運動控制系統(tǒng)第一章新版

1、 運動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)上海交通大學(xué)自動化系根據(jù)直流電動機轉(zhuǎn)速方程根據(jù)直流電動機轉(zhuǎn)速方程 eKIRUnq第一篇 直流調(diào)速方法nUIRKe式中 轉(zhuǎn)速（r/min）； 電樞電壓（V）； 電樞電流（A）； 電樞回路總電阻（）； 勵磁磁通（Wb）； 由電機結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速的三種方法調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速的三種方法 （1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U （2）改變電樞回路電阻）改變電樞回路電阻 R （3）減弱勵磁磁通）減弱勵磁磁通 （1）調(diào)壓調(diào)速）調(diào)壓調(diào)速工作條件： 保持勵磁 = N ； 保持電阻 R = Ra調(diào)節(jié)過程： 改變電壓 UN U U n ， n0 調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，

2、機械特性曲線平行下移。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線（2）調(diào)阻調(diào)速）調(diào)阻調(diào)速工作條件： 保持勵磁 = N ； 保持電壓 U =UN ；調(diào)節(jié)過程： 增加電阻 Ra R R n ，n0不變；調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機械特性曲線變軟。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線（3）調(diào)磁調(diào)速）調(diào)磁調(diào)速工作條件： 保持電壓 U =UN ； 保持電阻 R = R a ；調(diào)節(jié)過程： 減小勵磁 N n ， n0 調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速上升，機械特性曲線變軟。nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線 三種調(diào)速方法的性能與比較三種調(diào)

3、速方法的性能與比較 改變電阻只能有級調(diào)速； 減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，在基速以上作小范圍的弱磁升速。在基速以下會引起輸出轉(zhuǎn)矩減小。 調(diào)壓調(diào)速能在較大的范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速。恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式 電機長期運行時，電樞電流應(yīng)小于額定值 IN，而電磁轉(zhuǎn)矩 Te = Km I 。 在調(diào)壓調(diào)速范圍內(nèi)，勵磁磁通不變，容許的輸出轉(zhuǎn)矩也不變，稱作“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式”。恒功率調(diào)速方式恒功率調(diào)速方式 在弱磁調(diào)速范圍內(nèi)，磁通越弱，轉(zhuǎn)速越高，容許輸出轉(zhuǎn)矩減小，而容許輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積則不變，即容許功率不變，為“恒功率調(diào)速方式恒功率調(diào)速方式”。兩種調(diào)速方式兩種調(diào)速方式TeNnNnma

4、x變電壓調(diào)速弱磁調(diào)速UNUPPTeUnO兩種調(diào)速方式第第1章章 可控直流電源可控直流電源-電動機系統(tǒng)電動機系統(tǒng) 本章著重討論基本的閉環(huán)控制系統(tǒng)及其分析與設(shè)計方法。直流調(diào)速系統(tǒng)主要采用變壓調(diào)速。1.1 相控整流器相控整流器-電動機系統(tǒng)電動機系統(tǒng) 調(diào)壓調(diào)速需要有專門向電動機供電的可控直流電源。 本節(jié)介紹幾種主要的可控直流電源。常用的可控直流電源有以下兩種常用的可控直流電源有以下兩種靜止式可控整流器用靜止式的可控整流器獲得可調(diào)的直流電壓。直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開關(guān)器件斬波或進(jìn)行脈寬調(diào)制，產(chǎn)生可變的平均電壓。 1.1.1 相控整流器相控整流器圖1-4

5、晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖 V-M系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理 晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)，又稱靜止的Ward-Leonard系統(tǒng)），圖中VT是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓 Uc 來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓Ud ，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。 V-M系統(tǒng)的特點系統(tǒng)的特點 晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在10 4 以上，其門極電流可以直接用晶體管來控制。 控制的快速性，晶閘管整流器是毫秒級，這將大大提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。 V-M系統(tǒng)的問題系統(tǒng)的問題 由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。 晶閘管對過電壓、過電流和過高的

6、du/dt與di/dt 都十分敏感，若超過允許值會在很短的時間內(nèi)損壞器件。 由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，造成“電力公害”。1.1.2 晶閘管晶閘管-電動機系統(tǒng)（電動機系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）系統(tǒng)） 的主要問題的主要問題V-M系統(tǒng)的幾個主要問題：（1）觸發(fā)脈沖相位控制。（2）電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)。（3）抑制電流脈動的措施。（4）晶閘管-電動機系統(tǒng)的機械特性。（5）晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和 傳遞函數(shù)。 調(diào)節(jié)晶閘管觸發(fā)脈沖相位，可改變可控整流器輸出電壓的波形。 整流器輸出電壓瞬時值ud 的呈周期性變化。a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0u

