运动控制系统考试复习重点.docx

运动控制系统考点
1.变压调速是直流调速系统的主要方法.
2 •调节电枢电压需要有专门的电动机供电的可控直流电源。
3. 常用的可控直流电源有以下三种：
1）三种旋转变流机组一一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）静止式可控整流器一一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一一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。
4. 晶闸管■电动机调速系统（V-M系统）的工作原理是通过调节触发装置GT的控制电压Uc 来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud ,从而实现平滑调速。
5. 用触发脉冲的相位角控制整流电压的平均值UdO是晶闸管整流器的特点。
6. UdO与触发脉冲相位角的关系因整流电路的形式而异。
7. 对于一般的全控整流电路，当电流波形连续时，UdO = f（a）可用下式表示：
Ud（） = — L/m sin —cos^z7im
式中，a・-・■从自然换相点算起的触发脉冲控制角；Um一.a = 0时•的整流电压波形峰值；
m-.・■交流电源一周内的整流电压脉波数；8.
1)
2)
9.

8.
1)
2)
9.
为了避免或减轻这种影响，须采用抑制电流脉动的措施，主要是： 设置平波电抗器，或采用多重化技术。
增加整流电路相数。
平波电抗器的电感量一般按低速轻载时保证电流连续的条件来选择。
10.当电流连续时，V-M系统的机械特性方程式为II mtt
式中,Ce = Ke中N—电机在额定磁通下的电动势系数。
11. 与V・M系统相比，PWM系统的优越性有：
1)
2)
3)
4)
5)
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；系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；
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，开关损耗也不大，因 而装置效率较高；6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。
12. 图l-17a （有制动电流桐庐的不可逆PWM变换器）电路原理图的分析：
在简单的不可逆电路中电流不能反向，因而没有制动能力，只能作单象限运行。需要制动时， 必须为反向电流提供通路，如图l-17a所示的双管交替开关电路。当VT1导通时，流过正 向电流+ id , VT2导通时，流过-id。应注意，这个电路还是不可逆的，只能工作在第一、 二象限，因为平均电压Ud并没有改变极性。
无论何种状态，功率开关器件VT1和VT2的驱动电压都是大小相等、极性相反的，即Ugl=-Ug2 o
① 一般电动状态:
ACR则力图使Id尽快地跟随其给定值U*i ,或者说，电流内环是一个电流随动子系统。

48. 双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：
1）饱和非线性控制；2）转速超调；
3）准时间最优控制。
49. 转速和电流两个调节器的作用：
1.转速调节器的作用：
（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压U；变化，稳 态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。
（2）对负载变化起抗扰作用。
（3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。
2 .电流调节器的作用：
（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电 压U：（即外环调节器的输出量）变化。
（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。
（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。
（4）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。一旦故障 消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。
50.1型系统的稳态跟随性能指标可用不同输入信号作用下的稳态误差来表示：
输入信号
阶跃输入 次④=R。
斜坡输入
■R(f) = vQt
加速度输入
稳态误差
0
v./K
O0
在阶跃输入下的I型系统稳态时是无差的；
① 但在斜坡输入下则有恒值稳态误差，且与K值成反比；在加速度输入下稳态误差为8。
因此，I型系统不能用于具有加速度输入的随动系统。
51. 一般常把I型系统设计成欠阻尼状态，即0<^<1, &为阻尼比，或称衰减系数。
52. 当系统有一组小惯性群时，在一定的条件下，可以将它们近似地看成是一个小惯性环节, 其时间常数等于小惯性群中各时间常数之和。
53. 系统设计的一般原则是“先电流环后转速环”(先内环后外环)。
54. 电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成Wacr(s)=+ D ， 式中，Ki 一电流调节器的比例系数；
zi 一电流调节器的超前时间常数。
55.转速环ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为Wasr(s)= Kn()nS + l),式中 Kn 一转速调节器的比例系数；
rn-转速调节器的超前时间常数。
56 .异步电机的调速系统可分成三类：
① 转差功率消耗型调速系统；转差功率馈送型调速系统；
② 转差功率不变型调速系统。
57. 当转速或转差率一定时，电磁转矩与定子电压山的平方成正比。
58. 三相异步电动机定子每相电动势的有效值为：Eg-4.44f17VsZ:NsOni, 式中：Eg，隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为V；fl 一定子频率，单位为Hz；
Ns 一定子每相绕组串联匝数；kNs一基波绕组系数；
中m一每极气隙磁通量，单位为"由上式可知，只要控制好Eg和龙，便可达到控制磁通中m的目的。
59. VVVF系统的调速方法：
在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速 升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速二位置随动系统的组成：
① 位置传感器；电压比较放大器(A)；
② 电力电子变换器(UPE);伺服电机(SM);
③ 减速器与负载。
60. 位置传感器的种类有以下五种：
① 电位器；自整角机：
② 旋转变压器；感应同步器；
③ 光电编码器。
在一般电动状态中，始终为正值（其正方向示于图l-17a中）。设ton为VT1的导通时 间，则一个工作周期有两个工作阶段：
在0 W t W ton期间，Ugl为正，VT1导通，Ug2为负，VT2关断。此时，电源电 压Us加到电枢两端，电流id沿图中的回路1流通。
在ton W t W T期间，Ugl和Ug2都改变极性，VT1关断，但VT2却不能立即导通， 因为id沿回路2经二极管VD2续流，在VD2两端产生的压降给VT2施加反压，使它失去导 通的可能。
因此，实际上是由VT1和VD2交替导通，虽然电路中多了一个功率开关器件，但并没 有被用上。

