时的静特性，Id=Idm,nn0。图3-4双闭环直流调速系统的静特性•根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数：•转速反馈系数(3-6)•电流反馈系数(3-7)•两个给定电压的最大值U*nm和U*im由设计者选定。max*nUnmdmimIU*3.2转速、电流反馈控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析3.2.1转速、电流反馈控制直流调速系统的动态数学模型图3-5双闭环直流调速系统的动态结构图图3-6双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形电流Id从零增长到Idm，然后在一段时间内维持其值等于Idm不变，以后又下降并经调节后到达稳态值IdL。•双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：（1）饱和非线性控制（2）转速超调（3）准时间最优控制3.3转速、电流反馈控制直流调速系统的设计3.3.1控制系统的动态性能指标•在控制系统中设置调节器是为了改善系统的静、动态性能。•控制系统的动态性能指标包括对给定输入信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的抗扰性能指标。图3-8典型的阶跃响应过程和跟随性能指标%100maxCCC上升时间峰值时间调节时间超调量σ图3-9突加扰动的动态过程和抗扰性能指标动态降落恢复时间调节器的工程设计方法•njjrmiisTssKsW11)1()1()(常把Ⅰ型和Ⅱ型系统作为系统设计的目标。•K值越大，截止频率c也越大，系统响应越快，相角稳定裕度越小，快速性与稳定性之间存在矛盾。•在选择参数K时，须在快速性与稳定性之间取折衷。参数关系KT0.250.390.50.691.0阻尼比超调量上升时间tr峰值时间tp相角稳定裕度截止频率c1.00%76.3°0.243/T0.81.5%6.6T8.3T69.9°0.367/T0.7074.3%4.7T6.2T65.5°0.455/T0.69.5%3.3T4.7T59.2°0.596/T0.516.3%2.4T3.2T51.8°0.786/T表3-1典型Ⅰ型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系定义中频宽：(3-23)中频宽表示了斜率为20dB/sec的中频的宽度，是一个与性能指标紧密相关的参数。12Th•采用“振荡指标法”中的闭环幅频特性峰值最小准则，可以找到和两个参数之间的一种最佳配合。(3-25)(3-26)•在确定了h之后，可求得(3-29)(3-30)122hhc211hchT2222112121)1(21ThhhhThKc“振荡指标法”中的闭环幅频特性峰值最小准则：对于一定的h值，只有一个确定的ωc(或K)，可得到最小的闭环幅频特性峰值Mrmin11minhhMrh345678910tr/Tts/Tk52.6%2.412.15343.6%2.6511.65237.6%2.859.55233.2%3.010.45129.8%3.111.30127.2%3.212.25125.0%3.313.25123.3%3.3514.201表3-4典型Ⅱ型系统阶跃输入跟随性能指标(按Mrmin准则确定参数关系)以h=5的动态跟随性能比较适中。（控制结构和扰动作用点如图3-15所示，参数关系符合准则）minrMh345678910Cmax/Cbtm/Ttv/T72.2%2.4513.6077.5%2.7010.4581.2%2.858.8084.0%3.0012.9586.3%3.1516.8588.1%3.2519.8089.6%3.3022.8090.8%3.4025.85表3-5典型Ⅱ型系统动态抗扰性能指标与参数的关系Cb=2FK2T控制对象的工程近似处理方法•高频段小惯性环节的近似处理•高阶系统的降阶近似处理•低频段大惯性环节的近似处理3.3.3按工程设计方法设计转速、电流反馈控制直流调速系统的调节器•用工程设计方法来设计转速、电流反馈控制直流调速系统的原则是先内环后外环。•先从电流环（内环）开始，对其进行必要的变换和近似处理，然后根据电流环的控制要求确定把它校正典型I型系统，•再按照控制对象确定电流调节器的类型，按动态性能指标要求确定电流调节器的参数。•电流环设计完成后，把电流环等效成转速环（外环）中的一个环节，再用同样的方法设计转速环为典型II型系统。（3）内、外环开环对数幅频特性的比较•外环的响应比内环慢，这是按上述工程设计方法设计多环控制系统的特点。图3-26双闭环调速系统内环和外环的开环对数幅频特性I——电流内环n——转速外环第5章基于稳态模型的异步电动机调速系统异步电动机稳态等效电路图5-1异步电动机T型等效电路假定条件：①忽略空间和时间谐波，②忽略磁饱和，③忽略铁损异步电动机稳态等效电路2'212''lrlsrssrsLLsRRUII简化等效电路的相电流幅值异步电动机的机械特性异步电动机传递的电磁功率机械同步角速度sRIPrrm'2'3pmn11异步电动机的机械特性异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式）2'2122'1'22'212'1'2'2'113/33lrlsrsrsplrlsrsrsprrpmmeLLsRsRsRUnLLsRRsRUnsRInPT异步电动机的机械特性对s求导，并令0dsdTe临界转差率：对应最大转矩的转差率2'212')(lrlssrmLLRRs异步电动机的机械特性对s求导，并令0dsdTe最大转矩，又称临界转矩2'21212)(23lrlsssspemLLRRUnT不同控制方式下的机械特性a）恒压频比控制b）恒定子磁通控制c）恒气隙磁通控制d）恒转子磁通控制•5.4电力电子变压变频器脉冲宽度调制技术现代变频器中用得最多的控制技术是脉冲宽度调制（PulseWidthModulation），简称PWM。基本思想是控制逆变器中电力电子器件的开通或关断，输出电压为幅值相等、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。