運動控制-緒論-第一章之1.3.ppt

1、運動控制系統(tǒng),電力拖動自動控制系統(tǒng),緒論,本課程研究的對象和主要內(nèi)容 運動控制 過程控制 對象 剛體（固體形態(tài)） 非剛體（流體形態(tài)） 控制參數(shù) 位置、速度、加速度等 溫度、壓力、流量等 控制設(shè)備 電氣線路、變頻器、PLC等 泵、閥、SCR等 系統(tǒng) CIMS、生產(chǎn)流水線 DCS、FCS、CIPS 控制物體（生產(chǎn)設(shè)備）的運動,運動的原動機發(fā)動機、汽輪機、電動機等,以電動機帶動生產(chǎn)機械運動 電力拖動,在無人直接參與下，自動產(chǎn)生控制信號，使某種過程或?qū)ο蟀搭A(yù)定的要求規(guī)律變化的系統(tǒng) 自動控制系統(tǒng),電力拖動自動控制系統(tǒng) 以電動機為控制對象的自動控制系統(tǒng)。,電機的控制：起動、停止（制動）、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等 電動

2、機直流電動機；交流電動機 交、直流調(diào)速系統(tǒng)（電機控制技術(shù)）,本課程的研究對象與內(nèi)容,系統(tǒng)的分析與設(shè)計（校正） 本課程的研究方法,緒論,本課程的性質(zhì)與任務(wù) 本課程是一門專業(yè)課； 任務(wù)：掌握自控系統(tǒng)的分析與設(shè)計方法； 目標(biāo)：有能力分析和設(shè)計其它自動控制系統(tǒng)。 本課程的特點與預(yù)備知識 特點：實踐性、工程性、涉及的知識面廣； 自動控制理論、電子技術(shù)、電機拖動、電力電子技術(shù)。,直流拖動控制系統(tǒng)的地位 直流電動機轉(zhuǎn)速與其它參數(shù)之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系,第一篇 直流拖動控制系統(tǒng),三種調(diào)速方法：Ud、R、,第1章 閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)本章提要,1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源 1.2 晶閘管-電動機系統(tǒng)（V-M系

3、統(tǒng)）的主要問題 1.3 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題 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 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 1.6 比例積分控制規(guī)律和無靜差調(diào)速系統(tǒng),第1章 閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng),1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源 三種形式： 旋轉(zhuǎn)變流機組GM系統(tǒng) 靜止式可控整流器VM系統(tǒng) 直流斬波器或PWM變換器,旋轉(zhuǎn)變流機組GM系統(tǒng),工作原理、優(yōu)缺點,靜止式可控整流器VM系統(tǒng),工作原理、優(yōu)缺點,直流斬波器或PWM變換器,工作原理、優(yōu)缺點,第1章 閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng),1.2 晶閘管-電動機系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）的主要問題 電樞電壓調(diào)節(jié)的實現(xiàn)脈沖相位控制 VM系

4、統(tǒng)的機械特性 晶閘管觸發(fā)-整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù),1.2.1電樞電壓調(diào)節(jié)的實現(xiàn) 脈沖相位控制,如圖：Ud0為整流裝置理想空載整流電壓，由電力電子技術(shù)可知：,Ud0的大小與有關(guān)，即觸發(fā)相位的變化將引起電樞電壓的變化。,1.2.2 VM系統(tǒng)的機械特性,機械特性電機轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩（直流電機即電樞電流）之間的關(guān)系n=f（Id）。 電流連續(xù)時 由 及 有 其中,n與Id關(guān)系為一線性關(guān)系，改變控制角，得一族平行直線。 這表明：1）VM系統(tǒng)的機械特性類似于直流電機的機械特性； 2）電流連續(xù)時VT可看作是一個線性的可控電源。,1.2.2 VM系統(tǒng)的機械特性,電流斷續(xù)時 此時Id的平均值表達(dá)式變得復(fù)雜（與

5、導(dǎo)通角有關(guān)）因此n=f（Id）關(guān)系也變成非線性。 通過數(shù)值計算可畫出相應(yīng)的曲線，如圖：,當(dāng)電流連續(xù)時，特性還比較硬； 斷續(xù)段特性則很軟，而且呈顯著的非線性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。,1.2.3晶閘管觸發(fā)-整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù),晶閘管觸發(fā)-整流裝置當(dāng)作系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)來看待。 進(jìn)行直流調(diào)速系統(tǒng)分析或設(shè)計時，須事先求出這個環(huán)節(jié)的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)。 放大系數(shù)的求?。嚎捎晒ぷ鞣秶鷥?nèi)的特性斜率決定。計算方法是：,1.2.3晶閘管觸發(fā)-整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù),傳遞函數(shù)的確定： 1）晶閘管觸發(fā)與整流失控時間分析 眾所周知，晶閘管一旦導(dǎo)通后，控制電壓的變化在該器件關(guān)斷以前就不再起作用，直到下一相

