电力传动控制系统——运动控制系统

绪论1、运动控制系统：以机械运动的驱动设备——电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。

工作原理：通过控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。

2、分类（1）按被控量分：以转速为被控量的系统——调速系统以角位移或直线位移为被控量的系统——位置随动(伺服)系统。

（2）按驱动电机的类型分：直流电机带动生产机械——直流传动系统交流电机带动生产机械——交流传动系统（3）按控制器类型分：以模拟电路构成的控制器——模拟控制系统以数字电路构成的控制器——数字控制系统（4）按控制系统中闭环的多少分：单环、双环、多环控制系统3、运动控制系统的功率放大与变换装置：一方面按控制量的大小将电网中的电能作用于电动机上，调节电动机的转矩大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换成电动机所需的交流电或直流电；4、反抗性恒转矩负载不是转矩作用方向和运动方向相反吗？那为什么n>0时T>0,n<0时T<0?答：n>0,T>0 和n<0,T<0意味着电机目前处于正转电动和反转电动状态，这个和负载转矩没有关系。

第二章转速反馈控制的直流调速系统1、直流电动机的稳态转速调节转速方法Φ-=eKIRUn2、直流电动机点数两端的平均电压 三种改变输出平均电压的调制方法：（1）T 不变，变 ton —脉冲宽度调制(PWM)（2）ton 不变，变 T —脉冲频率调制(PFM)（3）ton 和 T 都可调，改变占空比—混合调制(两点式控制)。

当负载电流或电压低于某一最小值，开关器件导通，当高于某一最大值时，使开关器件关断。

3、UPE 是由电力电子器件组成的变换器，其输入接三组(或单相)交流电源，输出为可控的直流电压，控制电压为Uc 。

UPE 变换器的器件选择：中、小容量系统,多采用IGBT 或P-MOSFET 构成较大容量系统,采用GTO 、IGCT 电力电子开关器件特大容量系统,则常用晶闸管触发与整流装置4、 系统稳态参数计算例： 用线性集成电路运算放大器作为电压放大器的转速负反馈闭环直流调速系统如图1-28所示，s s ond ρU U T t U ==5、PID调节器的类型和功能比例微分(PD)：由PD调节器构成的超前校正,可提高系统的稳定裕度，并获得足够的快速性, 但稳态精度可能受到影响；比例积分(PI)：由PI调节器构成的滞后校正,可以保证稳态精度，却是以对快速性的限制来换取系统稳定的；比例积分微分(PID)：PID调节器实现的滞后—超前校正则兼有二者的优点,可以全面提高系统的控制性能，但具体实现与调试要复杂一些。

电力拖动自动控制系统—运动控制系统习题第一篇 直流调速系统习题一 闭环控制的直流调速系统1-1为什么PWM-电动机系统比晶闸管-电动机调速系统能够获得更好的动态性能？1-2 试分析有制动通路的不可逆PWM 变换器进行制动时，两个VT 是如何工作的？1-3 调速范围和静差率的定义是什么？调速范围、静态速降和最小静差率之间有什么关系？为什么说“脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易多了”？1-4 某一直流调速系统，测得的最高转速特性为n max =1500 r/min, 最低转速特性为n min =150 r/min 电动机额定转速为，带额定负载时的速度速降 ∆n N = 15r/min ，且在转速下额定速降 ∆n N 如不变，试问系统能够达到的调速范围有多大？系统允许的静差率是多少？ 1-5 某闭环调速系统的调速范围1500～150 r/min ，要求系统的静差率S ≤20%，那么系统允许的静态速降是多少？，如果开环系统的静态速降是100r/min ，则闭环系统的开环放大倍数是多少？1-6 某闭环调速系统的开环放大倍数为15时,额定负载下电动机的速降为8 r/min ，如果将开环放大倍数提高到30, 它的速降为多少?在相同静差率要求下，调速范围可以扩大多少倍？1-7 某调速系统的调速范围D=20, 额定转速n N =1500 r/min 开环转速降落∆n OP 为240r/min ，如果要求系统的静差率由10%减少到5%, 则系统的开环放大倍数将如何变化？1-8 转速单闭环调速系统有那些特点？ 改变给定电压能否改变电动机的转速？为什么？如果给定电压不变？调节测速反馈电压的分压比是否能够改变转速？为什么？如果测速发电机的励磁发生了变化，系统有克服着种干扰的能力？1-9在转速负反馈调速系统中，当电网电压、负载转矩、电动机励磁电流、电枢电阻、测速发电机的励磁各量发生变化时，都会引起转速变化，问系统有没有调节能力?1-10 有一V —M 调速系统，电动机参数为P N ＝2.2KW ，U N ＝220V ，I N =12.5A, n N =1500r ／min ，R a ＝1.2Ω，整流装置内阻R a ＝1.5Ω，触发整流环节的放大系数K s ＝35，要求调速范围D ＝20，静差率s ≤10％。

