《运动控制系统》知识要点

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1、运动控制系统知识要点 第 页（共 7 页） 1 运动控制系统运动控制系统知识要点知识要点 PH.D 戴卫力戴卫力 CH1 CH1 闭环控制的直流调速系统闭环控制的直流调速系统 直流调速公式的推想直流调速公式的推想 eK IRU n eeKC 调节电枢电压 U； 弱磁（只能弱，升磁会导致磁饱和） ； 改变电枢回路电阻 R 属无级调速的为和；有级调速的为；调速范围小的 因此，采用的最多的是。 1.1 加在直流电机电枢绕组上的直流电源 类型：旋转变流机组、静止式可控整流器、PWM 控制变换器 抑制电流脉抑制电流脉动的措施动的措施： 1）增加整流电路相数，或采用多重化技术。 2）设置平波电抗器。 V-

2、M 系统电流工作在断续时，有两个显著的特点：一是机械特性变软；二是理 想空载转速高。 不可逆 PWM 变换器中，加在电机两端的端电压是_ 桥式可逆 PWM 变换器的输出平均电压为(2D-1)Us（D=ton/T） 调速系统的稳态性能指标： 调速范围 D：电动机提供的最高转速 maxn和最低转速min n之比； minmax/nnD 注意的是：这里的最高和最低转速是指电动机额定负载时的最高和最低转速。 静差率 S：负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落 Nn，与理想空 载转速 0n之比； 0/nnsN 机械特性越硬，静差率越小，转速的稳定性就越高。 一般以电动机的额定转速 Nn作为最高转速

3、。 为什么说只要当调速范围和静差率同时提才有意义？并且静差率指标应以最 低速时所能达到的数值为准。 直流变压调速系统中调速范围、静差率和额定速降之间的关系： 运动控制系统知识要点 第 页（共 7 页） 2 )1 (sn sn D N N 闭环调速系统的静特性表示闭环系统电动机转速与负载电流间的稳态关系。 e d C RIU n e d N C RI n 转速负反馈直流调速系统转速负反馈直流调速系统 Un*A Un UnUPEUc MUd Id TGUtg n nnUUUn * npcUKU csdoUKU e dd C RIU n 0 nUn 则转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式 )1

4、()1 ()/1 ( * KC RI KC UKK CKKC RIUKK n e d e nsp espe dnsp 其中， espCKKK/ ，闭环系统的开环传递函数。 稳态结构图稳态结构图 开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系： 1）闭环系统的静特性比开环系统的机械特性硬的多； K n n op cl 1 2）闭环系统的静差率要比开环系统小的多 K s s op cl 1 3）如果所要求的静差率一定，闭环系统可以大大提高调速范围。 opclDKD)1 ( 反馈控制规律：反馈控制规律： 1）只用比例放大器的反馈控制系统，其被调量仍有静差。 2）反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定。 反

5、馈控制系统所能抑制的只是被反馈环包围的前向通道上的扰动。 运动控制系统知识要点 第 页（共 7 页） 3 3）系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度。 闭环闭环直流调速系统稳态参数的计算直流调速系统稳态参数的计算 电流截止负反馈电流截止负反馈 造成电流很大有 2 种情况： 1）启动时，由于转速很低，造成电枢电流很大 2）遇到堵转时 电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻 挖土机特性：截止电流应大于电机的额定电流， NdcrII)2 . 11 . 1 ( 系统的稳定性判断 PI 调节器的设计 比例积分控制规律和无静差调速系统 积分控制可以使系统在无静差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速。

6、 比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状，而积分调节器的输出则包含了 输入偏差量的全部历史。 比例部分的作用是增强快速性。积分部分是消除稳态误差。 电压反馈电流补偿控制的直流调速系统 电压反馈+电流前馈 电流正反馈的作用又称作电流补偿控制 只有电流正反馈的调速系统的临界稳定条件正是其静特性的全补偿条件。过补 偿是不稳定的。 电流正反馈可以用来补偿一部分静差，以提高调速系统的稳态性能。但指望电 流正反馈来实现无静差，因为这时系统已达到稳定的边缘。 CHCH2 2 闭环控制的直流调速系统闭环控制的直流调速系统 转速、电流双闭环和带电流截止负反馈的转速单闭环系统之间有什么区别？ 起动过程分为 3

7、个阶段，分别为电流上升阶段，恒流升速阶段以及转速调节阶 段。 双闭环直流调速系统的起动过程有 3 个特点： 1）饱和非线性控制 2）转速超调 3）准时间最优控制 抗负载扰动只能靠转速调节器来限制 电网电压扰动电流环和转速环都起到抗扰的作用。 转速和电流调节器的作用： 转速调节器的作用 1）实现转速无静差；2）对负载变化起抗扰作用； 运动控制系统知识要点 第 页（共 7 页） 4 2）其输出限幅决定电动机允许的最大电流。 电流调节器的作用 1）电流跟随转速环的输出；2）对电网电压的波动及时起到抗扰作用； 2）在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，加快动态过程。 3）电动机过载或堵转时，

8、限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。 调节器的工程设计方法 典型型系统： ) 1( )( Tss K sW 典型型系统： ) 1( ) 1( )( 2 Tss sK sW 控制系统的动态性能指标： 跟随性能指标：上升时间，超调量与峰值时间、调节时间 抗扰性能指标：动态降落，恢复时间 一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主，而随动系统的动态指标则以 跟随性为主。 一般来说，在动态性能上典型系统可以在跟随性上做到超调量小，但抗扰性能 较差；而典型 型系统的超调量相对较大，抗扰性能较好。 如果系统要求有良好的跟随性能，可按典型型系统设计；如果主要要求有良 好的抗扰性能。 设计计算 1、明

