运动控制系统总结.pptx

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1、什么是运动控制系统运动控制系统是以机械运动的驱动设备电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。第1页/共138页运动控制系统及其组成第2页/共138页直流调速系统 直流电动机的数学模型简单，转矩易于控制。换向器与电刷的位置保证了电枢电流与励磁电流的解耦，使转矩与电枢电流成正比。第3页/共138页交流调速系统 交流电动机（尤其是笼型感应电动机）结构简单 交流电动机动态数学模型具有非线性多变量强耦合的性质，比直流电动机复杂得多。第4页/共138页运动控制系统的转矩控制规律l忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩，运动控制系统的简化运动

2、方程式第5页/共138页转矩控制是运动控制的根本问题磁链控制同样重要第6页/共138页生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩TL是一个必然存在的不可控扰动输入。第7页/共138页恒转矩负载a）位能性恒转矩负载 b)反抗性恒转矩负载第8页/共138页恒功率负载第9页/共138页直流调速系统电枢回路第10页/共138页调节直流电动机转速的方法 （1）调节电枢供电电压；（2）减弱励磁磁通；（3）改变电枢回路电阻。第11页/共138页nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3调压调速特性曲线第12页/共138页nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3调阻调速特性曲线第13页/

3、共138页nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3调磁调速特性曲线第14页/共138页第2章转速反馈控制的直流调速系统 第15页/共138页晶闸管整流器-电动机系统 第16页/共138页电流连续时V-M系统的机械特性 第17页/共138页晶闸管触发电路与整流装置的传递函数输入输出关系为第18页/共138页直流PWM变换器-电动机系统第19页/共138页电压和电流波形 不可逆PWM变换器-直流电动机系统第20页/共138页一般电动状态的电压、电流波形 有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统第21页/共138页图2-11 有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统的正脉

4、冲比负脉冲窄，始终为负。制动状态的电压、电流波形 第22页/共138页(d)轻载电动状态的电流波形 VT1、VD2、VT2和VD1四个管子轮流导通。第23页/共138页直流PWM调速系统（电流连续）的机械特性第24页/共138页转速控制的要求和稳态调速性能指标调速范围静差率s第25页/共138页图2-14 不同转速下的静差率特性a和b的硬度相同，特性a和b额定速降相同，特性a和b的静差率不相同。静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准第26页/共138页调速范围、静差率和额定速降之间的关系第27页/共138页转速反馈控制直流调速系统 第28页/共138页第29页/共138页转速负反馈闭环直流调

5、速系统稳态结构框图 第30页/共138页图2-21 额定励磁下直流电动机的动态结构框图(a)电压电流间的结构框图 (b)电流电动势间的结构框图 (c)直流电动机的动态结构框图第31页/共138页反馈控制规律第32页/共138页2.4 直流调速系统的数字控制第33页/共138页数字测速方法的精度指标当被测转速由n1变为n2时，引起记数值增量为1，则该测速方法的分辨率是转速实际值和测量值之差与实际值之比定义为测速误差率第34页/共138页M法测速记取一个采样周期内旋转编码器发出的脉冲个数来算出转速的方法称为M法测速，又称频率法测速。(2-77)第35页/共138页M法测速分辨率为 （2-78）M法

6、测速的分辨率与实际转速的大小无关。M法的测速误差率的最大值为 （2-79）max与M1成反比。转速愈低，M1愈小，误差率愈大。第36页/共138页T法测速T法测速是测出旋转编码器两个输出脉冲之间的间隔时间来计算转速，又被称为周期法测速。准确的测速时间是用所得的高频时钟脉冲个数M2计算出来的，即 ，电动机转速为 （2-80）第37页/共138页T法测速的分辨率定义为时钟脉冲个数由M2变成(M2-1)时转速的变化量，（2-81）综合式（2-80）和式（2-81），可得 (2-82)T法测速的分辨率与转速高低有关，转速越低，Q值越小，分辨能力越强。第38页/共138页M/T法测速在M法测速中，随着电

