直流電機(jī)運動控制系統(tǒng)課件

直流電機(jī)運動控制系統(tǒng)課件1第1頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六運動控制系統(tǒng)課程在自動化專業(yè)中的地位專業(yè)知識綜合應(yīng)用和實際控制系統(tǒng)設(shè)計調(diào)試能力訓(xùn)練。第2頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六運動控制系統(tǒng)的種類按驅(qū)動電機(jī)類型直流拖動控制系統(tǒng)閉環(huán)控制的DC調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)系統(tǒng)的工程設(shè)計方法DC調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制位置隨動系統(tǒng)交流拖動控制系統(tǒng)籠型異步電動機(jī)的VVVF系統(tǒng)第3頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六按被控物理量調(diào)速系統(tǒng)以轉(zhuǎn)速為被控量位置隨動/伺服系統(tǒng)以角位移或直線位移為被控量按控制類型模擬模擬數(shù)字混合全數(shù)字第4頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六運動控制系統(tǒng)的特點過渡過程短功率范圍寬調(diào)速范圍大可獲得良好動靜態(tài)性能電機(jī)空載損耗小、效率高，短時過載能力強(qiáng)可四象限運行第5頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六教學(xué)參考書電力拖動自動控制系統(tǒng)上海大學(xué)陳伯時機(jī)械工業(yè)出版社2006年第3版電機(jī)與運動控制系統(tǒng)清華大學(xué)楊耕等清華大學(xué)出版社2006年第1版運動控制系統(tǒng)清華大學(xué)爾桂花等清華大學(xué)出版社2002年第1版第6頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六§1閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

為什么要采用閉環(huán)調(diào)速

制造業(yè)：鋼連軋、電爐；加工機(jī)床、造紙、印刷、紡織、印染、起重、傳送等

高新產(chǎn)業(yè)：機(jī)器人、電動汽車、電動艦船、高速列車等

生活：冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)、電梯等

第7頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六閉環(huán)控制的必要性舉例連軋機(jī)每一電機(jī)都必須按照它所拖動軋輥前后鋼板的厚度和鋼板送入速度來控制自己的轉(zhuǎn)速第8頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六開環(huán)控制與閉環(huán)控制1開環(huán)：系統(tǒng)的輸出量不被引回對系統(tǒng)的控制部分產(chǎn)生影響例

步進(jìn)數(shù)控

第9頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六開環(huán)控制與閉環(huán)控制2閉環(huán)按被控量的偏差進(jìn)行控制例

電爐箱恒溫若爐溫偏高，調(diào)節(jié)過程相反閉環(huán)反饋控制可以自動進(jìn)行補(bǔ)償。第10頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六直流調(diào)速的主要方案

直流電動機(jī)運行遵循的4個基本方程

1.改變電樞回路總電阻R〖簡便、有級、特性軟、高能耗〗2.改變電機(jī)主磁通〖無級、>ne、響應(yīng)慢〗；

3.改變電樞電壓U〖無級、快、<ne。主流〗第11頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六1.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組可在轉(zhuǎn)矩允許范圍內(nèi)4象限運行第12頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六2、靜止式可控整流器通過晶閘管(Thyristor)直接對交流電源電壓進(jìn)行可控整流：簡稱V-M系統(tǒng)功率放大倍數(shù)高，控制功率??；快速性較G-M高。單向，可逆運行須采用開關(guān)切換或兩組設(shè)備反并聯(lián)；只能滯后觸發(fā)、功率因數(shù)低；需串聯(lián)較大的平波電抗器。第13頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六3、脈沖寬度調(diào)制變換器

[PWM,pulsewidthmodulation]電樞電壓的平均值開關(guān)頻率高，電流易連續(xù)，低速性能好，調(diào)速范圍寬，電機(jī)損耗小；功率元件少，控制方便。第14頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六橋式雙極性PWM變換器輸出電壓平均值第15頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六1.2晶閘管整流開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性V-M調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性電流連續(xù)時

第16頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六電流斷續(xù)時非線性顯著：電壓波形與反電勢有關(guān)，即與轉(zhuǎn)速有關(guān)。理想空載轉(zhuǎn)速很高：電流為0時，反電勢等于觸發(fā)瞬間電壓，對三相半波特性很軟：電流為脈沖波，負(fù)載增大時，為提供足夠平均電流，電流峰值高，即要求輸出電壓與反電勢差要大：速降大。相當(dāng)于整流內(nèi)阻變大。第17頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六晶閘管觸發(fā)和整流裝置的

