運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-復(fù)習(xí)知識(shí)點(diǎn)總結(jié)

1、學(xué)習(xí)必備歡迎下載1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)是通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)電壓、電流、頻率等輸入電量的控制，來(lái)改變工作機(jī)械的轉(zhuǎn)矩、速度、位移 等機(jī)械量，使各種工作機(jī)械按人們期望的要求運(yùn)行，以滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝及其他應(yīng)用的需要。 （運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)框圖）2. 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制對(duì)象為電動(dòng)機(jī) ，運(yùn)動(dòng)控制的目的是控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，要控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，唯一的途徑就是控制電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)速變化率按人們期望的規(guī)律變化。因此， 轉(zhuǎn)矩控制 是運(yùn)動(dòng)控制的根本問(wèn)題。第 1 章 可控直流電源 -電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)容提要相控整流器 -電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)直流 PWM 變換器 -電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)性能指標(biāo)1 相控整流器 -電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理2.晶閘管可

2、控整流器的特點(diǎn)（1）晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在104 以上，其門(mén)極電流可以直接用電子控制。（2）晶閘管的控制作用是毫秒級(jí)的，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能得到了很大的改善。晶閘管可控整流器的不足之處晶閘管是單向?qū)щ姷?，給電機(jī)的可逆運(yùn)行帶來(lái)困難。晶閘管對(duì)過(guò)電壓、過(guò)電流和過(guò)高的 du/dt 與 di/dt 都十分敏感，超過(guò)允許值時(shí)會(huì)損壞晶閘管。在交流側(cè)會(huì)產(chǎn)生較大的諧波電流，引起電網(wǎng)電壓的畸變。需要在電網(wǎng)中增設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置和諧波濾波裝置。3.V-M 系統(tǒng)機(jī)械特 4.最大失控時(shí)間是兩個(gè)相鄰自然換相點(diǎn)之間的時(shí)間，它與交流電源頻率和晶閘管整流器的類(lèi)型有關(guān)。5.（ 1）直流脈寬變換器根據(jù)PWM 變換器主電路的形式可分

3、為可逆和不可逆兩大類(lèi)（ 2）簡(jiǎn)單的不可逆 PWM 變換器 -直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（ 3）有制動(dòng)電流通路的不可逆 PWM- 直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（ 4）橋式可逆 PWM 變換器（ 5）雙極式控制的橋式可逆 PWM 變換器的優(yōu)點(diǎn)雙極式控制方式的不足之處（ 6）直流 PWM 變換器 -電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的能量回饋問(wèn)題”。（7）直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性6.生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)在 額定負(fù)載 情況下所需的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比稱(chēng)為調(diào)速范圍 ，用字母 D 來(lái)表示（ D 的表達(dá)式）當(dāng)系統(tǒng)在 某一轉(zhuǎn)速 下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載 增加到 額定值 時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化率，稱(chēng)為靜差率 s。D 與 s 的相互約束關(guān)系s 越小，則可達(dá)到

4、的 D 必定越小。對(duì)系統(tǒng)的調(diào)速精度要求越高，即要求當(dāng)要求的 D 越大時(shí)，則所能達(dá)到的調(diào)速精度就越低，即s 越大，所以這是一對(duì)矛盾的指標(biāo)。第二章閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)容提要轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法1.異步電動(dòng)機(jī)從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率可分成兩部分：一部分是機(jī)械軸上輸出的機(jī)械功率；另一部分是與轉(zhuǎn)差率成正比的轉(zhuǎn)差功率。.異步電動(dòng)機(jī)按調(diào)速性能分類(lèi)第一類(lèi)基于穩(wěn)態(tài)模型，動(dòng)學(xué)習(xí)必備歡迎下載態(tài)性能要求不高，例如轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速閉環(huán)的轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)。而另一類(lèi)則基于動(dòng)態(tài)模型，動(dòng)態(tài)性能要求高，例如矢量控制系統(tǒng)和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速：同步電動(dòng)

