运动控制系统20

《运动控制系统20》由会员分享，可在线阅读，更多相关《运动控制系统20（55页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、第二十讲第二十讲运动控制系统运动控制系统复习复习第一章第一章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统v直流调速方法直流调速方法（1）调节电枢供电电压）调节电枢供电电压 U；（2）减弱励磁磁通）减弱励磁磁通 ；（3）改变电枢回路电阻）改变电枢回路电阻 R。三种调速方法的性能与比较三种调速方法的性能与比较 对于要求在一定范围内无级平滑调速的系对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以统来说，以调节电枢供电电压调节电枢供电电压的方式为最好。的方式为最好。改变电阻改变电阻只能有级调速；只能有级调速；减弱磁通减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在

2、基速（即不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。常用的可控直流电源常用的可控直流电源旋转变流机组旋转变流机组用交流电动机和直流发电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。机组成机组，以获得可调的直流电压。静止式可控整流器静止式可控整流器用静止式的可控整流用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。器，以获得可调的直流电压。直流斩波器或脉宽调制变换器直流斩波器或脉宽调制变换器用恒定直用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子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，以产生可变开关

3、器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压的平均电压V-M系统的特点系统的特点 晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性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。示出较大的优越性。在控制作用的快速性上，变流机组是秒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级，而晶闸管整流器是毫秒级,这将大大这将大大提高系统的动态性能提高系统的动态性能V-M系统的问题系统的问题 由于晶闸管的单向导电性，它不由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。成困难。晶闸

4、管对过电压、过电流和过高晶闸管对过电压、过电流和过高的的dV/dt与与di/dt 都十分敏感，若超过都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。允许值会在很短的时间内损坏器件。由谐波与无功功率引起电网电压由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造波形畸变，殃及附近的用电设备，造成成“电力公害电力公害”。直流斩波器或脉宽调制变换器直流斩波器或脉宽调制变换器斩波电路三种控制方式斩波电路三种控制方式T 不变，变不变，变ton 脉冲宽度调制脉冲宽度调制(PWM）；）；ton不变，变不变，变 T 脉冲频率调制脉冲频率调制(PFM）；）；ton和和 T 都可调，改变占空比都可调，改

5、变占空比混合型。混合型。PWM系统的优点系统的优点（1）主电路线路简单，需用的功率器件少；）主电路线路简单，需用的功率器件少；（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；机损耗及发热都较小；（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达可达1:10000左右；左右；（4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；动态响应快，动态抗扰能力强；（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，

6、开关损耗也不大，耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；因而装置效率较高；（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。数比相控整流器高。整流与逆变状态整流与逆变状态当当 0 0，晶闸管，晶闸管装置处于装置处于整流状态整流状态，电功率从交流侧，电功率从交流侧输送到直流侧；输送到直流侧；当当 /2 max 时，时，Ud0 0，装置处于装置处于有源逆变状态有源逆变状态，电功率反向，电功率反向传送。传送。抑制电流脉动的措施抑制电流脉动的措施设置平波电抗器；设置平波电抗器；增加整流电路相数；增加整流电路相数；采用多重化技术采用多重化技术

7、晶闸管晶闸管-电动机系统的机械特性电动机系统的机械特性电流连续电流连续电流断续电流断续V-M系统机械特性的特点系统机械特性的特点当电流连续时，特性还比较硬；当电流连续时，特性还比较硬；断续段特性则很软，而且呈显著的非断续段特性则很软，而且呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高。线性，理想空载转速翘得很高。晶闸管触发和整流装置的传递函数晶闸管触发和整流装置的传递函数简单的不可逆简单的不可逆PWM变换器变换器有制动的不可逆有制动的不可逆PWM变换器电路变换器电路桥式可逆桥式可逆PWM变换器变换器（1）电流一定连续；）电流一定连续；（2）可使电机在四象限运行；）可使电机在四象限运行；（3）电机停止时有

8、微振电流，能消除静摩擦死区；）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；（4）低速平稳性好，系统的调速范围可达）低速平稳性好，系统的调速范围可达1:20000左左右；右；（5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。于保证器件的可靠导通。在工作过程中，在工作过程中，4个开关器件个开关器件可能都处于开关状态，开关可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置臂的驱动脉冲之间，应设置逻

9、辑延时。逻辑延时。PWM控制与变换器控制与变换器的数学模型的数学模型电能回馈与泵升电电能回馈与泵升电压的限制压的限制泵升电压形成的原因泵升电压形成的原因;抑制泵升电压的方法抑制泵升电压的方法控制要求控制要求（1）调速；）调速；（2）稳速；）稳速；（3）加、减速）加、减速调速指标调速指标调速范围调速范围静差率静差率调速范围、静差率和额定速降的关系调速范围、静差率和额定速降的关系开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系（1）闭环系统静性可以比开环系统机械特性硬）闭环系统静性可以比开环系统机械特性硬得多。得多。（2）如果比较同一的开环和闭环系统，则闭）如果比较同一

10、的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要小得多环系统的静差率要小得多（3）当要求的静差率一定时，闭环系统可以）当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围大大提高调速范围（4）要取得上述三项优势，闭环系统必须设）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器置放大器反馈控制规律的特点反馈控制规律的特点1.被调量有静差被调量有静差2.抵抗扰动抵抗扰动,服从给定服从给定3.系统的精度依赖于给定和反馈系统的精度依赖于给定和反馈检测精度检测精度直流电动机的传递函数直流电动机的传递函数 1/CeUd0IdL(s)EId(s)Un+-1/R Tl s+1 R Tms控制与检测环节的传递函数控制与检测环节的

