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1、电力拖动 在运动控制系统中的应用,第八章,运动控制系统常用的传动方式有液压传动、气压传动和电力传动三种基本类型。在运动控制系统发展的初期，由于大量采用曲柄连杆机构以及点位控制，液压和气动传动方式曾经得到了广泛应用。目前，在需要出力很大，或者运动精度不高，或者有防爆要求的场合，使用液压和气动传动仍可以获得令人满意的结果。但是，电力传动技术发展迅速，目前，就控制的方便和快捷、完成操作的准确和精细、装置本身的体积和重量等诸方面综合而论，电力传动明显占有优势，应用范围越来越广，成为运动控制的主流。,在军事、交通、工厂、办公室、家庭存在大量的需要对运动机构进行精确控制的任务。例如，军事上的雷达天线、火炮
2、等自动跟踪目标的控制，卫星、导弹和各类飞行器的姿态和运行轨道的控制等；机械加工过程中机床的定位控制和加工轨迹控制，机械手和机器人的精确运动控制，生产线上的多电机同步控制，高层建筑中的升降控制，船舶的自动操舵等；计算机外围设备和办公设备中的磁盘驱动器、光盘驱动器、打印机、绘图机、复印机的运动控制；音像设备和家用电器中的录像机、CD机、VCD/DVD机的驱动控制等。,电力拖动能够满足对被控对象的运动轨迹、运行速度、定位精度和动态性能的苛刻要求，因而在各类控制工程中获得了广泛应用。,8.1 电力拖动速度控制系统 有大量的设备需要调节速度，有的是因为工艺需要，有的则是为了节能。,8.1.1 恒压供水系
3、统（无塔上水） 电动机调速恒压供水系统在技术上已经相当成熟，在各类供水系统中应用得十分普遍。它的优点是不需要水塔就可以维持恒压供水，与不调速供水系统相比可以明显节能，特别是流量比较小的情况下。,图8-1示出了一个恒压供水系统。水泵电动机M由变频器VF供电,SP是压力传感器,其检测到的压力信号作为系统的反馈信号XF被送到变频器的反馈信号输入端(VPF)。压力给定信号XT从外接电位器RP上取出,接到变频器的给定信号输入端(VRF)。,图8-1异步电动机变频调速恒压供水系统,假设Q1是水泵输出的“供水流量”,而Q2是用户所需要的“用水流量”,显然： 如果Q2Q1,则压力必减小,反馈信号XF也随之减小
4、；反之,如果Q2Q1,则压力必增大,反馈信号XF也随之增大；如果Q1=Q2,则压力保持不变,反馈信号XF也保持不变,则水泵的“供水流量”和用户的“用水流量”之间处于平衡状态。,变频器通过内部的PID调节功能,不断地根据给定信号XT与来自SP的反馈信号XF之间的比较结果,调整变频器的频率,从而调整电动机的转速,达到供需平衡,使水压保持恒定。,2.恒压供水系统的PID调节过程,0t1段：流量Q无变化,压力P也无变化,PID的调节量PID为0,变频器的输出频率fX也无变化； t1t2段：流量Q增加,压力P有所下降,PID调解器产生正的调节量(PID为正),变频器的输出频率fX上升； t2t3段：流量
5、Q稳定在一个较大的数值,压力P已经恢复到给定值,PID调节量为PID=0,变频器的输出频率fX停止上升； t3t4段：流量Q减小,压力P有所增加,PID产生负的调节量(PID为负),变频器的输出频率fX下降； t4以后：流量Q停止减小,压力P又恢复到给定值,PID调节量为0,变频器的输出频率fX停止下降。,由于采用变频调速，该恒压供水系统可以节能，特别是在流量小的情况下节能效果明显。多数品牌通用变频器支持恒压供水功能，无须增加任何硬件，也无须修改软件，只要适当设定变频器的工作模式与有关参数（PID参数等）就可以了，这是通用变频器众多功能当中的一个。,1.共轴驱动多电机同步调速 在设备的几何尺寸
