電力拖動系統(tǒng)第4章課件

1、第第4章章 可逆控制的直流調(diào)速可逆控制的直流調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng) 運動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)4.1.0 問題的提出問題的提出 有許多生產(chǎn)機(jī)械要求電動機(jī)既能正轉(zhuǎn)，又能反轉(zhuǎn)，而且常常還需要快速地起動和制動，這就需要電力拖動系統(tǒng)具有四象限運行的特性，也就是說，需要可逆可逆的調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)。 電機(jī)的運行狀態(tài)可處在轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的坐標(biāo)系的四個象限中，稱為四象限運行。圖4-1 調(diào)速系統(tǒng)的四象限運行問題的提出（續(xù)）問題的提出（續(xù)） 改變電樞電壓的極性，或者改變勵磁磁通的方向，都能夠改變直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，這本來是很簡單的事。 然而當(dāng)電機(jī)采用電力電子裝置供電時，由于電力電子器

2、件的單向?qū)щ娦噪娏﹄娮悠骷膯蜗驅(qū)щ娦?，問題就變得復(fù)雜起來了，需要專用的可逆電力電子裝置和自動控制系統(tǒng)。4.1 直流PWM可逆調(diào)速系統(tǒng)中、小功率的可逆直流調(diào)速系統(tǒng)多采用由電力電子功率開關(guān)器件組成的橋式可逆PWM變換器，其中功率開關(guān)器件采用 IGBT ，在小容量系統(tǒng)中則可用將IGBT、續(xù)流二極管、驅(qū)動電路以及過流、欠壓保護(hù)等封裝在一起的智能功率模塊IPM。 33886模塊功能原理圖IN1/2： Logic Input Control 1 True logic input control of OUT1/2 (i.e., IN1/2 logic High = OUT1/2 logic High).

3、MC 33886 The 33886 is able to control continuous inductive DC load currents up to 5.0 A. Output loads can be pulse width modulated (PWM-ed) at frequencies up to 10 kHz Features Similar to the MC33186DH1 with Enhanced Features 5.0 V to 40 V Continuous Operation 120 m RDS(ON) H-Bridge MOSFETs TTL /CMO

4、S Compatible Inputs PWM Frequencies up to 10 kHz4.1 直流PWM可逆調(diào)速系統(tǒng) PWM變換器電路有多種形式，可分為不可逆與可逆兩大類， 還有一種帶制動電流通路的不可逆PWM-直流電動機(jī)系統(tǒng)，其電流能夠反向。之所以不可逆是因為平均電壓始終大于零，因而轉(zhuǎn)速不能反向。 如果要求轉(zhuǎn)速反向，需要改變PWM變換器輸出電壓的正負(fù)極性，使得直流電動機(jī)可以在四象限中運行，由此構(gòu)成了可逆的PWM變換器-直流電動機(jī)系統(tǒng)。4.1.1 橋式可逆PWM變換器圖4-2橋式可逆PWM變換器電路 雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為 占空比和電壓系數(shù)的關(guān)系為 當(dāng)1/2時，為

5、正，電動機(jī)正轉(zhuǎn)； 當(dāng)5Ubs 變壓器變比變壓器變比 1:1 互感器的同名端互感器的同名端 UbsC2Ubs1Ubs2UsC1R2R1VD2VD1Uph+U1U2當(dāng)角差當(dāng)角差 時時0m Ubs1 和和Us正半周正半周1bss1UUU 1bss2UUU 2bs1bs21phUUUUU 負(fù)負(fù)半周靠電容維持電壓基本不變半周靠電容維持電壓基本不變當(dāng)角差當(dāng)角差 時時0m 1bss1UUU 1bss2UUU )UU(UUU2bs1bs21ph 自整角機(jī)位置隨動系統(tǒng)的組成和數(shù)學(xué)模型自整角機(jī)位置隨動系統(tǒng)的組成和數(shù)學(xué)模型相敏整流器輸出電壓直流分量與輸入電壓成正比，并能根據(jù)角相敏整流器輸出電壓直流分量與輸入電壓成正