5、機(jī)的轉(zhuǎn)差率恒為零，從定子傳入的電磁功率全部變?yōu)闄C(jī)械軸上輸出的機(jī)械功率，只能是轉(zhuǎn)差功率不變型的調(diào)速系統(tǒng)。同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速只能通過(guò)改變同步轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)， 由于同步電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)是固定的，只能采用變壓變頻調(diào)速。2.反饋控制的基本思想3.開(kāi)環(huán)與閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的區(qū)別：1 差率約束下，閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的（4.反饋控制規(guī) 律5.電流截止負(fù)反饋。1+K ）倍6.積分控制規(guī)律和比例控制規(guī)律的區(qū)別在于：。 7.在階躍輸入作用之下，比例調(diào)節(jié)器的輸出可以立即響應(yīng)，而積分調(diào)節(jié)器的輸出只能逐漸地變化，調(diào)速系統(tǒng)一般應(yīng)具有快與準(zhǔn)的性能，即系統(tǒng)既是靜態(tài)無(wú)差又具有快速響應(yīng)的性能。實(shí)現(xiàn)的方法是把比例和積分兩種控制結(jié)合起來(lái)，組

6、成比例積分調(diào)節(jié)器（PI）。8.對(duì)于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，應(yīng)盡量縮短起、制動(dòng)過(guò)程的時(shí)間，完成 時(shí)間最優(yōu)控制。即在過(guò)渡過(guò)程中始終保持轉(zhuǎn)矩為允許的最大值，使直流電動(dòng)機(jī)以最大的加速度加、減速。到達(dá)給定轉(zhuǎn)速時(shí)，立即讓電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。9.（ 1）雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速和電流波（ 2）雙閉環(huán)系統(tǒng)在起、制動(dòng)過(guò)程中，電流閉環(huán)起作用，保持電流恒定，縮小系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間。一旦到達(dá)給定轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入轉(zhuǎn)速控制方式，轉(zhuǎn)速閉環(huán)起主導(dǎo)作用，而電流內(nèi)環(huán)則起跟隨作用，使實(shí)際電流快速跟隨給定值（轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出），以保持轉(zhuǎn)速恒定。（ 3）系統(tǒng)的靜特性當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的靜

7、特性是轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的靜特性是電流單閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性，表現(xiàn)為電流無(wú)靜差，電流給定值是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的限幅值。（4）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用歸納為電流調(diào)節(jié)器的作用歸納為10 香農(nóng)（ Shannon）采樣定理規(guī)定：如果隨時(shí)間變化的模擬信號(hào)的最高頻率為fmax，只要按照f(shuō)>2fmax采樣頻率進(jìn)行采樣，則取出的樣品序列就可以代表（或恢復(fù)）模擬信號(hào)11.常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)有上升時(shí)間、超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間，12.為了使系統(tǒng)對(duì)階躍給定無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差，不能使用0 型系統(tǒng)，至少是型系統(tǒng)；當(dāng)給定是斜坡輸入時(shí)，則要求是型系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。兩種系統(tǒng)的比較典型 I 型

8、系統(tǒng)和典型型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)誤差上有區(qū)別。典型 I 型系統(tǒng)在跟隨性能上可以做到超調(diào)小，但抗擾性能稍差。典型型系統(tǒng)的超調(diào)量相對(duì)較大，抗擾性能卻比較好。這些是設(shè)計(jì)時(shí)選擇典型系統(tǒng)的重要依據(jù)。電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)(采用I 型系統(tǒng) )設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)步驟：1.電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化簡(jiǎn)化內(nèi)容忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)小慣性環(huán)節(jié)近似處理2.電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇3.電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算4.電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)必備歡迎下載設(shè)計(jì)舉例：1.電流環(huán)的設(shè)計(jì) 確定時(shí)間常數(shù)整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts電流濾波時(shí)間常數(shù) Toi電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和T i選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)要保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)差，可按典型I 型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流

9、環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，用PI 型電流調(diào)節(jié)器。計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益 KIACR 的比例系數(shù)Ki校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率滿(mǎn)足晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件：滿(mǎn)足忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件：滿(mǎn)足電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件12. 異步電動(dòng)機(jī) T 型等效電路異步電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)化等效電路27(A)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性s n0 n 1sm10TeTem28.變壓變頻調(diào)速是改變同步轉(zhuǎn)速的一種調(diào)速方法，同步轉(zhuǎn)速隨頻率而變化基頻以下調(diào)速原理：恒壓頻比控制：基頻以上調(diào)速28 基頻以下電流補(bǔ)償控制：基頻以下運(yùn)行時(shí)，采用恒壓頻比的控制方法具有控制簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，但負(fù)載的變化將

