运控交流(二)
运控系统第4章第2讲及作业
第2 篇 交流调速系统
第2 讲
电压空间矢量SVPWM控制技术
1
4.2 交流PWM变频技术 4.2.4 电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术
序
前述正弦SVPWM控制方式，追求的目标是使变压变频器的输出电压尽量接近正弦 波形，未考虑输出电流的实际波形；电流跟踪CFPWM控制方式使输出电流接近正弦 波形，但电流是在目标正弦波曲线上下波动变化。
P153
为使电动机平滑稳定旋转，根本目标应是在电动机气隙空间形成“正圆形”的旋转
磁场，具备恒定电磁转矩的运行状态。 电机的“旋转磁场运动轨迹曲线”：定子磁场的磁链矢量绕空间轴旋转，矢量终端 在空间的轨迹曲线的形状表征旋转磁场是否平稳，即是否成“正圆”。如果非正圆， 说明磁链的大小在一周有波动，电磁转矩不平稳。 把逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆形旋 转磁场来控制逆变器的工作，这种控制方法称作“磁链 跟踪控制”，磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢 量得到的，所以又称“电压空间矢量SVPWM控制”。
其中1电源角频率， 120
3 ①合成矢量的模：恒值常量 U m 2 ②合成矢量的空间角度：1t 随时间t绕转子轴线在空间旋转。 ③当某一相电压为最大值时，合成矢量落在该相轴线上。
4
4.2.4 电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术
2.电压与磁链空间矢量的关系 P154
与定子电压空间矢量相仿，可以定义定子电流和磁链的合成空间矢量Is和Ψs 。 当电动机转速合成磁链空间矢量的近似关系为
7
4.2.4 电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术
4.正六边形空间旋转磁场 P156
输出六拍阶梯波的6开关的PWM变压变频器在电 机中形成的旋转磁场非正圆，分析如下： ①工作状态100的合成电压空间矢量 设工作周期从代码100状态开始，这时VT6、VT1、 VT2导通，其等效电路如图所示。各相对直流电源中 点O’的电压都是幅值为 UAO’=Ud/2，UBO’=UCO’=-Ud/2 设三个对O’点的电压合成空间矢量为u1，其幅 值等于Ud，空间方向沿A轴(即X轴)。
PC运动控制板卡的交流伺服控制系统
控制模块
电位插刀误速G 监中P
机置补补差度功控断L
运运计计补处能处处C
动动算算偿理处理理处
控控
理
理
制制
2 PMAC运动控制器
PMAC-Programmable
Multi-Axis
Controller是可编程多轴运动控制器，也称运动控
制计算机.
它 主 要 由 MOTOROLA DSP CPU 与 DELTA
2 基于运动控制器的数控系统（功能概图）
计算机
PCI总线
运动控制器 基本模块
数控系统 （运动控制器）
开关量 I/O
其它I/O
伺服辅助控制信号
I/O模块
运动控制 指令
伺服 驱动器
位置反馈
主轴 驱动器
伺服电机
2 基于运动控制器的数控系统（PCI总线）
2 基于运动控制器的数控系统（软件系统）
数控装置
➢I/O扩展端口
➢64位位置计数范围
➢越程极限，回原点，伺服放大 ➢位置环，速度环，电流环三环
器报警，使能标志信号接口
矢量控制能力
➢LCD和VFD显示端口
➢曲线加减速控制
➢Bus and/or RS-422通信
➢自定义伺服算法能力
➢脱机运行
➢电子齿轮
➢G-Code 编程（可自定义）
➢先进的PID及扩展伺服算法
Ix20
7）通过设置 I变量可以控制以下典型 P.I.D 伺服环
Following
Error 跟随误差
Commanded
Actual
- = Position
Position
指令位置
实际位置
Com m and+
运动控制系统考试简答题
绪论1、运动控制系统：以机械运动的驱动设备——电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。
工作原理：通过控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。
2、分类（1）按被控量分：以转速为被控量的系统——调速系统以角位移或直线位移为被控量的系统——位置随动(伺服)系统。