7、动机的转速的降低，计数值减少，测速装置的分辨能力变差，测速误差增大。T法测速正好相反，随着电动机转速的增加，计数值减小，测速装置的分辨能力越来越差。综合这两种测速方法的特点，产生了M/T测速法，它无论在高速还是在低速时都具有较高的分辨能力和检测精度。第39页/共138页在高速段，与M法测速的分辨率完全相同。在低速段，M11，M2随转速变化，分辨率与T法测速完全相同。M/T法测速无论是在高速还是在低速都有较强的分辨能力。第40页/共138页2.5.2带电流截止负反馈环节的 直流调速系统图2-38电流截止负反馈环节（a）利用独立直流电源作比较电压（b）利用稳压管产生比较电压第41页/共138页图2

8、-40 带电流截止负反馈的闭环直流调速系统稳态结构框图第42页/共138页图2-41带电流截止负反馈比例控制闭环直流调速系统的静特性CA段:电流负反馈被截止 AB段:电流负反馈起作用第43页/共138页第3章 转速、电流反馈控制的直流调速系统 第44页/共138页起动电流呈矩形波，转速按线性增长。这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动（制动）过程。图3-1 时间最优的理想过渡过程第45页/共138页图3-3 双闭环直流调速系统的稳态结构图转速反馈系数 电流反馈系数第46页/共138页AB段是两个调节器都不饱和时的静特性，IdIdm,n=n0。BC段是ASR调节器饱和时的静特

9、性，Id=Idm,nn0。图3-4 双闭环直流调速系统的静特性第47页/共138页根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数：转速反馈系数 (3-6)电流反馈系数 (3-7)两个给定电压的最大值U*nm和U*im由设计者选定。第48页/共138页3.2 转速、电流反馈控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析3.2.1 转速、电流反馈控制直流调速系统的动态数学模型图3-5 双闭环直流调速系统的动态结构图第49页/共138页图3-6 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形电流Id从零增长到Idm，然后在一段时间内维持其值等于Idm不变，以后又下降并经调节后到达稳态值IdL。第50页/共138

10、页双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：（1）饱和非线性控制（2）转速超调（3）准时间最优控制 第51页/共138页3.3 转速、电流反馈控制直流调速系统的设计3.3.1 控制系统的动态性能指标在控制系统中设置调节器是为了改善系统的静、动态性能。控制系统的动态性能指标包括对给定输入信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的抗扰性能指标。第52页/共138页图3-8 典型的阶跃响应过程和跟随性能指标上升时间 峰值时间 调节时间 超调量 第53页/共138页图3-9 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标动态降落 恢复时间 第54页/共138页调节器的工程设计方法 常把型和型系统作为系统设计的目标。第5

11、5页/共138页K值越大，截止频率c 也越大，系统响应越快，相角稳定裕度 越小，快速性与稳定性之间存在矛盾。在选择参数 K 时，须在快速性与稳定性之间取折衷。第56页/共138页参数关系KT0.250.39 0.50.69 1.0阻尼比超调量 上升时间 tr峰值时间 tp 相角稳定裕度 截止频率c 1.0 0%76.30.243/T 0.8 1.5%6.6T8.3T69.90.367/T 0.707 4.3%4.7T6.2T 65.50.455/T 0.6 9.5%3.3T4.7T59.2 0.596/T 0.5 16.3%2.4T3.2T 51.8 0.786/T表3-1 典型型系统动态跟随

12、性能指标和频域指标与参数的关系第57页/共138页 定义中频宽：(3-23)中频宽表示了斜率为20dB/sec的中频的宽度，是一个与性能指标紧密相关的参数。第58页/共138页采用“振荡指标法”中的闭环幅频特性峰值最小准则，可以找到和两个参数之间的一种最佳配合。(3-25)(3-26)在确定了h之后，可求得 (3-29)(3-30)“振荡指标法”中的闭环幅频特性峰值最小准则：对于一定的h值，只有一个确定的c(或K)，可得到最小的闭环幅频特性峰值Mrmin第59页/共138页 h 3 4 56 7 8 9 10 tr/Tts/T k 52.6%2.412.15 3 43.6%2.65 11.65