6、比较大、比较长的情况下，有必要用数台电动机共同驱动。图8-3示出了一台轮转印刷机的传动系统，由八台或者更多的电动机共轴驱动，轴很长。为了避免长轴传递起伏很大的转矩引起的扭转形变，每一段有一台电动机驱动并与该段的负载大致配合，只有少量的同步转矩(Ten-TLn差值部分)需要通过长轴传递。,8.1.2 多电机同步调速系统 在冶金、印染、造纸、薄膜加工等连续生产线上,机台很多,需要多台电动机同步调速完成加工任务。,R,图8-3 共轴多电机驱动 (a)机械系统 (b)控制框图,由于各电动机半刚性的连接在同一轴上，只需要一个共同的速度调节器，其速度反馈信号来自安装在某一段中适当位置的测速装置。每一段从共
7、同的速度调节器的输出分得适当份额的转矩给定，由图8-3中的系数Kn、Kn-1、Kn+1等决定。,这里的电动机可以是它励直流电动机，此种情况下转矩调节器实际上就是电枢电流调节器，图中所示为P-I型，紧随其后的环节反映了转矩调节的滞后；也可以是异步电动机，此种情况下转矩调节就是矢量控制中的定子电流转矩分量调节，具有矢量控制功能的通用变频器经适当设定可以胜任此项工作。,2.独立驱动多电机同步调速 如果多电机驱动不共轴，那么每一台电动机都应有属于自己的速度调节器，以解决多电机同步问题。在比较现代的大型造纸机上，长度超过100米，机台达到20或更多，共轴变得很困难，需要采用单独驱动的方案。同样的情况也发
8、生在连续带钢热轧机和现代纺织印染处理设备上。,图8-4 示出了一个这样的驱动系统，其特点是各分段之间基本独立，只是通过热带钢或者织物存在有一定的轻微的耦合关系，被加工的材料应该被张紧，以免起皱，但又不能太紧，以免扯断。图中各机台的速度应该越来越快，钢带在加工中变得越来越薄，从而越来越长，对于织物或者纸张也有类似的情况，尽管纸张或者织物的这个伸长率也许只有百分之几甚至更小。每一个机台的速度应该精确的维持与前后机台同步。,n+1,R,图8-4 连续生产线分段驱动(a)机械系统(b)控制框图,每一机台的速度给定以一定的百分比来自相邻机台的速度给定（串级），即 =常量 （8-1) 称为“逐级拉伸”，如
9、图8-4所示。总的速度给定的变化或者前面机台给定速度的变化将同步的影响其后的所有机台。,对于不同厚薄的加工物或者不同品种的加工物，工艺上需要不同的加工速度。速度给定可以来自一个模拟电压、一个电位器输出，但最好来自一个数字给定。数字给定有较高的精度，可以存储和运算，不存在漂移的问题。,3.具有张力辊的多电机同步调速 图8-5所示为印染设备上广泛使用的带有张力辊的多电机同步调速系统。为了简化,这里仅画出了二台变频器VF1和VF2,其中VF1为主变频器,VF2为从变频器。张力辊的上下运动在从变频器上产生了一个附加频率给定,附加频率给定与主频率给定*相加(在变频器内相加)形成从变频器的频率给定,从变频
10、器跟随主变频器,保证v1=v2(忽略织物的伸长)。如果v1v2,张力辊上升,如果v1v2,张力辊下降,张力辊的上下运动引起调整附加频率给定的大小和极性,使v2的速度得到调整,最终使v1=v2。,R,图8-5 具有张力辊的多电机同步调速,张力辊还受到气缸施加的力F的作用，使织物张紧，在织物上形成了所需要的张力。正常情况下，张力辊应处于上限位与下限位之间的中间位置，为上下调节过程保留了相等的储布量，调节过程完成后，张力辊还应该回到中间位置,为下一次调整做好准备。,一条印染生产线从几个机台到几十个机台不等，其中只有一台是主令机台，其余为从动机台，需要同步。根据工艺要求需要调速，但对速度的精度要求不高
11、，常常不需要速度闭环控制。大部分印染设备对动态性能的要求也不高，因而普通的V/F控制就能满足要求。,8.1.3 卷绕机械恒张力控制 织物、薄膜或线材在加工过程中,需要放卷和上卷运行,常常要求恒张力或者变张力。张力控制的方法很多,前面介绍的张力辊是一种方法,使用张力传感器进行张力闭环控制也是一种方法,下面介绍第三种方法。,如第五章介绍，通用变频器可以有两种运行模式：V/F模式和矢量控制模式。在矢量控制模式下还可以继续细分为速度模式和转矩模式。速度模式下给定量为速度，转矩随负载自动变化；转矩模式下给定量为转矩，速度随系统上下浮动。,如图8-6所示，图中变频器设定为矢量控制转矩模式，变频器给一台异步
