运动控制系统第1讲

电力拖动自动控制系统

—运动控制系统第一页，共五十一页。一、教学目的与教学要求三、教学时间2学时二、教学内容1.0运动控制组成及其分析1.1直流调速系统用的可控电源1.2闸管电动机系统的特殊问题1了解运动控制系统课程设置的目的、教学要求及学习方法2掌握运动控制系统的基本概念及其相关知识3掌握直流电动机调速系统的发展历程4掌握PWM调速系统的优势所在5掌握晶闸管电动机系统的特殊问题第二页，共五十一页。四、教学思路流程生产机械的负载转矩特性分几类?讨论分析课程的设置目的、明确学习方法及教学要求运动控制系统的组成部分如何?运动控制系统的技术发展演变的原因何在?运动控制系统转矩控制规律是否学过?直流电动机有几种调速方法？直流电动机调压调速有几种方法？运动学方程与调速的关系如何？第三页，共五十一页。教学目的与要求课程的设置目的:

融合多门课程知识,训练综合分析及解决问题的能力!学习方法教学要求:

1按时出勤、提高课堂效率;

2独立完成实验及课外作业;

3成绩构成:平时15%、实验15%、期末考试70%勤于思考,善于总结，“温故知新”的认知系统结构组成、定性分析工作原理；运用自控原理的方法定量分析系统的稳态、动态过程。五、教学过程第四页，共五十一页。运动控制系统主要教学内容电动机调速系统直流电动机调速系统交流电动机调速系统晶闸管+PID控制器开环系统单闭环系统多环系统GTO/IGBT+PID控制器构成的系统（相控）（斩控）可逆系统交流调压调速系统变频变压调速系统同步电动机调速系统系统串极调速系统第五页，共五十一页。运动控制系统涉及的知识范围电路+电机与拖动+自动控制理论+

电力电子电路+电子电路主、控电路控制原理控制对象运动控制系统模拟运动控制系统数字运动控制系统现代运动控制技术涉及电机学、电力电子技术、微电子技术、计算机控制技术、控制理论、信号检测与处理技术等多门学科相互交叉的综合性学科。第六页，共五十一页。1.0运动控制系统及其组成分析(复习补充)

看图说话第一章闭环控制的直流调速系统第七页，共五十一页。1.0.1电动机是运动控制系统的控制对象电动机按类型可分为：直流电动机、交流感应电动机（交流异步电动机）和交流同步电动机。电动机按用途可分为：用于调速系统的拖动电动机和用于伺服系统的伺服电动机。电动机的类型如何分类?第八页，共五十一页。1.0.2运动控制系统的功率放大与变换装置电力电子型功率器件的发展状况如何？半控型向全控型发展、低频开关向高频开关发展、分立的器件向具有复合功能的功率模块发展第九页，共五十一页。1.0.3运动控制系统的控制器模拟控制器物理概念清晰、控制信号流向直观，控制规律体现在硬件电路，并行运行、控制器的滞后时间小。线路复杂、通用性差、制效果受到器件性能、温度等因素的影响。数字控制器 硬件电路标准化程度高，控制规律体现在软件上，修改灵活方便，拥有信息存储、数据通信和故障诊断等功能。串行运行方式，其滞后时间比模拟控制器大得多，在设计系统时应予以考虑。控制器如何分类？第十页，共五十一页。1.0.4运动控制系统的信号检测与处理信号检测：电压、电流、转速和位置等信号信号转换：电压匹配、极性转换、脉冲整形等数据处理：信号滤波第十一页，共五十一页。1.0.5运动控制系统的历史与发展直流调速系统 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。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。目前，以直流控制为基础的现代交流调速系统发展日趋完善！第十二页，共五十一页。电气传动运动方程为：Te-TL=GD2375dndt2、电气传动系统的运动学方程1、旋转运动系统的牛顿第二定律Te-TL=dωdtJdωdtJ其中，为惯性转矩一般工程上采用飞轮惯量GD2代替J，二者关系：GD2=4gJ其中，G为转动惯量、D为旋转部分直径、g为重力加速度由于：ω=2πn/60所以忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩，运动控制系统的简化运动方程式为：1.0.6运动控制系统的转矩控制规律

第十三页，共五十一页。要产生加速度!!Te-TL>03、运动方程与调速的关系Te-TL=GD2375dndt电动机加速要产生加速度!!Te-TL＜0电动机减速加速度=0Te-TL=0电动机恒速调速调速定义：调速是指在一定负载作用下，通过改变电动机或电源的参数使机械特性发生相应改变，从而使电动机转速变化或保持不变。第十四页，共五十一页。4、直流电动机的电磁转矩方程Te=KmΦIa