11、传递函数放大器放大器测速反馈测速反馈闭环调速系统的动态结构图闭环调速系统的动态结构图n(s)U*n(s)IdL(s)Uct(s)Un(s)+-KsTss+1KP1/Ce TmTl s2+Tms+1+-R(Tl s+1)Ud0(s)反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件静态性能指标：闭环系统的开环增益越大越好；静态性能指标：闭环系统的开环增益越大越好；动态性能分析：为了保证系统的稳定性，闭环系统的开环增益却不宜太大。动态性能分析：为了保证系统的稳定性，闭环系统的开环增益却不宜太大。必须通过动态校正的方法来解决动态与静态的矛盾。必须通过动态校正的方法来解决动态与静态的

12、矛盾。积分调节器积分调节器采用积分调节器，当采用积分调节器，当转速在稳态时达到与转速在稳态时达到与给定转速一致，系统给定转速一致，系统仍有控制信号，保持仍有控制信号，保持系统稳定运行，实现系统稳定运行，实现无静差调速。无静差调速。比例与积分控制的比较比例与积分控制的比较比例积分控制规律比例积分控制规律比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。比例点，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。差。稳

13、态参数计算稳态参数计算第二章第二章 双闭环直流调速系统和工程双闭环直流调速系统和工程设计方法设计方法转速、电流双闭环直流调速系统的组成转速、电流双闭环直流调速系统的组成转速调节器转速调节器ASR的输出限幅电压的输出限幅电压U*im决定决定了电流给定电压的最大值；了电流给定电压的最大值；电流调节器电流调节器ACR的输出限幅电压的输出限幅电压Ucm限制限制了电力电子变换器的最大输出电压了电力电子变换器的最大输出电压Udm。系统稳态结构图系统稳态结构图两个调节器的作用两个调节器的作用双闭环调速系统的静特性在负载电流小于双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈时表

14、现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。起主要调节作用。当负载电流达到当负载电流达到 Idm 后，转速调节器饱和，后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。流无静差，得到过电流的自动保护。稳态参数计算稳态参数计算转速转速 n 是由给定电压是由给定电压U*n决定的；决定的；ASR的输出量的输出量U*i是由负载电流是由负载电流 IdL 决定的；决定的；控制电压控制电压 Uc 的大小则同时取决于的大小则同时取决于 n 和和 Id，或者说，同时取决于，或者说，同时取决于U*n 和和 IdL图图2-6 双闭环直

15、流调速系统的动态结构图双闭环直流调速系统的动态结构图 U*n Uc-IdLnUd0Un+-+-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E系统动态结构系统动态结构数学模型数学模型转速调节器转速调节器电流调节器电流调节器起动过程起动过程第第 I 阶段阶段 电流上升阶段电流上升阶段第第 II阶段阶段 恒流升速阶段恒流升速阶段第第阶段阶段 转速调节阶段转速调节阶段起动过程的特点起动过程的特点（1）饱和非线性控制；）饱和非线性控制；（2）转速超调；）转速超调；（3）准时间最优控制）准时间最优控制转速调节器的作用转速调节器的作用1）调速系统的主导调节器

16、，）调速系统的主导调节器，跟随给定电压变化，稳态时跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差。可减小转速误差。2）对负载变化起抗扰作用。）对负载变化起抗扰作用。3）其输出限幅值决定电机允）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。许的最大电流。电流调节器的作用电流调节器的作用1）在转速的调节过程中，使电）在转速的调节过程中，使电流跟随外环调节器的输出量变化。流跟随外环调节器的输出量变化。2）对电网电压波动起抗扰作用。）对电网电压波动起抗扰作用。3）动态过程中，加快动态过程。）动态过程中，加快动态过程。4）当电机过载和堵转时，限制）当电机过载和堵转时，限制电枢电流，起快速保护作用。电枢电流，起快速保护作用

17、。跟随性能指标跟随性能指标抗扰性能指标抗扰性能指标tr 上升时间上升时间 超调量超调量ts 调节时间调节时间5%（或2%）0 Otrts5%（或2%）O tmtvCb Cmax 动态降落动态降落tv 恢复时间恢复时间典型典型 I 型系统在跟随性能上可以型系统在跟随性能上可以做到超调小，但抗扰性能稍差，做到超调小，但抗扰性能稍差，典型典型型系统的超调量相对较型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。大，抗扰性能却比较好。两种系统比较两种系统比较非典型系统的典型化非典型系统的典型化调节器结构的选择调节器结构的选择高频段小惯性环节的近似处理高频段小惯性环节的近似处理高阶系统的降阶近似处理高阶系统的降

18、阶近似处理低频段大惯性环节的近似处理低频段大惯性环节的近似处理系统设计的一般原则系统设计的一般原则先内环后外环先内环后外环电流调节器的设计电流调节器的设计1.电流环结构图的简化：电流环结构图的简化：1）忽略反电动势的动态影响忽略反电动势的动态影响 2）等效成单位负反馈系统）等效成单位负反馈系统 3）小惯性环节近似处理）小惯性环节近似处理2.电流调节器结构的选择（电流环应以跟随性能为主，电流调节器结构的选择（电流环应以跟随性能为主，应选用典型应选用典型I型系统）型系统）3.电流调节器的参数计算电流调节器的参数计算4.电流调节器的实现电流调节器的实现转速调节器的设计转速调节器的设计1.电流环的等效