7、VT0b)c)d)e)f)+ + +OOOOO觸發(fā)脈沖相位控制觸發(fā)脈沖相位控制ud0IdE 等效電路分析等效電路分析 把整流裝置內(nèi)阻移到裝置外邊，看成是其負(fù)載電路電阻的一部分。 ud0為整流電壓理想空載瞬時值 。V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖 式中 電動機反電動勢（V）； 整流電流瞬時值（A）； 主電路總電感（H）； 主電路等效電阻（）， R = Rrec + Ra + RL。EidLR 瞬時電壓平衡方程瞬時電壓平衡方程tiLRiEuddddd0(1- 4)整流電壓的平均值計算整流電壓的平均值計算 整流電壓理想空載瞬時值 ud0 在一個周期內(nèi)的平均值為理想空載整流電壓平均值Ud0 。 觸發(fā)脈沖控

8、制角； Um 交流電源線電壓峰值（V）；m交流電源一周內(nèi)整流電壓脈波數(shù)。 cossinmd0mUmU(1-5)整流與逆變狀態(tài)整流與逆變狀態(tài)當(dāng) 0 0 ，整流狀態(tài)，電功率從交流側(cè)輸送到直流側(cè)； 當(dāng) /2 max 時， Ud0 0 ，有源逆變狀態(tài)，電功率反向傳送。 不同整流電路時，不同整流電路時， Um、m及及Ud0整流電路 單相全波 三相半波 三相全波 六相半波 Um 22U* 22U 26U 22U m 2 3 6 6 Ud0 cos9 . 02U cos17. 12U cos34. 22U cos35. 12U 表1-1 * U2 是整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值。電流脈動及其波形的連續(xù)

9、與斷續(xù)電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)圖1-5 V-M系統(tǒng)的電流波形a）電感量大，且負(fù)載也足夠大時，電流連續(xù)b）電感量小或負(fù)載輕時，電流斷續(xù)OuaubucudOiaibicictEUdtOuaubucudOiaibicicEUdudttudidid抑制電流脈動的措施抑制電流脈動的措施 電流脈動產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，為了避免或減輕這種影響，須采用抑制電流脈動的措施，主要是： 設(shè)置平波電抗器； 增加整流電路相數(shù)； 采用多重化技術(shù)。1.1.3 晶閘管晶閘管-電動機系統(tǒng)的機械特性電動機系統(tǒng)的機械特性 當(dāng)電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的機械特性方程式為 式中 Ce電機在額定磁通下的電動勢系數(shù),Ce = KeN 。)coss

10、in(1)(1dmed0deRImUmCRIUCn（1-9）（1）電流連續(xù)情況）電流連續(xù)情況 改變控制角，得一族平行直線，這和G-M系統(tǒng)的特性很相似，如圖1-10所示。 圖中電流較小的部分畫成虛線，表明這時電流波形可能斷續(xù)，式（1-9）已經(jīng)不適用了。電流連續(xù)時V-M系統(tǒng)的機械特性 n = Id R / CenIdILO 三相半波整流電路電流斷續(xù)時機械特性 (1-10) (1-11) 一個電流脈波的導(dǎo)通角， 2/3 阻抗角2)6cos()6cos(2232e2dnUCRUI)e1 (e )6sin()6sin(cos2ctgectg2CUnRLarctg（2）電流斷續(xù)情況）電流斷續(xù)情況圖1-6

11、完整的V-M系統(tǒng)機械特性（3）V-M系統(tǒng)系統(tǒng) 機械特性機械特性（4）V-M系統(tǒng)機械特性的特點系統(tǒng)機械特性的特點 圖1-6繪出了完整的V-M系統(tǒng)機械特性，分為電流連續(xù)區(qū)和電流斷續(xù)區(qū)。由圖可見：當(dāng)電流連續(xù)時，特性硬； 電流斷續(xù)時，特性很軟，呈顯著的非線性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 在進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)的分析和設(shè)計時，可以把晶閘管觸發(fā)和整流裝置當(dāng)作系統(tǒng)中的一個純滯后環(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)。 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)的計算晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)的計算 晶閘

12、管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)如果不可能實測特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。cdsUUK圖1-7 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出特性和的測定 (1-12) 失控時間是隨機的，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，與交流電源頻率和整流電路形式有關(guān)，由下式確定 (1-13)式中 交流電流頻率（Hz）； 一周內(nèi)整流電壓的脈沖波數(shù)。fmmfT1maxs最大失控時間最大失控時間 Ts 值的選取值的選取 整流電路形式 最大失控時間 Tsmax（ms） 平均失控時間 Ts（ms） 單相半波 單相橋式（全波） 三相半波 三相橋式、六相半波 20 10 6.67 3.33 10 5 3.33 1.67

