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1、 中文譯文 控制技術驅動和控制手冊A4章 轉矩、速度和位置控制 a4 1一般原則 4 1 1理想的控制系統(tǒng) 許多應用程序存在一些必須控制跟隨參考量。例如,一個大型電機的速度可以設置從一個低功率控制信號。這可以通過使用一個變速驅動描述如下。 理想情況下,引用之間的關系和電動機轉速應該線性,速度應該改變立即與變化的參考。任何控制系統(tǒng)可以表示為圖A4.1b,輸入?yún)⒖夹盘?傳遞函數(shù)F和一個輸出。為系統(tǒng)是理想,傳遞函數(shù)F是一個簡單的常數(shù),因此,輸出將會成正比的參考,沒有延遲。 a4 1 2開環(huán)控制 不幸的是,傳遞函數(shù)的許多實際系統(tǒng)不是一個常數(shù),因此如果沒有任何形式的反饋輸出正確的非

2、理想性質的傳遞函數(shù),輸出并不遵循需求的要求。使用an172控制技術驅動和控制手冊。 感應電動機提供簡單的開環(huán)變速驅動器gdp1為例,以下列舉了一些副作用,可以發(fā)生在實際的系統(tǒng): 速度調節(jié)。輸出一個簡單的開環(huán)驅動是一個固定的頻率,是成正比的速度參考,所以頻率應用到電機仍然是一個恒定的速度常數(shù)參考。這個馬達的速度滴作為負載應用由于滑移特性的電動機,所以速度不保持在所需的水平。 不穩(wěn)定性。它是可能的在特定負載條件下和在特定頻率的電動機轉速擺動在所需的速度,即使應用頻率是恒定的。另一個不穩(wěn)定的主要來源在旋轉機械系統(tǒng)是低損耗彈性聯(lián)軸器、軸。 非線性。有許多可能的來源的非線性。例如,如果電機連接到

3、變速箱,速度的輸出齒輪箱可能會受到反彈齒輪之間。 變化與溫度。一些方面的系統(tǒng)傳遞函數(shù)可能隨溫度。例如,一個感應電動機的轉差率隨電機升溫,所以對于一個給定的負載電機轉速可以減少從開始時速度電機很冷。 延遲。用一個簡單的開環(huán)逆變器和感應電動機可以有一個延遲在電動機轉速達到要求水平的改變之后速度參考。在非常簡單的應用程序,如控制傳送帶的速度,這種類型的延遲可能不是一個問題。在更復雜的系統(tǒng),比如在機床軸,延誤有顯著影響質量的系統(tǒng)。 1 / 8 這些只是一些副作用,可以生產(chǎn)如果一個開環(huán)控制系統(tǒng)使用。一個方法,提高質量的控制器是使用一個測量輸出量應用一些反饋給閉環(huán)控制。 a4 1 3閉環(huán)控制

4、 簡單的開環(huán)驅動的部分a4 1 2可以替換為一個控制系統(tǒng)如圖a4 2。該控制系統(tǒng)不僅提供了一種手段來糾正任何錯誤在輸出變量,但也使一個穩(wěn)定的響應特性。 電機軸的速度測量和比較速度參考給速度誤差。錯誤修改了一個傳遞函數(shù)G給一個電流參考缺席我*在輸入電流控制塊。各種方法對電機的電流控制在本章中討論;然而,現(xiàn)在它應該假定,電機電流進行控制可以給一個扭矩,是成正比的電流參考缺席。如果馬達的速度從參考電平變化速度誤差是產(chǎn)生和轉矩應用于負載改性使速度回所需的水平。 有必要選擇合適的傳遞函數(shù)G獲得必需的由于從閉環(huán)控制系統(tǒng)。這個函數(shù)可以是一個簡單的增益,因此當前參考我*?Kp補。這將給予某種程度的控制輸

5、出速度,但速度誤差必須有一個非零值如果任何扭矩需要持有電機速度。 任何速度誤差隨時間積累,構建了一個電流參考提供必要的扭矩。一個閉環(huán)控制系統(tǒng),比例和積分術語叫做PI控制器。雖然有許多類型的閉環(huán)控制器,PI控制器是最常用的,因為它是簡單的實現(xiàn),rela-tively容易設置和很好理解,大部分的工程師。 如果輸出達到參考在最短的時間內(nèi)沒有任何尖峰,響應被描述為極度阻尼。 如果不是accepta-ble過度,那么這是最好的可能的反應給了最小延遲之間的輸 入和輸出系統(tǒng)。 如果系統(tǒng)阻尼增加,反應遲鈍,被描述為阻尼。 如果系統(tǒng)是欠阻尼響應包括一些超調和振蕩引用可能需要安定下來之前。 這些結果

