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中文译文

控制技术驱动和控制手册A4章

转矩、速度和位置控制

a4 1一般原则

4 1 1理想的控制系统

许多应用程序存在一些必须控制跟随参考量。例如,一个大型电机的速度可以设置从一个低功率控制信号。这可以通过使用一个变速驱动描述如下。

理想情况下,引用之间的关系和电动机转速应该线性,速度应该改变立即与变化的参考。任何控制系统可以表示为图A4.1b,输入参考信号,传递函数F和一个输出。为系统是理想,传递函数F是一个简单的常数,因此,输出将会成正比的参考,没有延迟。

a4 1 2开环控制

不幸的是,传递函数的许多实际系统不是一个常数,因此如果没有任何形式的反馈输出正确的非理想性质的传递函数,输出并不遵循需求的要求。使用an172控制技术驱动和控制手册。

感应电动机提供简单的开环变速驱动器gdp1为例,以下列举了一些副作用,可以发生在实际的系统:

速度调节。输出一个简单的开环驱动是一个固定的频率,是成正比的速度参考,所以频率应用到电机仍然是一个恒定的速度常数参考。这个马达的速度滴作为负载应用由于滑移特性的电动机,所以速度不保持在所需的水平。

不稳定性。它是可能的在特定负载条件下和在特定频率的电动机转速摆动在所需的速度,即使应用频率是恒定的。另一个不稳定的主要来源在旋转机械系统是低损耗弹性联轴器、轴。

非线性。有许多可能的来源的非线性。例如,如果电机连接到变速箱,速度的输出齿轮箱可能会受到反弹齿轮之间。

变化与温度。一些方面的系统传递函数可能随温度。例如,一个感应电动机的转差率随电机升温,所以对于一个给定的负载电机转速可以减少从开始时速度电机很冷。

延迟。用一个简单的开环逆变器和感应电动机可以有一个延迟在电动机转速达到要求水平的改变之后速度参考。在非常简单的应用程序,如控制传送带的速度,这种类型的延迟可能不是一个问题。在更复杂的系统,比如在机床轴,延误有显著影响质量的系统。

这些只是一些副作用,可以生产如果一个开环控制系统使用。一个方法,提高质量的控制器是使用一个测量输出量应用一些反馈给闭环控制。

a4 1 3闭环控制

简单的开环驱动的部分a4 1 2可以替换为一个控制系统如图a4 2。该控制系统不仅提供了一种手段来纠正任何错误在输出变量,但也使一个稳定的响应特性。

电机轴的速度测量和比较速度参考给速度误差。错误修改了一个传递函数G 给一个电流参考缺席我*在输入电流控制块。各种方法对电机的电流控制在本章中讨论;然而,现在它应该假定,电机电流进行控制可以给一个扭矩,是成正比的电流参考缺席。如果马达的速度从参考电平变化速度误差是产生和转矩应用于负载改性使速度回所需的水平。

有必要选择合适的传递函数G获得必需的由于从闭环控制系统。这个函数可以是一个简单的增益,因此当前参考我*?Kp补。这将给予某种程度的控制输出速度,但速度误差必须有一个非零值如果任何扭矩需要持有电机速度。

任何速度误差随时间积累,构建了一个电流参考提供必要的扭矩。一个闭环控制系统,比例和积分术语叫做PI控制器。虽然有许多类型的闭环控制器,PI控制器是最常用的,因为它是简单的实现,rela-tively容易设置和很好理解,大部分的工程师。

如果输出达到参考在最短的时间内没有任何尖峰,响应被描述为极度阻尼。

如果不是accepta-ble过度,那么这是最好的可能的反应给了最小延迟之间的输

入和输出系统。

如果系统阻尼增加,反应迟钝,被描述为阻尼。

如果系统是欠阻尼响应包括一些超调和振荡引用可能需要安定下来之前。

这些结果,这是一个简单的二阶系统,表明增加阻尼减少超调,系统响应慢。真正的系统可以更复杂,增加阻尼并不总是给结果。这一步反应可能是闭环系统,改变参考水平最低的时间是必需的。在另阶跃响应可能显示输出变化对其他刺激,比如一个负载转矩过渡。在这个情况下,响应通常应尽可能小。闭环阶跃响应可以用来评估性能当控制系统是用于隔离。然而,如果控制器本身是包含在另一个控制回路的封闭系统,重要的是要获得和延迟,因为他们会影响系统性能。增益和延迟可以按生产的波德图的增益和相位一个响应和频率。一个理想的控制器将单位增益和零相移在所有频率;然而,在再保险。这些效果是衡量系统的带宽,通常定义为23分贝增益特性的点。在例子中给出相应的相位延迟的系统订单。一阶