19、闭环传递函数电流环的等效闭环传递函数 （传递函数化简传递函数化简）2.转速调节器结构的选择转速调节器结构的选择 1）系统等效和小惯性的近似处理）系统等效和小惯性的近似处理 2）转速环结构简化）转速环结构简化 3）转速调节器选择（转速调节器选择（典型典型 型系型系统）统）3.转速调节器参数的选择转速调节器参数的选择 4.转速调节器的实现转速调节器的实现恒转矩调速方式恒转矩调速方式在调压调速范围内，因为励磁磁通不在调压调速范围内，因为励磁磁通不变，容许的转矩也不变，称作变，容许的转矩也不变，称作“恒转恒转矩调速方式矩调速方式”。恒功率调速方式恒功率调速方式在弱磁调速范围内，转速越高，磁通越弱，在弱

20、磁调速范围内，转速越高，磁通越弱，容许的转矩不得不减少，转矩与转速的乘积容许的转矩不得不减少，转矩与转速的乘积则不变，即容许功率不变，是为则不变，即容许功率不变，是为“恒功率调恒功率调速方式速方式”。电枢电压与励磁配合控制特性电枢电压与励磁配合控制特性PTeUnOTeNnNnmax变电压调速变电压调速弱磁调速弱磁调速UNU第三章第三章 直流调速系统的数字化直流调速系统的数字化数字控制的主要特点数字控制的主要特点离散化离散化和和数字化数字化离散化和数字化的负面效应离散化和数字化的负面效应（1）A/D转换的量化误差转换的量化误差（2）D/A转换的滞后效应转换的滞后效应数字测速指标数字测速指标（1）

21、分辩率）分辩率（2）测速精度）测速精度（3）检测时间）检测时间 Tc数字测速方法数字测速方法1.旋转编码器旋转编码器2.测速原理测速原理（1）M法法脉冲直接计数方法；脉冲直接计数方法；（2）T 法法脉冲时间计数方法；脉冲时间计数方法；（3）M/T法法脉冲时间混合计数方法脉冲时间混合计数方法M法测速只适用于高速段法测速只适用于高速段T法测速适用于低速段法测速适用于低速段PI调节器的差分方程调节器的差分方程位置式算法位置式算法增量式算法增量式算法积分分离算法积分分离算法其中 为一常值。能有效抑制振荡，或减小超调，常用于转速调节器能有效抑制振荡，或减小超调，常用于转速调节器。智能型智能型PI调节器调

22、节器专家系统专家系统模糊控制模糊控制神经网络控制神经网络控制智能控制特点智能控制特点：控制算法不依赖或不完全依赖于对象模型，因而系统具有控制算法不依赖或不完全依赖于对象模型，因而系统具有较强的鲁棒性较强的鲁棒性和和对环境的对环境的适应性适应性。第四章第四章 可逆直流调速系统可逆直流调速系统（1）V-M系统的可逆线路可分为两大类：系统的可逆线路可分为两大类：电枢反接可逆线路电枢反接可逆线路电枢反接反向过程快，电枢反接反向过程快，但需要较大容量的晶闸管装置；但需要较大容量的晶闸管装置；励磁反接可逆线路励磁反接可逆线路励磁反接反向过程慢，励磁反接反向过程慢，控制相对复杂，但所需晶闸管装置容控制相对复

23、杂，但所需晶闸管装置容量小。量小。（2）每一类线路又可用不同的换向方式：）每一类线路又可用不同的换向方式：接触器切换线路接触器切换线路适用于不经常正反转的适用于不经常正反转的生产机械；生产机械；晶闸管开关切换线路晶闸管开关切换线路适用于中、小功率适用于中、小功率的可逆系统；的可逆系统；两组晶闸管反并联线路两组晶闸管反并联线路适用于各种可逆适用于各种可逆系统。系统。V-M系统反并联可系统反并联可逆线路的工作状态逆线路的工作状态V-M系统的工作状态系统的工作状态正向运行正向运行正向制动正向制动反向运行反向运行反向制动反向制动电枢端电压极性电枢端电压极性+电枢电流极性电枢电流极性+电机旋转方向电机旋

24、转方向+电机运行状态电机运行状态电动电动回馈发电回馈发电电动电动回馈发电回馈发电晶闸管工作的组别和状态晶闸管工作的组别和状态正组整流正组整流反组逆变反组逆变反组整流反组整流正组逆变正组逆变机械特性所在象限机械特性所在象限一一二二三三四四环流的定义环流的定义采用两组晶闸管反并联的可逆采用两组晶闸管反并联的可逆V-M系统，如果两组装置的整流电压同系统，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流流，称作环流，称作环流环流的环流的两重性两重性危害危害：一般地说，这样的环流对负载无益，徒然加重晶闸管和

25、变一般地说，这样的环流对负载无益，徒然加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率，环流太大时会导致晶闸管损坏，因此应压器的负担，消耗功率，环流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除。该予以抑制或消除。利用利用：只要合理的对环流进行控制，保证晶闸管的安全工作，可只要合理的对环流进行控制，保证晶闸管的安全工作，可以利用环流作为流过晶闸管的基本负载电流，使电动机在空载或以利用环流作为流过晶闸管的基本负载电流，使电动机在空载或轻载时可工作在晶闸管装置的电流连续区，以避免电流断续引起轻载时可工作在晶闸管装置的电流连续区，以避免电流断续引起的非线性对系统性能的影响。的非线性对系统性能的影响。环流的分类环流

26、的分类（1）静态环流）静态环流两组可逆线路在一定控制角下稳定工作时出现的环两组可逆线路在一定控制角下稳定工作时出现的环流，其中又有两类：流，其中又有两类：直流平均环流直流平均环流由晶闸管装置输出的直流平均电压所产生的环流由晶闸管装置输出的直流平均电压所产生的环流称作直流平均环流。称作直流平均环流。瞬时脉动环流瞬时脉动环流两组晶闸管输出的直流平均电压差为零，但因电两组晶闸管输出的直流平均电压差为零，但因电压波形不同，瞬时电压差仍会产生脉动的环流，称作瞬时脉动环流。压波形不同，瞬时电压差仍会产生脉动的环流，称作瞬时脉动环流。（2）动态环流）动态环流仅在可逆仅在可逆V-M系统处于过渡过程中出现的环流