6、,這是一個簡單的二階系統(tǒng),表明增加阻尼減少超調,系統(tǒng)響應慢。真正的系統(tǒng)可以更復雜,增加阻尼并不總是給結果。這一步反應可能是閉環(huán)系統(tǒng),改變參考水平最低的時間是必需的。在另階躍響應可能顯示輸出變化對其他刺激,比如一個負載轉矩過渡。在這個情況下,響應通常應盡可能小。閉環(huán)階躍響應可以用來評估性能當控制系統(tǒng)是用于隔離。然而,如果控制器本身是包含在另一個控制回路的封閉系統(tǒng),重要的是要獲得和延遲,因為他們會影響系統(tǒng)性能。增益和延遲可以按生產(chǎn)的波德圖的增益和相位一個響應和頻率。一個理想的控制器將單位增益和零相移在所有頻率;然而,在再保險。這些效果是衡量系統(tǒng)的帶寬,通常定義為23分貝增益特性的點。在例子中給出相

7、應的相位延遲的系統(tǒng)訂單。一階系統(tǒng)有延遲到23日,458分貝,和一個二階系統(tǒng)就像在你的案子有一個延遲至23日在608分貝。相關 運輸延遲和數(shù)字系統(tǒng)可以進一步延遲。在許多情況下,帶寬是指一個估計動態(tài)執(zhí)行性質的一個控制系統(tǒng);換句話說,更高的帶寬、性能越好。帶寬通常是23分貝增益特性,頻率的參考點的注意它的意義是非常重要的,尤其是數(shù)字實現(xiàn),可能沒有說明的質量控制系統(tǒng)。如果控制器是ph值包含在另一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。如果控制器是包含在另一個閉環(huán)控制系統(tǒng)的相位延遲是非常重要的。如果延遲太大可能有必要遵循德曲調環(huán)保持穩(wěn)定。增益特性可能導致不可接受的超調。盡管現(xiàn)代變速傳動裝置包括很多功能,最基本的功能是

8、控制驅動轉矩(或力),或速度位置。在繼續(xù)之前,細節(jié)的不同類型的變速驅動函數(shù),控制理論對每個這些討論了數(shù)量。一個位置控制系統(tǒng)如圖5 a4。這包括一個內(nèi)部速度控制器,并在整個一年速度控制器有一個內(nèi)部轉矩控制器。它可以創(chuàng)建一個系統(tǒng)確定控制器的位置機械轉矩應用于負載直接沒有內(nèi)部循環(huán)速度和轉矩。然而,位置控制器將需要能夠控制復雜的傳遞函數(shù)相結合的電動機繞組、機械載荷和速度的轉換。這種方法的另一個優(yōu)點是限制可以應用于速度和轉矩之間的距離或速度變化每個控制器。只有當系統(tǒng)需要控制速度、位置控制器,當一個系統(tǒng)忽略了需要控制 只有系統(tǒng)轉矩、位置和速度控制器將被忽略。一個位置傳感器顯示提供反饋系統(tǒng),但這可能是取代

9、速度傳感器,或它可以省略完全,如下所示。 位置信息所需的轉矩控制器功能在一個交流電動機驅動(見虛線)。如果位置反饋提供反饋是派生的變化速度是速度比常規(guī)采樣周期。無傳感器方案可能會速度和轉矩控制交流電動機,在這種情況下,傳感器不是必需的。位置反饋不是必要的轉矩控制器在直流電機驅動,所以一個速度反饋裝置,如速度速度傳感器可用于提供反饋控制器。再一次,無傳感器方案可能不會在一個速度反饋裝置是必需的。 a4 2 2轉矩控制 A轉矩控制器為一個旋轉電動機,或一個力控制器為一個線性馬達,是基本的內(nèi)循環(huán)的大多數(shù)變速驅動器。只有轉矩控制是這里討論的,但原則也適用于對一個線性應用力控制。為了解釋原則的轉矩

