运动控制系统讲稿.ppt

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1、关于运动控制系统第一页，讲稿共七十四页哦本节提要本节提要v转速控制的要求和调速指标转速控制的要求和调速指标v开环调速系统及其存在的问题开环调速系统及其存在的问题v闭环调速系统的组成及其静特性闭环调速系统的组成及其静特性v开环系统特性和闭环系统特性的关系开环系统特性和闭环系统特性的关系v反馈控制规律反馈控制规律v限流保护限流保护电流截止负反馈电流截止负反馈第二页，讲稿共七十四页哦1.4.1 1.4.1 转速控制的要求和调速指标转速控制的要求和调速指标 任何一台需要控制转速的设备，其生产任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。工艺对调速性能都有一定的要求。归纳起来，对于调速

2、系统的转速控制要归纳起来，对于调速系统的转速控制要求有以下三个方面：求有以下三个方面：第三页，讲稿共七十四页哦1.控制要求控制要求（1）调速）调速在一定的最高转速和最低转速范围内，在一定的最高转速和最低转速范围内，分挡地（有级）或分挡地（有级）或 平滑地（无级）调节转速；平滑地（无级）调节转速；（2）稳速）稳速以一定的精度在所需转速上稳定运行，以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；品质量；（3）加、减速）加、减速频繁起、制动的设备要求加、减频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈

3、速度变化速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起，制动尽量平稳。的机械则要求起，制动尽量平稳。第四页，讲稿共七十四页哦2.调速指标调速指标v调速范围：调速范围：生生产产机机械械要要求求电电动动机机提提供供的的最最高高转转速速和和最最低低转速之比叫做调速范围，用字母转速之比叫做调速范围，用字母 D 表示，即表示，即（1-31）其其中中nmin 和和nmax 一一般般都都指指电电机机额额定定负负载载时时的的转转速速，对对于于少少数数负负载载很很轻轻的的机机械械，例例如如精精密密磨磨床床，也也可可用用实实际际负负载载时的转速。时的转速。第五页，讲稿共七十四页哦 v静静差差率率：当当

4、系系统统在在某某一一转转速速下下运运行行时时，负负载载由由理理想想空空载载增增加加到到额额定定值值时时所所对对应应的的转转速速降降落落 nN，与与理理想想空空载载转速转速 n0 之比，称作静差率之比，称作静差率 s，即，即或用百分数表示或用百分数表示（1-32）（1-33）式中式中 nN=n0-nN 第六页，讲稿共七十四页哦0TeNTen0an0bab nNa nNb nO图图1-23 不同转速下的静差率不同转速下的静差率3.静差率与机械特性硬度的区别静差率与机械特性硬度的区别 然而静差率和机然而静差率和机械特性硬度又是有区械特性硬度又是有区别的。一般调压调速别的。一般调压调速系统在不同转速下

5、的系统在不同转速下的机械特性是互相平行机械特性是互相平行的的。对于同样硬度。对于同样硬度的特性，理想空载转的特性，理想空载转速越低时，静差率越速越低时，静差率越大，转速的相对稳定大，转速的相对稳定度也就越差。度也就越差。第七页，讲稿共七十四页哦例如：在例如：在1000r/min时降落时降落10r/min，只占，只占1%；在；在100r/min时同样降落时同样降落10r/min，就占，就占10%；如果在只有如果在只有10r/min时，再降落时，再降落10r/min，就占，就占100%，这时电，这时电动机已经停止转动，转速全部降落完了。动机已经停止转动，转速全部降落完了。因此，调速范围和静差率这两

6、项指标并不是彼因此，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。调速系统的静差此孤立的，必须同时提才有意义。调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。率指标应以最低速时所能达到的数值为准。静差率与机械特性硬度的区别（续）静差率与机械特性硬度的区别（续）第八页，讲稿共七十四页哦4.调速范围、静差率和额定速降之间的关系调速范围、静差率和额定速降之间的关系 设：电机额定转速设：电机额定转速nN为最高转速，转速降落为为最高转速，转速降落为 nN，则按则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该是最低速照上面分析的结果，该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即时的静差率，即于是