27、。系统处于过渡过程中出现的环流。直流平均环流直流平均环流与配合控制与配合控制采用采用封锁触发脉冲封锁触发脉冲的方法，在任何时候，只允许一组晶闸管装置的方法，在任何时候，只允许一组晶闸管装置工作工作采用采用配合控制配合控制的策略，使一组晶闸管装置工作在整流状态，另一的策略，使一组晶闸管装置工作在整流状态，另一组则工作在逆变状态组则工作在逆变状态配合控制的条件配合控制的条件 f r配合控制方法配合控制方法将两组晶闸管装置的触发脉冲零位都定在将两组晶闸管装置的触发脉冲零位都定在90，即，即当控制电压当控制电压 Uc=0 时，使时，使 f=r=90，此时此时 Ud0f=Ud0r=0，电机处于停止状态。

28、，电机处于停止状态。增大控制电压增大控制电压Uc 移相时，只要使两组触发装置的控制电移相时，只要使两组触发装置的控制电压大小相等符号相反就可以了压大小相等符号相反就可以了 =配合控制电路配合控制电路 =配合控制特性配合控制特性 90o rmin180o 0oUcm90o0o 180o fmin fmin rmin r fCTRCTFUc1Uc-Ucm =控制的控制的工作状态工作状态待整流状态待整流状态 当逆变组当逆变组工作时，另一组在等待整工作时，另一组在等待整流，称流，称“待整流状态待整流状态”。待逆变状态待逆变状态 逆变组除逆变组除环流外并未流过负载电流，环流外并未流过负载电流，它只是处于

29、它只是处于“待逆变状态待逆变状态”，表示该组晶闸管装置，表示该组晶闸管装置是在逆变角控制下等待工是在逆变角控制下等待工作作瞬时脉动环流的产生瞬时脉动环流的产生正组整流电压和反组逆变电压之间的瞬时电压差正组整流电压和反组逆变电压之间的瞬时电压差瞬时脉动环流的抑制瞬时脉动环流的抑制在环流回路中串入电抗器，叫做在环流回路中串入电抗器，叫做环流电抗器环流电抗器，或称均衡电抗器，或称均衡电抗器环流电抗的大小可以按照把瞬时环流的直流分量限制在负载额环流电抗的大小可以按照把瞬时环流的直流分量限制在负载额定电流的定电流的5%10%来设计来设计制动过程制动过程I.本组逆变阶段本组逆变阶段II.它组制动阶段它组制

30、动阶段 它组建流子阶段；它组建流子阶段；它组逆变子阶段；它组逆变子阶段；反向减流子阶段反向减流子阶段无环流控制的可逆晶闸管无环流控制的可逆晶闸管-电动机系统电动机系统逻辑控制无环流系统逻辑控制无环流系统错位控制无环流系统错位控制无环流系统第五章第五章 异步电机调压调速系统异步电机调压调速系统交流拖动控制系统的应用领域交流拖动控制系统的应用领域一般性能的节能调速一般性能的节能调速 高性能的交流调速系统和伺服系统高性能的交流调速系统和伺服系统 特大容量、极高转速的交流调速特大容量、极高转速的交流调速交流调速系统的主要类型交流调速系统的主要类型降电压调速；降电压调速；转差离合器调速；转差离合器调速；

31、转子串电阻调速；转子串电阻调速；绕线电机串级调速或双馈电机调速；绕线电机串级调速或双馈电机调速；变极对数调速；变极对数调速；变压变频调速变压变频调速按电动机的能量转换类型分类按电动机的能量转换类型分类1.转差功率消耗型调速系统转差功率消耗型调速系统2.转差功率馈送型调速系统转差功率馈送型调速系统3.转差功率不变型调速系统转差功率不变型调速系统异步电动机变压调速系统异步电动机变压调速系统异步电动机等效电路异步电动机等效电路图图5-3 异步电动机的稳态等效电路异步电动机的稳态等效电路 Us1RsLlsLlrLmRr/sIsI0IrLm电流公式电流公式转矩公式转矩公式电磁转矩与定子电压的平方成正比电

32、磁转矩与定子电压的平方成正比最大转矩公式最大转矩公式变压调速系统的特点变压调速系统的特点静特性左右两边都有极限，不能无限延长，它们是额定电静特性左右两边都有极限，不能无限延长，它们是额定电压压UsN 下的机械特性和最小输出电压下的机械特性和最小输出电压Usmin 下的机械特性。下的机械特性。当负载变化时，如果电压调节到极限值，闭环系统便失去当负载变化时，如果电压调节到极限值，闭环系统便失去控制能力，系统的工作点只能沿着极限开环特性变化。控制能力，系统的工作点只能沿着极限开环特性变化。近似动态结构图近似动态结构图WFBS(s)U*n(s)Un(s)Uc(s)-n(s)WASR(s)WGT-V(s

33、)WMA(s)Us(s)转速调节器转速调节器交流调压器和触发装置交流调压器和触发装置测速反馈环节测速反馈环节异步电机近似的传递函数异步电机近似的传递函数v由于它是偏微线性化模型，只能用于机械特性线性段上工作点附近的稳定性判别和动由于它是偏微线性化模型，只能用于机械特性线性段上工作点附近的稳定性判别和动态校正，不适用于起制动时转速大范围变化的动态响应。态校正，不适用于起制动时转速大范围变化的动态响应。由于它完全忽略了电磁惯性，分析与计算有很大的近似性由于它完全忽略了电磁惯性，分析与计算有很大的近似性第六章第六章 异步电机变压变频调速系统异步电机变压变频调速系统变压变频调速的变压变频调速的基本控制

