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电流驱动型
低
比较复杂
大
较低
1-5电力电子器件管脚
⏹晶闸管-门极G、阳极A、阴极K
⏹GTO-门极G、阳极A、阴极K
⏹GTR-基极B、集电极C、发射极E
⏹PowerMOSFET-栅极G、漏极D、源极S
⏹IGBT-栅极G、集电极C、发射极E
1-6、单相半波可控整流电路
1-7、基本概念:
触发延迟角α:
从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度,也称触发角或控制角。
导通角θ:
晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度。
相控方式:
通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式。
移相范围:
α的变化范围(180︒)。
1-8、单相桥式晶闸管整流电路如图所示,Z为负载。
(a)、如果Z为阻感负载且电流id连续,试画出当触发角为30度时,变压器副边电压u2和负载电压ud的波形。
(b)、如果Z为电阻负载,试画出当触发角为30度时,变压器副边电压u2和负载电压ud的波形。
1-9、什么是逆变?
逆变:
把直流电转变成交流电的过程。
当交流侧和电网连结时,为有源逆变电路。
当交流侧不与电网联接,而直接接到负载,称为无源逆变。
1-10、产生有源逆变的条件
(1)要有直流电动势,其极性须和晶闸管的导通方向一致,其值应大于变流器直流侧的平均电压。
(2)要求晶闸管的控制角α>
π/2,使Ud为负值。
两者必须同时具备才能实现有源逆变。
1-11、当电流波形连续时,整流装置的平均输出电压
1-12、逆变角
◆通常把α>
π/2时的控制角用π-α=β表示,β称为逆变角。
◆β的大小自β=0的起始点向左方计量。
1-13、逆变失败
逆变运行时,一旦发生换相失败,外接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路,或者使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联,由于逆变电路的内阻很小,形成很大的短路电流,这种情况称为逆变失败,或称为逆变颠覆。
第二部分转速反馈直流调速系统
2-1电动机的数学模型
Ce--电动势系数
Cm--转矩系数
GD2-飞轮转矩=4J
Te-电动力矩Nm
2-2、电动机电枢回路的等效电路
2-3、电动机的机械特性
n=(Ud-Id*R)/Ce
2-4、已知电动机参数为UN=27V,IN=2A,电枢回路电阻R=0.5,Ce=0.01,画出该电机的机械特性,并在图上标出理想空载转速,在额定电压下堵转时的电枢电流。
n0=2700r/min,Id=27/.5=54A
2-5、直流电动机有哪几种调速方法?
各有哪些特点?
a.改变电枢供电电压:
可平滑调速,是直流调速系统主要使用的调速方案。
b.减弱励磁磁通:
可平滑调速,但调速范围不大,只是配合调压方案,在基速以上小范围弱磁升速。
c.改变电枢回路电阻:
只能有级调速。
2-6、对于相控整流电路,当负载轻时,会出现电枢电流断续。
当电枢电流断续时,电机的机械特性变软,稳速能力下降。
避免电枢电流断续的方法有:
a、设置平波电抗器;
b、增加整流电路相数;
或采用多重化技术。
2-7、V-M系统的主要缺点
⏹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。
⏹晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/dt与di/dt都十分敏感,若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。
⏹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”。
2-8、PWM-电动机系统的优点(相对于VM系统):
(1)主电路线路简单,需用的功率器件少;
(2)开关频率高,电流容易连续,谐波少,电机损耗及发热都较小;
(3)低速性能好,稳速精度高,调速范围宽,可达1:
10000左右;
(4)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;
(5)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。
1、主电路线路简单,需用的功率器件少;
2、开关频率高→谐波幅度小→电机损耗小
→谐波幅度小→电流容易连续→低速性能好、调速范围宽
→失控时间短→系统带宽大,动态响应快,动态抗扰能力强
3、开关方式工作→导通损耗小
4、直流电源可采用不控整流→电网功率因数比相控整流器高。
2-9、有制动回路的不可逆PWM变换器工作原理
一般电动状态:
id>
0。
在0≤t<
ton期间,VT1导通;
id沿回路1。
在ton≤t<
T期间,VT1关断,经二极管VD2续流;
id沿回路2。
VT1和VD2交替导通,VT2和VD1始终关断。
制动状态:
电枢电流反向
在0≤t≤ton期间,VT2关断,-id沿回路4经VD1续流,向电源回馈制动。
