运动控制系统考前总结 - forestry university

第一篇 直流拖动控制系统=电力拖动系统

绪论

概念：

1.电机拖动：由电动机拖动生产机械进行运转。

2.根据直流电动机转速方程，有三种方法调节电动机的转速以及各自特点：

（1）调节电枢供电电压 U：调节电枢供电电压进行调速，机械特性曲线平行移动，在一定范围内无级平滑调速；

（2）减弱励磁磁通：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，在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升速，机械特性曲线变软，属无级调速。

（3）改变电枢回路电阻 R：变电阻调速只能实现有级调速，机械特性曲线硬度改变。 自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主

n?U?IRKeΦ3.请比较直流调速系统、交流调速系统的优缺点，并说明今后电力传动系统的发展的趋势，最后说明为何要先研究直流拖动控制系统。

* 直流电机调速系统

优点：调速范围广，易于实现平滑调速，起动、制动性能好，过载转矩大，可靠性高，动态性能良好，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。

缺点：有机械整流器和电刷，噪声大，维护困难；换向产生火花，使用环境受限；结构复杂，容量、转速、电压受限。

* 交流电机调速系统（正好与直流电机调速系统相反）

优点：异步电动机结构简单、坚固耐用、维护方便、造价低廉，使用环境广，运行可靠，便

于制造大容量、高转速、高电压电机。大量被用来拖动转速基本不变的生产机械。

缺点：调速性能比直流电机差。

* 发展趋势：用直流调速方式控制交流调速系统，达到与直流调速系统相媲美的调速性能；或采用同步电机调速系统。

* 由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。

第1章 闭环控制的直流调速系统

1.1 直流调速系统用的可控直流电源

1.2 晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题 1.3 直流脉宽调速系统的主要问题

1.4 反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计 1.5 反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计 1.6 比例积分控制规律和无静差调速系统

一 直流调速系统用的可控直流电源（调压调速是直流调速系统的主要方法，而调节电枢电压需要有专门向电动机供电的可控直流电源）

直流调速系统用的可控直流电源的种类、特点及适用场合。

种类：旋转变流机组（G-M系统）、静止式可控整流器（V-M系统）、 直流斩波器或脉宽调制变换器（PWM）。 特点及应用：*旋转变流机组——用交流电动机和直流发电机组成机组，获得可调的直流电压。应用：在20世纪60年代以后已采用各种静止式的变压或变流装置来替代旋转变流机组。 *静止式可控整流器——用静止式的可控整流器获得可调的直流电压。应用：目前主要用于大容量系统。

*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，产生可变的平均电压。应用：中、小容量系统。

名词解释1-8： G-M系统 V-M系统 PWM PFM

G-M系统：交流电动机拖动直流发电机G实现变流，由直流发电机给需要调速的直流电动机M供电，调节G的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节M的转速。 优点：在允许转矩范围内四象限运行。

缺点：设备多，体积大，费用高，效率低，安装须打地基，有噪音，维护不方便。

应用：在20世纪60年代以后已采用各种静止式的变压或变流装置来替代旋转变流机组。 V-M系统：晶闸管工作在相位控制状态，由晶闸管可控整流器V给直流电动机M供电，调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压，从而实现平滑调速。优点：经济性和可靠性提高，技术性能具较大优越性，无需另加功率放大装置。快速性好，动态性能提高。

缺点：只允许单向运行；元件对过电压、过电流、过高的du/dt和di/dt十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件；低速时易产生电力公害：系统功率因数低，谐波电流大，殃及附近的用电设备。（解决见课本4页） 应用：目前主要用于大容量系统。

PWM：脉冲宽度调制(PWM)，晶闸管工作在开关状态，晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上；晶闸管关断时，直流电源与电动机断开；这样通过改变晶闸管的导通时间（即调占空比ton）就可以调节电机电压，从而进行调速。 控制方式：ton和 T 可调：脉冲宽度调制（PWM）、脉冲频率调制（PFM）、混合型。 PWM优点：主电路线路简单，需用的功率器件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；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；器件工作在开关状态，导通损耗小，开关频率适当时，开关损耗小，装置效率高；直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。当电机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。但双极式控制在电机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。 应用：中、小容量系统。

