《運動控制系統(tǒng)》知識要點

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1、運動控制系統(tǒng)知識要點PH.D戴衛(wèi)力CH1閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 直流調(diào)速公式的推想11 =匕二當Ce = KeKe 調(diào)節(jié)電樞電壓U： 弱磁（只能弱，升磁會導致磁飽和）； 改變電樞回路電阻R屬無級調(diào)速的為和：有級調(diào)速的為：調(diào)速范圉小的 因此，采用的最多的是。1.1加在直流電機電樞繞組上的直流電源類型：旋轉(zhuǎn)變流機組、靜止式可控整流器、PWM控制變換器抑制電流脈動的措施：1）增加整流電路相數(shù)，或采用多重化技術。2）設置平波電抗器。VM系統(tǒng)電流工作在斷續(xù)時，有兩個顯著的特點：一是機械特性變軟；二是理 想空載轉(zhuǎn)速高。不可逆PWM變換器中，加在電機兩端的端電壓是橋式可逆PWM變換器的輸出平均電壓為（2D-

2、l）Us （D=ton/T） 調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標：調(diào)速范圉D:電動機提供的最高轉(zhuǎn)速max和最低轉(zhuǎn)速Ihmn之比；D = Umax / l】min注意的是：這里的最高和最低轉(zhuǎn)速是指電動機額肚負載時的最高和最低轉(zhuǎn)速。 靜差率S：負載由理想空載增加到額定值時所對應的轉(zhuǎn)速降落Ahn，與理想空載轉(zhuǎn)速no之比;s = Aiin /no機械特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性就越高。一般以電動機的額左轉(zhuǎn)速I】N作為最高轉(zhuǎn)速。為什么說只要當調(diào)速范圍和靜差率同時提才有意義？并且靜差率指標應以最 低速時所能達到的數(shù)值為準。直流變壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圉、靜差率和額宦速降Z間的關系：運動控制系統(tǒng)知識箜點 第1頁（共7

3、頁）D= nNSAon (1- s)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動機轉(zhuǎn)速與負載電流間的穩(wěn)態(tài)關系。UIdR A IdRn = Aiin =CC轉(zhuǎn)速負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)知識箜點 第3頁（共7頁）AUll=Un-Un Uc = KpAUnUdo =KsUcUdO 一 IdR11=CeUn = dl則轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式_ KpKsUn-IdR _ KpKsUn Rid nCe(l + KpKsa/Ce) Ce(l + K)_Ce(l + K) 其中，K=KpKsa/Ce閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)。 穩(wěn)態(tài)結構圖開環(huán)系統(tǒng)機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關系：1) 閉環(huán)系統(tǒng)的靜特

4、性比開環(huán)系統(tǒng)的機械特性硬的多;Allcl =1 + K運動控制系統(tǒng)知識箜點 第#頁（共7頁）2) 閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要比開環(huán)系統(tǒng)小的多1 + K運動控制系統(tǒng)知識箜點 第#頁（共7頁）3) 如果所要求的靜差率一定，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。Dei (1 + K)Dop反饋控制規(guī)律：1) 只用比例放大器的反饋控制系統(tǒng)，其被調(diào)帚仍有靜差。2) 反饋控制系統(tǒng)的作用是：抵抗擾動，服從給定。反饋控制系統(tǒng)所能抑制的只是被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動。運動控制系統(tǒng)知識箜點第2頁(共7頁)運動控制系統(tǒng)知識箜點 第#頁（共7頁）3）系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測的精度。閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計算電流截止負反

5、饋造成電流很大有2種情況：1）啟動時，由于轉(zhuǎn)速很低，造成電樞電流很大2）遇到堵轉(zhuǎn)時電流負反饋的作用相當于在主電路中串入一個大電阻挖土機特性：截止電流應大于電機的額定電流，1込1（1.1-1.2）In系統(tǒng)的穩(wěn)定性判斷PI調(diào)節(jié)器的設計比例積分控制規(guī)律和無靜差調(diào)速系統(tǒng)積分控制可以使系統(tǒng)在無靜差的情況下保持恒速運行，實現(xiàn)無靜差調(diào)速。比例調(diào)疔器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀，而積分調(diào)&器的輸出則包含了 輸入偏差量的全部歷史。比例部分的作用是增強快速性。積分部分是消除穩(wěn)態(tài)誤差。電壓反饋電流補償控制的直流調(diào)速系統(tǒng)電壓反饋+電流前饋電流正反饋的作用又稱作電流補償控制只有電流正反饋的調(diào)速系統(tǒng)的臨界穩(wěn)泄條件正是其

