《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》知識(shí)要點(diǎn)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)知識(shí)要點(diǎn)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(dāng)Ce = KeKe 調(diào)節(jié)電樞電壓U： 弱磁（只能弱，升磁會(huì)導(dǎo)致磁飽和）； 改變電樞回路電阻R屬無(wú)級(jí)調(diào)速的為和：有級(jí)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(jī)電樞繞組上的直流電源類型：旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組、靜止式可控整流器、PWM控制變換器抑制電流脈動(dòng)的措施：1）增加整流電路相數(shù)，或采用多重化技術(shù)。2）設(shè)置平波電抗器。VM系統(tǒng)電流工作在斷續(xù)時(shí)，有兩個(gè)顯著的特點(diǎn)：一是機(jī)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(jī)兩端的端電壓是橋式可逆PWM變換器的輸出平均電壓為（2D-l）Us （D=ton/T） 調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)：調(diào)速范圉D:電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)額肚負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速。 靜差率S：負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落Ahn，與理想空載轉(zhuǎn)速no之比;s = Aiin /no機(jī)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(dòng)機(jī)的額左轉(zhuǎn)速I】N作為最高轉(zhuǎn)速。為什么說(shuō)只要當(dāng)調(diào)速范圍和靜差率同時(shí)提才有意義？并且靜差率指標(biāo)應(yīng)以最 低速時(shí)所能達(dá)到的數(shù)值為準(zhǔn)。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(guān)系：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)知識(shí)箜點(diǎn) 第1頁(yè)（共7頁(yè)）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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。UIdR A IdRn = Aiin =CC轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)知識(shí)箜點(diǎn) 第3頁(yè)（共7頁(yè)）AUll=Un-Un Uc = KpAUnUdo =KsUcUdO 一 IdR11=CeUn = dl則轉(zhuǎn)速負(fù)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(jié)構(gòu)圖開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系：1) 閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性比開環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性硬的多;Allcl =1 + K運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)知識(shí)箜點(diǎn) 第#頁(yè)（共7頁(yè)）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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)知識(shí)箜點(diǎn) 第#頁(yè)（共7頁(yè)）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(dòng)，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(dòng)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)知識(shí)箜點(diǎn)第2頁(yè)(共7頁(yè))運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)知識(shí)箜點(diǎn) 第#頁(yè)（共7頁(yè)）3）系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測(cè)的精度。閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算電流截止負(fù)反饋造成電流很大有2種情況：1）啟動(dòng)時(shí)，由于轉(zhuǎn)速很低，造成電樞電流很大2）遇到堵轉(zhuǎn)時(shí)電流負(fù)反饋的作用相當(dāng)于在主電路中串入一個(gè)大電阻挖土機(jī)特性：截止電流應(yīng)大于電機(jī)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(shè)計(jì)比例積分控制規(guī)律和無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)積分控制可以使系統(tǒng)在無(wú)靜差的情況下保持恒速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無(wú)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(qiáng)快速性。積分部分是消除穩(wěn)態(tài)誤差。電壓反饋電流補(bǔ)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(bǔ)償控制只有電流正反饋的調(diào)速系統(tǒng)的臨界穩(wěn)泄條件正是其靜特性的全補(bǔ)償條件。過(guò)補(bǔ) 償是不穩(wěn)定的。電流正反饋可以用來(lái)補(bǔ)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(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差，因?yàn)檫@時(shí)系統(tǒng)已達(dá)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(fù)反饋的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)之間有什么區(qū)別？起動(dòng)過(guò)程分為3個(gè)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(dòng)過(guò)程有3個(gè)特點(diǎn)：1）飽和非線性控制2）轉(zhuǎn)速超調(diào)3）準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制抗負(fù)載擾動(dòng)只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器來(lái)限制電網(wǎng)電壓擾動(dòng)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差：2）對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用；運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)知識(shí)箜點(diǎn) 第5頁(yè)（共7頁(yè)）2）其輸出限幅決定電動(dòng)機(jī)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(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)及時(shí)起到抗擾作用；2）在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過(guò)程中，保證獲得電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，加快動(dòng)態(tài)過(guò)程。3）電動(dòng)機(jī)過(guò)載或堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)性能指標(biāo)：跟隨性能指標(biāo)：上升時(shí)間，超調(diào)量與峰值時(shí)間、調(diào)卩時(shí)間抗擾性能指標(biāo)：動(dòng)態(tài)降落，恢復(fù)時(shí)間一般來(lái)說(shuō)，調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主，而隨動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)則以 跟隨性為主。一般來(lái)說(shuō)，在動(dòng)態(tài)性能上典型系統(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(duì)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(shè)計(jì)；如果主要要求有良好的抗擾性能。