（2）按驱动电机的类型分：直流电机带动生产机械——直流传动系统交流电机带动生产机械——交流传动系统（3）按控制器类型分：以模拟电路构成的控制器——模拟控制系统以数字电路构成的控制器——数字控制系统（4）按控制系统中闭环的多少分：单环、双环、多环控制系统3、运动控制系统的功率放大与变换装置：一方面按控制量的大小将电网中的电能作用于电动机上，调节电动机的转矩大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换成电动机所需的交流电或直流电；4、反抗性恒转矩负载不是转矩作用方向和运动方向相反吗？那为什么n>0时T>0,n<0时T<0?答：n>0,T>0 和n<0,T<0意味着电机目前处于正转电动和反转电动状态，这个和负载转矩没有关系。
第二章转速反馈控制的直流调速系统1、直流电动机的稳态转速调节转速方法Φ-=eKIRUn2、直流电动机点数两端的平均电压 三种改变输出平均电压的调制方法：（1）T 不变，变 ton —脉冲宽度调制(PWM)（2）ton 不变，变 T —脉冲频率调制(PFM)（3）ton 和 T 都可调，改变占空比—混合调制(两点式控制)。
当负载电流或电压低于某一最小值，开关器件导通，当高于某一最大值时，使开关器件关断。
3、UPE 是由电力电子器件组成的变换器，其输入接三组(或单相)交流电源，输出为可控的直流电压，控制电压为Uc 。
UPE 变换器的器件选择：中、小容量系统,多采用IGBT 或P-MOSFET 构成较大容量系统,采用GTO 、IGCT 电力电子开关器件特大容量系统,则常用晶闸管触发与整流装置4、 系统稳态参数计算例： 用线性集成电路运算放大器作为电压放大器的转速负反馈闭环直流调速系统如图1-28所示，s s ond ρU U T t U ==5、PID调节器的类型和功能比例微分(PD)：由PD调节器构成的超前校正,可提高系统的稳定裕度，并获得足够的快速性, 但稳态精度可能受到影响；比例积分(PI)：由PI调节器构成的滞后校正,可以保证稳态精度，却是以对快速性的限制来换取系统稳定的；比例积分微分(PID)：PID调节器实现的滞后—超前校正则兼有二者的优点,可以全面提高系统的控制性能，但具体实现与调试要复杂一些。
运控问题答案
1、 直流电动机有哪几种调速方法，各有何特点？P7调节电枢供电电压；无级平滑调速、调速范围大减弱励磁磁通；无级平滑调速、调速范围小改变电枢回路电阻：有级调速2、 试写出调速范围和静差率的定义式，并推出两者之间的关系。
P21调速范围⏹ 生产机械要求电动机提供的最高转速n max 和最低转速n min 之比称为调速范围，用字母D 表示，即 ⏹ n max 和n min 是电动机在额定负载时的最高和最低转速， ⏹ 对于少数负载很轻的机械，也可用实际负载时的最高和最低转速。
静差率s⏹ 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Δn N 与理想空载转速n 0之比： ⏹ 用百分数表示⏹ 对于同一个调速系统，Δn N 值是定值。
⏹ 要求s 值越小时，系统能够允许的调速范围D 也越小。
⏹ 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。
3、 试给出开环和转速闭环的转速降表达式，并说明为何闭环的调速范围大于开环？P30在同样的负载扰动下， 开环系统的转速降落 闭环系统的转速降落⏹ 如果电动机的最高转速都是n N ，最低速静差率都是s ，可得 开环时，闭环时， ⏹ 得到K 为闭环的开环放大系数，K>0，故闭环的调速范围大于开环。
4、 转速闭环无静差调速系统中，哪些干扰可以有效抑制，哪些不能有效抑制？为什么？P31 Φ-=e C IR U n min maxn n D =0n n s N ∆=%1000⨯∆=n n s N )1(s n s n D N N -∆=e d op C RI n =∆)1(K C RI n e d cl +=∆)1(s n s n D op N op -∆=)1(s n s n D cl N cl -∆=op cl D K D )1(+=被反馈环所包围的前向通道的扰动可以有效抑制，而反馈通道上的干扰不能有效抑制。
负载变化、交流电源电压的波动（使Ks 变化）、电动机励磁的变化（使Ce 变化）、放大器输出电压的漂移（使Kp 变化）、由温升引起主电路电阻R 的增大等，这些干扰都会影响到转速，都会被测速装置检测出来，再通过反馈控制的作用，减小它们对稳态转速的影响。
运动控制复习要点及答案
第一部分运动控制复习要点（IRON）1、直流调速系统用的三种可控直流电源和各自的特点。
P21)旋转变流机组——用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。