电力传动控制系统——运动控制系统（习题解答）第1章电力传动控制系统的基本结构与组成......... 错误!未定义书签。

第2章电力传动系统的模型....................... 错误!未定义书签。

第3章直流传动控制系统......................... 错误!未定义书签。

第4章交流传动控制系统......................... 错误!未定义书签。

第5章电力传动控制系统的分析与设计* ............ 错误!未定义书签。

第1章电力传动控制系统的基本结构与组成1. 根据电力传动控制系统的基本结构，简述电力传动控制系统的基本原理和共性问题。

答：电力传动是以电动机作为原动机拖动生产机械运动的一种传动方式，由于电力传输和变换的便利，使电力传动成为现代生产机械的主要动力装置。

电力传动控制系统的基本结构如图1-1所示，一般由电源、变流器、电动机、控制器、传感器和生产机械（负载）组成。

图1-1 电力传动控制系统的基本结构电力传动控制系统的基本工作原理是，根据输入的控制指令（比如：速度或位置指令），与传感器采集的系统检测信号（速度、位置、电流和电压等），经过一定的处理给出相应的反馈控制信号，控制器按一定的控制算法或策略输出相应的控制信号，控制变流器改变输入到电动机的电源电压、频率等，使电动机改变转速或位置，再由电动机驱动生产机械按照相应的控制要求运动，故又称为运动控制系统。

虽然电力传动控制系统种类繁多，但根据图1-1所示的系统基本结构，可以归纳出研发或应用电力传动控制系统所需解决的共性问题：1）电动机的选择。

电力传动系统能否经济可靠地运行，正确选择驱动生产机械运动的电动机至关重要。

应根据生产工艺和设备对驱动的要求，选择合适的电动机的种类及额定参数、绝缘等级等，然后通过分析电动机的发热和冷却、工作制、过载能力等进行电动机容量的校验。

2）变流技术研究。

电动机的控制是通过改变其供电电源来实现的，如直流电动机的正反转控制需要改变其电枢电压或励磁电压的方向，而调速需要改变电枢电压或励磁电流的大小；交流电动机的调速需要改变其电源的电压和频率等，因此，变流技术是实现电力传动系统的核心技术之一。

电力运动系统知识点总结一、电力运动系统概述电力运动系统是利用电动机作为动力源，通过传动装置将电能转化为机械能，实现各种运动控制和传动功能的系统。

电力运动系统广泛应用于工业生产、交通运输、航空航天、军事装备、医疗设备等领域，对提高生产效率、降低能源消耗、改善劳动条件具有重要意义。

二、电力运动系统的基本组成1. 电动机电动机是电力运动系统的核心部件，负责将电能转化为机械能。

按照不同的工作原理，电动机可以分为直流电动机、交流电动机、步进电机等多种类型。

根据不同的应用需求，选择合适的电动机类型对系统性能具有重要影响。

2. 传动装置传动装置包括各种传动元件和传动机构，用于将电动机输出的机械能传递到被控对象。

常见的传动装置包括齿轮传动、皮带传动、链条传动、减速机等，根据不同的传动方式选择合适的传动装置能够提高系统的传动效率和精度。

3. 控制系统控制系统是电力运动系统的大脑，负责对电动机进行精确控制和调节。

控制系统包括传感器、控制器、执行机构等部件，通过传感器对运动参数进行实时反馴，控制器根据反馴信息进行逻辑判定和控制命令输出，执行机构根据控制命令执行相应的运动任务。

4. 电源装置电源装置提供电力运动系统所需的电能，保证系统正常工作。

根据不同的电动机类型和额定功率，选择合适的电源装置对系统稳定性和效率具有重要影响。

三、电力运动系统的关键技术1. 电动机控制技术电动机控制技术是电力运动系统的核心技术之一，包括速度控制、位置控制、力/扭矩控制等多种控制方式。

常见的控制技术包括开环控制、闭环控制、矢量控制等，根据不同的应用需求选择合适的控制技术对系统性能具有重要影响。

2. 传动装置设计与优化传动装置的设计和优化对系统的传动效率和精度具有重要影响。

通过采用合理的传动比、选用高质量的传动部件、减小传动间隙和摩擦系数等手段，可以提高传动系统的性能指标。

3. 传感器技术传感器技术是实现电力运动系统闭环控制的关键技术之一，包括位置传感器、速度传感器、力/扭矩传感器等多种类型。

一、运动控制系统的定义与分类定义：以机械运动的驱动设备－－电动机为被控对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下组成的电力传动自动控制系统。

