运动控制系统1

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1、运动控制系统结构,PC/PLC,PLC,变流装置,直流电动机 伺服电动机 步进电动机 直线电动机,旋转变压器 编码器 电位器 测速发电机,传动装置 定位平台 旋转平台,一、运动方程式,对于直线运动,对于旋转运动,式中 m与G旋转部分的质量（kg）与重量（N） 与D惯性半径与直径（m）,式中 称为飞轮惯量（ ），,第一章 电力拖动基础知识,1.1 电力拖动系统的动力学基础,二、运动方程式中转矩的正负符号分析,运动方程式的一般形式,规定某个转动方向为正方向，则转矩Te正向取正，反向取负；阻转矩TL 正向取负，反向取正。,三、工作机构转矩、力、飞轮惯量和质量的折算,以电动机轴为折算对象，需要折算的参

2、量为：工作机构转矩 ，系统中各轴（除电动机轴外）的转动惯量。对于某些作直线运动的工作机构，还必须把进行直线运动的质量及运动所需克服的阻力折算到电动机轴上去,1、工作机构转矩 的折算,折算的原则是系统的传送功率不变,式中，j 电动机轴与工作机构轴间的转速比,如果传动机构为多级齿轮或带轮变速，则总的速比应为各级速比的乘积。,2、工作机构直线作用力的折算,根据传送功率不变,3、传动机构与工作机构飞轮惯量的折算,四、考虑传动机构损耗时的折算方法,（一）工作机构转矩 的简化折算,1电动机工作在电动状态,2电动机工作在发电制动状态,使用多级传动时,（二）工作机构直线作用力的简化折算,1电动机工作在电动状态

3、,2电动机工作在发电制动状态,1.2 生产机械的负载转矩特性,在运动方程式中，阻转矩（或称负载转矩）TL 与转速n 的关系 TL=f (n) 即为生产机械的负载转矩特性。,一、恒转矩负载特性,二、通风机负载特性,通风机负载的转矩与转速大小有关，基本上与转速的平方成正比 。为反抗性负载。,属于通风机负载的生产机械有离心式通风机、水泵、油泵等，其中空气、水、油等介质对机器叶片的阻力基本上和转速的平方成正比。,一、固有机械特性与人为机械特性,当他励电动机电压及磁通均为额定值时，电枢没有串联电阻时的机械特性称为固有机械特性。,1.3 直流电动机的电力拖动,（一）电枢串联电阻时的人为机械特性,（二）改变

4、电压时的人为机械特性,（三）减弱电动机磁通时的人为机械特性,二、电力拖动稳定运行的条件,现在讨论：生产机械负载转矩特性与电动机的机械特性这两种特性的配合问题。,在电力拖动运动方程式中已指出，当转矩Te 与TL 方向相反，大小相等而相互平衡时，转速为某一稳定值，拖动系统处于稳态，或称静态,两种特性有交点仅是稳定运行的必要条件。稳定运行的充分条件是：如果电力拖动系统原在交点处稳定运行，由于出现某种干扰作用（如电网电压波动、负载转矩的微小变化等），使原来两种特性的平衡变成不平衡，电动机转速便稍有变化，这时，当干扰消除后，拖动系统必须有能力使转速恢复到原来交点处的数值。电力拖动系统如能满足这样的特性配

5、合条件，则该系统是稳定的，否则是不稳定的。,1.4 他励直流电动机的起动,一、他励直流电动机的起动方法,如直接加额定电压起动，Ia 可能突增到额定电流的十多倍,二、加快起动过程的途径,1）减小系统的飞轮惯量，以减小机电时间常数，从而降低系统的惯性,2）在设计电力拖动系统时，尽可能设法改善起动过程中电枢电流的波形,1.5 他励直流电动机的制动,1）电动运转状态电动机转矩的方向与转速的方向相同，此时电网向电动机输入电能，并变为机械能以带动负载。,2） 制动运转状态电动机转矩与转速的方向相反，此时，用电动机吸收机械能并转化为电能。,一、能耗制动,二、反接制动,反接制动可用两种方法实现，即转速反向（用

6、于位能负载）与电枢反接（一般用于反抗性负载）。,（一）转速反向的反接制动,上式表明， 与 两者之和消耗在电枢电路的电阻 上。,（二）电枢反接的反接制动,断开 和 ， 接通 和,最大电流也不超过,（三）电枢反接时的过渡过程,1反作用负载,2位能负载,三、回馈制动（或称再生制动）,（一）位能负载拖动电动机,这时位能负载带动电动机，电枢将轴上输入的机械功率变为电磁功率 后，大部分回馈给电网（ ），小部分变为电枢回路的铜耗 。电动机变为一台与电网并联运行的发电机。,（二）他励电动机改变电枢电压调速,在降低电压的降速过程中，当突然降低电枢电压，感应电动势还来不及变化时，就会发生 的情况，亦即出现了回馈制

7、动状态。,1.6 他励直流电动机的调速,采用一定的方法来改变生产机械的工作速度，以满足生产的需要，这种方法通常称为调速。,一、调速指标,调速方法最主要的有两大指标：即技术指标与经济指标,（一）调速的技术指标,2静差率（或称相对稳定性）,电动机的机械特性愈硬，则静差率愈小，相对稳定性就愈高。,调速范围D与低速静差率s%间的关系,允许的转速降,3平滑性,在一定的调速范围内，调速的级数愈多则认为调速愈平滑。,值愈接近于1，则平滑性愈好。时称为无级调速，即转速连续可调，级数接近无穷多，此时调速的平滑性最好。,4调速时的容许输出（或调速时的功率与转矩） 容许输出是指电动机在得到充分利用的情况下，在调速过

