电气传动自动控制系统-第05章 闭环控制的异步电机变压调速系统
国家开放大学电大《电气传动与调速系统》《机电控制工程基础》网络课形考网考作业(合集)答案
国家开放大学电大《电气传动与调速系统》《机电控制工程基础》网络课形考网考作业(合集)答案 《电气传动与调速系统》网络课答案 形考任务1 一、选择题（每小题5分，共40分） 题目1 电气传动系统做旋转运动时，其运动方程为（）。 选择一项： 题目2 如图所示的旋转运动系统（箭头方向表示转矩的实际方向），系统的运动状态是（）。 选择一项： A. 匀速 B. 加速 C. 静止 D. 减速 题目3 如图所示的负载机械特性属于（）。 选择一项： A. 恒功率负载机械特性 B. 位能性恒转矩负载机械特性 C. 反抗性恒转矩负载机械特性 D. 直线型负载机械特性 题目4 如图所示的电动机机械特性（曲线1）与负载机械特性（曲线2）相交的交点分别为A和B，以下说法正确的是（）。选择一项： A. A点是稳定运行点，B点是稳定运行点 B. A点是稳定运行点，B点不是稳定运行点 C. A点不是稳定运行点，B点不是稳定运行点
D. A点不是稳定运行点，B点是稳定运行点 题目5 直流电动机的换向器与电刷配合，可将电枢绕组内的（）变换为电刷上的直流电势。 选择一项： A. 交流电势 B. 直流电势 C. 恒定电压 D. 不变电势 题目6 如图所示为他励直流电动机的机械特性曲线组，表示的是（）的人为机械特性。 选择一项： A. 减弱磁通 B. 降低电源电压 C. 电枢回路串电阻 D. 增大磁通 题目7 如图所示为他励直流电动机的工作特性曲线，下述表达正确的是（）。 选择一项： A. 曲线1是转速特性，曲线2是效率特性，曲线3是转矩特性 B. 曲线1是转矩特性，曲线2是效率特性，曲线3是转速特性 C. 曲线1是效率特性，曲线2是转速特性，曲线3是转矩特性 D. 曲线1是转速特性，曲线2是转矩特性，曲线3是效率特性 题目8 如图所示他励直流电动机机械特性与负载机械特性曲线的交点a,b,c,d，下述表达正确的是（）。 选择一项： A. 从a点到b点是属于调速运行，从c点到d点属于调速运行 B. 从a点到c点是属于调速运行，从c点到d点属于调速运行 C. 从a点到c点是属于调速运行，从b点到d点属于调速运行 D. 从a点到b点是属于调速运行，从b点到d点属于调速运行 二、判断题（每小题5分，共40分） 题目9 当传动系统做旋转运动时，作用在电动机轴上的电磁转矩T和负载转矩TL之差，即T-TL=△T称为动态转矩，当△T>0，即dn/dt > 0时，系统处于加速运行状态。（）
异步电动机矢量控制系统的仿真
异步电动机矢量控制系统仿真 1.异步电机矢量控制系统的原理及其仿真 1.1 异步电动机矢量控制原理 异步电机矢量变换控制系统和直接转矩控制系统都是目前已经获得使用的高性能异步电机调速系统，对比直接转矩控制系统，矢量变换系统有可以连续控制，调速范围宽的优点，因此矢量变换控制系统为现代交流调速的重要方向之一。 本文采用的是转子磁场间接定向电流控制型交流异步电机矢量控制系统[1]，如图1所示。 图1矢量变换控制系统仿真原理图 如果把转子磁链方向按空间旋转坐标系的M轴方向定向，则可得到按转子磁场方式定向下的三相鼠笼式异步电动机的矢量控制方程。 （1） （2） （3） （4）
（5） 上列各式中，是转子励磁电流参考值；是转差角频率给定值；是定子电流的励磁分量；是定子电流的转矩分量；是定子频率输入角频率； 是转子速度；是转子磁场定向角度；是转子时间常数；和分别是电机互感和转子自感。 图4所示控制系统中给定转速和实际电机转速相比较，误差信号送入转速调节器，经转速调节器作用产生给定转矩信号，电机的激磁电流给定信号根据电机实际转速由弱磁控制单元产生，再利用式（1）产生定子电流激磁分量给定信号，定子电流转矩分量给定信号则根据式（2）所示的电机电磁转矩表达式生成。、和转子时间常数Lr一起产生转差频率信号，和ωr相加生成转子磁场频率给定信号，对积分则得到转子磁场空间角度给定信号。和经坐标旋转和2/3相变换产生定子三相电流给定信号、和，和定子三相电流实测信号、和相比较，由滞环控制器产生逆变器所需的三相PWM信号。 1.2 异步电机转差型矢量控制系统建模 在MATLAB/SIMULINK环境下利用电气系统模块库中的元件搭建交流异步电机转差型矢量控制系统[2]，电流控制变频模型如图2所示。 图2 电流控制变频模型图 整个仿真图由电气系统模块库中的元件搭建组成，元件的直观连接和实际的主电路相像似，其中主要包括：速度给定环节，PI速度调节器、坐标变换模块、
步进电机自动控制系统