分类：（1）按被控物理量分：以转速为被控量的系统叫调速系统，以角位移或直线位移为被控量的系统叫随动系统（或伺服系统）。

（2）按驱动电动机的类型分：用直流电动机带动生产机械的为直流传动系统，用交流电动机带动生产机械的为交流传动系统。

（3）按控制器的类型分：用模拟电路构成控制器的系统为模拟控制系统，用数字电路构成控制器的系统为数字控制系统。

二、直流调速方法答：（1）调节电枢供电电压U；（2）减弱励磁磁通 ；（3）改变电枢回路电阻R。

三、常用的可控直流电源答：（1）旋转变流机组——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。

（2）静止式可控整流器——用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。

（3）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，以产生可变的平均电压四、三种调速方法的性能与比较答：对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。

改变电阻只能有级调速；减弱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（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。

五、V-M系统的特点答：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示出较大的优越性。

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, 这将大大提高系统的动态性能六、V-M系统的问题答：（1）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成困难。

（2）晶闸管对过电压、过电流和过高的d V/d t与d i/d t 都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。

（3）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，造成“电力公害”。

Φ-=e K IR U n 一、复习：直流调速系统问题1-1：电机的分类？ ① 发电机（其他能→电能）直流发电机 交流发电机② 电动机（电能→其他能） 直流电动机： 有换向器直流电动机（串励、并励、复励、他励）无换向器直流电动机（又属于一种特殊的同步电动机）交流电动机：同步电动机异步电动机：鼠笼式绕线式： 伺服电机旋转变压器控制电机 自整角机力矩电机测速电机步进电机（反应式、永磁式、混合式）问题1-2：衡量调速系统的性能指标是哪些？① 调速范围D=n max /n min =n nom /n min② 静差率S=△n nom /n 0*100%对转差率要求高，同时要求调速范围大（D大S 小）时，只能用闭环调速系统。

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。

问题1-3：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.* 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。

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.问题1-4：直流电机有哪几种？直流电机调速方法有哪些?请从调速性能、应用场合和优缺点等方面进行比较. 哪些是有级调速？哪些是无级调速？直流电动机中常见的是有换向器直流电动机，可分为串励、并励、复励、他励四种，无换向器直流电动机属于一种特殊的同步电动机。

根据直流电机的转速公式，调速方法有变压调速、变电阻调速和变转差率调速。

第1章绪论1.什么是运动控制? 电力传动又称电力拖动，是以电动机作为原动机驱动生产机械的系统的总称。

运动控制系统是将电能转变为机械能的装置，用以实现生产机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其它应用的要求。

2.运动控制系统的组成：现代运动控制技术是以电动机为控制对象，以计算机和其它电子装置为控制手段，以电力电子装置为弱电控制强电的纽带，以自动控制理论和信息处理理论为理论基础，以计算机数字仿真或计算机辅助设计为研究和开发的工具。

3.运动控制系统的基本运动方程式：第2章转速反馈控制的直流调速系统1.晶闸管-电动机（V-M ）系统的组成：纯滞后环节，一阶惯性环节。

2.V-M 系统的主要问题：由于电流波形的脉动，可能出现电流连续和断续两种情况。

3.稳态性能指标：调速范围D 和静差率s 。

D =??(1-??)，额定速降??，D =????，s =????04.闭环控制系统的动态特性；静态特性、结构图？5.反馈控制规律和闭环调速系统的几个实际问题，积分控制规律和比例积分控制规律。

积分控制规律：t 0n cd 1tU U 比例积分控制规律：稳态精度高，动态响应快6.有静差、无静差的主要区别：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。

比例积分放大器的结构：PI 调节器7.数字测速方法：M 法测速、T 法测速、M/T 法测速。

8.电流截止负反馈的原理：采用某种方法，当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。

电流截止负反馈的实现方法：引入比较电压，构成电流截止负反馈环节9.脉宽调制：利用电力电子开关的导通与关断，将直流电压变成连续可变的电压，并通过控制脉冲宽度或周期达到变压变频的目的。

10.直流蓄电池供电的电流可反向的两象限直流斩波调速系统,已知:电源电压Us=300V,斩波器占空比为30%,电动机反电动势E=100V,在电机侧看,回路的总电阻R=1Ω。