13、 237.6%2.85 9.55 2 33.2%3.0 10.45 129.8%3.1 11.30 127.2%3.2 12.25 125.0%3.3 13.25 1 23.3%3.35 14.20 1表3-4 典型型系统阶跃输入跟随性能指标(按Mrmin准则确定参数关系)以h=5的动态跟随性能比较适中。第60页/共138页（控制结构和扰动作用点如图3-15所示，参数关系符合 准则）h 3 4 56 7 8 9 10 Cmax/Cbtm/T tv/T 72.2%2.4513.60 77.5%2.70 10.4581.2%2.85 8.80 84.0%3.00 12.9586.3%3.15 16

14、.8588.1%3.25 19.8089.6%3.30 22.80 90.8%3.40 25.85表3-5 典型型系统动态抗扰性能指标与参数的关系Cb=2FK2T第61页/共138页控制对象的工程近似处理方法高频段小惯性环节的近似处理高阶系统的降阶近似处理低频段大惯性环节的近似处理第62页/共138页3.3.3按工程设计方法设计转速、电流反馈控制直流调速系统的调节器用工程设计方法来设计转速、电流反馈控制直流调速系统的原则是先内环后外环。先从电流环（内环）开始，对其进行必要的变换和近似处理，然后根据电流环的控制要求确定把它校正典型I型系统，再按照控制对象确定电流调节器的类型，按动态性能指标要求确

15、定电流调节器的参数。电流环设计完成后，把电流环等效成转速环（外环）中的一个环节，再用同样的方法设计转速环为典型II型系统。第63页/共138页（3）内、外环开环对数幅频特性的比较外环的响应比内环慢，这是按上述工程设计方法设计多环控制系统的特点。图3-26 双闭环调速系统内环和外环的开环对数幅频特性I电流内环 n转速外环第64页/共138页第5章基于稳态模型的异步电动机调速系统 第65页/共138页异步电动机稳态等效电路图5-1 异步电动机T型等效电路假定条件：忽略空间和时间谐波，忽略磁饱和，忽略铁损第66页/共138页异步电动机稳态等效电路l简化等效电路的相电流幅值第67页/共138页异步电动

16、机的机械特性l异步电动机传递的电磁功率 l机械同步角速度 第68页/共138页异步电动机的机械特性l异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式）第69页/共138页异步电动机的机械特性对s求导，并令 l临界转差率：对应最大转矩的转差率第70页/共138页异步电动机的机械特性对s求导，并令 l最大转矩，又称临界转矩 第71页/共138页不同控制方式下的机械特性 a）恒压频比控制b）恒定子磁通控制c）恒气隙磁通控制d）恒转子磁通控制第72页/共138页 5.4 电力电子变压变频器第73页/共138页脉冲宽度调制技术l现代变频器中用得最多的控制技术是脉冲宽度调制（Pulse Width Modulatio

17、n），简称PWM。l基本思想是控制逆变器中电力电子器件的开通或关断，输出电压为幅值相等、宽度按一定规律变化的脉冲序列，用这样的高频脉冲序列代替期望的输出电压。第74页/共138页5.4.2正弦波脉宽调制技术l以频率与期望的输出电压波相同的正弦波作为调制波，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波。l由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲序列，这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse Width Modulation，简 称SPWM）。第75页/共138页5.4.2 正弦波脉宽调制技术图5-17 三相PWM逆变器双极性SPWM