10、導(dǎo)致磁通的改變，因此采用定子電流補(bǔ)償控制，根據(jù)定子電流的大小改變定子電壓，可保持磁通恒定。學(xué)習(xí)必備歡迎下載小結(jié)：A. 恒壓頻比控制最容易實(shí)現(xiàn)，它的變頻機(jī)械特性基本上是平行下移，硬度也較好，能夠滿(mǎn)足一般的調(diào)速要求，低速時(shí)需適當(dāng)提高定子電壓，以近似補(bǔ)償定子阻抗壓降B.恒定子磁通、恒氣隙磁通和恒轉(zhuǎn)子磁通的控制方式均需要定子電流補(bǔ)償，控制要復(fù)雜一些。C.恒定子磁通和恒氣隙磁通的控制方式雖然改善了低速性能。但機(jī)械特性還是非線(xiàn)性的，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力仍受到限制。D.恒轉(zhuǎn)子磁通的控制方式，可以得到和直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)一樣的線(xiàn)性機(jī)械特性，性能最佳。29.異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速需要電壓與頻率均可調(diào)的交流電源，常用的交流可調(diào)

11、電源是由電力電子器件構(gòu)成的靜止式功率變換器，一般稱(chēng)為變頻器。間接變頻 :先將恒壓恒頻的交流電整成直流電，再將直流電逆變成電壓與頻率均可調(diào)的交流，直接變頻 ;將恒壓恒頻的交流電直接變換為電壓與頻率均可調(diào)的交流電，無(wú)需中間直流環(huán)節(jié)30.交 -直 -交變頻器主回路結(jié)構(gòu)圖+U dM2ABO'COU d230.PWM 基本思想：控制逆變器中電力電子器件的開(kāi)通或關(guān)斷，輸出電壓為高度相等、寬度按一定規(guī)律變化的脈沖序列，用這樣的高頻脈沖序列代替期望的輸出電壓31.以頻率與期望的輸出電壓波相同的正弦波作為調(diào)制波（Modulationwave），以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波（ Carrier

12、wave），當(dāng)調(diào)制波與載波相交時(shí)，由它們的交點(diǎn)確定逆變器開(kāi)關(guān)器件的通斷時(shí)刻，從而獲得高度相等、寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖序列，這種調(diào)制方法稱(chēng)作正弦波脈寬調(diào)制（Sinusoidal pulseWidth Modulation ，簡(jiǎn)稱(chēng) SPWM ）32.三相 PWM 逆變器雙極性SPWM 波形學(xué)習(xí)必備歡迎下載34 電流跟蹤 PWM （ CFPWM ，Current Follow PWM ）的控制方法是：在原來(lái)主回路的基礎(chǔ)上，采用電流閉環(huán)控制，使實(shí)際電流快速跟隨給定值， 在穩(wěn)態(tài)時(shí)，盡可能使實(shí)際電流接近正弦波形，這就能比電壓控制的 SPWM 獲得更好的性能。它是以正弦波電流為控制目標(biāo)的U d2HBCVT

13、1iA*VD1A-1VD4i AVT42hU d24-13 電流滯環(huán)跟蹤控制的A 相原理學(xué)習(xí)必備歡迎下載圖 4-14電流滯環(huán)跟蹤控制時(shí)的三相電流波形與相電壓PWM 波形電流跟蹤控制的精度與滯環(huán)的寬度有關(guān)，同時(shí)還受到功率開(kāi)關(guān)器件允許開(kāi)關(guān)頻率的制約。當(dāng)環(huán)寬選得較大時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率低，但電流波形失真較多，諧波分量高；如果環(huán)寬小，電流跟蹤性能好，但開(kāi)關(guān)頻率卻增大了。實(shí)際使用中，應(yīng)在器件開(kāi)關(guān)頻率允許的前提下，盡可能選擇小的環(huán)寬35.把逆變器和交流電動(dòng)機(jī)視為一體，以圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為目標(biāo)來(lái)控制逆變器的工作，這種控制方法稱(chēng)作 “磁鏈跟蹤控制 ”，磁鏈軌跡的控制是通過(guò)交替使用不同的電壓空間矢量實(shí)現(xiàn)的，所以又稱(chēng)“電壓空

14、間矢量 PWM （SVPWM ， Space Vector PWM ）控制 ”。（1）電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系us1us1us 2s21s11us4Ous2Os3s4us4us3us3圖 4-17旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與電壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡圖 4-18電壓矢量圓軌跡（ 2）零矢量的插入有效地解決了定子磁鏈?zhǔn)噶糠蹬c旋轉(zhuǎn)速度的矛盾。（ 3） .按空間矢量的平行四邊形合成法則，用相鄰的兩個(gè)有效工作矢量合成期望的輸出矢量，這就是電壓空間矢量 PWM （ SVPWM ）的基本思想。所謂等效是指在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，產(chǎn)生的學(xué)習(xí)必備歡迎下載定子磁鏈的增量近似相等。通常以開(kāi)關(guān)損耗較小和諧波分量較小為原則，安排基本矢量和零矢