7、，最低转速为于是，最低转速为 第九页，讲稿共七十四页哦而调速范围为而调速范围为 将上面的式代入将上面的式代入 nmin，得，得（1-34）第十页，讲稿共七十四页哦 式式（1-34）表表示示调调压压调调速速系系统统的的调调速速范范围围、静静差差率率和和额额定定速速降降之之间间所所应应满满足足的的关关系系。对对于于同同一一个个调调速速系系统统，nN 值值一一定定，由由式式（1-34）可可见见，如如果果对对静静差差率率要要求求越越严严，即即要要求求 s 值值越越小小时时，系系统统能能够够允允许许的的调速范围也越小。调速范围也越小。第十一页，讲稿共七十四页哦vv结论1：一个调速系统的调速范围，是指在最

8、低一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。速时还能满足所需静差率的转速可调范围。第十二页，讲稿共七十四页哦v例例题题1-1 某某直直流流调调速速系系统统电电动动机机额额定定转转速速为为，额额定定速速降降 nN=115r/min，当当要要求求静静差差率率30%时时，允允许许多多大大的的调调速速范范围围？如如果果要要求求静静差差率率20%，则则调调速速范范围围是是多多少少？如如果果希希望望调调速速范范围围达达到到10，所所能能满满足的静差率是多少？足的静差率是多少？第十三页，讲稿共七十四页哦解解 要求要求30%时，调速范围为时，调速范围为 若要求若要求20%，则调速

9、范围只有，则调速范围只有若调速范围达到若调速范围达到10，则静差率只能是，则静差率只能是第十四页，讲稿共七十四页哦1.4.2 开环调速系统及其存在的问题开环调速系统及其存在的问题 若可逆直流脉宽调速系统是开环调速若可逆直流脉宽调速系统是开环调速系统，调节控制电压就可以改变电动机的系统，调节控制电压就可以改变电动机的转速。如果负载的生产工艺对运行时的静转速。如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统都能差率要求不高，这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速，可以找到一实现一定范围内的无级调速，可以找到一些用途。些用途。但是，许多需要调速的生产机械常常但是，许多需要调速的

10、生产机械常常对静差率有一定的要求。在这些情况下，对静差率有一定的要求。在这些情况下，开环调速系统往往不能满足要求开环调速系统往往不能满足要求。第十五页，讲稿共七十四页哦v例例题题1-2 某某龙龙门门刨刨床床工工作作台台拖拖动动采采用用直直流流电电动动机机，其其额额定定数数据据如如下下：60kW、220V、305A、1000r/min，采采用用V-M系系统统，主主电电路路总总电电阻阻，电电动动机机电电动动势势系系数数。如如果果要要求求调调速速范范围围 D=20，静静差差率率5%，采采用用开开环环调调速速能能否否满满足足？若若要要满满足足这这个个要要求求，系系统统的的额额定速降最多能有多少？定速降

11、最多能有多少？第十六页，讲稿共七十四页哦解解 当电流连续时，当电流连续时，V-MV-M系统的额定速降为系统的额定速降为开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率为开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率为 这这已已大大大大超超过过了了5%5%的的要要求求，更更不不必必谈谈调调到到最最低低速了。速了。第十七页，讲稿共七十四页哦 如果要求如果要求D=20，s 5%，则由式（，则由式（1-29）可知）可知 由由上上例例可可以以看看出出，开开环环调调速速系系统统的的额额定定速速降降是是275 r/min，而而生产工艺的要求却只有生产工艺的要求却只有2.63r/min，相差几乎百倍！，相差几乎百倍！由

12、由此此可可见见，开开环环调调速速已已不不能能满满足足要要求求，需需采采用用反反馈馈控控制制的的闭环调速系统来解决这个问题。闭环调速系统来解决这个问题。第十八页，讲稿共七十四页哦1.4.3 闭环调速系统的组成及其静特性闭环调速系统的组成及其静特性 根据自动控制原理，反馈控制的闭环根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。正偏差的作用。调速系统的转速降落正是由负载引起调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调的转速偏差，显然，

13、引入转速闭环将使调速系统应该能够大大减少转速降落。速系统应该能够大大减少转速降落。第十九页，讲稿共七十四页哦n 系统组成系统组成图图1-24 采用转速负反馈的闭环调速系统采用转速负反馈的闭环调速系统+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+-+UnUn U*nUcUPE+-MTGIdUnUdUcUnntg第二十页，讲稿共七十四页哦n 调节原理调节原理 在反馈控制的闭环直流调速系统中，在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机与电动机同轴安装一台测速发电机 TG，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压压Un，与给定电压，与给定电压 U*