系统有延迟到23日,458分贝,和一个二阶系统就像在你的案子有一个延迟至23日在608分贝。相关

运输延迟和数字系统可以进一步延迟。在许多情况下,带宽是指一个估计动态执行性质的一个控制系统;换句话说,更高的带宽、性能越好。带宽通常是23分贝增益特性,频率的参考点的注意它的意义是非常重要的,尤其是数字实现,可能没有说明的质量控制系统。如果控制器是ph值包含在另一个闭环控制系统。如果控制器是包含在另一个闭环控制系统的相位延迟是非常重要的。如果延迟太大可能有必要遵循德曲调环保持稳定。增益特性可能导致不可接受的超调。尽管现代变速传动装置包括很多功能,最基本的功能是控制驱动转矩(或力),或速度位置。在继续之前,细节的不同类型的变速驱动函数,控制理论对每个这些讨论了数量。一个位置控制系统如图5 a4。这包括一个内部速度控制器,并在整个一年速度控制器有一个内部转矩控制器。它可以创建一个系统确定控制器的位置机械转矩应用于负载直接没有内部循环速度和转矩。然而,位置控制器将需要能够控制复杂的传递函数相结合的电动机绕组、机械载荷和速度的转换。这种方法的另一个优点是限制可以应用于速度和转矩之间的距离或速度变化每个控制器。只有当系统需要控制速度、位置控制器,当一个系统忽略了需要控制

只有系统转矩、位置和速度控制器将被忽略。一个位置传感器显示提供反馈系统,但这可能是取代速度传感器,或它可以省略完全,如下所示。

位置信息所需的转矩控制器功能在一个交流电动机驱动(见虚线)。如果位置反馈提供反馈是派生的变化速度是速度比常规采样周期。无传感器方案可能会速度和转矩控制交流电动机,在这种情况下,传感器不是必需的。位置反馈不是必要的转矩控制器在直流电机驱动,所以一个速度反馈装置,如速度速度传感器可用于提供反馈控制器。再一次,无传感器方案可能不会在一个速度反馈装置是必需的。

a4 2 2转矩控制

A转矩控制器为一个旋转电动机,或一个力控制器为一个线性马达,是基本的内循环的大多数变速驱动器。只有转矩控制是这里讨论的,但原则也适用于对一个线性应用力控制。为了解释原则的转矩控制,简单的直流电动机系统在图a4 6作为一个例子。分析转矩控制在一个交流电动机可以在完全相同的方式,提供适当的转换是进行

扭矩需求或引用(Te *)是由转矩控制器转换成电流在电动机电枢,电动机本身将电流转化成扭矩。

(b)电流控制

驱动机械负荷。图A4.6b显示系统要求转换成电机电流的转矩的参考。扭矩参考(Te *)是第一次变成了一个电流参考(ia *)包括了尺度效应的电动机通量。汽车流量,控制电动机励磁电流(如果),通常是减少从其额定水平更高的速度当终端电压会超过最大可能的输出电压的电源电路没有这种调整。电流限制然后被用于电流参考以便所需电流不超过卡帕能力的驱动。当前的参考(限于最高级别)成为输入的PI控制器。电等效电路的电机由一个电阻(Ra),一个电感(La)和反电动势,通量和速度成正比

单独的PI控制器可以成功地控制电流在这个电路,因为随着速度的增加,电压需要克服反电动势将pro二的积分术语。积分控制是可能相对较慢,所以以提高性能,在瞬态速度变化电压前馈词相当于包括Kevc /装箱。合并后的输出的PI 控制器和电压前馈术语形成参考电压(va *),以应对这个电源电路应用一个电压(va)到电动机的电路提供一个电流(ia)。当前的测量,传感器和用作反馈的电流控制器。

以及线性组件如图a4 6、电流控制回路在一个数字驱动包括样品延误以及电源电路造

成的延迟。在实践中,控制器的响应是由比例增益。特别是,如果一个电压前馈使用的术语,积

分词很少影响瞬态响应。

它是有用的了解闭环传递函数的转矩控制器(即。Te / Te *)这样的反应,一个独立的转矩

控制器,或效果的一种内在的转矩控制器在外层循环如一个速度控制器,可以预测。为响应是由

系统延迟它是适当的代表闭环响应作为简单的收益和一个单位增益传输延迟。

扭矩可以在N m引用,但它是更传统的使用价值一定比例的额定电动机转矩。传递函数当转矩控制器是单独使用。Kt是电机的转矩常数在N m A21。如果扭矩控制器是用

于外部速度控制器一个稍微不同的表示必须使用,如图A4.7b。速度控制器pro挥拳扭矩值的参

考资料,统一对应于一个指定的当前水平的大小或评级的驱动。从控制角度来看这是不重要的

是否这是最大电流能力的驱动,额定电流或一些其他的水平。使用的实际水平定义为Kc(安培数),

并应包括在传递函数如图所示。这些简单的模型允许驱动用户预测性能的一个独立的转矩控制

器或转矩控制器和一个外速度环。

a4 2 3通量控制

电机磁通和因此电动机端电压为给定的速度来定义通量产生电流。在一个简单的例子。pre-viously使用电机驱动,电机通量水平设置的励磁电流,如果。流量控制器(图a4 8)包括一个内部电流环和一个外循环,维持额定通汽车直到电枢端电压达到最大限度。当发动机转速增加高于额定速度然后控制励磁电流,因此通量,因此电枢电压保持在所需的最大水平。