18、波形a)三相正弦调制波与双极性三角载波b）、c）、d）三相电压e）输出线电压f）电动机相电压第76页/共138页5.4.4 电流跟踪PWM控制技术图5-19 电流滞环跟踪控制的A相原理图第77页/共138页5.4.5 电压空间矢量PWM（SVPWM）控制技术l把逆变器和交流电动机视为一体，以圆形旋转磁场为目标来控制逆变器的工作，这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实 现 的，所 以 又 称“电 压 空 间 矢 量PWM（SVPWM，Space Vector PWM）控制”。第78页/共138页空间矢量的定义l交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物理量都

19、是随时间变化的，如果考虑到它们所在绕组的空间位置，可以定义为空间矢量。l 定义三相定子电压空间矢量 k为待定系数 第79页/共138页空间矢量的合成l三相合成矢量图5-21 电压空间矢量的合成矢量 第80页/共138页电压与磁链空间矢量的关系 图5-22 旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹图5-23 电压矢量圆轨迹第81页/共138页 第82页/共138页8个基本空间矢量l2个零矢量l6个有效工作矢量幅值为 空间互差 第83页/共138页基本电压空间矢量图图5-24 基本电压空间矢量图第84页/共138页正六边形空间旋转磁场 l6个有效工作矢量完成一个周期，输出基波电压角频率 l6个有效工作矢量

20、每个有效工作矢量作用 顺序分别作用t时间，并使 第85页/共138页正六边形空间旋转磁场 图5-26 正六边形定子磁链轨迹l在一个周期内，6个有效工作矢量顺序作用一次，定子磁链矢量是一个封闭的正六边形。第86页/共138页正六边形空间旋转磁场 l正六边形定子磁链的大小与直流侧电压成正比，而与电源角频率成反比。第87页/共138页正六边形空间旋转磁场 l在基频以下调速时，应保持正六边形定子磁链的最大值恒定。l若直流侧电压恒定，则1越小时，t越大，势必导致 增大。第88页/共138页正六边形空间旋转磁场 l要保持正六边形定子磁链不变，必须使 l在变频的同时必须调节直流电压，造成了控制的复杂性。第8

21、9页/共138页正六边形空间旋转磁场 l有效的方法是插入零矢量l当零矢量作用时，定子磁链矢量的增量表明定子磁链矢量停留不动。第90页/共138页正六边形空间旋转磁场 l有效工作矢量作用时间当 l零矢量作用时间l定子磁链矢量的增量为第91页/共138页正六边形空间旋转磁场 l在时间t1段内，定子磁链矢量轨迹沿着有效工作电压矢量方向运行。l在时间t0段内，零矢量起作用，定子磁链矢量轨迹停留在原地，等待下一个有效工作矢量的到来。l正六边形定子磁链的最大值第92页/共138页正六边形空间旋转磁场 l在直流电压不变的条件下，要保持l输出频率越低，t越大，零矢量作用时间t0也越大，定子磁链矢量轨迹停留的时

22、间越长。l由此可知，零矢量的插入有效地解决了定子磁链矢量幅值与旋转速度的矛盾。恒定，只要使t1为常数即可。第93页/共138页期望电压空间矢量的合成 l在一个开关周期 T0图5-28 期望输出电压矢量的合成的作用时间 的作用时间 l合成电压矢量第94页/共138页SVPWM的实现 l通常以开关损耗和谐波分量都较小为原则，来安排基本矢量和零矢量的作用顺序，一般在减少开关次数的同时，尽量使PWM输出波型对称，以减少谐波分量。第95页/共138页零矢量集中的实现方法 l按照对称原则，将两个基本电压矢量的作用时间平分为二后，安放在开关周期的首端和末端。l零矢量的作用时间放在开关周期的中间，并按开关次数