2)静止式可控整流器——用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。
3)直流斩波器或脉宽调制变换器——用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。
2.电流连续和断续时，V-M系统机械特性的差别，电流断续有何不良影响。
P91）当电流连续时，特性还比较硬；断续段特性则很软，而且呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高。
2）电流断续给用平均值计算描述的系统带来一种非线性因素，也引起机械特性的非线性，影响系统的运行性能。
3、直流调速系统闭环静特性和开环机械特性的联系和区别（画图分析）。
P23~24a、闭环系统的静态特性可以比开环系统的机械特性硬很多；b、闭环系统的静差率比开环系统小得多；c、如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围。
d、要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。
4、电流截止负反馈及其作用。
P28当电流大到一定程度时才出现的电流负反馈叫做电流截止负反馈，简称截流反馈。
作用：限流保护，即解决反馈闭环调速系统启动和堵转时电流过大的问题。
5、比例调节器、积分调节器、比例积分调节器各自的控制规律和特点。
比例调节器：a、Uc=KpΔUn输出信号与偏差信号成比例；有差调节。
b、能迅速响应控制作用。
积分调节器：a、输出信号的速度与偏差信号成正比。
b、无静差调速。
比例积分调节器：a、稳态精度高，动态响应快；b、比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。
（控制规律即公式）6、无静差调速系统的稳态结构图和稳态结构参数关系。
P43无静差调速系统的稳态参数计算很简单，在理想情况下，稳态时Un=0，因而Un=Un*=α*n，即m ax*m axn n U =α（1-66），α为转速反馈系数（V.min/r ），Nmax 为电动机调压时的最高转速（r/min ），U*nmax 为相应的最高给定电压（V ）。
运动控制考试复习题及答案(完整版)
运动控制考试复习题及答案(完整版)一、填空题1、控制系统的动态性能指标是指跟随指标和抗扰指标，而调速系统的动态指标通常以抗扰性能指标为主2、直流电机调速方法有变压调速、电枢串电阻调速和弱磁调速。
异步电动机调速方式常见有6种分别是：降压调速、差离合调速、转子串电阻调速、串级调速和双馈电动机调速、变级调速、变压变频调速。
其中转差率不变型有：变级调速、变压变频调速，只有变压变频应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统。
同步电动机按频率控制方式不同分为：他控式变频调速和自控式变频调速。
（变电阻调速：有级调速。
变转差率调速：无级调速。
调压调速：调节供电电压进行调速）按按转差功率可以怎么划分电动机:转差功率消耗型、转差功率不变型、转差功率馈送型3、对于异步电动机变压变频调速，在基频以下，希望维持气隙磁通不变，需按比例同时控制定子电压和定子频率，低频时还应当抬高电压以补偿阻抗压降，基频以下调速属于恒转矩调速；而基频以上，由于电压无法升高，只好仅提高定子频率而迫使磁通减弱，相当直流电动机弱磁升速情况，基频以上调速属于恒功率调速。
4、对于SPWM型逆变器，SPWM的含义为正弦波脉宽调制，以正弦波作为逆变器输出的期望波形，SPWM波调制时，调制波为频率和期望波相同的正弦波，载波为频率比期望波高得多的等腰三角波，SPWM型逆变器控制方式有同步调制、异步调制、混合调制。
SPWM型逆变器的输出的基波频率取决于正弦波。
SPWM控制技术包括单极性控制和双极性控制两种方式。
5、调速系统的稳定性能指标包括调速范围和静差率6、供变压调速使用的可控直流电源有：旋转交流机组（G-M系统）、静止式可控整流器（V-M系统）与直流斩波器（PWM-M系统）或脉宽调制变换器。
7、典型I型系统与典型II型系统相比,前者跟随性能好、超调小，但抗扰性能差。
典型I型系统和典型Ⅱ型系统在稳态误差和动态性能上有什么区别？答：稳态误差：对于典型I型系统，在阶跃输入下，稳态时是无差的；但在斜坡输入下则有恒值稳态误差，且与K值成反比；在加速度输入下稳态误差为∞。
运控系统3 第1章第2讲及作业
4
1.1 相控整流器－电动机系统(续)
P16
1.1.3 V-M调速系统的机械特性及数学模型