步进电机自动控制系统 设计内容 设计用P C机对四相步进电机，方向，步数及自动化控制系统，并编写汇编程序实现相应轻能。 设计要求 （1）设计控制系统硬件电机。 （2）由8255键盘控制电机的方向，走的步数,并由数码管显示相应的参数。 （3）在命令执行结束后，由PC内部扬声器发出信号提示。 设备与器材 PC机一台，TPC－1实验台一个，并行接口8255一片，步进电机一个，LED数码管4个，74ls164按键11个，GAL芯片一个，74LS245一片。 硬件方案 硬件共分成5个模块：①译码驱动电路，②8255控制键盘模块③8255LED显示模块，④步电机驱动模块，⑤步进电机模块 a) 译码驱动电路 方案一使用适当的门电路来实现不同地址的，用74LS245做数据驱动，缺点： 由于只使用门电路，电路连线非常复杂 方案二使用76LS138和适当门电路实现译码，相对于方案一电路复杂度有一定的改观，在TPC实验箱上使用这种译码方案 方案三使用可编程逻辑器件GAL16V8实现译码功能，用GAL优点：成本低，电路连线少。本设计选择这个方案来实现译码功能。 a)键盘模块 方案一用8255 12个口直接接按键，此方法成本高，不使用行列法，浪费端口，如用行列法只用7个端口。 方案二使用2个74LS273或74LS373控制键盘，其中一个控制行，273反向从键盘中读数据，另一个控制列选，273正向向键盘发数据。 方案三使用7281芯片同时控制键盘和数码，7281通过串行口和总线通信，端口使用少，且操作方便。 方案四PC0~4，PB0~4分别控制16个按键。由于本模块技术已经成熟，在应用中广泛使用，所以本设计选择此方案来实现。 c) LED数码管显示模块 方案一74LS138一片，ULN2803A一片和74HC573一片，来实现显示，74LS138译 码送UNL2083A通过UNL2083A控制位，通过74HC573控制数据，本方案，成本较高，要单片机中有使用比较多。 方案二使用一片8255A控制两个74HC573和一个正相驱动器74LS07和一个反相驱 动器74LS06分别控制4个LED位选和编码数据传输。此方案用到了8255A由于模块②中用到的8255A3个口都以使用，再用一个8255A成本比较高。 方案三通过一个片信号，两个74HC373和一个正相驱动器74LS06和一个反相驱动 器74LS07分别控制3个LED位选和编码数据传输。此方案成本低，但是软件实现的点复杂。 方案四使用4个74HC373和控制4个LED编码数据，用8255A PC高位和总线片选信号控制数据输入位选，由于是静态显示，一般用于1个或2个数码管的显示。 方案五使用4个74LS164，通过串行移位来实现LED显示。成本不高，使用端口少，可以直接通过8255PC7和PB7口，一个做为移位控制，一个送数据。本设计使用此方案 d) 步进电机驱动模块
(完整word版)电气传动与调速系统
电气传动与调速系统课程总复习2011.7 一、教材信息： 《机电传动控制》，邓星钟主编，华中科技大学出版社 二、考试题型 客观题（单项选择、判断题） 主观题（填空、简答、分析和计算） 三、总的复习题 一、选择题 1、电动机所产生的转矩在任何情况下，总是由轴上的负载转矩和_________之和所平衡。 （ D ）A．静态转矩B．加速转矩C．减速转矩D．动态转矩 2、机电传动系统稳定工作时中如果T M>T L，电动机旋转方向与T M相同，转速将产生的变化是。（ B ）A．减速B．加速 C．匀速D．停止 3、机电传动系统中如果T M 电气传动及控制 ( A卷 ) 一、单项选择题（本大题共40分，共 20 小题，每小题 2 分） 1. 某单闭环直流调速系统的开环放大系数为19时，额定负载下电动机转速降落为8r/min，如果开环速降不变，要使闭环速降降为4r/min，则开环放大系数应为（）。 A. 19 B. 29 C. 39 2. 调速系统的稳态性能指标包括调速范围和（）。 A. 超调量 B. 静差率 C. 恢复时间 3. 恒Eg/ω1调速系统，最大电磁转矩（）。 A. 与ω1无关 B. 随ω1增大而增大 C. 随ω1增大而减小 4. 转速、电流双闭环系统，采用PI调节器，稳态运行时， ASR的输出量取决于（）。 A. 负载电压 B. 电源频率 C. 负载电流 5. 正弦波脉宽调制的英文缩写是（） A. PID B. PWM C. SPWM D. PD 6. 静差率和机械特性的硬度有关，当理想空载转速一定时，特性越硬，则静差率( ) A. 越小 B. 越大 C. 不变 D. 不确定 7. 在典型I型系统中，当时间常数T已知时，随着放大系数K减小，超调量（）。 A. 减小 B. 增大 C. 不变 8. 转速、电流双闭环调速系统中的两个调速器通常采用的控制方式是 ( ) A. PID B. PI C. P 9. 双闭环无静差V-M调速系统中，增加反馈系数β，系统稳定后转速反馈电压（）。 A. 增加 B. 不变 C. 减小 10. 在转速负反馈单闭环有静差直流调速系统中，突增负载后又进入稳定运行状态，此时晶闸管整流装置的输出电压Ud较负载变化前是（）了。 A. 增加 B. 不变 C. 减小 11. SPWM技术中，调制波是频率和期望波相同的（） A. 正弦波 B. 方波 C. 等腰三角波 电机自动控制系统期末复习题 1、用开环与闭环转速与电枢电压的方程式解释，在直流电动机调速系统中，为什么闭环系统的机械特性比开 环的接特性硬？ 2、推导出它励直流电动机，给定电压Ud0与电机转速之间的数学方程式，并解释负载电流变化对转速的影响。它励直流电动机的调速原理？电路原理图？数学方程式？ 3、开环系统的调速范围、静差率和闭环系统的调速范围、静差率有啥区别？它们之间的关系是什么？ 4、用数学公式解释为什么在闭环系统中，为满足系统的稳态精度，要求开环放大系数K值越大越好，而为了满足稳定性要求，K值又不能太大？ 