6、觸發(fā)脈沖來到時才能使輸出整流電壓發(fā)生變化，這就造成整流電壓滯后于控制電壓的狀況。,2）失控時間Ts的確定 顯然，失控制時間是隨機的，最大可能的失控時間就是兩個相鄰自然換相點之間的時間，由下式確定： 3）Ts 值的選取 在一般情況下，可取其統(tǒng)計平均值 Ts = Tsmax /2，Tsmax見P10表1-2 4）傳遞函數(shù)的求取 失控時間的出現(xiàn)意味著環(huán)節(jié)的輸出與輸入之間有時間上的滯后，用單位階躍函數(shù)表示滯后，其關(guān)系為：,則傳遞函數(shù)為： 5）傳遞函數(shù)的近似 由于式中包含指數(shù)函數(shù)，它使系統(tǒng)成為非最小相位系統(tǒng)。為了簡化，先將該指數(shù)函數(shù)按臺勞級數(shù)展開，則式變成： 考慮到 Ts 很小，可忽略高次項，則傳遞函數(shù)

7、便近似成一階慣性環(huán)節(jié)。即,6）晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu),近似的意義 近似的工程條件：TsS1S用j代替，從頻域入手：,近似條件為： 工程意義上：,第1章 閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng),自從全控型電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）的高頻開關(guān)控制方式形成的脈寬調(diào)制變換器直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，即直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。 1.3 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題 PWM變換器的工作狀態(tài)和波形 直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機械特性 PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型,1.3.1 PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形,PWM變換器的作用：用PWM調(diào)制的方法，把恒定的直流電壓調(diào)制成頻率一定

8、、寬度可變的脈沖電壓系列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。 PWM變換器電路形式：主要分為不可逆與可逆兩大類，我們討論橋式可逆PWM變換器。 PWM變換器的控制方式：雙極式、單極式、受限單極式。,1.3.1 PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形,橋式PWM變換器如圖：,雙極式重載正轉(zhuǎn): 0 t ton : 電流 id通路為1; AMBVT4GUSVT1A M兩端電壓UAB = +Us ； ton t T : 電流 id通路為2; AMBVD3USGVD2A M兩端電壓UAB = Us ； 平均電壓:,橋式PWM變換器工作分析,雙極式輕載正轉(zhuǎn): 0 t ton : 電流 id通

9、路為4、1; 1:AMBVT4GUSVT1A 4:AVD1USGVD4BMA ton t T : 電流 id通路為2、3; 2:AMBVD3USGVD2A 3:AVT2GUSVT3BMA,橋式PWM變換器工作分析,橋式PWM變換器工作分析,單極式重載正轉(zhuǎn): 0 t ton : 電流 id通路為1; AMBVT4GUSVT1A M兩端電壓UAB = +Us ； ton t T : 電流 id通路為2; AMBVT4GVD2A M兩端電壓UAB = 0 ； 平均電壓:,單極式輕載正轉(zhuǎn): 0 t ton : 電流 id通路為4、1; 1:AMBVT4GUSVT1A 4:AVD1USGVD4BMA t

10、on t T : 電流 id通路為2、3; 2:AMBVT4GVD2A 3:AVT2GVD4BMA,橋式PWM變換器工作分析,雙、單極式控制方式的評價,優(yōu)點： 1）電流一定連續(xù)。 2）可使電機在四象限運行。 3）雙極式時電機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)。 4）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá)1:20000左右。 5）低速時，每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。 不足之處是： 在工作過程中，雙極式有4個單極式有2個開關(guān)器件可能都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，而且在切換時可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅(qū)動脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時。 綜合三種控制方式

11、、電機的二種工作狀態(tài)及負(fù)載的輕重之分，共有12種工作狀況。 作業(yè)：1-19 畫出H型PWM變換器電路圖，何為單極式控制方式？分析在該控制方式下，反轉(zhuǎn)輕載時的電流通路，畫出電壓、電流波形。,1.3.2 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機械特性,采用不同形式的PWM變換器，系統(tǒng)的機械特性也不一樣。對于雙極式控制的可逆電路，電流的方向是可逆的，無論是重載還是輕載，電流波形都是連續(xù)的，因而機械特性關(guān)系式比較簡單，現(xiàn)在就分析這種情況。 必須說明：由于采用脈寬調(diào)制，嚴(yán)格地說，即使在穩(wěn)態(tài)情況下，脈寬調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速也都是脈動的，所謂穩(wěn)態(tài)，是指電機的平均電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)，機械特性是平均轉(zhuǎn)速與平均轉(zhuǎn)矩（電流）的關(guān)系。,雙極式可逆電路電壓方程,對于雙極式控制的可逆電路，電壓方程為： 兩邊積分求平均值： 左邊= 右邊=,(ton t T ),( 0 t ton ),機械特性方程,而E=Cen 有機械特性 圖中所示的機械曲線是電流連續(xù)時脈寬調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。 圖中僅繪出了第一、二象限的機械特性，雙極式控制可逆電路的機械特性更可擴(kuò)展到第三、四象限。 n0sUs / Ce,1.3.3 PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型,在系統(tǒng)中，PWM環(huán)節(jié)由PWM控制器與PWM變換器組成。如圖： 通過前面的分析可知：當(dāng)