说明：电枢电流与定子磁通相互作用产生电磁力与电磁转矩电枢电流与定子磁通是相互独立控制的（Te是线性可控的）KmΦIa直流电机转矩的结构常数直流电动机定子磁通直流电机电枢电流第十五页，共五十一页。1.0.7生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩是一个必然存在的不可控扰动输入。三种典型生产机械负载转矩特性，实际负载可能是多个典型负载的组合。第十六页，共五十一页。1、恒转矩负载

负载转矩的大小恒定，称作恒转矩负载。a）位能性恒转矩负载；b)反抗性恒转矩负载第十七页，共五十一页。2、恒功率负载负载转矩与转速成反比，而功率为常数，称作恒功率负载恒功率转矩负载第十八页，共五十一页。3、风机、泵类负载

负载转矩与转速的平方成正比，称作风机、泵类负载风机、泵类负载第十九页，共五十一页。看图说话思考：直流调速的特殊结构组成是什么？第二十页，共五十一页。n=(U-IaR)/KeΦ

1直流电动机的转速特性方程（复习）请说明式中各量的物理意义！U：电枢电压Ke：电动势常数Ia：电枢电流R：电枢回路总电阻Φ：磁通1.1.1直流电动机调速方法分析1.1直流调速系统用的可控电源第二十一页，共五十一页。3、直流电动机的调速方法n=(U-IaR)/KeΦ

（1）调节电枢电压当磁通Φ和电阻R一定时，改变电枢电压U，可以平滑地调节转速n，机械特性将上下平移，如图所示。Ud1<Ud2<Ud3<Unom

Ud3Ud1Ud2UnomTnn1n2n3nnomTL第二十二页，共五十一页。电枢电压的变化只能向小于额定电压的方向变化，所以这种调速方式只能在电动机额定转速以下调速，其转速调节的下限受低速时运转不稳定性的限制。Ud1<Ud2<Ud3<Unom

Ud3Ud2Ud2UnomTnn1n2n3nnomTL看图说话！！！第二十三页，共五十一页。（2）调节磁通当U和R不变时，减小激磁磁通（即改变直流他励电动机的励磁电流），电动机转速将高于额定转速，其机械特性向上移动，如图所示。n=(U-IaR)/KeΦ

TnΦ1<Φ2<Φ3<Φnom

ΦnomΦ3Φ2Φ1TLnnom

第二十四页，共五十一页。减弱磁通调速，电动机最高转速受换向器和机械强度的限制，弱磁调速范围不大。Ud1<Ud2<Ud3<Unom

Ud3Ud1Ud2UnomTnΦ1<Φ2<Φ3<Φnom

ΦnomΦ3Φ2Φ1TLnnom

在实际生产中，往往只是配合调压方案，在额定转速以上作小范围的升速。这样，调压与调磁相结合，可以扩大调理范围第二十五页，共五十一页。改变电枢回路电阻调速，一般是在电枢回路中串接附加电阻，损耗较大，且只能进行有级调速，电动机的机械特性较软，一般应用于少数小功率场合。（3）调节电枢电阻Ra