放大系數(shù)和傳遞函數(shù)非線性晶閘管整流放大系數(shù)的線性化處理第18頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六晶閘管整流傳遞函數(shù)的近似處理晶閘管觸發(fā)與整流的失控時間與純滯后特性第19頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六晶閘管觸發(fā)與整流裝置的傳遞函數(shù)考慮到平均失控時間很小，忽略高階項，晶閘管觸發(fā)與整流裝置的傳遞函數(shù)可近似為一階慣性環(huán)節(jié)。第20頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六1.3直流PWM(PulseWidthModulation)調(diào)速系統(tǒng)

不可逆PWM變換器定義，對不可逆PWM變換器，特點：線路簡單。電流不能反向，無制動能力，只能單象限運行。

第21頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六有制動能力的不可逆PWM變換器

第22頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六

橋式可逆PWM變換器

特點：電流連續(xù)；可四象限運行；低速平穩(wěn)。

第23頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性

對雙極橋式變換器：

第24頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

直流PWM放大器的失控時間與滯后特性傳遞函數(shù)與V-M系統(tǒng)具有相同的形式，但滯后時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于V-M系統(tǒng)第25頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六1.4反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計[重點]

一、轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)1、

調(diào)速：范圍寬、無級2、

穩(wěn)速：精度高、抗擾強(qiáng)、波動小。3、

加減速：快、平穩(wěn)調(diào)速指標(biāo)：生產(chǎn)機(jī)械要求電動機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比：第26頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六靜差率

靜差率S的實用算式(最大靜差率)調(diào)速范圍D、靜差率和靜態(tài)速降是相互關(guān)聯(lián)的：

第27頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六穩(wěn)速精度

指在規(guī)定的電網(wǎng)質(zhì)量和負(fù)載擾動條件下，在規(guī)定的運行時間(如1小時或8小時)內(nèi)，在某一指定的轉(zhuǎn)速下，t時間(通常取1秒)內(nèi)平均轉(zhuǎn)速最大值和另一t時間內(nèi)平均轉(zhuǎn)速最小值的相對誤差百分?jǐn)?shù)。

一般閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)高速運行時穩(wěn)速精度比較容易達(dá)到，穩(wěn)速精度指標(biāo)通常被用來確定調(diào)速范圍的速度下限。第28頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六開環(huán)系統(tǒng)調(diào)速的問題

從控制理論的立場分析，速度指令可視為階躍型輸入指令

DnN實際是額定狀態(tài)下系統(tǒng)輸出對階躍輸入的穩(wěn)態(tài)誤差，在開環(huán)狀態(tài)下，當(dāng)靜差率要求較高即S較小時，系統(tǒng)所能達(dá)到的調(diào)速范圍D是很小的。第29頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及靜特性

靜特性：假定：1、忽略非線性2、忽略電源、電位器內(nèi)阻電壓比較放大器電力電子變換器調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)特性

測速反饋：

第30頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖

第31頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六開環(huán)機(jī)械特性與閉環(huán)靜特性的關(guān)系

開環(huán)特性

閉環(huán)靜特性

硬度

【在相同負(fù)載下兩者的速降關(guān)系為】靜差率：對相同理想空載轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍：對相同靜差率、相同額定轉(zhuǎn)速結(jié)論：閉環(huán)可獲得比開環(huán)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，在保證一定靜差率要求下提高調(diào)速范圍

第32頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六閉環(huán)系統(tǒng)靜態(tài)速降低于開環(huán)的原因

從電動機(jī)運行特性的立場分析，閉環(huán)系統(tǒng)能大大提高穩(wěn)速性能的原因是系統(tǒng)在負(fù)載變化時可通過閉環(huán)調(diào)節(jié)使電樞電壓自動跟蹤負(fù)載變化，補(bǔ)償電樞電流在回路電阻上的壓降損失，從而維持轉(zhuǎn)速基本不變。穩(wěn)速原理可從圖所示的閉環(huán)與開環(huán)轉(zhuǎn)速特性間的關(guān)系得到理解。

第33頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六比例單閉環(huán)反饋控制規(guī)律

規(guī)律1、僅比例調(diào)節(jié)，必存在靜差2、對作用于前向通道的擾動有較強(qiáng)的抑制作用3、對作用于給定和反饋通道的擾動無抑制作用，系統(tǒng)精度依賴于給定和反饋精度。第34頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計算【例1－4】V-M系統(tǒng)額定數(shù)據(jù)為DCM：10kW,220V,55A,1000r/min,電樞電阻0.5W；晶閘管三相橋式全波可控整流，電壓放大系數(shù)44；電樞回路總電阻1W；永磁直流測速發(fā)電機(jī)110V，1900r/min。要求：D＝10，s<=5%，計算穩(wěn)態(tài)參數(shù)。解：滿足指標(biāo)要求的額定負(fù)載下穩(wěn)態(tài)速降：

第35頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)有的開環(huán)放大系數(shù)

