（自动）运动控制系统学习笔记

课程名 《运动控制系统》
书名 《自动控制系统 》第二版 北京邮电大学出版社
《电力拖动自动控制系统——运动控制系统》第五版 机械工业出版社
从打开书到合上书打开摩尔庄园，用时三分钟。——2021.6.1
预习进度： 50%→50.1% ——2021.6.16 大四毕业典礼

课后习题答案 1
学完这些应该能保 40 分。

劝退三问

1. 转速反馈闭环调速系统的三个基本特征。
2. 双闭环直流调速系统起动过程三个阶段三个特点及动态性能。
3. 三相异步电机应如何通过坐标变换等效成直流电机

答：
1、 1）具有比例放大器的反馈控制系统其被调量总是有静差的； 2）抵抗扰动与服从给定； 3）系统的精度依赖于给定电源和反馈检测的精度。
2、(1) 三个阶段：第 1 阶段为电流上升阶段，第 2 阶段为恒流升速阶段，第 3 阶段为转速调节阶段。(2)三个特点：饱和非线性控制，准时间最优控制，转速超调。 (3)动态性能：动态跟随性能；动态抗扰性能。 《电力拖动自动控制系统》p58
3、三相电机的电流，通过3/2变换，可等效成两相静止坐标系下的交流电流；再通过按转子磁场定向的旋转变换，可等效成同步旋转坐标系下的直流电流。相当于励磁电流，相当于与转矩成正比的电枢电流，从而构成直流电机。

第一章

• 具有自动控制和调节工作机械的速度或位移的电力拖动系统称为“电力拖动自动控制系统”，或者“运动自动控制系统”。

• 其基本任务是通过控制和调节电动机的旋转速度或转角来实现工作机械对速度或位移的要求。

自动控制系统的组成

1. 给定环节
2. 比较环节
3. 放大环节
4. 执行环节
5. 控制环节
6. 被控对象
7. 反馈环节

速度给定控制系统 p6

导弹发射架方位随动控制系统 p8

• 输入信号 A/D转换成数字量输入单片机；
• 光电编码盘将导弹发射架的旋转角度编成数码输入给单片机（反馈量）；
• 单片机经查表输入一个数字量，D/A转换成离散模拟量，再有保持器将离散信号连续化后作用于放大器，控制电动机端电压ud拖动发射架沿水平面转动。

对应随动控制系统 p171

• 给定量随时间变化，要求输出量跟随给定量变化的控制系统，多数是位置随动控制系统，即输出量的位移随位置给定输入量而变化，执行电机一般选伺服电动机。
• 位置随动控制系统分为直流和交流
• p171 自整角机位置随动 PWM 控制系统
• p173 采用粗精测自整角机的位置随动系统

玻璃窑炉的温度控制系统 p9

• 该系统是一个串级控制（多闭环控制）方案，主回路由控制器TC1、检测池底温度的温度变送器TT1、位于内环的副控制回路组成。副控制回路由控制器TC2、熔炉的碹顶温度检测变送器TT2、燃料油流量调节阀及被控对象组成。
• 池底温度表征玻璃液温度。碹顶温度变化会造成玻璃液温度波动。当扰动使碹顶温度变化但玻璃液温度未变时，副回路中的控制器及时动作，调节调节阀开度，改变燃料油流量，克服扰动量影响。主回路检测的是碹底温度，当影响到碹底温度时，由TT1检测出来，并由主回路控制器TC1动作，及时修正碹顶温度设定值，加强对扰动量的抑制控制，使玻璃液温度稳定。
  

第二章

测速元件

• 直流测速发电机

  • 直流测速发电机是一种测速元件，它把转速信号转换成直流电压信号输出。

• 光电编码器

• 电磁脉冲测速器

检测电流的元件 p15

• 交流电流互感器
• 直流电流互感器
• 霍尔电流传感器

不同：检测的交流直流电流

温度检测

• 接触式
  • 热电阻元件：温度变化→阻值变化
  • 热电偶测量锅炉蒸汽温度：温度变化→热电势变化
• 非接触式
  • 辐射式温度计测量物体热辐射功率
  • 红外式温度计测量物体红外波段的热辐射功率