34、方式基本控制方式保持电机中每极磁通量保持电机中每极磁通量 m为额定值不变为额定值不变。如果。如果磁通太弱，没有充磁通太弱，没有充分利用电机的铁心分利用电机的铁心，是一种浪费；如果，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机电机。基频以下调速基频以下调速恒值电动势频率比的控制方式恒值电动势频率比的控制方式恒压频比的控制方式恒压频比的控制方式（低频电压补偿）（低频电压补偿）基频以上调速基频以上调速定子电压定子电压Us却不可能超过额定却不可能超过额定电压电压UsN，最

35、多只能保持，最多只能保持s=UsN，这将迫使磁通与频率，这将迫使磁通与频率成反比地降低成反比地降低f1N恒转矩调速恒转矩调速UsNmNm恒功率调速恒功率调速mUsf1O机械特性机械特性恒压恒频正弦波供电恒压恒频正弦波供电nn0sTe010TesmTemaxTemax恒压频比控制（恒压频比控制（Us/1）恒恒 Eg/1 控制控制恒恒 Er/1 控制控制恒恒 Us/1 控制控制0s10Te恒恒 Er/1 控制控制恒恒 Eg/1 控制控制c交交-直直-交和交交和交-交变压变频器交变压变频器交交-直直-交变压变频器交变压变频器变压变频变压变频(VVVF)中间直流环节中间直流环节恒压恒频恒压恒频(CVC

36、F)逆变逆变DCACAC50Hz整流整流交交-交变压变频器交变压变频器交交变频交交变频AC50HzACCVCFVVVF电压源型和电流源型逆变器电压源型和电流源型逆变器LdIdCdUdUd+-a)电压源逆变器电压源逆变器b)电流源逆变器电流源逆变器180导通型和导通型和120导通型逆变器导通型逆变器电压源型电压源型电流源型电流源型无功能量的缓冲无功能量的缓冲电容器电容器电感器电感器能量的回馈能量的回馈实现回馈制动和四实现回馈制动和四象限运行很困难象限运行很困难容易实现能量的回馈，从容易实现能量的回馈，从而便于四象限运行而便于四象限运行动态响应动态响应慢慢快快输出波形输出波形电压波形为方波，电压波

37、形为方波，电流为近似正弦波电流为近似正弦波电流波形为方波，电压为电流波形为方波，电压为近似正弦波近似正弦波应用场合应用场合多台电机同步运行多台电机同步运行快速起制动和可逆运行的快速起制动和可逆运行的单台电机单台电机项目项目180180导通型导通型120120导通型导通型导通顺序导通顺序VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6-VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6-每个开关管导通每个开关管导通180180120120触发移相触发移相60606060每次导通开关管每次导通开关管数数3个2个换相换相发生在同一桥臂的上发生在同一桥臂的上下两管中，易发生直下两管中，易发生直通现象通现象发

38、生在相邻两桥臂的发生在相邻两桥臂的元件上，无直通现象元件上，无直通现象输出电压输出电压高高低低相电压相电压两种极性两种极性PWM控制方式的比较控制方式的比较v单极性单极性PWM控制方式控制方式v双极性双极性PWM控制方式控制方式（1）自然采样法原理）自然采样法原理 利用正弦波与三角利用正弦波与三角波的自然交点，决定波的自然交点，决定脉冲输出信号极性。脉冲输出信号极性。由于采用计数器计由于采用计数器计数定时，故计数器计数定时，故计数器计数决定脉冲宽度或间数决定脉冲宽度或间歇时间。歇时间。（2）规则采样法）规则采样法 规则采样法原理规则采样法原理三角波两个正峰值之间为一个三角波两个正峰值之间为一个

39、采样周采样周期期Tc自然采样法中，自然采样法中，脉冲中点不和三角波脉冲中点不和三角波一周期的中点（即负峰点）重合一周期的中点（即负峰点）重合规则采样法使两者重合，每个脉冲的规则采样法使两者重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为中点都以相应的三角波中点为对称对称，使计算大为简化使计算大为简化在三角波的负峰时刻在三角波的负峰时刻tD 对正弦信号波对正弦信号波采样得采样得D点，过点，过 D作水平直线和三角波作水平直线和三角波分别交于分别交于A、B点，在点，在A点时刻点时刻tA和和B点时刻点时刻tB控制开关器件的通断控制开关器件的通断脉冲宽度脉冲宽度d 和用自然采样法得到的脉和用自然采样法得到的脉

40、冲宽度非常接近冲宽度非常接近规则采样法原理规则采样法原理正弦调制信号波正弦调制信号波 式中，式中，M M 称为调制度，称为调制度，0 0 a a 11；r r为信号波角频率。从图中可得为信号波角频率。从图中可得因此可得因此可得三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度PWM调制方法调制方法v载波比载波比载波频率载波频率 f fc c与调制信号频率与调制信号频率 f fr r 之比之比N N，既既 N N=f fc c/f fr r 根据载波和信号波是否同步及载波比根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，的变化情况，PWMPWM调制方式分为调制方式分为异步调制异步调制和