注意：電機(jī)電勢常數(shù)計算與電機(jī)以外電路參數(shù)無關(guān)。開環(huán)速降與電樞回路參數(shù)有關(guān)。第36頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)

取，1000r/min時，。運算放大器比例放大系數(shù)

設(shè)輸入電阻為10K，則比例電阻為240K。習(xí)題1-4,1-6,1-8,1-10第37頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六比例單閉環(huán)Matlab仿真無電流限制的比例單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真第38頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六比例單閉環(huán)仿真電流尖峰=210A>>2倍額定電流110A第39頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六限流保護(hù)－電流截止負(fù)反饋

問題的提出：起動、嚴(yán)重過載、堵轉(zhuǎn)－過流損壞功率器件第40頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六

2、對策：電流截止負(fù)反饋

第41頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六電流負(fù)反饋的作用相當(dāng)于主電路中串入大電阻，特性急劇下垂;

比較電壓與轉(zhuǎn)速給定作用一致，理想空載轉(zhuǎn)速大幅提高

堵轉(zhuǎn)電流

截止電流

第42頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六電流截止比例單閉環(huán)Matlab仿真結(jié)構(gòu)圖仿真第43頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六電流截止比例單閉環(huán)仿真最大電流尖峰=90A系統(tǒng)不穩(wěn)定、存在靜差第44頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六1.5反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析和設(shè)計

[重點]數(shù)學(xué)模型

UPE：

DCM

電樞回路的電磁時間常數(shù)，

R、L分別為電樞回路總電阻總電感

第45頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六數(shù)學(xué)模型

由轉(zhuǎn)矩平衡方程：系統(tǒng)的機(jī)電時間常數(shù)

由電勢平衡方程：反電勢與轉(zhuǎn)速之間的傳遞函數(shù)為第46頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六直流電動機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖[重]

由圖可見，直流電動機(jī)動態(tài)運行時是一個雙輸入單輸出系統(tǒng)。其中，電樞電壓為參考輸入或指令輸入，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為擾動輸入。負(fù)載擾動輸入常常被等效為“負(fù)載電流”的形式，以使結(jié)構(gòu)圖更加簡潔，但這種表達(dá)方式容易引起物理概念上的誤解，因為事實上并不存在負(fù)載電流，它只是負(fù)載轉(zhuǎn)矩的一種數(shù)學(xué)上的等效。

第47頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六結(jié)構(gòu)圖變換第48頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六單轉(zhuǎn)速閉環(huán)比例型直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

第49頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)

第50頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六對給定的閉環(huán)傳遞函數(shù)

第51頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六穩(wěn)定條件

由Routh判據(jù)，穩(wěn)定條件為：或：K：比例型單轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)例1－5，1－6，1－7【閱讀】習(xí)題

1-12,1-15第52頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六

1.6

動態(tài)校正－PI調(diào)節(jié)器設(shè)計[重點]

問題的提出：穩(wěn)定性與靜差指標(biāo)的矛盾對策：串聯(lián)校正：對調(diào)速系統(tǒng)，一般采用PI結(jié)構(gòu)一、PID調(diào)節(jié)器

實踐證明，對于特性為和等控制對象，PID控制是一種最優(yōu)的控制算法。第53頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六PID控制參數(shù)

比例因子增大，可使響應(yīng)速度加快。但偏大時會使振蕩次數(shù)增多，調(diào)節(jié)時間變長，太大時系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。過小又會使系統(tǒng)響應(yīng)緩慢。積分控制能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。但積分控制帶來的相角滯后會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降、幅值衰減會使系統(tǒng)響應(yīng)減緩.

微分控制可以改善動態(tài)品質(zhì)，如減小超調(diào)、縮短調(diào)節(jié)時間等。但微分控制作用過強(qiáng)也會使系統(tǒng)對不希望高頻噪聲的抑制能力顯著降低，穩(wěn)態(tài)性能下降。對電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，由于反饋檢測信號中常富含高頻噪聲,一般不采用。

第54頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六二、模擬PI調(diào)節(jié)器的組成與響應(yīng)特性

按控制理論對傳遞函數(shù)的符號約定，其輸出對輸入絕對值間的傳遞函數(shù)為第55頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六PI調(diào)節(jié)器的飽和限幅特性在調(diào)速系統(tǒng)中使用的模擬PI調(diào)節(jié)器，通常都采用運算放大器構(gòu)成，受其工作電壓限制，運算放大器都有自然飽和限幅特性，其輸出達(dá)到一定數(shù)值后將不可能繼續(xù)增大。為了保證放大器正負(fù)輸出特性對稱，使用中常不直接用其自然限幅而另設(shè)限幅電路。PI調(diào)節(jié)器工作時是否進(jìn)入飽和限幅狀態(tài)對系統(tǒng)動態(tài)調(diào)節(jié)影響很大，正確理解限幅輸出的PI調(diào)節(jié)器動態(tài)響應(yīng)特點，對分析與設(shè)計雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和采用此類調(diào)節(jié)器的自動控制系統(tǒng)是十分重要的。