6、靜特性的全補償條件。過補 償是不穩(wěn)定的。電流正反饋可以用來補償一部分靜差，以提高調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。但指望電 流正反饋來實現(xiàn)無靜差，因為這時系統(tǒng)已達到穩(wěn)定的邊緣。CH2閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)和帶電流截止負反饋的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)之間有什么區(qū)別？起動過程分為3個階段，分別為電流上升階段，恒流升速階段以及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階 段。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有3個特點：1）飽和非線性控制2）轉(zhuǎn)速超調(diào)3）準時間最優(yōu)控制抗負載擾動只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器來限制電網(wǎng)電壓擾動電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)都起到抗擾的作用。轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的作用：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用一一1）實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差：2）對負載變化起抗擾作用；運動控制系統(tǒng)知識

7、箜點 第5頁（共7頁）2）其輸出限幅決定電動機允許的最大電流。電流調(diào)節(jié)器的作用一一1）電流跟隨轉(zhuǎn)速環(huán)的輸出；2）對電網(wǎng)電壓的波動及時起到抗擾作用；2）在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電動機允許的最大電流，加快動態(tài)過程。3）電動機過載或堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。 調(diào)節(jié)器的工程設計方法典型I型系統(tǒng)：W(s)-人s(Ts + l)典型II型系統(tǒng)：w二Ds-(Ts + l)控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標：跟隨性能指標：上升時間，超調(diào)量與峰值時間、調(diào)卩時間抗擾性能指標：動態(tài)降落，恢復時間一般來說，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標以抗擾性能為主，而隨動系統(tǒng)的動態(tài)指標則以 跟隨性為主。一般來說，在動態(tài)性能上典

8、型系統(tǒng)可以在跟隨性上做到超調(diào)量小，但抗擾性能 較差；而典型型系統(tǒng)的超調(diào)量相對較大，抗擾性能較好。如果系統(tǒng)要求有良好的跟隨性能，可按典型I型系統(tǒng)設計；如果主要要求有良好的抗擾性能。設計計算1、明確校正后系統(tǒng)的類型2、對不滿足典型系統(tǒng)的進行典型化處理（傳遞函數(shù)的近似處理）1）高頻段小慣性環(huán)節(jié)的近似處理2）高階系統(tǒng)的降階處理3）低頻大慣性環(huán)節(jié)的處理（一般校正成典型II型系統(tǒng)才用到）W（s） = K（l）zs3、根據(jù)校正目標系統(tǒng)傳遞函數(shù)，選擇調(diào)節(jié)器結構傳函4、根據(jù)具體性能指標進行參數(shù)計算I型系統(tǒng)：西門子的最佳整定方法，二階最佳系統(tǒng)KT = 0.5或K = gII 型系統(tǒng)：中頻寬h = 5, r = l

9、iT , K = -v，21rT-中頻寬的定義h =g K = GXCOzCh3直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制（1）量化精度的定義和采樣頻率選擇最化精度爐（計算機內(nèi)部存儲值）/物理最的實際值，見書例題香濃采樣定理：采樣頻率應不小于信號最高頻率的2倍，才能使原信號不發(fā)生 明昭畸變。數(shù)字測速和濾波常見的測速裝置有直流測速發(fā)電機、旋轉(zhuǎn)編碼器、位買霍爾傳感器、光電編碼 盤等。常見的數(shù)字測數(shù)方法有3種，分別為M法、T法和M/T法。M法：在一定的測試時間內(nèi)，讀取測速裝置輸出的脈沖個數(shù)M,轉(zhuǎn)速越高，M 越大，速度測量越精確。此測速方法適合測試高速段。T法：在測速裝置輸出的相鄰脈沖的時間間隔內(nèi)，對已知頻率亦的高頻時鐘