5、为什么闭环控制系统可以减少稳态速降？那个参数的变化可以使稳态速降降低很多？ 6、在转速负反馈单闭环调速系统中，分别采用比例控制、积分控制、比例积分控制，那些有静差？那些无静差？为什么要有静差？为什么能做到无静差？ 可逆PWM变换器的工作原理？与晶闸管整流电源的区别？ 7、电流连续与断续的机械特性有何不同？ 8、直流脉宽输出电压方程与晶闸管整流装置的电压方程有何不同？直流脉宽电源有几种典型形式？直流脉宽电源是如何实现调压的？ 9、在转速负反馈单闭环无静差调速系统中，突加负载后又进入稳定运行状态，用各环节的电压变化状态解释系统是如何实现转速调节的。 10、控制系统的伯特图中三个频段（低、中、高）对系统对系统性能的影响。截止频率对系统性能的影响。 11、对于转速、电流双闭环调速系统，请回答下列问题： 1）在该系统中，ASR和ACR各起什么作用？如果ASR和ACR都采用PI调节器，它们的输出限幅值应如何确定？ 2）若要改变系统的起动电流，应该调节什么参数？ 12、什么闭环控制系统可以减少稳态速降？ 13、在转速负反馈单闭环调速系统中，那些扰动系统有抑制作用，那些扰动系统无法抑制？为什么？ 14、对于转速、电流双闭环调速系统，如要改变电机转速,应该调节什么参数? 15、对于转速、电流双闭环调速系统，如要改变电机的堵转电流,应该调节什么参数? 16、对于转速、电流双闭环调速系统，如转速给定信号U*n没有变，增大转速反馈系数α，系统稳定后转速反 馈电压Un是增加还是减少？为什么？ 17、设系统的结构图如下图所示： 18、直流脉宽输出电压方程与晶闸管整流装置的电压方程有何不同？ 19、直流脉宽电源有几种典型形式？直流脉宽输出电压方程与晶闸管整流装置的电压方程有何不同？ 课程设计报告书 题目：电气传动自动控制系统 报告人：王宗禹 学号：1043031325 班级：2010级34班 指导教师：肖勇 完成时间：2013年7月日 同组人：王大松 秦缘 龚剑 电气信息学院专业实验中心 一．设计任务 1．设计目标： （1）系统基本功能：该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，系统在工作范围内能稳定工作 （2）已知条件： （3）稳态/动态指标:静态：s% ≤ 5% D = 3 动态：σi% ≤ 5% σn% ≤ 10% (4)期望调速性能示意说明:静差率小于5%，调速范围D=3. （5）系统电路结构示意图： 2.客观条件： （1）使用设备列表清单及主要设备功能描述： 二．系统建模（系统固有参数测定实验内容） 1.实验原理 （1）变流电源内阻Rn的测定： a.电路示意图如下： 可以等效如下： b.利用伏安法可以测出内阻R n的大小，方法是在电机静止，电枢回路外串限流电阻，固定控制信号 Uct 大小，0.5A≤Id ≤1A的条件下用伏安法测量Ud1，Id1和Ud2，Id2；利用公式可以求得Rn。 （2）电枢内阻 Ra、平波电感内阻 Rd的测定： a.电路示意图如下： b.实验方法步骤： ◆电机静止，电枢回路外串限流电阻 ◆固定控制信号Uct 大小，Id ≈1A(额定负载热效点) ◆使电枢处于三个不同位置（如上图约120o对称）进行三次测量(Ura，Urd，Id)，求 Ra ， Rd 的平均值. (3)电动机电势转速系数 Ce的测定： a.实验原理： 由公式 可以推导出Ce的测定公式： b.实验方法步骤： ◆空载启动电机并稳定运行（I d0大小基本恒定） ◆给定两个大小不同的控制信号Uct ，测量两组稳定运行时的Ud、n数据 (4)整流电源放大系数 Ks的测定： a.实验原理： Ks可以根据公式Ud0=Ks*Uct可知Ks就是以Uct为横坐标Ud0为纵坐标的如下图曲线中线性段的斜率。故可以通过公式测定Ks. 异步电机控制系统PI 参数计算 对于一个控制系统，在设计PI 调节器的参数时，应该先根据系统的传递函数计算出PI 参数的数量级，然后根据系统的响应性能进一步优化PI 参数值。 下面以异步电机控制系统电流环PI 参数推导为例，讲解异步电机控制器PI 参数的设计方法。 1. 异步电机的矢量控制电流环和转速环 异步电机的矢量控制电流环和转速环如上图所示。 上述控制量的传递过程是：给定转速与反馈转速进行转速PI 调节输出sq *i ，给定电流与反馈电流经过电流控制器的PI 调节后生成给定电压信号sq *U ，此电压信号用于产生转子磁链，要计算控制器的PI 参数值，首先要计算出相关的传递函数，再利用PI 调节器对系统进行校正，根据给定的ξ和n ω计算出K P 和K i 值。 下面推导电流环sq *U 与rd ?的传递函数。 矢量控制系统已有几种方案获得成功应用，包括转子磁场定向矢量控制、气隙磁场矢量控制、定子磁场矢量控制，所谓磁场定向就是规定d 轴与磁场方向的关系，当取d 轴与转子磁场方向重合时，就是转子磁场定向当取dq 坐标系的旋转速度与定子磁场同步旋转速度相同时，此时转子磁通在q 轴的分量为零，目前应用最广泛的就是按转子磁场定向的矢量控制。 此时： r rm rd ???== 2.38 0rt rq ==?? 