6、比，并能根據(jù)角差極性來改變其極性差極性來改變其極性1STK)S(WphphURP 3、可逆功率放大器、可逆功率放大器1STKSS 4、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)5、減速器、減速器 ndti6dt60360inmSKiS6)S(n)S()S(Wgmg 自整角機(jī)位置隨動系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖自整角機(jī)位置隨動系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖伺服電機(jī)：230W，110V，2.9A，2400r/min，Ra3.4；電樞回路總電阻Ra5.1，減速器速比i60。自整角機(jī)放大系數(shù)Kbs 1.25V/() ；KrpKaKs=200。自整角機(jī)本身的檢測誤差ed=0.5；負(fù)載轉(zhuǎn)矩為20Nm， 輸入軸最高轉(zhuǎn)速輸入軸最高轉(zhuǎn)速 求該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。sm/

7、200APR采用PD控制，增益為Ka例4.1 對應(yīng)的負(fù)載電流： A解：系統(tǒng)參數(shù)計算 計算伺服電動機(jī)的電動勢系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)： Vmin/r Nm/A333. 0201iTL0417. 024004 . 39 . 2110NNNenRIUC398. 030emCC 折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：837. 0mLdLCTINmKg=360/i/60 017. 0fsarpbsdLsKKKKRIe速度輸入時的給定誤差：334. 0603601iCKKKKeesarpbsmsr負(fù)載引起的擾動誤差： 851. 0sfsrdeeee 誤差之和： 4.2.5 位置隨動系統(tǒng)的動態(tài)校正與 控制 當(dāng)系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)足夠

8、大時可以保證所需的穩(wěn)態(tài)精度，但放大系數(shù)過大又可能影響系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性，增加動態(tài)校正就成為必須。 1、位置、轉(zhuǎn)速、電流三環(huán)控制系統(tǒng) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 BQ-光電位置傳感器，DSP-數(shù)字轉(zhuǎn)速信號形成環(huán)節(jié)位置調(diào)節(jié)器位置調(diào)節(jié)器ARP的類型和參數(shù)決定了系統(tǒng)誤差的類型和參數(shù)決定了系統(tǒng)誤差和動態(tài)跟隨性能和動態(tài)跟隨性能A.優(yōu)點逐個設(shè)計環(huán)，可以保證每個環(huán)都是穩(wěn)定的，從而整個系統(tǒng)是穩(wěn)定的；同時每個環(huán)節(jié)都有自己的控制對象，分工明確，易于調(diào)整。B.缺點對最外環(huán)控制作用的響應(yīng)不會很快但隨著微機(jī)控制技術(shù)的提高，快速響應(yīng)性能已經(jīng)得到很大提高。 三環(huán)設(shè)計原則 同雙環(huán)控制系統(tǒng)一樣，在設(shè)計三環(huán)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器時也是按照先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的原

9、則來設(shè)計的。在設(shè)計位置環(huán)時，如同設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)處理電流環(huán)一樣，將轉(zhuǎn)速環(huán)簡化作為位置環(huán)的一個環(huán)節(jié)。 4.2.5 位置隨動系統(tǒng)的動態(tài)校正與 控制 2、單位置環(huán)隨動系統(tǒng) 舍去多環(huán)結(jié)構(gòu)的單位置環(huán)隨動系統(tǒng)可以提高位置隨動系統(tǒng)的快速跟隨性能，為了避免過渡過程中電流沖擊過大，可以采用電流截止負(fù)反饋或選用允許過載倍數(shù)比較高的伺服電機(jī)。 位置調(diào)節(jié)器可以選用PD或PID調(diào)節(jié)器。 單位置環(huán)隨動系統(tǒng)設(shè)計舉例 Ts=0.0001s ;Ks=5; R=13.85 Tl=0.004; Tm=0.0319; i=180 Kg=0.0331S)TT(STT1STSTTLm2Lmm2Lm )1ST)(1ST(Lm ) 1)(1)(1

