《运动控制系统》复习题.ppt

1、绪论内 容 提 要,运动控制系统及其组成 运动控制系统转矩控制规律 生产机械的负载转矩特性,运动控制系统及其组成,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,图1-1运动控制及其相关学科,运动控制系统及其组成,图1-2 运动控制系统及其组成,运动控制系统的转矩控制规律,运动控制系统的基本运动方程式,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,运动控制系统的转矩控制规律,生产机械的负载转矩特性,在同一轴上，负载转矩和转速之间的函数关系，称为生产机械的机械特性。,生产机械的负载转矩特性,介绍几种典型的生产机械负载转矩特性： 负载转矩的大小恒定，称作

2、恒转矩负载 a）反抗性恒转矩负载 b) 位能性恒转矩负载 恒功率负载 风机、泵类负载,生产机械的负载转矩特性,1反抗转矩：又称摩擦性转矩，其特点如下： 转矩大小恒定不变； 作用方向始终与速度n的方 向相反，当n的方向发生变化时，它的作用方向也随之发生变化，恒与运动方向相反，即总是阻碍运动的。,图1-3 恒转矩负载,2位能转矩 , 其特点为：,转矩大小恒定不变；,作用方向不变，与运动方向无关，即在某一方向阻碍运动而在另一方向促进运动。,卷扬机起吊重物时，由于重物的作用方向永远向着地心，所以，由它产生的负载转矩永远作用在使重物下降的方向，当电动机拖动重物上升时，TL与n的方向相反；当重物下降时，T

3、L和n的方向相同。,生产机械的负载转矩特性,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,图1-4 恒功率转矩负载,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,图1-5 风机、泵类负载,练习题,反抗静态转矩与位能静态转矩有何区别，各有什么特点？,练习题,反抗静态转矩与位能静态转矩有何区别，各有什么特点？ 答：反抗性恒转矩负载恒与运动方向相反。 位能性恒转矩负载作用方向恒定，与运动方向 无关。,交流调速系统,交流电动机有异步电动机和同步电动机两大类。 按转差功率将异步电动机的调速系统分成三类： 转差功率消耗型 转差功率不变型 转差功率不变型,转差功率消耗型（

4、调压调速）,全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中。 以增加转差功率的消耗来换取转速降低（恒转矩负载时），越到低速效率越低。 结构简单，设备成本少，还有一定的应用价值。,转差功率馈送型（绕线电机串行调速）,转差功率一部分被消耗掉，大部分则通过变流装置回馈给电网或转化成机械能予以利用。 功率既可以从转子馈入又可以馈出的系统称作双馈调速系统。 效率较高，只能采用绕线转子感应电动机。,转差功率不变型（变压变频调速）,变压变频调速，转子铜损基本不变，转子电路中没有附加的损耗，效率最高。 须配置与电动机容量相当的变压变频器，设备成本最高。 变极对数调速也是转差功率不变型调速系统，属于有级调速。,同步电

5、动机调速,同步电动机没有转差，也就没有转差功率，所以同步电动机调速系统只能是转差功率不变型。 同步电动机转子极对数是固定的，只能靠变压变频调速。,同步电动机调速,从频率控制的方式来看，同步电动机调速可分为他控变频调速和自控变频调速两类。 自控变频调速利用转子磁极位置检测信号来控制变压变频装置换相，又称作无换向器电动机调速，或无刷直流电动机调速。,异步电动机,假定条件： 忽略空间和时间谐波， 忽略磁饱和，忽略铁损,忽略励磁电流,稳态等效电路：,最大转矩，又称临界转矩 临界转差率：对应最大转矩的转差率,异步电动机,异步电动机,当s很小时，忽略分母中含s各项,转矩近似与s成正比，机械特性近似为直线,

6、异步电动机,当s较大时，忽略分母中s的一次项和零次项,转矩近似与s成反比，机械特性是一段双曲线,异步电动机,机械特性,异步电动机由额定电压、额定频率供电，且无外加电阻和电抗时的机械特性方程式，称作固有特性或自然特性。,图 异步电动机的机械特性,异步电动机,异步电动机的调速方法 所谓调速，就是人为地改变机械特性的参数，使电动机的稳定工作点偏离固有特性，工作在人为机械特性上，以达到调速的目的。 能够改变的参数可分为3类： 电动机参数、电源电压和电源频率（或角频率）,异步电动机,保持电源频率为额定频率，只改变定子电压的调速方法称作调压调速。 由于受电动机绝缘和磁路饱和的限制，定子电压只能降低，不能升