2.39 ωωω-=1s 2.40 磁链方程：rd m sd s i L i L +=sd ? rq m sq s i L i L +=sq ? 2.41 rd r sd m i L i L +=rd ? 0sq =+=rq r sq m i L i L ? 由以上四式解出rd i 、rq i 与sd i 、sq i 的关系： r sq m rq L i L i - = 2.42 )(1 sd m rd r rd i L L i -=? 2.43 根据文件上《异步电机dq 坐标系上的数学模型推导》得出： sq dqs sd sd s sd P i R u ?ω?-+= sd dqs sq sq s sq P i R u ?ω?-+= 0=+=rd rd r rd P i R u ? 2.44 0=+=rd dqr rq r rq i R u ?ω 在鼠笼式异步电机中rd u 、rq u 为0。 下面把转子磁链用sd i 表示。 sd r m rd i P T L 1 +=? 2.46 转差频率为： rd r sq m dqr dqs s T i L ?ωωωωω= -=-=1 2.45 式中r T 为转子时间常数，r r r R L T = 将（2.38）、（2.39）、（2.41）代入（2.44）化简后可得： 双速异步电机的调速控制线路 根据异步电动机转速公式：，当电源频率f 一定时，若改变电动机定子绕组的磁极对数P，就可使电动机转速改变。采用双速电机可改善机床的调速性能，简化变速机构，因此在车、铣、镗床中都有应用。常见的双速电动机的绕组有两种接线方式：Δ/YY 及Y/YY。 1．Δ/YY接法 图a)为双速电动机Δ／YY接法电路图。当绕组的1、2、3号出线端接电源，而使4、5、6号出线端悬空时，电机绕组接成三角形，每相绕组中有两个线圈串联，成四个极，电动机低速运转；当把1、2、3号端子短接，4、5、6号端子接电源时，则绕组为双星形，每相绕组中两个线圈并联，成两个极，电机作高速运转。 在三角形与双星形转换时，电动机输出功率分别为： 由于，所以。 由此可知，电机从Δ接法的低速运转变成YY接法的高速运转时，转速升高一倍，而功率只增加15％，所以这种调速方法可近似地看成恒功率调速。它很适合一般金届切削机床对调速的要求。 2．Y/YY接法 图b)为Y／YY接法，当电机转速增加一倍（YY接法）时，输出功率也增加一倍，属于恒转矩调速。它适用于电梯、起重饥、皮带运输机等要求恒转矩调速的场合。 3. 控制电路 图2.25为常用的双速电动机Δ／YY调速控制电路图，其中：KM1得电为低速，KM2得电为高速，KM3为短接接触器。 图a)用两个复合按钮SB2及SB3分别控制KM1及KM2、KM3，实现低速与高速的直接转换而无需经过停止状态。 图b)是用转换开关SA来选择低速或高速方式后，由按钮SB2发令启动电动机的控制电路。 图c)转换开关SA选择高、停、低速。当选择高速时，采用时间继电器KT，按时间原则自动控制电动机低速起动、经延时后转换到高速运行。 上述三个控制电路中，低速与高速之间都用接触器动断触头互锁，以防短路故障。 功率较小的双速电动机可采用图a)和图b)的控制方式；容量较大的双速电动机，宜可采用图c)的控制方式。 永磁同步电机控制系统仿真模型的建立与 实现 电机的控制 本文设计的电机效率特性如图 转矩(Nm) 转速(rpm) 异步电机效率特性 PMSM 电机效率特性 本文设计的电动汽车电机采用SVPWM 控制技术是一种先进的控制技术，它是以“磁链跟踪控制”为目标，能明显减少逆变器输出电流的谐波成份及电机的谐波损耗，能有效降低脉动转矩，适用于各种交流电动机调速，有替代传统SPWM 的趋势[2]。 基于上述原因，本文结合0=d i 和SVPWM 控制技术设计PMSM 双闭环PI 调速控制。其中，内环为电流环[3]，外环为速度环，根据经典的PID 控制设计理论，将内环按典型Ⅰ系统，外环按典型Ⅱ系统设计PI 控制器参数[4]。 1. PMSM 控制系统总模型 首先给出PMSM 的交流伺服系统矢量控制框图。忽略粘性阻尼系数的影响， PMSM 的状态方程可表示为 ??????????-+????????????????????----=??????????J T L u L u i i P J P L R P P L R i i L q d m q d f n f n m n m n m q d ///002/30//ωψψωωω& && (1) 将0=d i 带入上式，有 ???? ??????-+??????????? ??? ??--=????? ?????J T L u L u i J P P L R P i i L q d m q f n f n m n m q d ///02/3/0ωψψωω& && (2) 转 矩 (N m )转速 (n /(m i n )) 效率 转速 (rpm) 转矩 (N m ) 《运动控制系统》课程设计学院： 班级： 姓名： 学号： 日期： 成绩： 感应电机矢量控制系统的仿真 摘要：本文先分析了异步电机的数学模型和坐标变换以及矢量控制基本原理，然后利用Matlab /Simulink软件进行感应电机的矢量控制系统的仿真。