15、量的作用順序，一般在減少開(kāi)關(guān)次數(shù)的同時(shí)，盡量使 PWM 輸出波型對(duì)稱(chēng)，以減少諧波分量。（4）零矢量集中的實(shí)現(xiàn)方法按照對(duì)稱(chēng)原則，將兩個(gè)基本電壓矢量的作用時(shí)間、 平分為二后， 安放在開(kāi)關(guān)周期的首端和末端，把零矢量的作用時(shí)間放在開(kāi)關(guān)周期的中間，并按開(kāi)關(guān)次數(shù)最少的原則選擇零矢量。（5）零矢量分布的實(shí)現(xiàn)方法將零矢量平均分為 4 份，在開(kāi)關(guān)周期的首、尾各放 1 份，在中間放兩份，將兩個(gè)基本電壓矢量的作用時(shí)間、平分為二后，插在零矢量間。按開(kāi)關(guān)損耗較小的原則，選取零矢量（ 6） 會(huì)根據(jù)要求判別期望定子磁鏈的軌跡P161（ 8） SVPWM 的實(shí)現(xiàn)（ 7） SVPWM 控制模式的特點(diǎn)36.轉(zhuǎn)差頻率控制的基本思想

16、若能夠保持氣隙磁通不變，且在 s 值較小的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍內(nèi)，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩就近似與轉(zhuǎn)差角頻率成正比。也就是說(shuō)，在保持氣隙磁通不變的前提下，可以通過(guò)轉(zhuǎn)差角頻率來(lái)控制轉(zhuǎn)矩，這就是轉(zhuǎn)差頻率控制的基本思想。第 5 章內(nèi)容提要異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型異步電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)按定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)與矢量控制系統(tǒng)的比較1.異步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)高階、非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。異步電動(dòng)機(jī)無(wú)法單獨(dú)對(duì)磁通進(jìn)行控制，在數(shù)學(xué)模型中就含有兩個(gè)變量的乘積項(xiàng)，因此，即使不考慮磁路飽和等因素，數(shù)學(xué)模型也是非線(xiàn)性的。2.三相異步電動(dòng)機(jī)定子三相繞組在空間互差，轉(zhuǎn)子也可等效為空間互差三個(gè)

17、繞組，各繞組間存在嚴(yán)重的交叉耦合。此外，每個(gè)繞組都有各自的電磁慣性，再考慮運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電慣性，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角的積分關(guān)系等，動(dòng)態(tài)模型是一個(gè)高階系統(tǒng)。3. 矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制是兩種基于動(dòng)態(tài)模型的高性能的交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)4. 異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速中，輸入時(shí)電壓（或電流）和頻率，輸出是轉(zhuǎn)速和磁通5. 異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)模型由電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程組成。6. 3/2 變換： 三相繞組可以用相互獨(dú)立的對(duì)稱(chēng)兩相繞組等效代替，等效的原則是產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)相等。所謂獨(dú)立是指兩相繞組間無(wú)約束條件，即不存在約束條件，所謂對(duì)稱(chēng)是指兩相繞組在空間互差 90°。2s/2r 變換：兩相靜止繞組，通以?xún)?/p>

18、相平衡交流電流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。如果令兩相繞組轉(zhuǎn)起來(lái)，且旋轉(zhuǎn)角速度等于合成磁動(dòng)勢(shì)的旋轉(zhuǎn)角速度，則兩相繞組通以直流電流就產(chǎn)生空間旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)41 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向： （ 1）令 dq 坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶客叫D(zhuǎn)，且使得d 軸與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐睾希礊榘崔D(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系mt。由于 m 軸與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐睾?，則學(xué)習(xí)必備歡迎下載（2）為了保證m 軸與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶渴冀K重合，必須使50 通過(guò)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，將定子電流分解為勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，使轉(zhuǎn)子磁鏈僅由定子電流勵(lì)磁分量產(chǎn)生，而電磁轉(zhuǎn)矩正比于轉(zhuǎn)子磁鏈和定子電流轉(zhuǎn)矩分量的乘積，實(shí)現(xiàn)了定子電流兩個(gè)分量的解耦。因此，按轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型與直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)模型相當(dāng)。根據(jù)定子磁鏈幅值偏