氧量计 p23

• 利用氧化锆固体电解质作为敏感元件，将氧气含量转换为电信号。
• 检测锅炉中烟气的含氧量，控制风量达到最佳燃烧状态。
• 原理，即氧浓差电池的生成过程。

可逆 PWM 变换器

实现控制系统的正反转控制

• 双极式可逆 PWM 变换器
• 单极式：与双极式比可减小电流的脉动
• 受控单极式：选择频率高的器件

调节器

• 比例环节：（响应控制作用）能迅速反映偏差， 从而减小偏差， 但不能消除静差， KP的加大会引起系统的不稳定。
• 积分环节：（消除稳态偏差）只要系统存在偏差，积分环节就会产生控制作用减小偏差，直到最终消除偏差，但积分作用太强会使系统超调加大， 甚至使系统出现震荡。
• 微分环节：有助于系统减小超调，克服震荡， 加快系统的响应速度减小调节时间，从而改善了系统的动态性能。但 Td过大，会使系统出现不稳定。

第三章 单闭环直流电机调速控制系统

电动机的温升（外界因素、电流强度）

• 负载过大。应减轻负载或更换较大容量的电动机。
• 电动机风道阻塞。应清除风道灰尘或油垢；
• 环境温度升高。应采取降温措施（电风扇）；

三相全控桥式整流电路 p50

• 6 个晶闸管
• 原理
• 必须用双窄脉冲或宽脉冲触发
• 在三相整流变压器的三相铁心上，每相缠绕与原边绕组同相和反相的 、相同匝数的同期绕组各一个，可得到六相同期绕组，将其按导电顺序接到 6 个晶闸管的触发电路作为同期电压信号。

计算题

1. 变压器二次绕组相电压有效值 U
   整流电压平均值Ude = 2.34U cos(α)
   自然换向点处触发角 α = 0
2. 电动机的电动势转速比 (电动机额定数据)
   
   Ra 为电枢电阻
3. 测速电动机反馈电动势转速比(测速发电机额定数据）
   Cetg = Utge/ntge
   设计的反馈系数α = Ug/ne 给定电位器Ug = 12
   反馈电位器分压比 α2 = α / Cetg
4. 开环放大倍数 （根据稳态性能指标）
   转速降落
   调速范围
   △ne = s*ne / (1-s)D 单位（r/min）
5. 运算放大器的开环放大系数
   求 k
   求 Kp

求 α
  Kp = (K *Ce) / (Ks *α)
  6. △平波电抗器电感(Idmin为 0.1Ie)
  三相桥式全控 L1 = 0.693U2/Idmin   
  三相半波可控 1.46
  单相桥式全控 2.87

第四章 转速和电流双闭环直流调速系统

参考电机拖动题

• 直流调速系统的稳态性能指标： 静差率、调速范围
• 4.1 要会画图？我不信
• p75 公式
• 课后题 1、2 双闭环调速系统中
• 起动过程 电流上升 恒流升速 转速调节
  • ASR 不饱和 饱和 退饱和
  • ACR 一般不饱和

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△ 转速调节器

• 使转速n很快的跟随给定电压Un*变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可以实现无静差；
• 对负载变化起抗扰作用；
• 转速调节器的限幅值应按电枢回路允许的最大电流来进行整定。

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△ 电流调节器

• 使电流紧紧跟随给定电压Ui*变化；
• 对电网电压的波动起及时抗扰的作用；
• 在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程；
• 当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用；
• 电流调节器的最大值应该按变换电路允许的最大控制电压来整定。

改变电机的转速

• √ 需要调节转速给定信号Un*；
• √ Un不变，增大速度反馈系数α，系统稳定后转速反馈电压Un不变。因为PI调节器在稳态时无静差，即：Un=Un，Un*未改变，则Un也不变。实际转速减小。
• × 改变转速调节器的放大倍数Kn不行；
• × 改变电力电子变换器的放大倍数Ks不行。

若要改变电机的堵转电流需要改变ASR的限幅值。

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第五章 交流调速系统

基于稳态模型的异步电动机变压变频调速系统

• 异步电动机：鼠笼式异步电动机、绕线转子异步电动机
• 转速 n = n0（1-s）= 60f（1-s）/ np
• 调速：人为地改变机械特性的参数，包括电动机参数、电源电压和 电源频率（或角频率） 使电动机的稳定工作点偏离固有特性，工作在人为机械特性上，以达到调速的目的。
• 调速方法：变极对数调速、变压变频调速、变转差率调速
• 降压调速：保持电源频率为额定频率，只改变定子电压的调速方法。由于受电动机绝缘和磁路饱和的限制，定子电压只能降低，又称降压调速。
• 变频调速：恒压频比控制、矢量控制（VC：vector control ）、转差频率控制、直接转矩控制具体介绍
• 交流调速中最好的节能省力的是变压变频调速