41、和同步调制同步调制。（1）异步调制）异步调制异步调制异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式。载波信号和调制信号不同步的调制方式。通常保持通常保持f fc c 固定不变，当固定不变，当f fr r 变化时，载波比变化时，载波比 N N 是变化的；是变化的；在信号波的半周期内，在信号波的半周期内，PWMPWM波的脉冲个数不固定，相位也不波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/41/4周期的周期的脉冲也不对称；脉冲也不对称；当当f fr r 较低时，较低时，N N 较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产较大，一周期内脉冲

42、数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小；生的不利影响都较小；当当f fr r 增高时，增高时，N N 减小，一周期内的脉冲数减少，减小，一周期内的脉冲数减少，PWMPWM脉冲不脉冲不对称的影响就变大对称的影响就变大（2）同步调制）同步调制同步调制同步调制N N 等于常数，并在变频时使载波和信号波等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。保持同步。基本同步调制方式，基本同步调制方式，f fr r变化时变化时N N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定；不变，信号波一周期内输出脉冲数固定；三相电路中公用一个三角波载波，且取三相电路中公用一个三角波载波，且取N N 为为3 3的整数倍，使三相输出对称；

43、的整数倍，使三相输出对称；为使一相的为使一相的PWMPWM波正负半周镜对称，波正负半周镜对称，N N应取奇数；应取奇数；f fr r很低时，很低时，f fc c也很低，由调制带来的谐波不易滤除；也很低，由调制带来的谐波不易滤除；f fr r很高时，很高时，f fc c会过高，使开关器件难以承受。会过高，使开关器件难以承受。同步调制三同步调制三相相PWM波形波形 ucurUurVurWuuUNuVNOtttt000uWN2Ud2Ud（3）分段同步调制）分段同步调制把把f fr r范围划分成若干个频范围划分成若干个频段，每个频段内保持段，每个频段内保持N N恒恒定，不同频段定，不同频段N N不同；

44、不同；在在f fr r高的频段采用较低的高的频段采用较低的N N，使载波频率不致过高；，使载波频率不致过高；在在f fr r低的频段采用较高的低的频段采用较高的N N，使载波频率不致过低，使载波频率不致过低（4）混合调制）混合调制 可在低频输出时采用异步调制方式，高可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。接近。1）逆变器的一个工作周期分）逆变器的一个工作周期分6个扇区，每个扇区相当于常个扇区，每个扇区相当于常规六拍逆变器的一拍。为了使电动机旋转磁场逼近

45、圆形，规六拍逆变器的一拍。为了使电动机旋转磁场逼近圆形，每个扇区再分成若干个小区间每个扇区再分成若干个小区间T0，T0 越短，旋转磁场越短，旋转磁场越接近圆形，但越接近圆形，但T0的缩短受到功率开关器件允许开关频的缩短受到功率开关器件允许开关频率的制约。率的制约。2)在每个小区间内虽有多次开关状态的切换，但每次切换在每个小区间内虽有多次开关状态的切换，但每次切换都只涉及一个功率开关器件，因而开关损耗小。都只涉及一个功率开关器件，因而开关损耗小。3)每个小区间均以零电压矢量开始，又以零矢量结束。每个小区间均以零电压矢量开始，又以零矢量结束。4)利用电压空间矢量直接生成三相利用电压空间矢量直接生成

46、三相PWM波，计算简便。波，计算简便。5)采用采用SVPWM控制时，逆变器输出线电压基波最大值为控制时，逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，这比一般的直流侧电压，这比一般的SPWM逆变器输出电压提高了逆变器输出电压提高了15%。SVPWM控制模式有以下特点控制模式有以下特点 1.系统组成系统组成M3电压检测泵升限制电流检测温度检测电流检测单片机显示设定接口PWM发生器驱动电路URUIR0R1R2RbVTbKR0R1RbR2转速开环恒压频比控制调速系统转速开环恒压频比控制调速系统 通用变频器通用变频器-异步电动机调速系统异步电动机调速系统转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统转速闭环转差频率

47、控制的变压变频调速系统控制转差频率就代表控制转矩，这就是转差频率控制的基本概念。控制转差频率就代表控制转矩，这就是转差频率控制的基本概念。转差频率控制规律转差频率控制规律（1）在）在 s sm 的范围内，转矩的范围内，转矩 Te 基本上与基本上与 s 成正比，成正比，条件是气隙磁通不变。条件是气隙磁通不变。（2）在不同的定子电流值时，按上图的函数关系）在不同的定子电流值时，按上图的函数关系 Us=f(1,Is)控制定子电压和频率，就能保持气隙磁通控制定子电压和频率，就能保持气隙磁通 m恒定。恒定。交流电机数学模型交流电机数学模型交流电机数学模型的性质交流电机数学模型的性质高阶、非线性、强耦合的

48、多变量系统高阶、非线性、强耦合的多变量系统三相异步电动机的多变量三相异步电动机的多变量非线性数学模型非线性数学模型异步电机数学模型的性质异步电机数学模型的性质（1）双输入双输出的系统双输入双输出的系统。（2）非线性因素存在于非线性因素存在于1（）和）和2（）中）中。（3）多变量之间的耦合关系多变量之间的耦合关系主要也体现在主要也体现在1（）和）和2（）两个环节上两个环节上。坐标变换和变换矩阵坐标变换和变换矩阵三相三相-两相变换（两相变换（3/2变换）变换）AN2iN3iAN3iCN3iBN2i60o60oCB两相两相两相旋转变换（两相旋转变换（2s/2r变换）变换）it siniFs1imco