10、控制,簡單的直流電動機系統(tǒng)在圖a4 6作為一個例子。分析轉矩控制在一個交流電動機可以在完全相同的方式,提供適當?shù)霓D換是進行 扭矩需求或引用(Te *)是由轉矩控制器轉換成電流在電動機電樞,電動機本身將電流轉化成扭矩。 (b)電流控制 驅動機械負荷。圖A4.6b顯示系統(tǒng)要求轉換成電機電流的轉矩的參考。扭矩參考(Te *)是第一次變成了一個電流參考(ia *)包括了尺度效應的電動機通量。汽車流量,控制電動機勵磁電流(如果),通常是減少從其額定水平更高的速度當終端電壓會超過最大可能的輸出電壓的電源電路沒有這種調整。電流限制然后被用于電流參考以便所需電流不超過卡帕能力的驅動。當前的參考

11、(限于最高級別)成為輸入的PI控制器。電等效電路的電機由一個電阻(Ra),一個電感(La)和反電動勢,通量和速度成正比 單獨的PI控制器可以成功地控制電流在這個電路,因為隨著速度的增加,電壓需要克服反電動勢將pro二的積分術語。積分控制是可能相對較慢,所以以提高性能,在瞬態(tài)速度變化電壓前饋詞相當于包括Kevc /裝箱。合并后的輸出的PI控制器和電壓前饋術語形成參考電壓(va *),以應對這個電源電路應用一個電壓(va)到電動機的電路提供一個電流(ia)。當前的測量,傳感器和用作反饋的電流控制器。 以及線性組件如圖a4 6、電流控制回路在一個數(shù)字驅動包括樣品延誤以及電源電路造 成的延遲。在

12、實踐中,控制器的響應是由比例增益。特別是,如果一個電壓前饋使用的術語,積 分詞很少影響瞬態(tài)響應。 它是有用的了解閉環(huán)傳遞函數(shù)的轉矩控制器(即。Te / Te *)這樣的反應,一個獨立的轉矩 控制器,或效果的一種內(nèi)在的轉矩控制器在外層循環(huán)如一個速度控制器,可以預測。為響應是由 系統(tǒng)延遲它是適當?shù)拇黹]環(huán)響應作為簡單的收益和一個單位增益?zhèn)鬏斞舆t。 扭矩可以在N m引用,但它是更傳統(tǒng)的使用價值一定比例的額定電動機轉矩。傳遞函數(shù)當轉矩控制器是單獨使用。Kt是電機的轉矩常數(shù)在N m A21。如果扭矩控制器是用 于外部速度控制器一個稍微不同的表示必須使用,如圖A4.7b。速度控制器pro揮拳扭

13、矩值的參 考資料,統(tǒng)一對應于一個指定的當前水平的大小或評級的驅動。從控制角度來看這是不重要的 是否這是最大電流能力的驅動,額定電流或一些其他的水平。使用的實際水平定義為Kc(安培數(shù)), 并應包括在傳遞函數(shù)如圖所示。這些簡單的模型允許驅動用戶預測性能的一個獨立的轉矩控制 器或轉矩控制器和一個外速度環(huán)。 a4 2 3通量控制 電機磁通和因此電動機端電壓為給定的速度來定義通量產(chǎn)生電流。在一個簡單的例子。pre-viously使用電機驅動,電機通量水平設置的勵磁電流,如果。流量控制器(圖a4 8)包括一個內(nèi)部電流環(huán)和一個外循環(huán),維持額定通汽車直到電樞端電壓達到最大限度。當發(fā)動機轉速

14、增加高于額定速度然后控制勵磁電流,因此通量,因此電樞電壓保持在所需的最大水平。 扭矩和流量控制器都顯示在一個簡化的形式在圖a4 9。都有一種內(nèi)在的電流控制器,生成一個參考電壓和電源電路,轉換到當前。系統(tǒng)顯示是一個直流電動機驅動,但基于矢量變換可以用來模擬這一交流電動機和形式的依據(jù)矢量控制交流電機驅動系統(tǒng)。 a4 2 4速度控制 a4 2 4 1基本速度控制 閉環(huán)速度控制可以通過應用一個簡單的轉矩控制器PI控制器在前面描述的。對于本分析假定負載是一個慣性J,扭矩Td,與速度(摩擦忽略不計)。由此產(chǎn)生的系統(tǒng)。 與轉矩控制器,它是有用的了解的閉環(huán)響應,響應的一個獨立的速度控制器,或效果的一