10、(/)(STSTSTSCKKSWLmsegsobjegsobjCKKK/) 1)(1(STSTSKmobjLsTTTssKpSWPID) 1)(1s()(21hTTm21取取Tsigmap = 0.0041UdnCe*nnKsTs.s+1UPE1h*Tsigmap.s+1Tsigmap.s+1Transfer Fcn61sTransfer Fcn51sTransfer Fcn41/RTl.s+1Transfer Fcn15RTm.sTransfer Fcn14KgsTransfer Fcn13Step5Scope4ErrorControl PID regulatorIdL1/CeGain4(h

11、+1)/(2*h2*Tsigmap2)Gain21Control 1sIntegrator2KpdGain7KpiGain6KppGain5du/dtDerivative1Error00.050.10.150.20.250.30.35-5051015202530h=5Kpp = 12.3163Kpd = 0.1539Kpi = 234.9732 3、復(fù)合控制的隨動系統(tǒng) 無論是單環(huán)還是多環(huán)系統(tǒng)，都是通過位置調(diào)節(jié)器ARP實現(xiàn)反饋控制的，在設(shè)計ARP時，為了保證穩(wěn)定性，就不能完全照顧快速跟隨性能。 為了進(jìn)一步加強(qiáng)跟隨性能，可以將前饋控制和反饋控制復(fù)合在一起，構(gòu)成復(fù)合控制系統(tǒng)，如圖423示。 由圖42

12、3可得復(fù)合控制下系統(tǒng)的傳遞函數(shù)： 當(dāng)滿足 （414），那么就有 sWsWsWsGsWsWssmm212211 sWsG21由式（415）可知，當(dāng)選擇恰當(dāng)，那么復(fù)合控制隨動系統(tǒng)的輸出量就可以完全復(fù)現(xiàn)給定輸入。實際上，要完全實現(xiàn)不變性是很困難的。 1ssmm（415） 一般情況下，位置隨動系統(tǒng)控制對象W1(s)中至少含有一個積分環(huán)節(jié)，那么按照式（414），前饋補償器的傳遞函數(shù)為 G(s)=a1s+a2s2+ +ansn （416）， 由式（416）可知，要實現(xiàn)完全不變性，需要引入輸入信號的各階倒數(shù)作為補償信號。但想要實現(xiàn)高階倒數(shù)非常困難，因此只能近似實現(xiàn)完全不變性。 另外，在圖423中，若無前饋補

13、償，那么閉環(huán)傳遞函數(shù)變?yōu)?比較（413）和（416），可知增加前饋補償不會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 sWsWsWsWssmm21211（417） 擾動補償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng) 在擾動信號可測時，那么可以從擾動作用點上引出前饋補償信號，從而減少或消除擾動誤差，形成按擾動補償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)，如圖424 在圖424中，同圖423一樣，要實現(xiàn)完全不變性，其補償條件為： sWsGf21課后作業(yè) 典型位置隨動系統(tǒng)如何構(gòu)成？與調(diào)速系統(tǒng)相比，有何特征？習(xí)題4.1位置隨動系統(tǒng)下圖所示，已知Tm=0.1s，Ts=0.005s，Tl=0.01s，Ks=5，Ce=0.5V.min/r，Kg=6，R=1要求把系統(tǒng)校正為典型I型系統(tǒng)，在階躍輸入下超調(diào)量小于等于5%。1、選擇調(diào)節(jié)器D(s)的結(jié)構(gòu)、確定其參數(shù)并計算該系統(tǒng)的峰值時間。2、計算該系統(tǒng)在輸入為200deg/s時的穩(wěn)態(tài)誤差。3、計算當(dāng)負(fù)載電流為IdL=2A時，負(fù)載