2.V-M调速系统的数学模型 P16 通常把晶闸管触发和整流装置当作系统中的一个环节来看待，但晶闸管触 发电路和整流电路实际是非线性的，只能在一定的工作范围内近似地看作线 性环节，得到它的放大系数和传递函数。 一.晶闸管触发和整流装置的放大系数Ks: 首先可用实验方法绘出输入输出特性曲线， 再取工作范围内的特性曲线的斜率计算出放 大系数。 U
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1.2 直流PWM变换器－电动机系统(续) P19
1.不可逆PWM变换器(续)
P19～20
有制动电流通路的不可逆PWM-直流电动机系统分析 1.电动状态的工作情况：期间VT1和VT2交替被驱动，但实际只有VT1和VD2 交替流过电流，VT2尽管也被驱动，但VT2和VD1中无电流。电机承受的的 平均电压值Ud＞电枢电势E。可等效成如下电路：
16
1.2 直流PWM变换器－电动机系统(续) P20
双极式可逆PWM变换器的工作原理：(难点，请注意听讲！)
① 一个周期内电机电压有两个极性，转速方向由电枢电压平均值的正负确定。 PWM频率较高，电动状态的稳速运行期间电流不会反向(不会进入制动状 态)。 ② 正脉宽＞负脉宽: 正转。 正脉宽＜负脉宽: 反转。 正脉宽=负脉宽:停转(平均电压=0)。 ③若需制动或反向，加宽Ug2 ，一旦续流结束立即进入制动状态(反向电流通 道早已畅通)，也可平滑转入反向运行。
17
1.2 直流PWM变换器－电动机系统(续) P20
双极式可逆PWM变换器的输出平均电压为：
Ud t on T t on 2t Us U s ( on 1)U s 这里U s是直流母线电压 T T T
《运控控制系统》——陈伯时部分课后作业解答
1-3 （1）调速范围和静差率的定义是什么？（2）为什么说“脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了”？ （3）调速范围、静差速降和最小静差率之间有什么关系？ 答：（1）调速范围：生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比。
用字母Ｄ表示，即max minn D n =其中：n max 和n min 一般指电动机额定负载时的最高和最低转速；对于少数负载很轻的机械，可以用实际负载时的最高和最低转速。
（2）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时所对应的转速降落，与理想空载转速之比，称作静差率s ，即：N o n s n ∆=，或用百分比表示：100%N ons n ∆=⨯同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。
如果低速时的静差率能满足要求，高速时的静差率肯定也能满足要求。
所以静差率的要求以低速时的静差率为准。
（3）在直流电动机变压调速系统中，一般以电动机的额定转速作为最高转速n N 作为最高转速，取调速系统的静差率为最低转速时的静差率：min min N No N n n s n n n ∆∆==+∆，得到最低转速 min (1)N s n n s-∆=，则max min (1)N N n n s D n n s ==-这就是调速系统的调速范围、静差速降和最小静差率之间的关系。
可见：∆n N 值一定时，对静差率s 要求越高（即要求s 越小），系统能够允许的调速范围也越小。
所以说“脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了”。
结论：一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足静差率要求的转速可调范围。
1-5 某闭环调速系统的调速范围是1500~150r/min ，要求系统的静差率s≤2%，那么系统允许的静态速降是多少？如果开环系统的静态速降是100r/min ，则闭环系统的开环放大倍数应有多大？解：因min N N o N n n s n n n ∆∆==+∆，所以 min 1500.023.06(/min)110.02N n s n r s ⨯∆===-- 因1op cl n n K ∆∆=+， 所以 10011131.73.06op op cl N n n K n n ∆∆=-=-=-=∆∆1-8 转速单闭环调速系统有那些特点？改变给定电压能否改变电动机的转速，为什么？如果给定电压不变，调节测速反馈电压的分压比是否能够改变转速，为什么？ 如果测速发电机的励磁发生了变化，系统有无克服这种干扰的能力？ 答:（1）转速单闭环调速系统有以下三个基本特征①只用比例放大器的反馈控制系统，其被被调量仍是有静差的。