設(shè)計(jì)計(jì)算1、明確校正后系統(tǒng)的類型2、對(duì)不滿足典型系統(tǒng)的進(jìn)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(biāo)系統(tǒng)傳遞函數(shù)，選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)傳函4、根據(jù)具體性能指標(biāo)進(jìn)行參數(shù)計(jì)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 = liT , 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(jì)算機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)值）/物理最的實(shí)際值，見書例題香濃采樣定理：采樣頻率應(yīng)不小于信號(hào)最高頻率的2倍，才能使原信號(hào)不發(fā)生 明昭畸變。數(shù)字測(cè)速和濾波常見的測(cè)速裝置有直流測(cè)速發(fā)電機(jī)、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(cè)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(cè)試時(shí)間內(nèi)，讀取測(cè)速裝置輸出的脈沖個(gè)數(shù)M,轉(zhuǎn)速越高，M 越大，速度測(cè)量越精確。此測(cè)速方法適合測(cè)試高速段。T法：在測(cè)速裝置輸出的相鄰脈沖的時(shí)間間隔內(nèi)，對(duì)已知頻率亦的高頻時(shí)鐘脈 沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，頻率血的高頻脈沖數(shù)目增加，測(cè)量精度提高。MTT法：應(yīng)保證高頻時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)器與旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖計(jì)數(shù)器同時(shí)開啟與 關(guān)閉，以減小誤差。該測(cè)速方法能適用的轉(zhuǎn)速范圍明顯擴(kuò)大，是目前廣泛應(yīng)用的一 種測(cè)速方法。數(shù)字測(cè)速方法的精度指標(biāo)（1）分辨率：在數(shù)字測(cè)速方法中，改變一個(gè)計(jì)數(shù)字所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化量來(lái)表 示分辨率。（2）測(cè)速誤差率：轉(zhuǎn)速實(shí)際值和測(cè)最值之差與實(shí)際值之比定義為測(cè)速誤差率。 數(shù)字濾波：（1）算術(shù)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(jié)構(gòu)清晰，P和I兩部 分作用分明，但計(jì)算復(fù)雜，需計(jì)算過(guò)去所有的偏差。而增最式PI調(diào)節(jié)器算法只需 要當(dāng)前和上一拍的偏差即可計(jì)算輸出的偏差量。為安全起見，需對(duì)調(diào)節(jié)器的輸出實(shí) 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(shí)設(shè)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(dòng)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(gòu)成。在控制上 需注意：（1）VF與VR必須不能同時(shí)匸作在幣流或逆變狀態(tài)：（2）根據(jù)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和電樞電流流向來(lái)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(jī)反電勢(shì)與變流器輸出電壓之間的關(guān)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(yīng)使UdOr =Udof 所以=180或s=佞,即a = /3配合控制運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)知識(shí)要點(diǎn) 第7頁(yè)（共7頁(yè)）（2）輸出瞬時(shí)電壓不等（引起瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流）消除瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流，可釆用無(wú)環(huán)流控制。按照實(shí)現(xiàn)無(wú)環(huán)流控制原理的不同, 無(wú)環(huán)流可逆系統(tǒng)又有兩大類：邏輯控制無(wú)環(huán)流系統(tǒng)和錯(cuò)位控制無(wú)環(huán)流系統(tǒng)。為什么對(duì)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(jī)調(diào)速按照交流異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)負(fù)載的有效功率，稱作機(jī)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(píng)價(jià) 調(diào)速系統(tǒng)效率高低的標(biāo)志。從這點(diǎn)出發(fā)，可把異步電機(jī)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(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速、雙饋電動(dòng)機(jī)調(diào)速（3）轉(zhuǎn)差功率不變型變極對(duì)數(shù)調(diào)速、變床變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩（1）功率關(guān)系從電網(wǎng)輸入有功功率:H =mUilicosQ；進(jìn)入轉(zhuǎn)子的電磁功率：Pm = R - Pcul - PFe轉(zhuǎn)化成總機(jī)械功率：Pq = mil? （- 12）= Pm - Pcu2 = - Pcu2 = （1 S）PmSS從軸上輸出的有效機(jī)械功率：P? = Pq - PQ - pA = Pl - （Pcul + Pcu2 + PFe + 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(jī)械損耗，P為定轉(zhuǎn)子開槽等引起的附加損耗。（2）轉(zhuǎn)矩關(guān)系轉(zhuǎn)矩平衡方程：I=T2+To空載轉(zhuǎn)矩：Tg+T譽(yù)+詈電磁轉(zhuǎn)矩：Tm-Pg _ Pg _ BnG (1 S)QiQi例題1：某三相六極50Hz感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，Pn = 28kW, UN =380V , nN =950r/miii ,cos= 0.88 o 己知額定運(yùn)行時(shí)各項(xiàng)損耗為Pail = lkW, Pfc = 500W t Pq = 800W ,運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)知識(shí)要點(diǎn) 第6頁(yè)（共7頁(yè)）Pa = 50W ,試求額定運(yùn)行時(shí)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(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)差率：S = (1000-950)/1000 = 0.05(2)總的機(jī)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)(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(fù)載下的調(diào)速范圉較小，且在低速時(shí)由于轉(zhuǎn)差功率人而效率 較低，為能在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下擴(kuò)大調(diào)速范圍，則應(yīng)提高電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的電阻值。在變壓 調(diào)速下，若為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，則轉(zhuǎn)速越低時(shí)，轉(zhuǎn)差功率損耗越大，異步電動(dòng)機(jī)不宜氏 期在低速下工作。若負(fù)載為風(fēng)機(jī)類負(fù)載，則異步電機(jī)在變汗調(diào)速下的轉(zhuǎn)差功耗較小, 適合在低速下運(yùn)行。變壓變頻調(diào)速分基頻以上調(diào)速和基頻以下調(diào)速。基頻以下電壓頻率協(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(wèi)/血控 制。恒壓頻比控制最容易實(shí)現(xiàn)，其變頻機(jī)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(shí)的帶載能力，需要對(duì)定子壓降實(shí)行補(bǔ)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(duì)恒壓頻比控制實(shí)行定子阻抗壓降的補(bǔ)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(lì)直流電機(jī)一樣的線性機(jī)械特性，是最好的控制方 式。請(qǐng)按照本知識(shí)要點(diǎn)，認(rèn)真復(fù)習(xí)，研讀教科書和聯(lián)系課后習(xí)題。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)知識(shí)箜點(diǎn) 第7頁(yè)（共7頁(yè)）