電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

—運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)第1章緒論學(xué)時(shí)安排緒論2學(xué)時(shí)直流調(diào)速12、10學(xué)時(shí)交流調(diào)速28、22學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)，共3個(gè)：直流單閉環(huán)1個(gè)、交流綜合實(shí)驗(yàn)1個(gè)（4學(xué)時(shí)）、矢量控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)1個(gè)－－總計(jì)48、40學(xué)時(shí)，3、2.5學(xué)分內(nèi)容提要運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)電機(jī)學(xué)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、控制理論、信號(hào)檢測(cè)與處理技術(shù)等多門(mén)學(xué)科相互交叉的綜合性學(xué)科。圖1-1運(yùn)動(dòng)控制及其相關(guān)學(xué)科1.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成

圖1-2運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制對(duì)象——

電動(dòng)機(jī)從類(lèi)型上分直流電動(dòng)機(jī)、交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（交流異步電動(dòng)機(jī)）和交流同步電動(dòng)機(jī)。從用途上分用于調(diào)速系統(tǒng)的拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)和用于伺服系統(tǒng)的伺服電動(dòng)機(jī)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的功率放大與變換裝置電力電子型功率放大與變換裝置半控型向全控型發(fā)展

(晶閘管→GTO、GTR、SIT、IGBT、IGCT)

低頻開(kāi)關(guān)向高頻開(kāi)關(guān)發(fā)展（普通電力二極管1KHz以下→GTO10KHZ→SIT100MHz

）分立的器件向具有復(fù)合功能的功率模塊發(fā)展

（電力二極管、晶閘管→

PM、IPM、PIC）運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制器模擬控制器 物理概念清晰、控制信號(hào)流向直觀 控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路 線路復(fù)雜、通用性差 控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制器以微處理器為核心的數(shù)字控制器 硬件電路標(biāo)準(zhǔn)化程度高 控制規(guī)律體現(xiàn)在軟件上，修改靈活方便 擁有信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等功能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制器模擬控制器

并行運(yùn)行，控制器的滯后時(shí)間小。微處理器數(shù)字控制器

串行運(yùn)行方式，其滯后時(shí)間比模擬控制器大得多，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)予以考慮。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)與處理信號(hào)檢測(cè)電壓、電流、轉(zhuǎn)速和位置等信號(hào)信號(hào)轉(zhuǎn)換電壓匹配、極性轉(zhuǎn)換、脈沖整形等數(shù)據(jù)處理信號(hào)濾波1.2運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)帶動(dòng)了新一代交流調(diào)速系統(tǒng)的興起與發(fā)展，打破了直流調(diào)速系統(tǒng)一統(tǒng)高性能拖動(dòng)天下的格局。進(jìn)入21世紀(jì)后，用交流調(diào)速系統(tǒng)取代直流調(diào)速系統(tǒng)已成為不爭(zhēng)的事實(shí)。1.2運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展直流調(diào)速系統(tǒng) 直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩易于控制。 換向器與電刷的位置保證了電樞電流與勵(lì)磁電流的解耦，使轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。缺點(diǎn)：電動(dòng)機(jī)單機(jī)容量、最高電壓、最高轉(zhuǎn)速、過(guò)載能力等主要技術(shù)指標(biāo)受機(jī)械換向約束。1.2運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展交流調(diào)速系統(tǒng) 交流電動(dòng)機(jī)（尤其是籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)）沒(méi)有電刷、換向器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠、使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)方便。 交流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型具有非線性多變量強(qiáng)耦合的性質(zhì)，比直流電動(dòng)機(jī)復(fù)雜得多。交流調(diào)速系統(tǒng)基于穩(wěn)態(tài)模型的交流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)的變壓變頻調(diào)速轉(zhuǎn)速閉環(huán)的轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能無(wú)法與直流調(diào)速系統(tǒng)相比交流調(diào)速系統(tǒng)基于動(dòng)態(tài)模型的交流調(diào)速系統(tǒng)矢量控制系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能良好，取代直流調(diào)速系統(tǒng)1.2運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展同步電動(dòng)機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng) 同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率嚴(yán)格保持同步，機(jī)械特性硬。電力電子變頻技術(shù)的發(fā)展，成功地解決了阻礙同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的失步和啟動(dòng)兩大問(wèn)題。1.3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本運(yùn)動(dòng)方程式忽略阻尼轉(zhuǎn)矩和扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)方程式1.3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律