PFM：脉冲频率调制(PFM)，晶闸管工作在开关状态，晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上；晶闸管关断时，直流电源与电动机断开；晶闸管的导通时间不变，只改变开关频率f或开关周期T（即调节晶闸管的关断时间t0ff）就可以调节电机电压，从而进行调速。

二 晶闸管-电动机系统（V-M）系统的主要问题

V-M系统的几个主要问题：

（1）触发脉冲相位控制；

了解Ud0 、Ud与触发脉冲相位角α的关系:

对可控整流器 VT 输出瞬时电压ud进行积分，即可得到输出平均电压Ud。如果把整流装置内阻移到装置外边，看成是其负载电路电阻的一部分，便可得到理想空载电压平均值Ud0。

全控整流电路且电流波形连续时：

当0 <α<π/2 时，Ud0 > 0 ，晶闸管装置处于整流状态，电功率从交流侧输送到直流侧；

当π/2 <α<αmax时， Ud0 < 0 ，装置处于有源逆变状态，电功率反向传送。通过设置控制电压限幅值，来限制最大触发角

相控整流器的电压控制曲线

O

Ud0?mπUmsinπmcos?整流电路 Um m Ud0 单相全波 2U2* 2 0.9U2cos? 三相半波 2U2 3 1.17U2cos? 三相全波 6U2 6 2.34U2cos? 六相半波 2U2 6 1.35U2cos? （αmax<π），以避免逆变颠覆。 * U2 是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。

（2）电流脉动及其波形的连续与断续； 由于电流波形的脉动（课本7页），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，便造成电流波形断续的情况。（断续缺点见7页）

（3）抑制电流脉动的措施

(缺点)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。

措施：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。 完整的V-M系统机械特性，分为电流连续区和电流断续区，特点：

* 当电流连续时，特性还比较硬；

* 断续段特性则很软，而且呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高。

（5）晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数。 失控时间Ts选取：10页 K

三 直流脉宽调速

sTss?1系统的主要问题

* 了解PWM变换器的工作状态和波形14页

带制动电流通路的不可逆电路和双极式控制的可逆电路，电流的方向是可逆的，无论是重载还是轻载，电流波形都是连续的。带制动作用的不可逆电路具第一、二象限的机械特性，双极式控制可逆电路的机械特性具四象限特性；

电机在同一方向旋转时电流不能反向的电路，轻载时会出现电流断续现象，把平均电压抬高，在理想空载时，Id = 0 ，理想空载转速会翘到 n0s＝Us / Ce 。 * 电能回馈与泵升电压的限制

由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电机制动时只好对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高，称作“泵升电压”。 限制：电力电子器件的耐压限制着最高泵升电压，一般几千瓦的调速系统所需的电容量达到数千微法。在大容量或负载有较大惯量的系统中，可以增加镇流电阻来消耗掉部分动能。对于更大容量的系统，为了提高效率，在二极管整流器输出端并接逆变器，把多余的能量逆变后回馈电网。

四 反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计 1.转速控制的要求和调速指标（1-2 20页） 转速控制要求：0）保证稳定；

1）调速——在一定的最高转速和最低转速范围内，分挡地（有级）或平滑地（无级）调节转速； 2）稳速——以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；

3）加、减速——频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起，制动尽量平稳。

调速指标：

① 调速范围D=nmax/nmin（一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围）

② 静差率S=△nN/n0*100%

③ 和负载匹配情况：一般要求：恒功率负载用恒功率调速，恒转矩负载用恒转矩调速。

计算公式：

s??nNn0min??nNnmin??nN?nN?nmins1?sD(1?S)nnNs?N?nmin?nN(1?s)?nNSnmin?(1?s)?nNsD?nmaxnmin

对于同一个调速系统，?nN 值一定，如果 s 值越小时，D也越小。

2.开环调速系统及其存在的问题（1-2 21页）

若可逆直流脉宽调速系统是开环调速系统，调节控制电压就可以改变电动机的转速。如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级

调速。

但是，开环调速系统往往不能满足许多需要调速的生产机械对静差率的要求。 3. 闭环调速系统的组成及其静特性（含UPE内容） 1掌握控制原理

采用利用偏差纠正偏差的控制原理，在负反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装的测速发电机测出与被调量转速成正比的负反馈电压 ，与给定电压相比较得到转速偏差电压 ，经放大器 A产生电力电子变换器UPE的控制电压Uc ，用以控制电动机转速 n。（闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降）