23、最少的原则选择零矢量。l在一个开关周期内，有一相的状态保持不变，从一个矢量切换到另一个矢量时，只有一相状态发生变化，因而开关次数少，开关损耗小。第96页/共138页零矢量集中的实现方法 图5-29 零矢量集中的SVPWM实现第97页/共138页零矢量分散的实现方法 图5-30 零矢量分布的SVPWM实现第98页/共138页7步完成的定子磁链 图5-32定子磁链矢量的运动的7步轨迹第99页/共138页SVPWM控制的定子磁链 图5-34 定子旋转磁链矢量轨迹l定子磁链矢量轨迹 第100页/共138页SVPWM控制的定子磁链 l实际的定子磁链矢量轨迹在期望的磁链圆周围波动。N越大，磁链轨迹越接近于

24、圆，但开关频率随之增大。l由于N是有限的，所以磁链轨迹只能接近于圆，而不可能等于圆。第101页/共138页第6章基于动态模型的异步电动机调速系统 第102页/共138页6.2 异步电动机的三相数学模型图6-1 三相异步电动机的物理模型l定子三相绕组轴线A、B、C在空间是固定的。l转子绕组轴线a、b、c随转子旋转。第103页/共138页异步电动机三相原始模型的非独立性l异步电动机三相绕组为Y无中线连接，若为连接，可等效为Y连接。l可以证明：异步电动机三相数学模型中存在一定的约束条件第104页/共138页异步电动机三相原始模型的非独立性l三相变量中只有两相是独立的，因此三相原始数学模型并不是物理对

25、象最简洁的描述。l完全可以而且也有必要用两相模型代替。第105页/共138页6.3.1 坐标变换的基本思路l两极直流电动机的物理模型，F为励磁绕组，A为电枢绕组，C为补偿绕组。F和C都在定子上，A在转子上。图6-2 二极直流电动机的物理模型F励磁绕组 A电枢绕组 C补偿绕组第106页/共138页6.3.1 坐标变换的基本思路l三相变量中只有两相为独立变量，完全可以也应该消去一相。l所以，三相绕组可以用相互独立的两相正交对称绕组等效代替，等效的原则是产生的磁动势相等。第107页/共138页6.3.1 坐标变换的基本思路图6-3 三相坐标系和两相坐标系物理模型 第108页/共138页6.3.1 坐

26、标变换的基本思路图6-4 静止两相正交坐标系和旋转正交坐标系的物理模型第109页/共138页6.4.2 旋转正交坐标系中的动态数学模型图6-8 定子、转子 坐标系到旋转正交坐标系的变换a）定子、转子坐标系 b）旋转正交坐标系第110页/共138页6.6.1按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系状态方程图6-17 静止正交坐标系与按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系旋转正交dq坐标系的一个特例是与转子磁链旋转矢量同步旋转的坐标系。令d轴与转子磁链矢量重合，称作按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系，简称mt坐标系。第111页/共138页6.6.1按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系状态方程lm轴与转子磁链矢

27、量重合l为了保证m轴与转子磁链矢量始终重合，还必须使 第112页/共138页6.6.1按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系状态方程lmt坐标系中的电磁转矩表达式 l定子电流励磁分量 l定子电流转矩分量 第113页/共138页6.6.2按转子磁链定向矢量控制的基本思想l按转子磁链定向仅仅实现了定子电流两个分量的解耦，电流的微分方程中仍存在非线性和交叉耦合。l采用电流闭环控制，可有效抑制这一现象，使实际电流快速跟随给定值。第114页/共138页6.6.2按转子磁链定向矢量控制的基本思想图6-19 异步电动机矢量变换及等效直流电动机模型第115页/共138页6.6.2按转子磁链定向矢量控制的基本思想图

28、6-20 矢量控制系统原理结构图第116页/共138页6.6.2按转子磁链定向矢量控制的基本思想图6-21 简化后的等效直流调速系统第117页/共138页6.6.2按转子磁链定向矢量控制的基本思想l矢量控制系统就相当于直流调速系统。l矢量控制交流变压变频调速系统在静、动态性能上可以与直流调速系统媲美。第118页/共138页6.6.3按转子磁链定向矢量控制系统的电流闭环控制方式 图6-22 电流闭环控制后的系统结构图l转子磁链环节为稳定的惯性环节，可以采用闭环控制，也可以采用开环控制方式；而转速通道存在积分环节，必须加转速外环使之稳定。第119页/共138页电流闭环控制图6-23 三相电流闭环控