轉(zhuǎn)矩控制是運(yùn)動(dòng)控制的根本問(wèn)題要控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，唯一的途徑就是控制電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)速變化率按人們期望的規(guī)律變化。1.3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律

磁鏈控制同樣重要為了有效地控制電磁轉(zhuǎn)矩，充分利用電機(jī)鐵芯，在一定的電流作用下盡可能產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩，必須在控制轉(zhuǎn)矩的同時(shí)也控制磁通（或磁鏈）。1.3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律

1.4生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩是一個(gè)必然存在的不可控?cái)_動(dòng)輸入。歸納出幾種典型的生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性，實(shí)際負(fù)載可能是多個(gè)典型負(fù)載的組合，應(yīng)根據(jù)實(shí)際負(fù)載的具體情況加以分析。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載

負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小恒定，稱(chēng)作恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載（如輸送帶等負(fù)載）

a）位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載

b)反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載圖1-3恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載

位能性轉(zhuǎn)矩負(fù)載：負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL的極性不隨轉(zhuǎn)速方向的改變而改變。因此，恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的方向與旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)。位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性畫(huà)在一、四象限，起重類(lèi)型負(fù)載中的重物多屬這類(lèi)負(fù)載。反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載：這類(lèi)負(fù)載多數(shù)呈反抗性的，即負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL的極性始終與轉(zhuǎn)速方向相反。反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性畫(huà)在一、三象限內(nèi)，這類(lèi)負(fù)載有金屬的壓延機(jī)構(gòu)，機(jī)床的平移機(jī)構(gòu)等。恒功率負(fù)載負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，而功率為常數(shù)，稱(chēng)作恒功率負(fù)載圖1-4恒功率轉(zhuǎn)矩負(fù)載

比如機(jī)床主軸和軋機(jī)、造紙機(jī)、塑料薄膜生產(chǎn)線中的卷取機(jī)、開(kāi)卷機(jī)等要求的轉(zhuǎn)矩，大體與轉(zhuǎn)速成反比，這就是所謂的恒功率負(fù)載。負(fù)載的恒功率性質(zhì)應(yīng)該是就一定的速度變化范圍而言的。當(dāng)速度很低時(shí)，受機(jī)械強(qiáng)度的限制，轉(zhuǎn)矩不可能無(wú)限增大，在低速下轉(zhuǎn)變?yōu)楹戕D(zhuǎn)矩性質(zhì)。風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)負(fù)載

負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，稱(chēng)作風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)負(fù)載圖1-5風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)負(fù)載分析思考負(fù)載分恒轉(zhuǎn)矩、恒功率性質(zhì)，為充分利用電動(dòng)機(jī)容量，通常應(yīng)該采用與負(fù)載性質(zhì)一直的調(diào)速方法。例如：對(duì)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，電機(jī)調(diào)速方法相應(yīng)的應(yīng)該為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。分析思考：如果對(duì)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載采用恒功率調(diào)速方式，電機(jī)轉(zhuǎn)速將會(huì)出現(xiàn)什么變化？我國(guó)應(yīng)用現(xiàn)狀我國(guó)電網(wǎng)的總負(fù)荷中，動(dòng)力負(fù)荷約占60％；其中異步電動(dòng)機(jī)負(fù)荷約占總負(fù)荷85％。關(guān)于節(jié)能－－工企中大量使