采用模块化的思想分别建立了交流异步电机模块、逆变器模块、矢量控制器模块、坐标变换模块、磁链观测器模块、速度调节模块、电流滞环PWM调节器，再进行功能模块的有机整合，构成了按转子磁场定向的异步电机矢量控制系统仿真模型。仿真结果表明了该系统转速动态响应快、稳态静差小、抗负载扰动能力强，验证了交流电机矢量控制的可行性和有效性。 关键词：异步电机；坐标变换；矢量控制；Simulink仿真 一、异步电机的动态数学模 型和坐标变换 异步电机的动态数学模型是一个 高阶、非线性、强耦合的多变量系统， 异步电机的数学模型由下述电压方 程、磁链方程、转矩方程和运动方程 组成。 电压方程： 礠链方程： 转矩方程： 运动方程： 异步电机的数学模型比较复杂， 坐标变换的目的就是要简化数学模 型。异步电机数学模型是建立在三相 静止的ABC坐标系上的，如果把它变 换到两相坐标系上，由于两相坐标轴 互相垂直，两相绕组之间没有磁的耦 合，仅此一点，就会使数学模型简单 了许多。 （1）三相--两相变换（3/2变换） 在三相静止绕组A、B、C和两相 静止绕组a、b 之间的变换，或称三相 静止坐标系和两相静止坐标系间的变 换，简称 3/2 变换。 （2）两相—两相旋转变换（2s/2r变 换） 从两相静止坐标系到两相旋转坐 标系 M、T 变换称作两相—两相旋转 变换，简称 2s/2r 变换，其中 s 表 示静止，r 表示旋转。 复习思考题1（最新版） 1、什么叫制动状态? 什么叫电动状态? 2、电气传动系统稳定运行时电磁转矩的值由什么决定？ 3、如何判断电气传动系统是否能稳定运行？ 4、电气传动系统的动态特性由哪三要素决定？写出动态方程式，写出制动过程转速随时间变化的动态特性方程式。 5、它励直流电动机的额定参数为220V 、40A 、1000r/min ，电枢电阻Ra=0.5Ω。电动机带反抗性恒转矩负载，负载为额定负载。电动机原来以1000r/min 运行，现在要求在300r/min 的速度稳定运行，分别求出不同实现方法及其机械特性的表达式。 如果负载为50%额定负载，分别求出不同实现方法及其机械特性的表达式。 如果要求在500r/min 的速度稳定运行，分别求出不同实现方法及其机械特性的表达式。 如果要求在500r/min 的速度稳速下降运行，分别求出不同实现方法及其机械特性的表达式。 复习思考题2 1、设计带电流截止负反馈的转速闭环系统（图2.45）的调节器参数和电流截止环节的稳压管参数。 已知参数：电动机：10KW 、220V 、55A 、1000r/min 、0.5Ω， 变流器：，V-M 系统电枢回路总电阻 测速发电机：23.1W 、110V 、0.21A 、1900r/min 要求：D = 10 、S ≤ 5% 2、分别分析单闭环有静差调速系统（图2.36）电网扰动（电压增大）时和励磁电流扰动（励磁电流减小）时系统的自动调节过程。 3、比例调节器构成的转速闭环系统为什么有静差？ 4、试列写带电流正反馈的电压负反馈调速系统的静特性方程式。什么情况下可以实现电流正反馈的全补偿? 晶闸管相控电源在电流连续和电流断续时的传递函数有什么区别？为什么？ 复习思考题3 1、试分析比较有环流可逆调速系统、可控环流可逆调速系统、逻辑无环流可逆调速系统的优缺点。 2、有环流可逆调速系统是如何实现 α= β 配合控制的？该系统的制动过程有哪几个阶段？ 3、可控环流可逆调速系统是如何实现环流可控的？ 4、逻辑无环流可逆调速系统中无环流逻辑切换的条件是什么？ 无环流逻辑控制器的四个环节分别起什么作用？ 复习思考题4 1、采用工程设计法作动态设计时，如何确定校正后开环传函是典型I 型还是典型II 型? 2、小惯性环节和大惯性环节近似处理的条件和方法是什么？ 1.0R =Ω 44S K = 1．课题背景及意义 1.1课题研究背景、目的及意义 近年来，随着电力电子技术、微电子技术、微型计算机技术、传感器技术、稀土永磁材料与电动机控制理论的发展，交流伺服控制技术有了长足的进步，交流伺服系统将逐步取代直流伺服系统，借助于计算机技术、现代控制理论的发展，人们可以构成高精度、快速响应的交流伺服驱动系统。因此，近年来，世界各国在高精度速度和位置控制场合，己经由交流电力传动取代液压和直流传动[1][2]。 二十世纪八十年代以来，随着价格低廉的钕铁硼(REFEB)永磁材料的出现，使永磁同步电机得到了很大的发展，世界各国(以德国和日本为首)掀起了一股研制和生产永磁同步电机及其伺服控制器的热潮，在数控机床、工业机器人等小功率应用场合，永磁同步电机伺服系统是主要的发展趋势。永磁同步电机的控制技术将逐渐走向成熟并日趋完善[3]。以往同步电机的概念和应用范围己被当今的永磁同步电机大大扩展。可以毫不夸张地说，永磁同步电机已在从小到大，从一般控制驱动到高精度的伺服驱动，从人们日常生活到各种高精尖的科技领域作为最主要的驱动电机出现，而且前景会越来越明显。 由于永磁同步电机具有结构简单、体积小、效率高、转矩电流比高、转动惯量低，易于散热及维护等优点，特别是随着永磁材料价格的下降、材料的磁性能的提高、以及新型的永磁材料的出现，在中小功率、高精度、高可靠性、宽调速范围的伺服控制系统中，永磁同步电动机引起了众多研究与开发人员的青睐，其应用领域逐步推广，尤其在航空航天、数控机床、加工中心、机器人等场合获得广泛的应用[4][5]。 