15、種內(nèi)在的速度控制器在一個外環(huán)的位置可以被預測。如果一個溫和的反應是需要速度控制器是沒有顯著地受到系統(tǒng)延遲,和一個線性傳遞函數(shù)如方程(a4 4)可以使用。所有的常量在這些方程和帶來的延遲當前控制器通常是提供給用戶,以便計算和/或模擬可進行性能預測的速度控制器。 除了提供所需的閉環(huán)階躍響應,它是重要為系統(tǒng)能夠防止不必要的運動的結果應用扭矩瞬態(tài)。這可能是由于負載突然應用或由于不均勻的負載。能夠防止不必要的運動稱為剛度。這個com-pliance角的系統(tǒng)是一個衡量剛度和將在稍后討論(a4 2 4 2)。 隨著阻尼系數(shù)的增加,閉環(huán)反應過度降低,響應速度提高。閉環(huán)響應包括10%超越與阻尼因子的團結,因

16、為年代的分子。術語 隨著阻尼系數(shù)的增加,過度的反應降低,轉矩tran瞬變響應變慢。在這種情況下沒有年代術語在分子和反應包括無超調與阻尼系數(shù)的統(tǒng)一。 這似乎從這些結果,更高的比例增益,因此阻尼因子越高越反應;然而,結果到目前為止假設一個理想的轉矩控制器和沒有額外的不必要的延誤。在一個真正的數(shù)字驅動系統(tǒng)延誤給圖a4 12可能存在。一個延遲包含代表樣本期為速度測量,但這僅僅是相關的,如果速度反饋是源自一個位置反饋裝置如一個編碼器和測量作為一個變化的位置在一個固定的采樣周期。 不必要的延遲的影響可以看到在閉環(huán)階躍響應為一個真正的系統(tǒng)如圖a4 13。在每種情況下的響應有更多比真實系統(tǒng)超調的

17、理想系統(tǒng)。如果阻尼因子設置為團結那么過度可能是可以接受的,但一個阻尼系數(shù)1.25響應相當振蕩和可能是不可接受的。不必要的延遲的影響更加顯著耽擱的時間越久,也隨著設置帶寬的增加速度控制器。 額外的延遲的影響可以看到波德圖的閉環(huán)響應的速度控制器設置給統(tǒng)一阻尼因子(圖a4 14)。頻率在23分貝點的增益特性明顯增加了從理想的速度控制器,而頻率在608點的相位特性幾乎不變。如果這是被用來作為一個獨立的控制器的增益特性可以用來預測帶寬,但應該指出的是,增益大于團結在一些頻率。通常帶寬基于增益特性是唯一的帶寬,是引用,因為這使得性能似乎是更好的,在這種情況下2 000 rad s21。然而,如果速度控制

18、器是被包含在一個外部位置控制器,帶寬不必要的延遲性能的限制速度控制器。大自然的quantised速度反饋當它來源于一個位置傳感器位置的變化在一個固定的采樣周期也可以限制這種。一個高的比例增益在速度控制器,因此高帶寬,產(chǎn)生高頻轉矩脈動和噪聲從quantised速度反饋。 a4 2 4 2設置速度控制器收益 所提供的負載慣性是已知的,可以選擇比例和積分上漲速度控制器,根據(jù)所需的帶寬或所需的合并性質角使用方程為理想的速度控制器。如果由此產(chǎn)生的帶寬的控制回路是相當保守的,控制器將表現(xiàn)大約為預測的理想模型方程。 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,一個額外

19、的外層循環(huán)應用于速度控制旋耕機如圖a4 17。位置控制回路只包括一個比例術語千伏。一個積分術語通常并不需要任何靜態(tài)誤差給出了速度參考v *,積分術語在速度控制器部隊負載移動到位置誤差被移除。千伏通常單位毫米s21 /毫米,ms21 / m,rad s21 / s等。提供了位置單位在速度和位置部分都相同(即rad和rad s21)然后下面的分析應用。 溫馨提示：最好仔細閱讀后才下載使用，萬分感謝！