7、高，故又称作降压调速。,调压调速：,异步电动机,晶闸管交流调压器调速,TVC双向晶闸管交流调压器 a) 不可逆电路 b) 可逆电路,调压调速的主电路,异步电动机,可调,调压调速的机械特性表达式,电磁转矩与定子电压的平方成正比,异步电动机,临界转差率保持不变,理想空载转速保持为同步转速不变,调压调速的机械特性：,异步电动机,临界转矩,随定子电压的减小而成平方比地下降,调压调速的机械特性,异步电动机,异步电动机调压调速的机械特性,调压调速的机械特性,调速范围有限，图中A、B、C为恒转矩负载在不同电压时的稳定工作点。 带风机类负载运行，调速范围可以稍大一些，图中D、E、F为风机类负载在不同电压时的稳

8、定工作点。,异步电动机,变压变频调速是改变异步电动机同步转速的一种调速方法，同步转速随频率而变化,变压变频调速,异步电动机,变压变频调速 基频以下应采用电动势频率比为恒值的控制方式。 额度电流不变时，电动机允许输出的转矩将随磁通变化。在基频以下，由于磁通恒定，允许输出转矩也恒定。,异步电动机,变压变频调速 在基频以上调速时，频率从向上升高，受到电机绝缘耐压和磁路饱和的限制，定子电压不能随之升高，最多只能保持额定电压不变。 这将导致磁通与频率成反比地降低，使得异步电动机工作在弱磁状态。,异步电动机,图5-10 异步电动机变压变频调速的控制特性,异步电动机,变压变频调速 在恒压频比的条件下把频率向

9、下调节时，机械特性基本上是平行下移的。 当频率较低时，电动机带载能力减弱，采用低频定子压降补偿，适当地提高电压，可以增强带载能力。,异步电动机,图5-11 异步电动机变压变频调速机械特性,变压变频调速时的机械特性,习题,什么叫恒功率调速？什么叫恒转矩调速？,习题,什么叫恒功率调速？什么叫恒转矩调速？ 答：在调速过程中，无论速度高低，当电动机电流保持不变时，电磁转矩也不变，这种调速叫恒转矩调速。 在调速过程中，无论速度高低，当电动机电流保持不变时，功率也不变，叫恒功率调速。,习题,ASR PWM,习题,ASR 转速调节器 PWM 脉冲宽度调制,异步电动机,变压变频器 变频器：异步电动机变频调速需

10、要电压与频率均可调的 交流电源，常用的交流可调电源是由电力电子 器件构成的静止式功率变换器。 现代变频器中用得最多的控制技术是脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称PWM。,异步电动机,a）交-直-交变频器 b）交-交变频器,异步电动机,交-直-交变频器主回路结构图,异步电动机,变压变频调速系统转速开环变压变频调速系统,图5-40 转速开环变压变频调速系统,异步电动机,交流电动机工作在发电制动状态时，能量从电动机侧回馈至直流侧，导致直流电压上升，称为泵升电压。 电动机储存的动能较大、制动时间较短或电动机长时间工作在发电制动状态时，泵升电压很高，严重时将损坏变频器。,

11、异步电动机,变压变频调速系统,措施： 在直流侧并入一个制动电阻，当泵升电压达到一定值时，开通与制动电阻相串联的功率器件，通过制动电阻释放电能，以降低泵升电压。 在直流侧并入一组晶闸管有源逆变器或采用PWM可控整流，当泵升电压升高时，将能量回馈至电网，以限制泵升电压。,异步电动机,数字控制通用变频器-异步电动机调速系统硬件原理图,系统硬件包括： 主电路、驱动电路、微机控制电路、信号采集与故障综合电路。,异步电动机,定义转差角频率,电磁转矩,转差率s较小，转矩可近似表示,转差频率控制的基本概念及特点,变压变频调速系统转速闭环变压变频调速系统,异步电动机,转差频率控制的基本概念及特点,变压变频调速系

12、统转速闭环变压变频调速系统,保持气隙磁通不变，在s值较小的稳态运行范围内，异步电动机的转矩就近似与转差角频率成正比。 在保持气隙磁通不变的前提下，可以通过控制转差角频率来控制转矩，这就是转差频率控制的基本思想。,异步电动机,转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统结构原理图,电力拖动自动控制系统 运动控制系统,第6章,基于动态模型的异步电动机调速系统,异步电动机动态数学模型的性质,异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。 （1）异步电动机变压变频调速时需要进行电压（或电流）和频率的协调控制，有电压（或电流）和频率两种独立的输入变量。在输出变量中，除转速外，磁通也是一个输出

13、变量。,异步电动机动态数学模型的性质,（2）异步电动机无法单独对磁通进行控制，电流乘磁通产生转矩，转速乘磁通产生感应电动势，在数学模型中含有两个变量的乘积项。 （3）三相异步电动机三相绕组存在交叉耦合，每个绕组都有各自的电磁惯性，再考虑运动系统的机电惯性，转速与转角的积分关系等，动态模型是一个高阶系统。,异步电动机的三相数学模型,作如下的假设： （1）忽略空间谐波，三相绕组对称，产生的磁动势沿气隙按正弦规律分布。 （2）忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的。 （3）忽略铁心损耗。 （4）不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。,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