在ton≤t≤T期间,Ug2变正,VT2导通,反向电流id沿回路3流通,产生能耗制动作用。
2-10、双极式控制的桥式可逆PWM变换器的工作原理
(1)正向运行:
⏹第1阶段,在0≤t≤ton期间,Ug1、Ug4为正,VT1、VT4导通,Ug2、Ug3为负,VT2、VT3截止,电流id沿回路1流通,电动机M两端电压UAB=+Us;
⏹第2阶段,在ton≤t≤T期间,Ug1、Ug4为负,VT1、VT4截止,VD2、VD3续流,并钳位使VT2、VT3保持截止,电流id沿回路2流通,电动机M两端电压UAB=–Us;
(2)反向运行:
⏹第1阶段,在0≤t≤ton期间,Ug2、Ug3为负,VT2、VT3截止,VD1、VD4续流,并钳位使VT1、VT4截止,电流–id沿回路4流通,电动机M两端电压UAB=+Us;
⏹第2阶段,在ton≤t≤T期间,Ug2、Ug3为正,VT2、VT3导通,Ug1、Ug4为负,使VT1、VT4保持截止,电流–id沿回路3流通,电动机M两端电压UAB=–Us;
2-11、双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点:
(1)电流一定连续;
(2)可使电机在四象限运行;
(3)电机停止时有微振电流,能消除静摩擦死区;
(4)低速平稳性好,系统的调速范围可达1:
20000左右;
(5)低速时,每个开关器件的驱动脉冲仍较宽,有利于保证器件的可靠导通。
双极式控制方式的不足之处是:
在工作过程中,4个开关器件可能都处于开关状态,开关损耗大,而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故,为了防止直通,在上、下桥臂的驱动脉冲之间,应设置逻辑延时。
2-12、
2-13、泵升电压
对于PWM变换器中的滤波电容,其作用除滤波外,还有当电机制动时吸收运行系统动能的作用。
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”。
2-14、调速系统的控制要求
(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——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动、制动尽量平稳。
2-15、调速范围
生产机械要求电动机提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比称为调速范围,用字母D表示。
调速范围D=nmax/nmin=nN/nmin
2-16、静差率,
当系统在某一转速下运行时,负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落ΔnN与理想空载转速n0之比。
静差率S=△nN/n0*100%
。
2-17一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。
2-18、闭环调速系统原理框图
GT-触发装置
UPE-电力电子变换器
2-19、闭环调速系统稳态结构框图
2-20、闭环调速系统的机械静特性表达式。
2-21、同开环调速系统相比,闭环调速系统的静特性变硬。
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。
2-22
2-23
有一V-M调速系统,电动机参数为:
额定电压UN=100V,额定电流IN=10A,额定转速nN=1000r/min,电枢内阻Ra=1Ω,整流装置的放大倍数Ks=10,内阻Rc=1Ω,
(1)计算电机的电动势系数Ce;
Ce=(UN-IN*Ra)/nN=(100-10*1)/1000=0.09
(2)在额定负载下的转速降落Δn;
Δn=IN*R/Ce=10*(1+1)/0.09
(3)当电机在负载IdL=10A下以n=100r/min的转速稳定运行时,整流装置输出电压Ud;
Ud=Id*(Ra+Rc)+Ce*n=10*2+0.09*1000
(4)如果该系统的转速调节器限幅值为10V,计算当电机堵转时的电枢电流Id。
堵转电流Idcl=100/(1+1)=50A
(5)如果要求D=10,静差率S不大于10%;
所允许的转速降落为
由
ΔnN=1000*0.1/10/0.9=10/0.9=11
2-24、为什么要加入限流保护
⏹开环起动的冲击电流Id=UcKs/Ce
⏹闭环调速系统突加给定起动的冲击电流Id=ΔUKpKs/Ce.
⏹放大器和变换器的惯性都很小,电枢电压一下子就达到它的最高值,对电动机来说,相当于全压起动
⏹堵转电流——有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况。
2-25、限流保护的方法
⏹电枢串电阻起动;
⏹引入电流截止负反馈;
⏹加积分给定环节。
2-26、直流电机的动态结构框图
Tl–电枢回路电磁时间常数
Tm–电力拖动系统机电时间常数
2-27、直流电机的等效结构框图
2-28、
2-29、
2-30
PI调节器
2-31、电流截止环节的转速负反馈系统的作用
2-32、在转速负反馈系统闭环系统中,当下列参数发生变化时系统是否有调节作用,为什么?
a.电网电压,b.负载转矩,c.电动机励磁电流,d.电枢电阻,e.测速发电机励磁,f.给定电源的精度。
问系统对上述各量有无调节能力?