<R1<R2<R3R1R3R2RaTnTLnnom

n=(U-IaR)/KeΦ

第二十六页，共五十一页。（4）调速方法综合调压同属无级调速，且能在额定转速之下的一定范围进行调节，在实际中广泛应用，是我们研究的重点！！调节电枢电阻调速是有级调速；调节磁通调速虽无级调速，但是升速调速；第二十七页，共五十一页。1.1.2调压调速方案分析1.1.2.1旋转变流机组交流电动机、直流发电机G、励磁发电机GE、直流电动机1系统组成：旋转变流机组系统结构组成示意图第二十八页，共五十一页。2工作原理：由交流电动机拖动直流发电机G实现变流，发电机给需要调速的直流电动机M供电。调节发电机的励滋电流If可改变其输出电压U，从而调节直流电动机的转速n。这样的调速系统简称为G—M系统。旋转变流机组系统结构组成示意图第二十九页，共五十一页。如果改变If的方向，则U的极性和n的转向都跟着改变，所以G—M系统的可逆运行是很容易实现的。旋转变流机组系统结构组成示意图为了供给直流发电机和电动机励磁电流，通常专门设置一台直流励磁发电机GE。因此G-M系统设备多、体积大、费用高、效率低、安装维护不便、运行有噪声。第三十页，共五十一页。3G-M系统机械特性第三十一页，共五十一页。1.1.2.2可控整流器调压系统20世纪60年代起，出现了晶闸管整流装置，它具有效率高、体积小、成本低、无噪声等优点第三十二页，共五十一页。1可控整流器调速系统简称V-M系统组成可控整流器调速系统简称V-M系统，电动机（M）是被控对象，转速n是被调量，即输出量。晶闸管（V）可控整流器可以是单相、相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型。基本结构（开环）图示如下：可控整流器调速系统（V-M）图示第三十三页，共五十一页。控制特点：在控制快速性方面，G-M系统是秒级，而V-M系统是毫秒级，这将会大大提高系统的动态性能。通过调节触发电路的移相电压，便可改变整流电压Ud，实现电动机的平滑调速控制。2工作原理Ug第三十四页，共五十一页。3运行特性（看图说话）nTe半控整流电路运行特性nTe全控整流电路运行特性nTe正、反两组全控整流电路运行特性第三十五页，共五十一页。*晶闸管元件对过电压、过电流以及过高的du/dt和di/dt都很敏感，因此晶闸管整流电路设有许多保护环节；晶闸管整流器相关的问题：*当系统处在深调速状态时，晶闸管的导通角很小，使得系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流，引起电网电压畸变，殃及附近的用电设备。若其没备容量在电网中所占比重较大，必须增设无功补偿和谐波滤波装置。*晶闸管的单向导电性，给系统的可逆运行造成困难；第三十六页，共五十一页。采用半控或全控型电力电子器件控制直流电压的装置称为直流斩波器（PWM斩波器），也称直流调压器。基本组成框图与控制原理1.1.2.3直流斩波器1基本组成及工作原理分析第三十七页，共五十一页。2控制策略分析（开关管的状态控制）（1）脉冲宽度控制策略（PWM）基本组成框图与控制原理控制原理：脉冲周期T不变，只改变开关管的导通时间tONUd=(ton/T)UsUtiidVTVDt0nTtT=CT=CT=C第三十八页，共五十一页。（2）脉冲频率控制策略（PFM）基本组成框图与控制原理控制原理：开关管的导通时间tON不变，只改变开关动作频率f（改变关断时间）。Ud=(ton/T)UsUtiidVTVDt0nTtton=Cton=C第三十九页，共五十一页。（3）两点式控制策略控制原理：当负载或电压低于某一值时，使开关管导通；当负载或电压高于某一值时，使开关管关断。tiidimaximinimaximin基本组成框图与控制原理第四十页，共五十一页。根据波形，判断直流斩波器的控制方式a）

b）

c）

c)第四十一页，共五十一页。1.1.2.4PWM与V-M系统的比较分析（P11）1)PWM系统低速运行平稳，调速范围宽

原因在于PWM调速系统的开关频率高，仅靠电枢电感即可获得脉动很小的直流电流，电枢电流连续。2)PWM系统动态抗扰能力强、快速响应性能好

原因在于PWM调速系统的开关频率高，需配合快速响应电动机。3)PWM系统主电路损耗低、工作效率高

原因在于PWM系统中，功率器件都工作在开关状态。本课程教学以V-M和PWM系统为主，重点介绍V-M系统的调速系统。第2~3章V-M系统、第4章PWM系统。第四十二页，共五十一页。1.2晶闸管-电动机（V-M）系统的特殊问题V-M系统本质上是带R、L、E负载的晶闸管可控整流电路。根据分析调速系统的需要，重点地归纳出V—M系统的几个特殊问题。1.2.1触发脉冲相位控制(电力电子知识)Ug在V-M系统中，调节给定电压Ug；即可移动触发装置GT输出脉冲的相位，从而很方便地改变整流器的输出瞬时电压ud和平均电压Ud。第四十三页，共五十一页。V-M系统的等效电路与解析表达式分析E+-UdoRLIdUgudo=E+idR+Ldid/dt瞬时电压平衡方程式:等效电路(电路知识)Udo=Umsincosα

全控整流电压平均值表达式:(电力电子电路知识)mπmπα触发脉冲控制角Umα=0时的整流电压峰值m交流电源一周内的整流电压脉波数第四十四页，共五十一页。1.2.2电流脉动的危害与抑制措施1V-M系统电流脉动的危害作用(电机拖动知识)（1）脉动的电流产生脉动转矩，对生产机械有一定的危害作用（2）脉动的电流产生较大的谐波分量，即对电网不利，同时也使电动机增加发热。2V-M系统电流脉动的抑制措施(电力电子知识)（1）增加整流电路的相数（2）设置平波电抗器（mH）单相桥式全控整流电路L=2.87U2/IdminU2

整流变压器二次额定电压有效值、Idmin一般取电动机额定电流的5-10%三相半波整流电路L=1.46U2/Idmin三相桥式整流电路L=0.693U2/Idmin第四十五页，共五十一页。1.2.3电流波形的连续与断续由于V-M系统存在电流脉动问题，必然会在一定条件下产生电流的断续问题。

电流连续：当主电路电感足够大，且电动机负载电流足够大时，电流是连续的；

电流断续：当主电路电感较小，且电动机负载电流较轻时，电流可能断续。idtIdidtId控制过程中，一般不希望电流出现断续！！！第四十六页，共五十一页。1.2.4V-M系统的机械特性分析（电流连续）机械特性方程为：n=(Ud0-IdR)/Ce(电机拖动知识)Umsincosα