13、 在一般情況下，可取其統(tǒng)計平均值 Ts = Tsmax /2，并認(rèn)為是常數(shù)。 也可按最嚴(yán)重的情況考慮，取Ts = Tsmax 。各種整流電路的失控時間（f =50Hz） 用單位階躍函數(shù)表示滯后，則晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出關(guān)系為按拉氏變換的位移定理，晶閘管裝置的傳遞函數(shù)為（1-14）傳遞函數(shù)傳遞函數(shù))( 1scs0dTtUKUsTKsUsUsWse)()()(sc0ds傳遞函數(shù)簡化傳遞函數(shù)簡化 由于式（1-14）中包含指數(shù)函數(shù)，它使系統(tǒng)成為非最小相位系統(tǒng)，分析和設(shè)計都比較麻煩。為了簡化，先將該指數(shù)函數(shù)按臺勞級數(shù)展開，則式（1-14）變成 （1-15） 33s22ssssss! 31! 2

14、11ee)(sssTsTsTKKKsWsTsT近似傳遞函數(shù)近似傳遞函數(shù) 考慮到 Ts 很小，可忽略高次項，則傳遞函數(shù)便近似成一階慣性環(huán)節(jié)。（1-16）sTKsWsss1)(晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)sTssKeUc(s)Ud0(s)1sTKssUc(s)Ud0(s)a) 準(zhǔn)確的b） 近似的圖1-15 晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖ssss1.2 直流直流PWM變換器變換器-電動機系統(tǒng)電動機系統(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)。

15、1.2.1 直流直流PWM變換器變換器 PWM調(diào)制：把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓系列，從而可以改變平均輸出平均電壓的大小。 圖1-10a 簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng) VDUs+UgCVTidM+_Ea）主電路原理圖 M 1. 不可逆不可逆PWM變換器變換器21UdOtUg圖中： Us直流電源電壓 C 濾波電容器 M 直流電動機 VD 續(xù)流二極管VT 功率開關(guān)器件 VT 的柵極由脈寬可調(diào)的脈沖電壓系列Ug驅(qū)動。工作狀態(tài)與波形工作狀態(tài)與波形在一個開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)0 t ton時，Ug為正，VT導(dǎo)通，電源電壓通過VT加到電動機電樞兩端；當(dāng)ton t T 時， U

16、g為負(fù)，VT關(guān)斷，電樞失去電源，經(jīng)VD續(xù)流。U, iUdEidUsttonT0圖1-10 b 電壓和電流波形O電機兩端得到的平均電壓為(1-17)式中 = ton / T 為 PWM 波形的占空比， ssondUUTtU輸出電壓方程 改變 （ 0 1 ）即可調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，若令 = Ud / Us為PWM電壓系數(shù)，則在不可逆PWM 變換器中 = (1-18)2. 橋式可逆橋式可逆PWM變換器變換器 可逆PWM變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱H形）電路，如圖1-12所示。 這時，電動機M兩端電壓的極性隨開關(guān)器件柵極驅(qū)動電壓極性的變化而改變，其控制方式有雙極式、單極式、受限單極式等多種

17、，這里只著重分析最常用的雙極式控制的可逆PWM變換器。+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4圖1-12 橋式可逆PWM變換器n H形主電路結(jié)構(gòu)形主電路結(jié)構(gòu)n 雙極式控制方式雙極式控制方式（1）正向運行 第1階段，在 0 t ton 期間， Ug1 、 Ug4為正， VT1 、 VT4導(dǎo)通， Ug2 、 Ug3為負(fù)，VT2 、 VT3截止，電流 id 沿回路1流通，電動機M兩端電壓UAB = +Us ； 第2階段，在ton t T期間， Ug1 、 Ug4為負(fù)， VT1 、 VT4截止，

18、VD2 、 VD3續(xù)流， 并鉗位使VT2 、 VT3保持截止，電流 id 沿回路2流通，電動機M兩端電壓UAB = Us ；n 雙極式控制方式（續(xù)）雙極式控制方式（續(xù)）（2）反向運行 第1階段，在 0 t ton 期間， Ug2 、 Ug3為負(fù)，VT2 、 VT3截止， VD1 、 VD4 續(xù)流，并鉗位使 VT1 、 VT4截止，電流 id 沿回路4流通，電動機M兩端電壓UAB = +Us ； 第2階段，在ton t T 期間， Ug2 、 Ug3 為正， VT2 、 VT3導(dǎo)通， Ug1 、 Ug4為負(fù)，使VT1 、 VT4保持截止，電流 id 沿回路3流通，電動機M兩端電壓UAB = Us