14、n 相比较后，得到转相比较后，得到转速偏差电压速偏差电压 Un，经过放大器，经过放大器 A，产生电，产生电力电子变换器力电子变换器UPE的控制电压的控制电压Uc，用以控，用以控制电动机转速制电动机转速 n。第二十一页，讲稿共七十四页哦n UPE的组成的组成 图中，图中，UPE是由电力电子器件组成的是由电力电子器件组成的变换器，其输入接三组（或单相）交流电变换器，其输入接三组（或单相）交流电源，输出为可控的直流电压，控制电压为源，输出为可控的直流电压，控制电压为Uc。UcUd0uACDCUd0Uc第二十二页，讲稿共七十四页哦n UPE的组成（续）的组成（续）目前，目前，组成组成UPE的电力电子器

15、件有的电力电子器件有如下几种选择方案：如下几种选择方案：v对于中、小容量系统，多采用由对于中、小容量系统，多采用由IGBT或或P-MOSFET组成的组成的PWM变换器；变换器；v对于较大容量的系统，可采用其他电力对于较大容量的系统，可采用其他电力电子开关器件，如电子开关器件，如GTO、IGCT等；等；v对于特大容量的系统，则常用晶闸管触对于特大容量的系统，则常用晶闸管触发与整流装置。发与整流装置。第二十三页，讲稿共七十四页哦n 稳态分析条件稳态分析条件 下下面面分分析析闭闭环环调调速速系系统统的的稳稳态态特特性性，以以确确定定它它如如何何能能够够减减少少转转速速降降落落。为为了了突突出主要矛盾

16、，先作如下的假定：出主要矛盾，先作如下的假定：（1）忽忽略略各各种种非非线线性性因因素素，假假定定系系统统中中各各环环节节的的输输入入输输出出关关系系都都是是线线性性的的，或或者者只只取取其线性工作段；其线性工作段；（2）忽略控制电源和电位器的内阻。）忽略控制电源和电位器的内阻。第二十四页，讲稿共七十四页哦转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下：转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下：电压比较环节电压比较环节 放大器放大器 电力电子变换器电力电子变换器 调速系统开环机械特性调速系统开环机械特性 测速反馈环节测速反馈环节 n 稳态关系稳态关系第二十五页，讲稿共七十四页哦n 稳态关系（

17、续）稳态关系（续）以上各关系式中以上各关系式中 放大器的电压放大系数；放大器的电压放大系数；电力电子变换器的电压放大系数；电力电子变换器的电压放大系数；转速反馈系数，（转速反馈系数，（Vmin/r）；）；UPE的理想空载输出电压；的理想空载输出电压；电枢回路总电阻电枢回路总电阻。KpKsRUd0第二十六页，讲稿共七十四页哦 从上述五个关系式中消去中间变量，从上述五个关系式中消去中间变量，整理后，即得转速负反馈闭环直流调速系整理后，即得转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式统的静特性方程式（1-35）n 静特性方程静特性方程第二十七页，讲稿共七十四页哦n 静特性方程（续静特性方程（续）式中式中

18、 闭环系统的开环放大系数闭环系统的开环放大系数K为为 它相当于在测速反馈电位器输出端把反馈回路断开后，它相当于在测速反馈电位器输出端把反馈回路断开后，从放大器输入起直到测速反馈输出为止总的电压放大系数，从放大器输入起直到测速反馈输出为止总的电压放大系数，是各环节单独的放大系数的乘积。是各环节单独的放大系数的乘积。电动机环节放大系数为电动机环节放大系数为第二十八页，讲稿共七十四页哦vv注意：注意：闭闭环环调调速速系系统统的的静静特特性性表表示示闭闭环环系系统统电电动动机机转转速速与与负负载载电电流流（或或转转矩矩）间间的的稳稳态态关关系系，它它在在形形式式上上与与开开环环机机械械特特性性相相似似