尽管永磁同步电动机的控制技术得到了很大的发展，各种控制技术的应用 - 1 - 三相异步电动机的控制 1．直接启动控制电路 直接启动即启动时把电动机直接接入电网，加上额定电压，一般来说， 电动机的容量不大于直接供电变压器容量的20％~30％时，都可以直接启 动。 1）．点动控制 合上开关QF ，三相电源被引入控 制电路，但电动机还不能起动。按下按钮SF ，接触器KM 线圈通电，衔铁吸合，常开主触点接通，电动机定子接入 三相电源起动运转。松开按钮SF ， 图5-13 点动控制 接触器KM 线圈断电，衔铁松开，常开主触点断开，电动机因断电而停转。 2).直接起动控制 （1）起动过程。按下起动按钮SF ，接触器KM 线圈通电，与SF 并联的KM 的辅助常开触点闭合，以保 证松开按钮SF 后KM 线圈持续通电，串联在电动机回路中的KM 的主触点持续闭合，电动机连续运转，从而实现连续运转控制。 （2）停止过程。按下停止按钮SS ，接触器KM 线圈断电，与SF 并联的KM 的辅助常开触点断开，以保 证松开按钮SS 后KM 线圈持续失电，串联在电动机回路中的KM 的主触点持续断开，电动机停转。 与SF 并联的KM 的辅助常开触点的这种作用称为自锁。 图示控制电路还可实现短路保护、过载保护和零压 保护。 图5-14直接起动控制 ? 起短路保护的是串接在主电路中的熔断器FU 。一旦电路发生短路故障，熔体立即熔断，电动机立即停转。 ? 起过载保护的是热继电器KH 。当过载时，热继电器的发热元件发热，将其常闭触点断开，使接触器KM 线圈断电，串联在电动机回路中的KM 的主触点断开，电动机停转。同时KM 辅助触点也断开，解除自锁。故障排除后若要重新起动，需按下KH 的复位按钮，使KH 的常闭触点复位（闭合）即可。 ? 起零压（或欠压）保护的是接触器KM 本身。当电源暂时断电或电压严重下降时，接触器KM 线圈的电磁吸力不足，衔铁自行释放，使主、辅触点自行复位，切断电源，电动机停转，同时解除自锁。 基于MTPA的永磁同步电动机矢量控制系统 1 引言 永磁同步电动机由于自身结构的优点，再加上近年来永磁材料的发展，以及电力电子技术和控制技术的发展，永磁同步电动机的应用越来越广泛。而对于凸极式永磁同步电动机，由于具有更高的功率密度和更好的动态性能，在实际应用中越来越受到人们的重视[1]。 高性能的永磁同步电动机控制系统主要采用的矢量控制。交流电机的矢量控制由德国学者blaschke在1971年提出，从而在理论上解决了交流电动机转矩的高性能控制问题。该控制方法首先应用在感应电机上，但很快被移植到同步电机。事实上，在永磁同步电动机上更容易实现矢量控制。因为该类电机在矢量控制过程中不存在感应电机中的转差频率电流而且控制受参数(主要是转子参数)的影响也小。 永磁同步电动机的矢量控制从本质上讲，就是对定子电流在转子旋转坐标系(dq0坐标系)中的两个分量的控制。因为电机电磁转矩的大小取决于上述的两个定子电流分量。对于给定的输出转矩，可以有多个不同的d、q轴电流的控制组合。不同的组合将影响系统的效率、功率因数、电机端电压以及转矩输出能力，由此形成了各种永磁同步电动机的电流控制方法。[2]针对凸极式永磁同步 电动机的特点，本文采用最优转矩控制(mtpa)，并用一种更符合实际应用的方法进行实现，并进行了仿真验证。 图1 电流id、iq和转矩te关系曲线 2 永磁同步电动机的数学模型 首先，需要建立永磁同步电动机在转子旋转dq0坐标系下的数学模型，这种模型不仅可用于分析电机的稳态运行性能，还可以用于分析电机的暂态性能。 为建立永磁同步电机的dq0轴系数学模型，首先假设： (1)忽略电动机铁芯的饱和； (2)不计电动机中的涡流和磁滞损耗； (3)转子上没有阻尼绕组； (4)电动机的反电动势是正弦的。 这样，就得到永磁同步电动机dq0轴系下数学模型的电压、磁链和电磁转矩方程，分别如下所示： 摘要：本文设计了一种基于PLC的异步电动机调速与定位综合控制系统 ,应用模糊-PI复合控制算法实现了异步电动机的速度控制,应用比例因子自调整模糊控制算法实现了异步电动机的位置控制。该系统集异步电动机速度控制和位置控制为一体,达到了一定的控制精度。 1 引言 随着变频调速技术的不断发展，交流传动系统的性能突飞猛进。交流异步电动机以其低廉的造价、坚固的结构得到了越来越广泛的应用。在交流传动的许多应用场合中，均对电机的调速性能和定位性能提出了较高的要求。例如在加工设备和机床的主轴伺服系统中，主轴应兼备速度和位置控制的功能；在住宅小区和高层建筑的恒压供水系统中，要求电机有较高的调速性能；在炼钢转炉的准确定位、堆垛机械的位置控制系统中，要求电机有精确的定位功能。在上述应用场合中，异步电动机以其大功率、高性价比的独特优势而占有一席之地，但同时其调速性能和定位性能却不甚完美，尚需完善。 本文提出了一种基于可编程控制器（PLC）硬件平台的异步电动机综合控制系统。该系统在没有增加硬件投资的情况下集异步电动机速度控制和位置控制为一体，应用模糊控制策略，达到了一定的控制精度。 2 硬件设计 异步电动机综合控制系统硬件如图1所示。图1中，上位计算机和PLC通过变频器对异步电动机进行速度和位置控制。通过旋转编码器的脉冲计数值可以获得异步电动机的速度和位置信息。