10、脈 沖進行計數(shù)，當轉(zhuǎn)速較低時，頻率血的高頻脈沖數(shù)目增加，測量精度提高。MTT法：應保證高頻時鐘脈沖計數(shù)器與旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖計數(shù)器同時開啟與 關閉，以減小誤差。該測速方法能適用的轉(zhuǎn)速范圍明顯擴大，是目前廣泛應用的一 種測速方法。數(shù)字測速方法的精度指標（1）分辨率：在數(shù)字測速方法中，改變一個計數(shù)字所對應的轉(zhuǎn)速變化量來表 示分辨率。（2）測速誤差率：轉(zhuǎn)速實際值和測最值之差與實際值之比定義為測速誤差率。 數(shù)字濾波：（1）算術平均值濾波；（2）中值濾波；（3）中值平均濾波數(shù)字PI調(diào)節(jié)器有位置式和增量式。位置式PI調(diào)節(jié)器的結構清晰，P和I兩部 分作用分明，但計算復雜，需計算過去所有的偏差。而增最式PI調(diào)

11、節(jié)器算法只需 要當前和上一拍的偏差即可計算輸出的偏差量。為安全起見，需對調(diào)節(jié)器的輸出實 行限幅。增最式PI調(diào)節(jié)器算法只需輸出限幅，而位置式必須同時設積分限幅和輸 出限幅。Ch4可逆直流調(diào)速系統(tǒng)和位置隨動系統(tǒng)有環(huán)流控制的VM系統(tǒng)：由正組變流器VF與反組變流器VR構成。在控制上 需注意：（1）VF與VR必須不能同時匸作在幣流或逆變狀態(tài)：（2）根據(jù)電動機的運行狀態(tài)和電樞電流流向來判定哪組變流器參與工作，并推知變流器的 丄作狀態(tài)，電機反電勢與變流器輸出電壓之間的關系；（選擇）環(huán)流產(chǎn)生的木質(zhì)是正組變流器與反組變流器的輸出直流電圧之間存在電斥差。 若：（1）輸出平均電壓不等（引起直流平均環(huán)流）則應使UdO

12、r =Udof 所以=180或s=佞,即a = /3配合控制運動控制系統(tǒng)知識要點 第7頁（共7頁）（2）輸出瞬時電壓不等（引起瞬時脈動環(huán)流）消除瞬時脈動環(huán)流，可釆用無環(huán)流控制。按照實現(xiàn)無環(huán)流控制原理的不同, 無環(huán)流可逆系統(tǒng)又有兩大類：邏輯控制無環(huán)流系統(tǒng)和錯位控制無環(huán)流系統(tǒng)。為什么對于a = p配合控制，我們還稱之為有環(huán)流系統(tǒng)？如何抑制環(huán)流?CH5異步電機調(diào)速按照交流異步電動機的原理，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率Pm可分為兩部分：一 部分Pmech=（l-S）Pm是拖動負載的有效功率，稱作機械功率；另一部分Ps = sPm是 傳輸給轉(zhuǎn)于電路的轉(zhuǎn)差功率。轉(zhuǎn)差功率是否增大，是消耗掉還是得到回收，是評價

13、調(diào)速系統(tǒng)效率高低的標志。從這點出發(fā)，可把異步電機調(diào)速系統(tǒng)分為三類：（1）轉(zhuǎn)差功率消耗型降電壓調(diào)速、轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速（2）轉(zhuǎn)差功率饋送型繞線轉(zhuǎn)子電動機串級調(diào)速、雙饋電動機調(diào)速（3）轉(zhuǎn)差功率不變型變極對數(shù)調(diào)速、變床變頻調(diào)速異步電動機的功率和轉(zhuǎn)矩（1）功率關系從電網(wǎng)輸入有功功率:H =mUilicosQ；進入轉(zhuǎn)子的電磁功率：Pm = R - Pcul - PFe轉(zhuǎn)化成總機械功率：Pq = mil? （- 12）= Pm - Pcu2 = - Pcu2 = （1 S）PmSS從軸上輸出的有效機械功率：P? = Pq - PQ - pA = Pl - （Pcul + Pcu2 + PFe