第56頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六限幅輸出的PI調(diào)節(jié)器當(dāng)PI調(diào)節(jié)器的輸入即誤差信號E大小和變化規(guī)律不同時，PI調(diào)節(jié)器的輸出變化情況會有很大差異

輸入誤差信號為階躍形式:當(dāng)系統(tǒng)運行中負(fù)載過重電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時出現(xiàn)，比例部分在0時刻突跳，積分部分按時間常數(shù)線性增長，經(jīng)過一個很短的時間，調(diào)節(jié)器輸出即達(dá)到飽和限幅值。

第57頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六誤差衰減比較慢時系統(tǒng)無過載、反饋無斷路、主電路工作正常，一般誤差僅會在一開始輸出還來不及變化時躍變，隨著調(diào)節(jié)器輸出的控制作用，系統(tǒng)輸出增長，誤差便逐漸減小，調(diào)節(jié)器輸出的比例部分相應(yīng)減小積分部分繼續(xù)增大但增大速率減緩。當(dāng)被控對象的等效慣性時間常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于調(diào)節(jié)器積分時間常數(shù)時，輸出增長比較慢即誤差衰減比較慢，調(diào)節(jié)器輸出的積分部分增長速度快于比例部分下降的速度，在誤差尚未衰減到零時調(diào)節(jié)器輸出仍會達(dá)到飽和限幅值。

第58頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六誤差衰減較快時如果被控對象的等效慣性時間常數(shù)較小，誤差衰減較快，會使調(diào)節(jié)器輸出的比例部分下降速率快于積分增長，在經(jīng)歷一個初始的最大值后逐漸下降，到t1時刻誤差等于零時，比例部分輸出也為零而積分部分保持t1時刻的值不變，調(diào)節(jié)器的輸出完全由積分部分確定，調(diào)節(jié)器完全工作在線性區(qū)

第59頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六PI調(diào)節(jié)器特性討論1在系統(tǒng)閉環(huán)控制的動態(tài)過程中，PI調(diào)節(jié)器是否飽和，對系統(tǒng)輸出影響很大。從積分器的原理可知，PI調(diào)節(jié)器一旦飽和，只有輸入的誤差信號變號，它才可能退出飽和輸出狀態(tài)，誤差變號意味著系統(tǒng)輸出值大于指令值，而系統(tǒng)正常工作時調(diào)節(jié)器應(yīng)當(dāng)工作在線性區(qū)，所以調(diào)節(jié)器飽和再回到線性工作區(qū)意味著系統(tǒng)輸出必然產(chǎn)生超調(diào)。第60頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六PI調(diào)節(jié)器特性討論2分析PI調(diào)節(jié)器動態(tài)響應(yīng)輸出時特別要注意它與P調(diào)節(jié)器的區(qū)別。誤差信號變化時，比例部分立即將此變化按比例放大輸出，馬上產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，積分部分需根據(jù)比例因子和積分時間常數(shù)共同確定的斜率隨時間增長逐漸變化產(chǎn)生輸出，調(diào)節(jié)作用相對緩慢。但當(dāng)誤差消失為零時，比例部分輸出也為零，而積分部分可保持誤差消失瞬間的輸出值，由積分部分決定的調(diào)節(jié)器輸出值代表了誤差消失前全部誤差變化的積累效應(yīng)。誤差很小時，雖然比例部分也很小，積分部分卻能持續(xù)變化，只要誤差不為零，積分輸出的變化在調(diào)節(jié)器飽和以前不會停止，這也是采用PI調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時能達(dá)到無靜差的原因。

第61頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六PI調(diào)節(jié)器特性討論3PI調(diào)節(jié)器的輸出由比例和積分兩部分共同決定，不能簡單地根據(jù)誤差的增減來判斷調(diào)節(jié)器輸出值的增減。調(diào)節(jié)器輸出的變化應(yīng)當(dāng)通過對

線性部分兩邊求導(dǎo)來分析

PI調(diào)節(jié)器輸出的變化趨勢由決定?？傊?，誤差較大時主要由P起快速調(diào)節(jié)作用，誤差較小時則主要靠I的累積記憶產(chǎn)生的調(diào)節(jié)作用來消除靜差。第62頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六動態(tài)校正

設(shè)計工具：Bode圖最小相位系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的一般要求

希望特性：中頻段以－20dB/dec

斜率穿越0dB線，并覆蓋足夠頻帶寬截止頻率wc越高，快速性越好低頻段斜率陡、增益高：穩(wěn)態(tài)精度高高頻段