49、simimsinitcosiitMTK/P变换变换is(Fs)1simitMT基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统按转子磁链定向按转子磁链定向d轴是沿着转子总磁链矢量的方向，并称之为轴是沿着转子总磁链矢量的方向，并称之为 M 轴，而轴，而q轴再逆轴再逆时针转时针转90，即垂直于转子总磁链矢量，称之为，即垂直于转子总磁链矢量，称之为T轴轴。这样的两相同步旋转坐标系就具体规定为这样的两相同步旋转坐标系就具体规定为 M，T 坐标系，即坐标系，即按转子磁链定向的坐标系按转子磁链定向的坐标系。按转子磁链定向的意义按转子磁链定向的意义转子磁链仅由定子电流励磁分量

50、产生，与转矩分量无关转子磁链仅由定子电流励磁分量产生，与转矩分量无关，从，从这个意义上看，这个意义上看，定子电流的励磁分量与转矩分量是解耦的定子电流的励磁分量与转矩分量是解耦的。r 与与 ism之间的传递函数是一阶惯性环节，时间常数为转之间的传递函数是一阶惯性环节，时间常数为转子磁链励磁时间常数子磁链励磁时间常数，当励磁电流分量，当励磁电流分量ism突变时，突变时，r 的的变化要受到励磁惯性的阻挠，这和直流电机励磁绕组的惯变化要受到励磁惯性的阻挠，这和直流电机励磁绕组的惯性作用是一致的。性作用是一致的。矢量控制系统原理结构图矢量控制系统原理结构图 控制器控制器VR-12/3电流控制电流控制变频

51、器变频器3/2VR等效直流等效直流电机模型电机模型+i*m1i*t1 1i*1i*1i*Ai*Bi*CiAiBiCi1i1im1it1反馈信号异步电动机给定信号 电流控制变频器异步电机矢量变换模型转速、磁链闭环控制矢量控制系统转速、磁链闭环控制矢量控制系统直接矢量控制系统直接矢量控制系统VR-12/3LrATRASRAR 电流变换和磁链观测M3TA+cos sin isnpLmis*T*eTe*rrri*sti*smi*si*si*sAi*sBi*sCist电流滞环型电流滞环型PWM变频器变频器微型计算机微型计算机图图6-60 带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统带转矩内环的转速、磁链闭环矢

52、量控制系统 磁链开环转差型矢量控制系统磁链开环转差型矢量控制系统间接矢量控制系统间接矢量控制系统p1K/PACRURCSIMTG+TA+Ld3+sTrLmLmTr p+1ASR矢量控制器1*s*si*sisi*sti*sm*r*直接转矩控制系统的原理和特点直接转矩控制系统的原理和特点v系统组成系统组成图图6-62 按定子磁链控制的直接转矩控制系统按定子磁链控制的直接转矩控制系统基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统n 结构特点结构特点p转速双闭环：转速双闭环：lASRASR的输出作为电磁转矩的给定信号；的输出作为电磁转矩的给定信号；l设置转矩控

53、制内环，它可以抑制磁链变设置转矩控制内环，它可以抑制磁链变化对转速子系统的影响，从而使转速和化对转速子系统的影响，从而使转速和磁链子系统实现了近似的解耦。磁链子系统实现了近似的解耦。p转矩和磁链的控制器转矩和磁链的控制器：用滞环控制器取代通常的用滞环控制器取代通常的PIPI调节器。调节器。n 控制特点控制特点 与与VCVC系统一样，它也是分别控制异步电动机的系统一样，它也是分别控制异步电动机的转速和磁链，但在具体控制方法上，转速和磁链，但在具体控制方法上，DTCDTC系统与系统与VCVC系统不同的特点是：系统不同的特点是：1 1）转矩和磁链的控制采用双位式砰转矩和磁链的控制采用双位式砰-砰控制

54、器砰控制器，省去了旋转变换和电流控制，简化了控制器的省去了旋转变换和电流控制，简化了控制器的结构。结构。2）选择）选择定子磁链作为被控量。定子磁链作为被控量。3）由于采用了直接转矩控制，在加减速或负载变化的动态过程中，可以获得快速）由于采用了直接转矩控制，在加减速或负载变化的动态过程中，可以获得快速的转矩响应，但必须注意限制过大的冲击电流，以免损坏功率开关器件。的转矩响应，但必须注意限制过大的冲击电流，以免损坏功率开关器件。n 性能比较性能比较 从总体控制结构上看，直接转矩控制从总体控制结构上看，直接转矩控制(DTC)(DTC)系统和矢量控制系统和矢量控制(VC)(VC)系统是一致的，系统是一

55、致的，都能获得较高的静、动态性能都能获得较高的静、动态性能。表表6-1 直接转矩控制系统和矢量控制系统特点与性能比较直接转矩控制系统和矢量控制系统特点与性能比较性能与特点性能与特点直接直接转转矩控制系矩控制系统统矢量控制系矢量控制系统统磁磁链链控制控制定子磁定子磁链链转转子磁子磁链链转转矩控制矩控制砰砰-砰控制，有砰控制，有转转矩脉矩脉动动连续连续控制，比控制，比较较平滑平滑坐坐标变换标变换静止坐静止坐标变换标变换，较简单较简单旋旋转转坐坐标变换标变换，较较复复杂杂转转子参数子参数变变化影响化影响无无 注注 有有调调速范速范围围不不够宽够宽比比较宽较宽第七章第七章 绕线式异步电机串级调速系统绕

56、线式异步电机串级调速系统双馈调速的概念双馈调速的概念所谓所谓“双馈双馈”，就是指把绕线转子异步电机的，就是指把绕线转子异步电机的定子绕组与交流电定子绕组与交流电网连接网连接，转子绕组与其他含电动势的电路相连接，使它们可以进转子绕组与其他含电动势的电路相连接，使它们可以进行电功率的相互传递行电功率的相互传递。功率变换单元功率变换单元电网K1M3 K2TI双馈调速的基本结构双馈调速的基本结构l五种工况小结五种工况小结图图7-2 异步电机在转子附加电动势时的工况及其功率流程异步电机在转子附加电动势时的工况及其功率流程 五种工况都是异步电五种工况都是异步电机转子加入附加电动势机转子加入附加电动势时的运

