電力拖動自動控制系統(tǒng)

—運動控制系統(tǒng)第1章緒論內(nèi)容提要運動控制系統(tǒng)及其組成運動控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展運動控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性運動控制系統(tǒng)名稱的由來陳伯時老師，在“電氣控制技術(shù)及其發(fā)展展望”（?電氣傳動?1987年第1期）一文中指出“當(dāng)前標(biāo)志電氣控制技術(shù)先進(jìn)水平是：①以電子計算機(jī)和其他電子裝置為主要控制手段；②以電力電子裝置為弱電控制強(qiáng)電的媒介；③以自動控制理論和信息傳輸理論為理論基礎(chǔ)；④充分了解控制對象，從控制對象的物理規(guī)律抽象出數(shù)學(xué)模型是實現(xiàn)電氣控制的重要前提；⑤以數(shù)字仿真和計算機(jī)輔助設(shè)計、輔助制造（CAD/CAM）等為科研和生產(chǎn)的工具。因此，電氣控制技術(shù)正成為電工、自動控制、計算機(jī)應(yīng)用、電力電子學(xué)、數(shù)字仿真與CAD幾門學(xué)科相互交叉的新型學(xué)科”“現(xiàn)代電氣控制從控制對象的工藝過程角度上看，大體可分為兩大類：一類是以機(jī)械運動為主要生產(chǎn)方式，以電動機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電氣傳動控制；一類是以化學(xué)反應(yīng)或熱量流程為主要生產(chǎn)方式、以自動化儀表與裝置為檢測和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電氣儀表過程控制。運動控制系統(tǒng)名稱的由來陳老師在“運動控制系統(tǒng)的最新發(fā)展及其前景”（《電氣傳動》1989年第1期）一文中指出“隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，原有的電力拖動控制的概念已經(jīng)不能充分概括現(xiàn)代計算機(jī)自動化系統(tǒng)中承擔(dān)第一線任務(wù)的全部控制設(shè)備，…，1985年前后，國際上開始出現(xiàn)“運動控制系統(tǒng)”這一名稱，并立即被許多學(xué)者采用。美國B.K.Bose博士寫到“運動控制是這一代工程師們采納的新名詞，它是電機(jī)拖動技術(shù)的后裔”；“當(dāng)今的運動控制系統(tǒng)是一個新的技術(shù)領(lǐng)域，它包含電機(jī)、電力半導(dǎo)體器件、變換電路、作為硬件的信號電子技術(shù)、自動控制理論和微型計算機(jī)等眾多學(xué)科；…”。因此，現(xiàn)代的運動控制系統(tǒng)已經(jīng)不同于原有的電氣傳動控制系統(tǒng)的概念，它是綜合電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)、電機(jī)原理和自動控制原理、計算機(jī)仿真和CAD的一門新興學(xué)科?，F(xiàn)代運動控制技術(shù)電機(jī)學(xué)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)、控制理論、信號檢測與處理技術(shù)等多門學(xué)科相互交叉的綜合性學(xué)科。圖1-1運動控制及其相關(guān)學(xué)科6000kW煤礦主井提升機(jī)6000kW礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)（部分）6000kW礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)（部分）1.1運動控制系統(tǒng)及其組成

圖1-2運動控制系統(tǒng)及其組成運動控制系統(tǒng)的控制對象——

電動機(jī)從類型上分直流電動機(jī)、交流感應(yīng)電動機(jī)（交流異步電動機(jī)）和交流同步電動機(jī)。從用途上分用于調(diào)速系統(tǒng)的拖動電動機(jī)和用于伺服系統(tǒng)的伺服電動機(jī)。運動控制系統(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)展低頻開關(guān)向高頻開關(guān)發(fā)展分立的器件向具有復(fù)合功能的功率模塊發(fā)展運動控制系統(tǒng)的控制器模擬控制器 物理概念清晰、控制信號流向直觀 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動控制系統(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、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等功能運動控制系統(tǒng)的控制器模擬控制器并行運行，控制器的滯后時間小。微處理器數(shù)字控制器串行運行方式，其滯后時間比模擬控制器大得多，在設(shè)計系統(tǒng)時應(yīng)予以考慮。運動控制系統(tǒng)的信號檢測與處理信號檢測電壓、電流、轉(zhuǎn)速和位置等信號信號轉(zhuǎn)換電壓匹配、極性轉(zhuǎn)換、脈沖整形等數(shù)據(jù)處理信號濾波1.2運動控制系統(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)已成為不爭的事實。1.2運動控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展直流調(diào)速系統(tǒng) 直流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型簡單，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磁電流的解耦，使轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。1.2運動控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展交流調(diào)速系統(tǒng) 交流電動機(jī)（尤其是籠型感應(yīng)電動機(jī)）結(jié)構(gòu)簡單 交流電動機(jī)動態(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)動態(tài)性能無法與直流調(diào)速系統(tǒng)相比交流調(diào)速系統(tǒng)基于動態(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)動態(tài)性能良好，取代直流調(diào)速系統(tǒng)1.2運動控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展同步電動機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng) 同步電動機(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機(jī)調(diào)速的失步和啟動兩大問題。1.3運動控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律

運動控制系統(tǒng)的基本運動方程式忽略阻尼轉(zhuǎn)矩和扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩，運動控制系統(tǒng)的簡化運動方程式1.3運動控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律

轉(zhuǎn)矩控制是運動控制的根本問題要控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，唯一的途徑就是控制電動機(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運動控制系統(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)矩的同時也控制磁通（或磁鏈）。1.3運動控制系統(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)矩是一個必然存在的不可控擾動輸入。歸納出幾種典型的生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性，實際負(fù)載可能是多個典型負(fù)載的組合，應(yīng)根據(jù)實際負(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，稱作恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載

a）位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載