脉冲计数由PLC完成，并不断与上位机通讯，将计数值传送给上位机。上位机根据PLC 传送过来的脉冲计数值得到速度和位置信息，根据不同的控制策略，得到输出控制量——速度给定值，再传送给PLC，经过PLC的A/D转换模块，将速度给定值的模拟量送到变频器的模拟控制端进行控制，形成闭环控制。 目录 1.设计要求 (2) 2.设计原理 (2) 3.系统设计分析与计算 (3) 3.1 v a 为输入的直流电机控制系统微分方程计算 (3) 3.2计算W到Y的传递函数 (4) 3.3 k P 和k i 的值 (4) 3.4 PI控制环节对系统性能方面的议案相分析 (5) 3.5单位阶跃参考输入作用下系统的跟踪性能 (5) 3.6单位斜坡参考输入作用下系统的跟踪性能 (6) 4.数学仿真与验证 (7) 4.1MATLAB中连续系统模型表示方法 (7) 4.2系统在单位阶跃信号作用下输出响应仿真 (7) 4.3系统在单位阶跃信号作用下误差跟踪仿真 (9) 4.4系统在单位斜坡信号作用下输出响应仿真 (10) 4.5系统在单位斜坡信号作用下跟踪误差仿真 (10) 小结与体会.................................................... 错误!未定义书签。参考文献 (12) 直流电机PI 控制器参数设计 1.设计要求 要求对如下图所示的直流电机控制系统PI 控制环节的相关参数K p 和K I 的设计以达到闭环特征根满足包括60j 60±-的要求；并对直流电机控制系统在单位阶跃信号输入、单位斜坡信号输入以及扰动信号（单位阶跃信号、单位斜坡信号）输入下的动态性能、稳态性能等方面的分析， 并使用在Matlab 仿真软件中对系统的输出响应进行仿真，与理论计算的结果进行比较，修正做设计参数已达到正确结果。 2.设计原理 系统的结构图能较好地反应系统各方面信息，通过对系统结构图的分析，我们可以求出 Y 输入到输出的传递函数；通过系统结构图的变换可以求出扰动到输出的传递函数。通过相应的传递函数我们可以非常清楚的看出系统的型别，零极点大致分布等信息，可以初略估计系统的动态性能和稳态性能。 通过对v a 为输入到Y 输出的传递函数的拉普拉斯反变换可以求出相应的以v a 为输入的直流电机控制系统微分方程。从闭环传递函数中可以马上得到闭环特征方程，利用待定系数法可以求出所要求特定特征根情况下k P 和k I 的值。单位阶跃参考输入、单位斜坡参考输入时系统的跟踪性能都能通过相应传递函数拉普拉斯反变换得到其时域方程；对时域方程进行分析可以得到比较直观的系统动态性能和稳态性能指标。理论结果计算出来后，我们还可以利用Matlab 工具进行仿真计算，Matlab 能仿真出系统的输出响应曲线，能比较形象、直观的表现出系统的各方面性能，然后将通过Matlab 仿真软件对系统响应仿真结果与理论计算结果进行比较、修正。 3.系统设计分析与计算 3.1 v a 为输入的直流电机控制系统微分方程计算 首先应求出从v a 到Y 的传递函数，对传递函数进行拉普拉斯反变换就可得到相应的微分方程。 PI 表达式为：)(0 ?+=t I p a edt k e k v ，其中e=r-y 。可以得出相应的传递函数s K s K s D I P +*= )( W(s)=0,有以R 为输入的直流电机控制系统如上面图3-1所示，有开环传递函数为： ()() 60s s K s K 600)()(I p ++*= s H s G W(s)=0，R 错误!未指定书签。为输入的直流电机控制系统闭环传递函数为： Y 电力传动自动控制系统 2019-06-16 第2章 直流电动机传动基础 直流电动机是电力传动系统的主要传动元件之一，它具有良好的起动和调速性能。直流电动机按励磁方式可分为：他励(Separately excited)、并励(Shunt)、串励(Series)、复励(Compound)(积复励、差复励)。本章主要研究直流他励电动机的运行问题，诸如机械特性及其计算；各种工作状态及其计算；调速特性及其计算等。 2.1 直流他励电动机的机械特性 在“电机学”中，注重电机的结构与原理，主要研究的是电机在进行能量转换时其内部的电磁过程；而“电力传动”，则注重的是电动机的使用，主要研究的是电机的外特性。在电动机的各类工作特性中首要的是机械特性。 电动机的机械特性(Speed-Torque Characteristics)，是电动机产生的转矩(电磁转矩)T 与其转速n 之间的关系，即n =f (T )。 电动机的机械特性是电动机性能的主要表现，只有掌握好电动机的机械特性，才能正确选择和使用电动机。电动机的机械特性在很大程度上决定了电力传动系统的稳态运行和过渡过程的性质和特点。因而，电动机机械特性的研究是“电力传动”课程的核心内容。 2.1.1 直流他励电动机的机械特性方程式 直流他励电动机的基本接线图如图2-1所示。 电枢回路 励磁回路 图2-1 直流他励电动机的接线图 电枢回路包括电枢绕组、电刷、换向极绕组和补偿绕组(若存在的话)，其总电阻称为电枢内阻r a 。电枢回路还串有附加电阻R ad ，则电枢回路电阻总值为R a =r a +R ad 。