57、行状态。时的运行状态。在工况在工况a,b,ca,b,c中，中，转子侧都输出功率，可转子侧都输出功率，可把转子的交流电功率先把转子的交流电功率先变换成直流，然后再变变换成直流，然后再变换成与电网具有相同电换成与电网具有相同电压与频率的交流电功率。压与频率的交流电功率。串级调速系统的工作原理串级调速系统的工作原理（1）起动）起动控制逆变角控制逆变角 ，使在起动开始的瞬间，使在起动开始的瞬间，Ud与与Ui的差值能产生足够大的的差值能产生足够大的Id，以满足所需的，以满足所需的电磁转矩，但又不超过允许的电流值，这样电磁转矩，但又不超过允许的电流值，这样电动机就可在一定的动态转矩下加速起动。电动机就可在

58、一定的动态转矩下加速起动。随着转速的增高，相应地增大随着转速的增高，相应地增大 角以减小值角以减小值Ui，从而维持加速过程中动态转矩基本恒定，从而维持加速过程中动态转矩基本恒定（2）调速）调速调速原理：调速原理：通过改变通过改变 角的大小调节电动机角的大小调节电动机的转速。的转速。调速过程调速过程：UiIdK1sEr0nTeTe=TLId（3）停车停车减小减小 角逐渐减速，并依靠负载阻转矩的作角逐渐减速，并依靠负载阻转矩的作用自由停车。用自由停车。串级调速机械特性的特征串级调速机械特性的特征图图7-7 异步电动机串级调速时的机械特性异步电动机串级调速时的机械特性a)大电机大电机 b)小电机小电

59、机串级调速时的转子整流电路串级调速时的转子整流电路（1）一般整流变压器输入输出的频率是一）一般整流变压器输入输出的频率是一样的，而异步电动机转子绕组感应电动势的样的，而异步电动机转子绕组感应电动势的幅值与频率都是变化的，随电机转速的改变幅值与频率都是变化的，随电机转速的改变而变化；而变化；（2）异步电动机折算到转子侧的漏抗值也）异步电动机折算到转子侧的漏抗值也与转子频率或转差率有关；与转子频率或转差率有关；（3）由于异步电动机折算到转子侧的漏抗）由于异步电动机折算到转子侧的漏抗值较大，所以出现的换相重叠现象比一般整值较大，所以出现的换相重叠现象比一般整流电路严重，从而在负载较大时会引起整流流电

60、路严重，从而在负载较大时会引起整流器件的强迫延迟换相现象。器件的强迫延迟换相现象。转子整流电路的工作状态转子整流电路的工作状态（1）第一种工作状态的特征是）第一种工作状态的特征是 0 60，p=0 此时，转子整流电路处于正常的不可此时，转子整流电路处于正常的不可控整流工作状态，可称之为第一工作区。控整流工作状态，可称之为第一工作区。（2）第二种工作状态的特征是）第二种工作状态的特征是 =60，0 p 30 这时，由于强迫延迟换相的作用，使这时，由于强迫延迟换相的作用，使得整流电路好似处于可控的整流工作状得整流电路好似处于可控的整流工作状态，态，p 角相当于整流器件的控制角，这角相当于整流器件的

61、控制角，这一状态称作第二工作区。一状态称作第二工作区。（3）当）当 =30时，整流电路中会出现时，整流电路中会出现4个器件同时导通，形成共阳极组和共阴个器件同时导通，形成共阳极组和共阴极组器件双换流的重叠现象，此后极组器件双换流的重叠现象，此后 p 保持为保持为30，而，而 角继续增大，整流电路角继续增大，整流电路处于第三种工作状态，这是一种非正常处于第三种工作状态，这是一种非正常的故障状态的故障状态串级调速时的机械特性串级调速时的机械特性s20串级调速系统的效率串级调速系统的效率总效率总效率功率因数低的原因功率因数低的原因异步电动机异步电动机本身的功率因数就会随着负载的减轻而下降；本身的功率

62、因数就会随着负载的减轻而下降；转子整流器转子整流器的换相重迭和强迫延迟导通等作用都会通过电机的换相重迭和强迫延迟导通等作用都会通过电机从电网吸收换相无功功率；从电网吸收换相无功功率；逆变器逆变器的相控作用使其电流与电压不同相，也要消耗无功功的相控作用使其电流与电压不同相，也要消耗无功功率。率。逆变变压器的计算逆变变压器的计算调节器参数的设计调节器参数的设计转速环按典型转速环按典型II型系统设计，电流环按典型型系统设计，电流环按典型I型系统设计型系统设计串级调速系统的起动方式串级调速系统的起动方式在起动时必须使逆变器先电机而接上电网，停车时则比电在起动时必须使逆变器先电机而接上电网，停车时则比电机后脱离电网，以防止逆变器交流侧断电，使晶闸管无法机后脱离电网，以防止逆变器交流侧断电，使晶闸管无法关断，造成逆变器的短路事故关断，造成逆变器的短路事故v希望大家认真复习，深入钻研，掌希望大家认真复习，深入钻研，掌握握运动控制系统运动控制系统的的基本概念、基本概念、系统结构、电路工作原理、系统工系统结构、电路工作原理、系统工作原理、基本分析与设计方法作原理、基本分析与设计方法，争，争取考出优异的成绩，向党和人民汇取考出优异的成绩，向党和人民汇报。报。