9、确校正后系统的类型 2、对不满足典型系统的进行典型化处理（传递函数的近似处理） 1）高频段小惯性环节的近似处理 2）高阶系统的降阶处理 3）低频大惯性环节的处理 （一般校正成典型型系统才用到） s sK sW ) 1( )( 3、根据校正目标系统传递函数，选择调节器结构传函 4、根据具体性能指标进行参数计算 型系统：西门子的最佳整定方法，二阶最佳系统5 . 0KT或 cK 型系统：中频宽5h，hT， 22 2 1 Th h K ， 中频宽的定义 12/h，cK1 Ch3 直流调速系统直流调速系统的的数字控制数字控制 （1）量化精度的定义和采样频率选择）量化精度的定义和采样频率选择 运动控制系统

10、知识要点 第 页（共 7 页） 5 量化精度 K=（计算机内部存储值）/物理量的实际值，见书例题 香浓采样定理：采样频率应不小于信号最高频率的 2 倍，才能使原信号不发生 明显畸变。 数字测速和滤波数字测速和滤波 常见的测速装置有直流测速发电机、旋转编码器、位置霍尔传感器、光电编码 盘等。常见的数字测数方法有 3 种，分别为 M 法、T 法和 M/T 法。 M 法：在一定的测试时间内，读取测速装置输出的脉冲个数 M，转速越高，M 越大，速度测量越精确。此测速方法适合测试高速段。 T 法：在测速装置输出的相邻脉冲的时间间隔内，对已知频率 f0的高频时钟脉 冲进行计数，当转速较低时，频率 f0的高

11、频脉冲数目增加，测量精度提高。 M/T 法：应保证高频时钟脉冲计数器与旋转编码器输出脉冲计数器同时开启与 关闭，以减小误差。该测速方法能适用的转速范围明显扩大，是目前广泛应用的一 种测速方法。 数字测速方法的精度指标数字测速方法的精度指标 （1）分辨率分辨率：在数字测速方法中，改变一个计数字所对应的转速变化量来表 示分辨率。 （2）测速误差率：）测速误差率：转速实际值和测量值之差与实际值之比定义为测速误差率。 数字滤波： （1）算术平均值滤波； （2）中值滤波； （3）中值平均滤波 数字 PI 调节器有位置式和增量式。位置式 PI 调节器的结构清晰，P 和 I 两部 分作用分明，但计算复杂，需

12、计算过去所有的偏差。而增量式 PI 调节器算法只需 要当前和上一拍的偏差即可计算输出的偏差量。为安全起见，需对调节器的输出实 行限幅。增量式 PI 调节器算法只需输出限幅，而位置式必须同时设积分限幅和输 出限幅。 Ch4 可逆直流调速系统和位置随动系统可逆直流调速系统和位置随动系统 有环流控制的 V-M 系统：由正组变流器 VF 与反组变流器 VR 构成。在控制上 需注意： （1）VF 与 VR 必须不能同时工作在整流或逆变状态； （2） 根据电动机的运行状态和电枢电流流向来判定哪组变流器参与工作， 并推知变流器的 工作状态，电机反电势与变流器输出电压之间的关系； （选择） 环流产生的本质是正

13、组变流器与反组变流器的输出直流电压之间存在电压差。 若： （1）输出平均电压不等（引起直流平均环流） 则应使 dofrdUU0，所以 0 180 fr或rf，即配合控制 运动控制系统知识要点 第 页（共 7 页） 6 （2）输出瞬时电压不等（引起瞬时脉动环流） 消除瞬时脉动环流，可采用无环流控制。按照实现无环流控制原理的不同， 无环流可逆系统又有两大类：逻辑控制无环流系统和错位控制无环流系统。 为什么对于为什么对于配合控制，我们还称之为有环流系统？如何抑制环流？配合控制，我们还称之为有环流系统？如何抑制环流？ Ch5 异步电机调速异步电机调速 按照交流异步电动机的原理， 从定子传入转子的电磁功

14、率 mP可分为两部分： 一 部分 mmechPsP)1 ( 是拖动负载的有效功率，称作机械功率；另一部分 mssPP 是 传输给转子电路的转差功率。转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价 调速系统效率高低的标志。从这点出发，可把异步电机调速系统分为三类： （1）转差功率消耗型 降电压调速、转差离合器调速、转子串电阻调速 （2）转差功率馈送型 绕线转子电动机串级调速、双馈电动机调速 （3）转差功率不变型 变极对数调速、变压变频调速 异步电动机的功率和转矩异步电动机的功率和转矩 （1）功率关系 从电网输入有功功率: 11111cosIUmP ; 进入转子的电磁功率： FecumppPP11

15、 转化成总机械功率： mcucumPSp S S pPr S S ImP)1 ( 1 ) 1 ( 22 2 2 21 从轴上输出的有效机械功率： pPpppppPppPPFecucu12112)( 效率：%100)1 (%100 11 2 P p P P 其中： 1cup 是消耗在定子绕组上的铜耗， Fep 是消耗在定子上的铁耗， 2cup 是 消耗在转子绕组上的铜耗， p为机械损耗，p为定转子开槽等引起的附加损耗。 （2）转矩关系 转矩平衡方程： 02TTTm 空载转矩： pp TTT0 电磁转矩： 11)1 ( m m P S PP T 例题 1： 某三相六极 50Hz 感应电动机，kWPN28，VUN380，min/950rnN， 88. 0cos N。已知额定运行时各项损耗为kWPcu11， WPFe500，WP800 ， 运动控制系统知识要点 第 页（共 7 页） 7 WP50 ，试求额定运行时的： （1）转差率； （2）转子铜耗； （3）效率； （4）定子 电流； （5）转子电流频率。 解： （1）同步转速：10003/5060/60 1pfn （r/min） 则额