扭矩和流量控制器都显示在一个简化的形式在图a4 9。都有一种内在的电流控制器,生成一个参考电压和电源电路,转换到当前。系统显示是一个直流电动机驱动,但基于矢量变换可以用来模拟这一交流电动机和形式的依据矢量控制交流电机驱动系统。

a4 2 4速度控制

a4 2 4 1基本速度控制

闭环速度控制可以通过应用一个简单的转矩控制器PI控制器在前面描述的。对于本分析假定负载是一个惯性J,扭矩Td,与速度(摩擦忽略不计)。由此产生的系统。

与转矩控制器,它是有用的了解的闭环响应,响应的一个独立的速度控制器,或效果的一种内在的速度控制器在一个外环的位置可以被预测。如果一个温和的反应是需要速度控制器是没有显著地受到系统延迟,和一个线性传递函数如方程(a4 4)可以使用。所有的常量在这些方程和带来的延迟当前控制器通常是提供给用户,以便计算和/或模拟可进行性能预测的速度控制器。

除了提供所需的闭环阶跃响应,它是重要为系统能够防止不必要的运动的结果应用扭矩瞬态。这可能是由于负载突然应用或由于不均匀的负载。能够防止不必要的运动称为刚度。这个com-pliance角的系统是一个衡量刚度和将在稍后讨论(a4 2 4 2)。

随着阻尼系数的增加,闭环反应过度降低,响应速度提高。闭环响应包括10%超越与阻尼因子的团结,因为年代的分子。术语

随着阻尼系数的增加,过度的反应降低,转矩tran瞬变响应变慢。在这种情况下没有年代术语在分子和反应包括无超调与阻尼系数的统一。

这似乎从这些结果,更高的比例增益,因此阻尼因子越高越反应;然而,结果到目前为止假设一个理想的转矩控制器和没有额外的不必要的延误。在一个真正

的数字驱动系统延误给图a4 12可能存在。一个延迟包含代表样本期为速度测量,但这仅仅是相关的,如果速度反馈是源自一个位置反馈装置如一个编码器和测量作为一个变化的位置在一个固定的采样周期。

不必要的延迟的影响可以看到在闭环阶跃响应为一个真正的系统如图a4 13。在每种情况下的响应有更多比真实系统超调的理想系统。如果阻尼因子设置为团结那么过度可能是可以接受的,但一个阻尼系数1.25响应相当振荡和可能是不可接受的。不必要的延迟的影响更加显著耽搁的时间越久,也随着设置带宽的增加速度控制器。

额外的延迟的影响可以看到波德图的闭环响应的速度控制器设置给统一阻尼因子(图a4 14)。频率在23分贝点的增益特性明显增加了从理想的速度控制器,而频率在608点的相位特性几乎不变。如果这是被用来作为一个独立的控制器的增益特性可以用来预测带宽,但应该指出的是,增益大于团结在一些频率。通常带宽基于增益特性是唯一的带宽,是引用,因为这使得性能似乎是更好的,在这种情况下2 000 rad s21。然而,如果速度控制器是被包含在一个外部位置控制器,带宽不必要的延迟性能的限制速度控制器。大自然的quantised速度反馈当它来源于一个位置传感器位置的变化在一个固定的采样周期也可以限制这种。一个高的比例增益在速度控制器,因此高带宽,产生高频转矩脉动和噪声从quantised速度反馈。

a4 2 4 2设置速度控制器收益

所提供的负载惯性是已知的,可以选择比例和积分上涨速度控制器,根据所需的带宽或所需的合并性质角使用方程为理想的速度控制器。如果由此产生的带宽的控制回路是相当保守的,控制器将表现大约为预测的理想模型方程。

a4 2 5位置控制

a4 2 5 1基本位置控制

如果位置控制是必需的,一个额外的外层循环应用于速度控制旋耕机如图a4 17。位置控制回路只包括一个比例术语千伏。一个积分术语通常并不需要任何静态误差给出了速度参考v *,积分术语在速度控制器部队负载移动到位置误差被移除。千伏通常单位毫米s21 /毫米,ms21 / m,rad s21 / s等。提供了位置单位在速度和位置部分都相同(即rad和rad s21)然后下面的分析应用。