19、，但但本本质质上上却却有有很很大大不不同同，故故定定名名为为“静静特特性性”，以以示示区别。区别。第二十九页，讲稿共七十四页哦KpKs 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+-IdR-UnKsn 闭环系统的稳态结构框图闭环系统的稳态结构框图图图1-25 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图第三十页，讲稿共七十四页哦 图中各方块内的符号代表该环节的放图中各方块内的符号代表该环节的放大系数。运用结构图运算法同样可以推出大系数。运用结构图运算法同样可以推出式（式（1-35）所表示的静特性方程式，方法）所表示的静特性方程式，方法如下：将给定量和扰动量看成两个独立的如

20、下：将给定量和扰动量看成两个独立的输入量，先按它们分别作用下的系统求出输入量，先按它们分别作用下的系统求出各自的输出与输入关系式各自的输出与输入关系式第三十一页，讲稿共七十四页哦b）只考虑给定作用时的闭环系统）只考虑给定作用时的闭环系统c）只考虑扰动作用时的闭环系统）只考虑扰动作用时的闭环系统U*nKpKs 1/CeUcUn n Ud0Un+-+KpKs 1/Ce-IdR nUd0+-E第三十二页，讲稿共七十四页哦 由于已认为系统是线性的，可以把二者由于已认为系统是线性的，可以把二者叠加起来，即得系统的静特性方程式叠加起来，即得系统的静特性方程式（1-35）第三十三页，讲稿共七十四页哦1.4.

21、4 开环系统机械特性和闭环系统静特性开环系统机械特性和闭环系统静特性 的关系的关系 比较一下开环系统的机械特性和闭环系统的静特比较一下开环系统的机械特性和闭环系统的静特性，就能清楚地看出反馈闭环控制的优越性。如果性，就能清楚地看出反馈闭环控制的优越性。如果断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性为断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性为(1-36)而闭环时的静特性可写成而闭环时的静特性可写成(1-37)第三十四页，讲稿共七十四页哦比较式（比较式（1-36）和式（）和式（1-37）不难得出以下的论断：）不难得出以下的论断：（1 1）闭环系统静性可以比开环系统机械特性硬）闭环系统静性可以比开环系统机

22、械特性硬得多。得多。在同样的负载扰动下，两者的转速降落分别为在同样的负载扰动下，两者的转速降落分别为 和和它们的关系是它们的关系是(1-38)n 系统特性比较系统特性比较第三十五页，讲稿共七十四页哦n 系统特性比较（续）系统特性比较（续）（2 2）如果比较同一的开环和闭环系统，则闭）如果比较同一的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要小得多。环系统的静差率要小得多。闭环系统和开环系统的静差率分别为闭环系统和开环系统的静差率分别为 和和 当当 n0op=n0cl 时，时，（1-39）第三十六页，讲稿共七十四页哦（3 3）当要求的静差率一定时，闭环系统可以）当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高

23、调速范围。大大提高调速范围。如如果果电电动动机机的的最最高高转转速速都都是是nmax；而而对对最最低低速速静静差差率率的要求相同，那么：的要求相同，那么：开环时，开环时，闭环时，闭环时，再考虑式（再考虑式（1-38），得），得(1-40)n 系统特性比较（续）系统特性比较（续）第三十七页，讲稿共七十四页哦n 系统特性比较（续）系统特性比较（续）（4 4）要取得上述三项优势，闭环系统必须设）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。置放大器。上述三项优点若要有效，都取决于一点，上述三项优点若要有效，都取决于一点，即即 K 要足够大，因此必须设置放大器。要足够大，因此必须设置放大器。第三十八页，

24、讲稿共七十四页哦 把以上四点概括起来，可得下述结论把以上四点概括起来，可得下述结论：结论结论2 2：闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。增设电压放大器以及检测与反馈装置。第三十九页，讲稿共七十四页哦v例题例题1-3 在例题在例题1-2中，龙门刨床要求中，龙门刨床要求 D=20，s R，因此，因此（1-44）第七十二页，讲稿共七十四页哦4.电流截止负反馈环节参数设计电流截止负反馈环节参数设计vIdbl应小于电机允许的最大电流，一般取应小于电机允许的最大电流，一般取 Idbl=（1.52）INv从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范围足够大，截止电流应大于电机的额行范围足够大，截止电流应大于电机的额定电流，一般取定电流，一般取 Idcr（1.11.2）IN第七十三页，讲稿共七十四页哦感感谢谢大大家家观观看看第七十四页，讲稿共七十四页哦