△ 依据转差功率将异步电动机调速系统分为：
转差功率消耗型（效率低，结构简单）：全部转化为热能消耗掉。电磁转差离合调速、定子调压调速（降压调速）
转差功率回馈型：少部分消耗，大部分回馈给电网或转为机械能予以利用。变转差率调速（绕线式异步电动机串级调速）
转差功率不变型（效率最高）：变极调速，变频调速（4 个）

PWM控制技术 p100
电压空间矢量PWM（SVPWM，Space Vector PWM）控制
转差频率控制△

• 基本思想
  • 是在保持气隙磁通φm恒定不变的前提下，可以通过控制转差角频率ws来控制转矩。
• 规律
  • 在转差角频率小于临界转差率 即ws转矩基本上与转差角频率成正比，条件是保持气隙磁通不变。
  • 在不同的定子电流时，按照一定的函数关系如Us = f(w1,Is)来控制定子电压和频率，能保持在保持气隙磁通恒定。

△ 异步电动机变压变频调速时希望保持气隙磁通恒定

• 基频以下调速原则
  • Φm恒定，U与f1同时增大或同时减小。即 Eg/f = k·ΦmN
  • 由于电机绕组中的电动势难以直接测量和控制，Eg 较高时，忽略定子电阻和漏磁感抗压降，认为定子相电压 U≈Eg，则有 Us/f1 = 常数。为恒转矩调速。低频时适当提高定子电压，补偿定子阻抗压降。

异步电动机基频以下变压变频调速采用电压频率协调控制，其常用配合方式：
恒Er/w 控制（控制性能最好）

• 基频以上调速原则

  • 频率从 f1N 向上升高，因为定子电压 U≤UsN，最多只能保持 U=UsN，所以当频率 f1 升高，减少气隙磁通Φm，使定子电压 U=UsN 保持不变，电机转速升高，为恒功率调速△。

基于动态模型的异步电动机矢量控制变压变频调速系统

异步电动机的动态模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成

异步电动机原始数学模型具有高阶、非线性、强耦合的特点。

• 原因：定转子间的相对位置在变化，导致定转子间的互感是转子位置的函数。
• 常用坐标变化：3/2变换、静止/旋转变换
• 变换的原则：产生的磁动势相等
• 约束条件：变换前后总功率不变

按转子磁场定向的两相同步旋转（M/T）坐标系

• d轴与转子磁链矢量 ψ2 方向一致，这时的d-q坐标系就称为M-T坐标系
• 转子磁链方程
• 转矩方程
• 控制规律
• △ 异步电动机矢量变换 及等效直流电动机模型结构图

采用电流型 PWM 变频器的矢量控制系统实现方案

• 填空 1.转子磁链调节器 2.转速调节器
  3.反旋转变换 4.2/3 变换 5.转子磁链计算
• ism* 定子电流励磁分量给定
• ist* 定子电流转矩分量给定
• isα* 定子电流α轴分量给定
• isβ* 定子电流β轴分量给定
• 可以采用转子磁链开环的控制方式，这是因为转子磁链与定子电流励磁分量直接为一阶惯性环节，由转子磁链给定可以直接求出对应的定子电流励磁分量给定值。

采用电压型 PWM 变频器的矢量控制系统实现方案

零矢量分散介绍

• 开关损耗略大

其他

• 闭环系统可以获得比开环系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定 静差率 的要求下，能够提高调速范围，为此所付出的代价是，须增设 检测和反馈 装置和电压放大器。
• 转速、电流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 起主要调节作用。
• 串级调速系统可以实现异步电机的 平滑无级 调速，而且具有高效率的调速性能，但所付出的代价是，增设 串级调速装置。
• 自动控制的直流调速系统，往往以调节电枢供电电压为主。
• 在V-M系统中，设置平波电抗器可以抑制电流脉动。
• 积分控制可以使直流调速系统在无静差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速。
• 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或转矩间的稳定关系。
• 静差率和机械特性的硬度有关,当理想空载转速一定时,特性越硬,静差率越小。
• 名词解释
  • V—M系统 晶闸管-电动机调速系统
  • 静差率 负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落与理想空载转速的比
  • PWM 可逆脉冲宽度调制
  • 直接转矩控制 利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩
  • 调速范围 电动机提供的最高转速与最低转速之比
  • 调节器的设计过程可以简化为1.选择调节器的结构 2.选择调节器的参数