并简要说明理由。
答:
对电网电压、负载转矩、电动机励磁电流、电枢电阻有调节能力,对测速发电机励磁、给定电源精度的变化无调节能力。
第二部分转速电路双闭环直流调速系统
3-1转速电流双闭环调速系统
在转速环的内部增加一个电流反馈环。
3-2加入电流环的目的
提高起动和制动的快速性,减小突加负载时的动态速降。
3-3转速、电流双闭环直流调速系统结构
3-4转速、电流双闭环直流调速系统电路原理图
3-5调节器的输出限幅
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。
3-6双闭环直流调速系统的稳态结构图
3-7双闭环直流调速系统的动态结构图
3-8
3-9双闭环直流调速系统的起动过程的特点
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。
在双闭环系统中,由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。
3-10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。
转速调节、抗负载扰动、输出限幅实现电流限制
3-11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(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。
电流跟随外环发出的给定信号、抗电网电压扰动、最大电流加速、限制堵转电流
3-12典型I型系统
3-13典型II型系统
3-14两种系统比较
典型I型系统和典型Ⅱ型系统除了在稳态误差上的区别以外,在动态性能中,
典型I型系统在跟随性能上可以做到超调小,但抗扰性能稍差,
典型Ⅱ型系统的超调量相对较大,抗扰性能却比较好。
3-15多环控制系统的一般设计原则
1、先内环,后外环
2、内环响应快,外环响应慢;
3、在设计外环时,把内环等效为外环中的一个环节。
这种方法的特点是:
虽然不利于快速性,但每个控制环本身都是稳定的,对系统的组成和调试工作非常有利。
3-16滤波的概念:
如果转速检测信号为1+0.1sin(1000t)V,转速环加入低通滤波器
T0n=0.01,求输出信号中的噪声幅度。
=0.1/10=0.01
第四部分可逆调速系统和位置随动系统
4-1中、小功率的可逆直流调速系统多采用由电力电子功率开关器件组成的桥式可逆PWM变换器。
在小容量系统中可用将IGBT、续流二极管、驱动电路以及过流、欠压保护等封装在一起的智能功率模块—IPM。
4-2
4-3、
4-4、V-M可逆直流调速系统
•对于拖动位能性负载的起重机而言,采用单组晶闸管装置就能实现重物的提升和下放。
•当α<
90°
时,平均整流电压Ud0>
E(E为电动机反电动势),输出整流电流Id,电动机产生电磁转矩作电动运行,提升重物,这时电能从交流电网经晶闸管装置传送给电动机,V-M系统运行于第Ⅰ象限。
•α>
,Ud0为负,晶闸管装置本身不能输出电流,电机不能产生转矩提升重物,只有靠重物本身的重量下降,迫使电机反转,产生反向的电动势-E。
•当|E|>
|Ud0|时,产生Id,因而产生与提升重物同方向的转矩,起制动作用,使重物平稳下降。
•电动机处于反转制动状态,成为受重物拖动的发电机,将重物的位能转化成电能,通过晶闸管装置V回馈给电网,V则工作于有源逆变状态,V-M系统运行于第Ⅳ象限。
4-5对于需要电流反向的直流电动机可逆调速系统,必须使用两组晶闸管整流装置反并联线路来实现可逆调速。
•电动机正转时,由正组晶闸管装置VF供电;
•反转时,由反组晶闸管装置VR供电。
4-6位置随动系统的组成
4-7位置随动系统的主要特征
•①能使输出位移快速而准确的复现给定位移;
•②位置传感器精度要求高,应准确给出反映位移误差的电信号;
•③电压和功率放大器以及拖动系统都是可逆的;
•④稳态精度高、动态响应快速;
动态响应快、稳态误差小;
要求可逆功放;
要求高精度测量
4-8位置随动系统与调速系统的比较
•①共同点
•都是反馈控制系统,由输出量反馈和给定量构成闭环;
•②区别
•调速系统的给定量一经设定,即保持恒值,系统的主要作用是保证稳定和抵抗扰动;
•而位置随动系统的给定量是随机变化的,要求能够跟随给定量的变化,系统在保证稳定的基础上,更强调快速响应;
被控量
主要性能指标
输入信号性质
反馈元件
应用领域
调速系统
速度
稳态抗扰
一般为已知
速度反馈
速度控制
随动系统
位置
动态跟随
一般未知
位置反馈
位置控制
•
4-9常见位置传感器
电位器、自整角机、旋转变压器、感应同步器、光电和磁性编码器
4-10稳态误差分析
量测误差+给定误差+扰动误差
给定误差与系统的开环增益K和前向通道中所有积分环节的总数有关;
扰动误差则只与扰动作用点前的增益及扰动作用点前的增益积分环节数目有关。
4-11位置随动系统下图所示,已知Tm=0.1s,Ts=0.005s,Tl=0.01s,Ks=5,Ce=0.5V.min/r,Kg=6,R=1Ω
要求把系统校正为典型I型系统,在阶跃输入下超调量小于等于5%。
1、选择调节器D(s)的结构、确定其参数并计算该系统的峰值时间。
2、计算该系统在输入为200deg/s时的稳态误差。
3、计算当负载电流为IdL=2A时,负载扰动引起的稳态误差。
4-12位置随动系统下图所示,已知Tm=0.1s,Ts=0.005s,Tl=0.01s,Ks=5,Ce=0.5V.min/r,Kg=6,R=1Ω
要求把系统校正为典型II型系统,在阶跃输入下超调量小于等于30%。
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