29、制的矢量控制系统结构图第120页/共138页电流闭环控制图6-24 定子电流励磁分量和转矩分量闭环控制的矢量控制系统结构图第121页/共138页6.6.5 转子磁链计算l转子磁链的直接检测比较困难，多采用按模型计算的方法。l利用容易测得的电压、电流或转速等信号，借助于转子磁链模型，实时计算磁链的幅值与空间位置。l在计算模型中，由于主要实测信号的不同，又分为电流模型和电压模型两种。第122页/共138页计算转子磁链的电流模型 l根据描述磁链与电流关系的磁链方程来计算转子磁链，所得出的模型叫做电流模型。l在坐标系上计算转子磁链的电流模型 第123页/共138页计算转子磁链的电流模型图6-29 在坐

30、标系计算转子磁链的电流模型第124页/共138页计算转子磁链的电流模型 l在mt坐标系上计算转子磁链的电流模型 第125页/共138页计算转子磁链的电流模型图6-30 在mt坐标系计算转子磁链的电流模型第126页/共138页计算转子磁链的电流模型 l上述两种计算转子磁链的电流模型都需要实测的电流和转速信号，不论转速高低时都能适用。l受电动机参数变化的影响。电动机温升和频率变化都会影响转子电阻，磁饱和程度将影响电感。l这些影响都将导致磁链幅值与位置信号失真，而反馈信号的失真必然使磁链闭环控制系统的性能降低，这是电流模型的不足之处。第127页/共138页计算转子磁链的电压模型 l根据电压方程中感应

31、电动势等于磁链变化率的关系，取电动势的积分就可以得到磁链。l在坐标系上计算转子磁链的电压模型 第128页/共138页计算转子磁链的电压模型图6-31 计算转子磁链的电压模型第129页/共138页计算转子磁链的电压模型 l电压模型包含纯积分项，积分的初始值和累积误差都影响计算结果，在低速时，定子电阻压降变化的影响也较大。l电压模型更适合于中、高速范围，而电流模型能适应低速。有时为了提高准确度，把两种模型结合起来。第130页/共138页6.7异步电动机按定子磁链控制的直接转矩控制系统l直接转矩控制系统的基本思想是根据定子磁链幅值偏差的正负符号和电磁转矩偏差的正负符号，再依据当前定子磁链矢量所在的位

32、置，直接选取合适的电压空间矢量，减小定子磁链幅值的偏差和电磁转矩的偏差，实现电磁转矩与定子磁链的控制。第131页/共138页6.7.1定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用l转差频率 l将旋转坐标系dq按定子磁链定向，把电压矢量沿dq轴分解。l d轴分量决定了定子磁链幅值的增减。l 第132页/共138页6.7.1定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用lq轴分量决定定子磁链矢量的旋转角速度，从而决定转差频率和电磁转矩。第133页/共138页6.7.1定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用为“+”时，定子磁链幅值加大；为“-”时，定子磁链幅值减小；为“0”时，定子磁链幅值维持不变。l d轴分量usd第134页/共138页6.7.1定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用为“+”时，定子磁链矢量正向旋转，转差频率增大，电流转矩分量和电磁转矩加大；为“-”时，定子磁链矢量反向旋转，电流转矩分量急剧变负，产生制动转矩；为“0”时，定子磁链矢量停在原地，转差频率为负，电流转矩分量和电磁转矩减小。l q轴分量第135页/共138页6.7.2基于定子磁链控制的直接转矩控制系统图6-40 直接转矩控制系统原理结构图第136页/共138页6.7.2基于定子磁链控制的直接转矩控制系统第137页/共138页感谢您的观看！第138页/共138页