图l-17a有制动电流通路的不可逆PWM变换器
输出波形：
一般电动状态的电压、电流波形与简单的不可逆电路波形（图l-16b）完全一样。

—u

Z7

►
on
图l-17b 一般电动状态的电压、电流波形制动状态：
在制动状态中，id为负值，VT2就发挥作用了。这种情况发生在电动运行过程中需要 降速的时候。这时，先减小控制电压，使Ugl的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平均 电枢电压Ud降低。但是，由于机电惯性，转速和反电动势E还来不及变化，因而造成E > Ud的局面，很快使电流id反向，VD2截止，VT2开始导通。
制动状态的一个周期分为两个工作阶段：
在0 W t W ton期间，VT2关断，一id沿回路4经VD1续流，向电源回馈制动， 与此同时，VD1两端压降钳住VT1使它不能导通。
在ton W t W T期间，Ug2变正，于是VT2导通，反向电流id沿回路3流通，产生能 耗制动作用。
因此，在制动状态中，VT2和VD1轮流导通，而VT1始终是关断的，此时的电压和电 流波形示于图l-17co~ VT2 VT^ VE

图l-17c制动状态的电压、电流波形
② 轻载电动状态
有一种特殊情况，即轻载电动状态，这时平均电流较小，以致在关断后经续流时，还没 有到达周期T ,电流已经衰减到零，此时，因而两端电压也降为零，便提前导通了，使电 流方向变动，产生局部时间的制动作用。
轻载电动状态，一个周期分成四个阶段： 第1阶段，VD1续流，电流- id沿回路4流通； 第2阶段，VT1导通，电流id沿回路1流通； 第3阶段，VD2续流，电流id沿回路2流通； 第4阶段，VT2导通，电流-id沿回路3流通。
在1、4阶段，电动机流过负方向电流，电机工作在制动状态；在2、3阶段，电动机流 过正方向电流，电机工作在电动状态。
因此，在轻载时，电流可在正负方向之间脉动，平均电流等于负载电流，其输出波形见 图 l-17do

图l-17d轻载电动状态的电流波形
13. 双极式控制可逆PWM变换器与不可逆PWM逆变器y的区别：
1）不可逆PWM逆变器电机两端得到的平均电压为Ud=*s=PUs，式中Q为PWM波形的占空比且0 W p<
lo改变/?=ton/T即可调节电机的转速，若令/=亨厂为PWM电压系数，则在不可逆PWM变 换器中/ =P O
2）双极式控制可逆PWM变换器t7 ‘fo f
输出平均电压为=苧化-一",=（芋-1）"技 如果占空比和电压系数的定义与不可逆变换器中相同，则在双极式控制的可逆变换器中y=2p - 1 o
14. 当开关频率为10kHz时，T= 0.1ms ,在一般的电力拖动自动控制系统中，时间常数这K
么小的滞后环节可以近似看成是一个一阶惯性环节：次（s）a—— o"1
15. 反馈控制闭环直流调速系统转速控制的要求：
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）稳速一一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、减速一一频繁起、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。
16. 反馈控制闭环直流调速系统的两个稳态性能指标是调速范围和静差率。
17. 静差率和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。
18. 对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。
19. 调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。
20. 在直流电动机变压调速系统中，一般以电机额定转速nN作为最高转速。
An v由调速范围。=一可见，如果对静差率要求越严，即要求5值越小时，系统
△〃N。一 S）能够允许的调速范围也越小。
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。
22.例题1-1
23. 例题1-2带转速负反馈的闭环调速系统的组成和调节原理:

图1.24采用转速负反馈的闭环调速系统
在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机TG ,从而引 出与被调量转速成正比的负反馈电压Un，与给定电压相比较后，得到转速偏差电压 △ Un ，经过放大器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Ho转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下：
电压比较环节：斗=■；-% 电力电子变换器："d。- K;"c；调速系统开环机械特性：C
测速反馈环节：= an 以上各关系式中Kp-放大器的电压放大系数；
Ks—电力电子变换器的也压放大系数； a —转速反馈系数，(V • min/r)；Ud0— UPE的理想空载输出电压；
R—电枢回路总电阻。
24. 静特性方程式KpKUnfR _ KpK’U；

KpKUnfR _ KpK’U；
从上述五个关系式中消去中间变量，整理后，即得转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方 程式："=Ce(1\ KpK0 0 = C1 + K) 一 Ce (1 ； K)，式中'闭环系统的开环放大系数开环系统机械特性和闭环系统机械静特性的关系结论：
闭环调速系统可以获得比开环调速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，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。
28 .降低稳态速降的实质：

图1・26闭环系统静特性和开环机械特性的关系
关系图分析：负载电流*增大时，开环系统的转速会降低，而闭环系统则会通过自动调 节来保持转速稳定，从图上来看，闭环系统的静特性就是这样在许多开环机械特性上各取一 个相应的工作点，如图L26中的A、B、C、D、…，再由这些工作点连接而成。
过程分析：在开环系统中，当负载电流增大时，电枢压降也增大，转速只能降下来；闭 环系统装有反馈装置，转速稍有降落，反馈电压就会降低，通过比较和放大提高电力电子装 置的输出电压Ud°，使系统工作在新的机械特性上，因而转速又有所回升。
结论：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。
29. 只用比例调节器的反馈控制系统，其被调量仍是有静差的。
30. 从静特性分析中可以看出，闭环系统的开环放大系数K值越大，系统的稳态性能越好。
31. 直流电动机全电压起动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流。
32. 为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电 枢电流的环节，即电流截止负反馈环节。
33. 电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻KpKsRs,因而稳态速降极大，特 性急剧下垂。
34. 反馈控制系统闭环直流调速系统动态结构框图各环节的物理意义：
① 比例放大器；IGBT脉宽控制与变换转置；
② 直流电动机；测速反馈环节。
I，dL（S）

图1.36反馈控制闭环调速系统的动态结构图
35. 积分控制可以使系统在无静差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速。
36. 为什么引入电流环？
答：为了获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程，实现在允许条件下的最快起动。
37. 转速负反馈和电流负反馈之间实行嵌套（串级）联接，把转速调节器的输出当作电流调节 器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPEo从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。
38. 转速、电流双闭环直流调速系统各环节的物理意义：
同——火）TA
图2.2转速、电流双闭环直流调速系统结构
① ASR—转速调节器；ACR一电流调节器
② TG—测速发电机；TA—电流互感器；
③ UPE—电力电子变换器。
39. 为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。
40. 两个调节器的输出都是带限幅作用的。
a. 转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。
41. 当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳态时总是零。
42. 在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速 调节器饱和与不饱和两种情况。
43. ASR输出达到限幅值Ufm ，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双 闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。
44. 两个调节器的作用：
1）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。
2）当负载电流达到Idm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 流无静差，得到过电流的自动保护。
45. 双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系：
U"Un
=an = an0

② U・i =U・i= 0］日=
U PSR CeU；/a +、RY 氐Ks
上述关系表明，在稳态工作点上，转速n是由给定电压U*n决定的；
① ASR的输出量U：是由负载电流IdL决定的；控制电压Uc的大小则同时取决于n和Id,或者说，同时取决于U；和IdLo
46. 双闭环直流调速系统起动过程的分析与总结：
由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程 就分成图2-7中标明的I、II、III三个阶段。

图2.7双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形第I阶段：电流上升的阶段（0-h）
突加给定电压U*n后，Id上升，当Id小于负载电流IdL时，电机还不能转动。
当IdNldL后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器 ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值U*m,强迫电流Id迅速上升。
直到，ld=ldm , Ui=U*m电流调节器很快就压制了 Id的增长，标志着这一阶段的结束。 在这一阶段中ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR 一般不饱和。

第II阶段：恒流升速阶段
在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流U；m给 定下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。
与此同时，电机的反电动势E也按线性增长，对电流调节系统来说，E是一个线性渐 增的扰动量，为了克服它的扰动，UdO和Uc也必须基本上按线性增长，才能保持Id恒定。 当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值， 也就是说，Id应略低于Idmo

当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分 作用还维持在限幅值U*im ,所以电机仍在加速，使转速超调。
转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，U：和Id很快下降。但 是，只要Id仍大于负载电流IdL,转速就继续上升。
直到Id=IdL时，转矩Te= TL,则dn/dt=O,转速n才到达峰值(t = t3时)。
此后,电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在一小段时间内(t3~t4),ldvldL , 直到稳定。如果调节器参数整定得不够好，也会有一些振荡过程。
在这最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而