19、 ；n 輸出波形輸出波形U, iUdEid+UsttonT0-UsO(1) 正向電動運行波形U,UdEid+UsttonT0-Us(2) 反向電動運行波形U,UdEid+UsttonT-UsU,iUdEid+UsttonT-Us(2) 反向電動運行波形n 輸出平均電壓輸出平均電壓雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為（1-19） 如果占空比和電壓系數(shù)的定義與不可逆變換器中相同，則在雙極式控制的可逆變換器中 = 2 1 （1-20）注意：這里 的計算公式與不可逆變換器中的公式(1-18)就不一樣了。sonsonsond) 12(UTtUTtTUTtUn 調(diào)速范圍調(diào)速范圍 調(diào)速時， 的可調(diào)范圍

20、為01， 1 0.5時， 為正，電機正轉(zhuǎn) 當(dāng) 0.5時， 為負(fù)，電機反轉(zhuǎn) 當(dāng) = 0.5時， = 0 ，電機停止1.2.3 直流直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機械特性調(diào)速系統(tǒng)的機械特性 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。 對于雙極式控制的可逆電路電壓方程為EtiLRiUdddds( 0 t ton ) (1-23) n 雙極式可逆電路電壓方程EtiLRiUdddds(ton t T ) (1-24) 機械特性方程機械特性方程 平均電流和轉(zhuǎn)矩分別用 Id 和

21、 Te 表示，平均轉(zhuǎn)速 n = E/Ce，而電樞電感壓降的平均值 Ldid / dt 在穩(wěn)態(tài)時應(yīng)為零。 于是，無論是上述哪一組電壓方程，其平均值方程都可寫成 (1-25)nCRIERIUedds (1-26)或用轉(zhuǎn)矩表示 (1-27)式中 Cm 電機在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，Cm = KmN ； n0理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比，n0 = Us / Ce 。de0deesICRnICRCUnn 機械特性方程機械特性方程eme0emeesTCCRnTCCRCUnnId , Te0n0ss0.5n0s0.25n0sId , Te =1 = 0.5 = 0 = -0.5n PWM調(diào)速系統(tǒng)機械特性調(diào)速

22、系統(tǒng)機械特性 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機械特性曲線（電流連續(xù)），n0sUs /CePWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型控制與變換器的數(shù)學(xué)模型UcUgUdPWM控制器PWM變換器圖1-21 PWM控制與變換器的框圖 PWM裝置裝置數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型 PWM裝置變換器也可以看成是一個滯后環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)（1-28）sTKsUsUsWse)()()(scds式中 Ks PWM裝置的放大系數(shù)； Ts PWM裝置的延遲時間， Ts T0 。 與晶閘管裝置一樣， PWM裝置可以近似看成是一個一階慣性環(huán)節(jié)（1-2)值得注意的是：PWM裝置的TS遠(yuǎn)小于晶閘管裝置。1)(ssssTKsWPWM裝置裝置數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型的近似的近似1.

23、3 調(diào)速系統(tǒng)性能指標(biāo)調(diào)速系統(tǒng)性能指標(biāo) 任何一臺需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對調(diào)速性能都有一定的要求。 1. 控制要求控制要求1）調(diào)速在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范 圍內(nèi)，分檔地（有級）或 平滑地（無級） 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；2）穩(wěn)速以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定 運行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速 波動，以確保產(chǎn)品質(zhì)量；3）加、減速頻繁起、制動的設(shè)備要求加、 減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇 烈速度變化的機械則要求起、制動盡量平穩(wěn)。2. 調(diào)速指標(biāo)（穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)）調(diào)速指標(biāo)（穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)）調(diào)速范圍調(diào)速范圍 生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母 D 表示，即（1-29）min

24、maxnnD 其中nmin 和nmax 一般都指電動機額定負(fù)載時的轉(zhuǎn)速，對于負(fù)載很輕的機械，也可用實際負(fù)載時的轉(zhuǎn)速。 靜差率靜差率 當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負(fù)載由理想空載增加到額定值時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 nN ，與理想空載轉(zhuǎn)速 n0 之比，稱作靜差率 s ，即0Nnns或用百分?jǐn)?shù)表示 %1000Nnns（1-30） （1-31） 式中 nN = n0 - nN 0TeNTen0an0bab nNa nNb nO圖1-16 不同轉(zhuǎn)速下的靜差率3. 靜差率與機械特性硬度的區(qū)別 然而靜差率和機械特性硬度又是有區(qū)別的。一般調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下的機械特性是互相平行的 。對于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定度也就越差。4. 調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系 電機額定轉(zhuǎn)速nN，額定穩(wěn)態(tài)速降為nN。 nN 值一定時