励磁回路的电源U f 与U 无关(他励)，励磁回路包括励磁绕组，其电阻为r f ，还有附加电阻R fad 。 假设：电源电压为恒值，磁通为恒值，即励磁电流不变，认为无电枢反应，电枢回路电阻为恒值。对大多数电机，在机械特性的工作范围内，以上假设所带来的误差是不大的。 电枢回路的电压平衡方程式为： U =E +IR a (2-1) 式中： U ——电动机的电枢电压(V)； E ——电动机电枢绕组的感应电势(电枢电势)(V)； I ——电枢电流(A)； R a ——电枢回路总电阻(Ω)，R a =r a +R ad 。 直流电机的电枢电势公式为： E =C e Φn (2-2) 基于SVPWM的永磁同步电机控制系统的仿真 随着电动机在社会生产中的广泛应用，由于永磁同步电机具有结构简单、体积小、效率高、转矩电流比高、转动惯量低，易于散热及维护等优点，特别是随着永磁材料价格的下降、材料的磁性能的提高、以及新型的永磁材料的出现，在中小功率、高精度、高可靠性、宽调速范围的伺服控制系统中，永磁同步电动机引起了众多研究与开发人员的青睐，其应用领域逐步推广，尤其在航空航天、数控机床、加工中心、机器人等场合已获得广泛的应用。我国制作永磁电机永磁材料的稀土资源丰富，稀土资占全世界的80％以上，发展永磁电机具有广阔的前景。 第一章永磁同步电机的矢量控制原理 1.1 永磁同步电机控制中应用的坐标系 交流电机的数学模型具有高阶次，多变量耦合，非线性等特征，难以直接应用于系统的设计和控制，与直流电机单变量，自然解耦和线性的数学模型相比较，交流电机显得异常复杂。因此需要通过适当的转换，将交流电机的控制变换为类似直流电机的控制将大大简化交流电机控制的复杂程度。 永磁同步电机矢量控制的基本思想是把交流电机当成直流电机来控制，即模拟直流电机的控制特点进行永磁同步电机的控制。为简化感应电机模型，可将电机三相绕组电流产生的磁动势按平面矢量的叠加原理进行合成和分解，使得能够用两相正交绕组来等效实际电动机的三相绕组。由于两相绕组的正交性，变量之间的耦合大大减小。 1.1.1系统中的坐标系 1)三相定子坐标系(U-V-W坐标系) 其中三相交流电机绕组轴线分别为U、V、W，彼此之间互差120度空间电角度，构成了一个U-V-W三相坐标系。空间任意一矢量在三个坐标上的投影代表了该矢量在三个绕组上的分量。 2)两相定子坐标系(α-β坐标系) 两相对称绕组通以两相对称电流也能产生旋转磁场。对于空间的任意一矢量，数学描述时习惯采用两相直角坐标系来描述，所以定义一个两相静止坐标系，即α-β坐标系。它的轴α和三相定子坐标系的A轴重合，β轴逆时针超 异步电机的矢量控制设计及仿真 前言 异步电机的矢量控制设计及仿真在矢量控制技术出现之前，交流调速系统多为V / f 比值恒定控制方法，又常称为标量控制。采用这种方法在低速及动态（如加减速）、加减负载等情况时，系统表现出明显的缺陷，所以交流调速系统的稳定性、启动、低速时的转矩动态相应都不如直流调速系统。随着电力电子技术的发展，交流异步电机控制技术全面从标量控制转向了矢量控制，采用矢量控制的交流电机完全可以和直流电机的控制效果相媲美，甚至超过直流调速系统。 矢量变换控制(以下简称VC)技术的诞生和发展为现代交流调速技术的发展提供了理论基础。交流电动机是一个多变量、非线性、强耦合的被控对象，采用了参数重构和状态重构的现代控制理论概念可以实现交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解耦，实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程。这就使得交流调速系统的动态性能得到了显著的改善和提高，从而使交流调速最终取代直流调速系统成为可能。实践证明，采用矢量控制方法的交流调速系统的优越性高于直流调速系统。矢量控制原理的出现也促进了其它控制方法的产生，如多变量解耦控制等方法。 七十年代初期，西门子公司的F .Blashke和W .Flotor提出了“感应电机磁场定向的控制原理”，通过矢量旋转变换和转子磁场定向，将定子电流按转子磁链空间方向分解成为励磁分量和转矩分量，这样就可以达到对交流电机的磁链和电流分别控制的目的,得到了类似于直流电机的模型,然后模拟直流电机进行控制，可以获得良好的静、动态调速性能。本文分析异步电机的数学模型及矢量控制原理的基础上, 利Matlab/Simulink中SimPowerSystems模块,采用模块化的思想分别建立了交流异步电机模块、矢量控制器模块、坐标变换模块、磁链调节器模块、速度调节模块, 再进行功能模块的有机整合, 构成了按转子磁场定向的异步电机矢量控制系统仿真模型。仿真结果表明该系统转速动态响应快、稳态静差小、抗负载扰动能力强, 验证了交流电机矢量控制的可行性、有效性。 1.异步电机的VC 原理 1.1 坐标变换 坐标变换的目的是将交流电动机的物理模型变换成类似直流电动机的模式，这样变换后，分析和控制交流电动机就可以大大简化。以产生同样的旋转磁动势 为准则，在三相坐标系上的定子交流电机A i、B i、C i，通过3/2变换可以等效成电气传动及控制A卷
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