12、电动机供电，异步电动机拖动卷绕辊将薄膜打卷。变频器的给定为转矩，在薄膜没有张紧以前，由于给定转矩大于负载转矩，电动机一直处于加速状态，直到将速度升到某一稳态值，此时薄膜被适当张紧，电动机的输出转矩与薄膜张力决定的负载转矩相平衡。此时电动机的速度稳定在整个系统的运行速度（由主令机台决定的系统速度）。如果系统速度上升，则卷绕速度上升；如果系统速度下降，则卷绕速度随之下降，速度随系统浮动，转矩总等于给定转矩。,R,图8-6 矢量控制变频器转矩控制模式张力控制,R,这种张力控制方法不需要张力辊,不需要张力传感器,只需要一台高性能的变频器。它的张力控制的精度取决于变频器的转矩控制精度。,如果为了卷绕整齐
13、和密实，需要内紧外松，张力给定F可以根据卷径D的变化而不断修正，如图8-7所示,随着卷径D的变大张力F越来越小。,8.2 电力拖动位置控制系统 8.2.1 位置控制系统概述 位置控制系统又称位置随动系统(position follower)或伺服系统(servo drives)。在很多电气传动中，控制的目的是对象空间的位置或者电动机的轴位。例如，车床刀架的精确位置控制是精密加工的关键；机器人关节的轴位控制是末端运动轨迹插补的关键。10kW以下的小容量电伺服系统对机床进給控制或机器人位置控制特别有用。实际上凡是需要机械运动的场合，无论是工业上的加工设备，还是运输工具，是化工厂、发电厂的执行阀，还
14、是飞行器上的操纵面，都能发现位置伺服控制在应用。,伺服（servo）一词意味着“伺候”和“服从”，具有音译和义译双重含义。广义伺服系统泛指输出量快速而准确的复现给定量，这个给定量可以是位置和位置以外的其它物理量；狭义的伺服系统则专指位置闭环控制的位置伺服。,如果位置输入信号是机械信号，例如从一个小的机械模型的轮廓得到的位置信号作为输入信号，据此机床复制一个大的零部件出来,此时的控制系统称为“位置随动系统”。但是，多数情况下位置给定输入信号和位置反馈信号都是电信号。,在转速、电流双闭环调速系统的基础上,再增设一个位置控制外环,便形成三环控制的位置伺服系统,如图8-8所示。图中电机MS为永磁同步电
15、机,位置调节器APR就是位置环的校正装置,其输出限幅值决定着电机的最高转速。,图8-8 三环位置伺服系统 APR位置调节器 ASR转速调节器 ACR电流调节器 D微分环节 UI逆变器 BQ位置检测单元,多环控制系统调节器的设计方法是从内环到外环,逐个设计每个环的调节器。逐环设计可以保证每个环节都是稳定的,从而保证了整个系统的稳定性。当电流环和转速环内的对象参数变化或受到扰动时,电流反馈和转速反馈能起到及时的抑制作用,使之对位置环的影响很小。通过适当地设置各级给定值,中间变量可以被限幅。在诊断和现场调试时可以将外环打开,简化调试和诊断过程。,这样逐环设计的唯一不足之处是对各级给定的响应由内到外逐
16、级慢了下来,外环的等效时间常数至少是内环的2倍。结果,当位置给定随时间变化时,系统可能展现出较大的动态位置误差。,8.2.2 电梯位置控制系统 图8-9示出了一种可能的电梯位置控制方案。,R,图8-9 电梯多环位置控制 APR位置调节器 ASR转速调节器 AAR加速度调节器 ACR电流调节器（转矩调节器）BQ位置检测 D微分环节 FBS速度检测 UI逆变器 MS永磁同步电机,这里引入了一个给定信号发生器,根据位置设定信号xset、轿厢重量和选定的数学模型,给定信号发生器能产生电梯多环位置控制所需要的一组给定信号,它们是位置给定信号x*、速度给定信号*、加速度给定信号a*,这一组给定信号是协调的(如图8-9上面的一族曲线所示),它既能使电梯高速运行,又能使乘客感觉舒适,还要平层准确。位置调节器产生附加转速给定信号*,转速调节器产生附加加速度给定信号a*。,这一组前馈给定信号改善了控制精度,从而可以根据电梯当前的运行状态(x,a)0准确地预测停车距离。它使电梯在高速运行中可以随时决定是否响应前面某一层的乘