8、程中轴上所能输出的功率和转矩。,二、调速方法,效率,（二）调速的经济指标,调速的经济指标决定于调速系统的设备投资及运行费用，而运行费用又决定于调速过程的损耗，它可用设备的效率来说明。,（二）降低电源电压,降低电源电压的调速系统的机械特性方程式为,（三）弱磁调速,弱磁调速时，机械特性方程式是 ：,弱磁调速的优点是，在功率较小的励磁电路中进行调节，控制方便，能量损耗小，调速的平滑性较高。由于调速范围不大，常和额定转速以下的降压调速配合应用，以扩大调整范围。,三、调速时的功率与转矩,在调速过程中，只要在不同转速下电流不超过额定值，电动机长时运行，其发热不会超过容许的限度。,对于他励直流电动机，转矩与

9、功率的关系为：,降压调速时，从高速到低速，容许输出转矩是常数，称为恒转矩调速方式。而容许输出功率则正比于转速。,式中,弱磁调速时的容许输出功率为常数，称为恒功率调速方式；,2.1 直流调速系统用的可控直流电源,旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。 静止式可控整流器用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。 直流斩波器或脉宽调制变换器用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。,第二章 转速负反馈调速系统,一、可控直流电源,旋转变流机组(G-M系统）,图2-1 旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）,静止

10、式可控整流器（V-M系统）,图2-2 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）,V-M系统的特点,与G-M系统相比较： 晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在 104 以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。 在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。,直流斩波器或脉宽调制变换器,在干线铁道电力机车、工矿电力机车、城市有轨和无轨电车和地铁电机车等电力牵引设备上，常采用直流串励或复励电动机，由恒压直流电网供电，过去用切

11、换电枢回路电阻来控制电机的起动、制动和调速，在电阻中耗电很大。,1. 直流斩波器的基本结构,图2-3 直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形,这样，电动机得到的平均电压为,2. 输出电压计算,式中 T 晶闸管的开关周期；ton 开通时间； 占空比， = ton / T = ton f ； 其中 f 为开关频率。,为了节能，并实行无触点控制，现在多用电力电子开关器件，如快速晶闸管、GTO、IGBT等。采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，脉宽调制变换器（PWM-Pulse Width Modulation）。,3. 斩波电路三种控制方式,根据对输出

12、电压平均值进行调制的方式不同而划分，有三种控制方式：T 不变，变 ton 脉冲宽度调制（PWM）； ton不变，变 T 脉冲频率调制（PFM）； ton和 T 都可调，改变占空比混合型。,二、晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题,在如图可控整流电路中，调节触发装置 GT 输出脉冲的相位，即可很方便地改变可控整流器 VT 输出瞬时电压 ud 的波形，以及输出平均电压 Ud 的数值。,1. 瞬时电压平衡方程,对ud0进行积分，即得理想空载整流电压平均值Ud0 。用触发脉冲的相位角 控制整流电压的平均值Ud0是晶闸管整流器的特点。Ud0与触发脉冲相位角 的关系因整流电路的形式而异，对于一般的全

13、控整流电路，当电流波形连续时，Ud0 = f () 可用下式表示,式中 从自然换相点算起的触发脉冲控制角； = 0 时的整流电压波形峰值；交流电源一周内的整流电压脉波数；,Um,m,2. 电流脉动及其波形的连续与断续,由于电流波形的脉动，可能出现电流连续和断续两种情况，这是V-M系统不同于G-M系统的又一个特点。当V-M系统主电路有足够大的电感量，而且电动机的负载也足够大时，整流电流便具有连续的脉动波形。当电感量较小或负载较轻时，在某一相导通后电流升高的阶段里，电感中的储能较少；等到电流下降而下一相尚未被触发以前，电流已经衰减到零，于是，便造成电流波形断续的情况。,V-M系统主电路的输出,图2

14、-4 V-M系统的电流波形,3. 抑制电流脉动的措施,在V-M系统中，脉动电流会产生脉动的转矩，对生产机械不利，同时也增加电机的发热。为了避免或减轻这种影响，须采用抑制电流脉动的措施，主要是：设置平波电抗器； 增加整流电路相数； 采用多重化技术。,4. 晶闸管-电动机系统的机械特性,当电流连续时，V-M系统的机械特性方程式为式中 Ce = KeN 电机在额定磁通下的电动势系数。 上式等号右边 Ud0 表达式的适用范围如所述。,(2-1),（1）电流连续情况,改变控制角，得一族平行直线，这和G-M系统的特性很相似，如图所示。图中电流较小的部分画成虚线，表明这时电流波形可能断续，公式（2-1）已经

15、不适用了。,图2-5 电流连续时V-M系统的机械特性,当电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程要复杂得多。以三相半波整流电路构成的V-M系统为例，电流断续时机械特性须用下列方程组表示式中 ； 一个电流脉波的导通角。,（2）电流断续情况,（3）电流断续机械特性计算,当阻抗角 值已知时，对于不同的控制角，可用数值解法求出一族电流断续时的机械特性。对于每一条特性，求解过程都计算到 = 2/3为止，因为 角再大时，电流便连续了。对应于 = 2/3 的曲线是电流断续区与连续区的分界线。,图2-6 完整的V-M系统机械特性,（4）V-M系统 机械特性,PWM变换器的作用是：用PWM调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。PWM变换器电路有多种形式，主要分为不可逆与可逆两大类，下面分别阐述其工作原理。,三、直流脉宽调速系统的主要问题,1. 不可逆PWM变换器,（1）简单的不可逆PWM变换器简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统主电路原理图如图2-7所示，功率开关器件可以是任意一种全控型开关器件，这样的电路又称直流降压斩波器。,图2-7 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统,