14、+ PG + pj = Pl - 另 P效率：二眷X1OO%=（1-孕）X100%其中：Pcul是消耗在定子繞組上的銅耗，PFe是消耗在定子上的鐵耗，Pcu?是 消耗在轉(zhuǎn)子繞組上的銅耗，PC為機械損耗，P為定轉(zhuǎn)子開槽等引起的附加損耗。（2）轉(zhuǎn)矩關系轉(zhuǎn)矩平衡方程：I=T2+To空載轉(zhuǎn)矩：Tg+T譽+詈電磁轉(zhuǎn)矩：Tm-Pg _ Pg _ BnG (1 S)QiQi例題1：某三相六極50Hz感應電動機，Pn = 28kW, UN =380V , nN =950r/miii ,cos= 0.88 o 己知額定運行時各項損耗為Pail = lkW, Pfc = 500W t Pq = 800W ,運動控

15、制系統(tǒng)知識要點 第6頁（共7頁）Pa = 50W ,試求額定運行時的：(1)轉(zhuǎn)差率；(2)轉(zhuǎn)子銅耗；(3)效率；(4)定子 電流；(5)轉(zhuǎn)子電流頻率。解:(1)同步轉(zhuǎn)速:m =60f/p = 60x50/3 = 1000 (r/min)則額定運行時的轉(zhuǎn)差率：S = (1000-950)/1000 = 0.05(2)總的機械功率：Pq = Pn + PQ + Pa = 28+0.8+0.05 = 28.85 (kW)電磁功率：Pm = Pq/(I- S) = 28.85/(I-0.05) = 30.37 (kW)轉(zhuǎn)子銅耗：Pcu2 = SPm = 0.05x30.37 = 1.518 (kW)(

16、3)輸入功率：Pl =Rn+pcui +pFe = 30.37 + 1.0 + 0.5 = 31.87 (kW) 效率：n= x 100% = x 100% = 87.85%P131.87（4）定子電流：I1_H31870一 5NA、a/3U 1 cosa/3 x 380 x 0.88(5)轉(zhuǎn)子電流頻率：f2 = Sfi =0.05x50= 2.5 (Hz)變壓調(diào)速在恒轉(zhuǎn)矩負載下的調(diào)速范圉較小，且在低速時由于轉(zhuǎn)差功率人而效率 較低，為能在恒轉(zhuǎn)矩負載下擴大調(diào)速范圍，則應提高電動機轉(zhuǎn)子的電阻值。在變壓 調(diào)速下，若為恒轉(zhuǎn)矩負載，則轉(zhuǎn)速越低時，轉(zhuǎn)差功率損耗越大，異步電動機不宜氏 期在低速下工作。若負載

17、為風機類負載，則異步電機在變汗調(diào)速下的轉(zhuǎn)差功耗較小, 適合在低速下運行。變壓變頻調(diào)速分基頻以上調(diào)速和基頻以下調(diào)速?；l以下電壓頻率協(xié)調(diào)控制按 不同的控制方式分為恒壓頻比控制（Us/e=恒值）、恒Eg/血控制和恒爲/血控 制。恒壓頻比控制最容易實現(xiàn)，其變頻機械特性基木上是平行下移，硬度較好，但 低速帶載能力有限。若要提高低速時的帶載能力，需要對定子壓降實行補償。其最 大電磁轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的降低而減小。恒Eg/控制是通常對恒壓頻比控制實行定子阻抗壓降的補償，其最大電磁轉(zhuǎn) 矩不隨轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，保持恒定不變，改善了低速性能。恒E/血控制可以得到和他勵直流電機一樣的線性機械特性，是最好的控制方 式。請按照本知識要點，認真復習，研讀教科書和聯(lián)系課后習題。運動控制系統(tǒng)知識箜點 第7頁（共7頁）