14、型,定子三相绕组轴线A、B、C在空间是固定的。 转子绕组轴线a、b、c随转子旋转。,异步电动机三相动态模型的数学表达式,异步电动机的动态模型由磁链方程、电压方程、转矩方程和运动方程组成。 磁链方程和转矩方程为代数方程 电压方程和运动方程为微分方程,异步电动机三相动态模型的数学表达式,磁链方程,异步电动机每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其它绕组对它的互感磁链之和,异步电动机三相动态模型的数学表达式,三相绕组电压平衡方程,异步电动机三相动态模型的数学表达式,转矩方程,运动方程,转角方程,异步电动机坐标变换,异步电动机三相原始动态模型相当复杂，简化的基本方法就是坐标变换。 异步电动机数学模型之所以

15、复杂，关键是因为有一个复杂的电感矩阵和转矩方程，它们体现了异步电动机的电磁耦合和能量转换的复杂关系。 要简化数学模型，须从电磁耦合关系入手。,异步电动机坐标变换,如果能将交流电动机的物理模型等效地变换成类似直流电动机的模式，分析和控制就可以大大简化。 坐标变换正是按照这条思路进行的。 不同坐标系中电动机模型等效的原则是：在不同坐标下绕组所产生的合成磁动势相等。,异步电动机坐标变换的基本思路,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。 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。,异步电动机坐标变换的基本思路,所谓独立是指两相绕组间无约束条件

16、 所谓对称是指两相绕组的匝数和阻值相等 所谓正交是指两相绕组在空间互差,三相坐标系和两相坐标系物理模型,异步电动机坐标变换的基本思路,两相绕组，通以两相平衡交流电流，也能产生旋转磁动势。 当三相绕组和两相绕组产生的旋转磁动势大小和转速都相等时，即认为两相绕组与三相绕组等效，这就是3/2变换。,异步电动机坐标变换的基本思路,从静止两相正交坐标系到旋转正交坐标系dq的变换，称作静止两相-旋转正交变换，简称2s/2r变换，其中s表示静止，r表示旋转，变换的原则同样是产生的磁动势相等。,异步电动机坐标变换的基本思路,静止两相正交坐标系和旋转正交坐标系中的磁动势矢量,异步电动机坐标变换的基本思路,绕线转

17、子异步电动机,对于绕线型异步电动机，定、转子电路可以同时与外电路相连，转差功率可以从转子输出，也可以向转子馈入，故称作双馈调速系统,绕线转子异步电动机,异步电动机由电网供电并以电动状态运行时，它从电网输入（馈入）电功率，而在其轴上输出机械功率给负载，以拖动负载运行。,调速工作原理,绕线转子异步电动机,在双馈调速工作时，绕线型异步电动机定子侧与交流电网直接连接，转子侧与交流电源或外接电动势相连，从电路拓扑结构上看，可认为是在转子绕组回路中附加一个交流电动势，通过控制附加电动势的幅值，实现绕线型异步电动机的调速。,调速工作原理,绕线转子异步电动机,绕线型异步电动机转子附加电动势的原理图,绕线型异步

18、电动机在转子附加电动势时的工况及其功率流程 a)次同步速电动状态 b)反转倒拉制动状态 c)超同步速回馈制动状态 d)超同步速电动状态 e)次同步速回馈制动状态 CU功率变换单元,绕线转子异步电动机,1.次同步转速的电动运行 从定子侧输入功率，轴上输出机械功率，而转差功率在扣除转子损耗后由附加电势吸收从转子侧馈送到电网。,绕线转子异步电动机,2.电动机在反转时作倒拉制动运行 此时由电网输入电动机定子的功率和由负载输入电动机轴的功率两部分合成转差功率，由附加电势吸收从转子侧馈送给电网。,绕线转子异步电动机,3.电动机在超同步转速下作回馈制动运行 电动机处在发电状态工作，由负载通过电动机轴输入机械功率，经过机电能量变换分别从电动机定子侧与转子侧馈送至电网。,绕线转子异步电动机,4.电动机在超同步转速下作电动运行 电动机轴上输出机械功率由定子侧与转子侧两部分输入电功率合成，电动机处于定、转子双输入状态,绕线转子异步电动机,5.电动机在次同步转速下作回馈制动运行 回馈电网的功率一部分由负载的机械功率转换而成，另一部分则由转子提供。,绕线转子异步电动机,在工况1,2,3中，转子回路输出电功率，可以先把转子的交流电功