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应试人学号 一 二 三 四 五
应试人所在院系 六 七 八 九 4 ．写出恒功率约束条件下合成电压矢量表达式，在图中画出某一时刻 uAO 0 、
uBO 0 、 uCO 0 时各相电压矢量和合成矢量。 （6 分）
B(e j )
A(e j 0 )
C (e j 2 )
5．异步电动机变压变频调速时希望保持气隙磁通恒定，为此需要采用合适的控制 2． 说明异步电动机转差频率控制的基本思想， 并简述转差频率控制的基本规律。 （6 分） 方法，请说明在额定频率以上和以下定子电压与频率的控制规律和特点。 （6 分）
注：教师应使用计算机处理试题的文字、公式、图表等；学生应使用水笔或圆珠笔答题。
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二、综合题（共 15 分） 异步电动机调速时可采用降压调速和恒压频比调速，试分析在恒定转矩负载下， 分别采用上述两种调速方式从额定转速向下调速时，异步电动机的电磁功率 Pm 、 输出机械功率 Pmech 和转差功率 Ps 的变化，并简要说明原因。 （15 分）
u2
u1
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四、综合题（共 11 分） 异步电动机在按转子磁链定向的同步旋转 M/T 坐标系下： （1）写出按转子磁链定向的转子磁链方程、转矩方程，分别说明控制规律。 （6 分） （2） 根据上述方程在画出异步电动机矢量变换及等效直流电动模型结构图。 （5 分）
五、综合题（共 12 分） 按转子磁链定向矢量控制的电流闭环控制系统可采用电流跟踪 PWM 控制，其控制结 构图如图所示：
i
B
* st
i
* s
电流跟踪 PWM 控制
~
M
iA
E
r
iB iC
FBS
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六、综合题（共 21 分） 基于定子磁链控制的直接转矩控制系统原理框图如下图所示： （1）请根据系统结构图写出直接转矩控制的基本工作原理。 （5 分） （2）写出系统中 A~H 这八个环节的名称（用文字表述） 。 （8 分） （3）定性画出 B、D 环节输入输出特性。 （2 分） （4）写出两相静止坐标系下电磁转矩和定子磁链的计算式。 （6 分）
三、综合题（共 11 分） SVPWM 控制采用相邻两个有效工作矢量（幅值为 2U d ）合成期望的输出矢量，以
3
期望电压矢量位于第一扇区为例，电压矢量合成表达式为 us
t1 t u1 2 u2 ： T0 T0
（1）请在下图中画出电压矢量合成图，求出各矢量作用时间 t0、t1 和 t2。 （6 分） （2）采用零矢量集中的实现方法，当选取（111）零矢量时画出 uA , uB , uC 各相电压波 形（开关状态）并标出作用时间。 （5 分）
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成
3．异步电动机原始数学模型具有高阶、非线性、强耦合的特点。请从电感矩阵方 面说明其非线性强耦合的根本原因。为了简化数学模型，常采用坐标变换，坐标变 换的原则是什么？约束条件是什么？（6 分）
上海大学 2016 ～2017 学年 冬 季学期试卷 B 课程名： 运动控制系统(2)
* * （1）写出图中环节 A、B、C、D、E 的功能模块名称（用文字表述） ，说明图中 ism ，ist ，
is* ， is* 各量物理含义。(9 分)
（2）分析该矢量控制系统可否采用转子磁链开环的控制模式，说明原因。 （3 分）
r*
*
r
A
* ism
is*
C
i* A
D
* iB * iC
绩
课程号： 09365149 学分：
3
应试人声明： 我保证遵守《上海大学学生手册》中的《上海大学考场规则》 ，如有考试违纪、作 弊行为，愿意接受《上海大学学生考试违纪、作弊行为界定及处分规定》的纪律处分。 应试人 题号 得分 一、简答题（本大题共 5 小题，每小题 6 分，共 30 分） 1．从能量转换效率上看，可以依据转差功率的变化和流向将异步电动机调速系 统分为哪三类？降压调速、恒压频比控制和矢量控制分别属于哪一类调速系统？ （6 分）
s*
*
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Te*
B C D
Sign( s )
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sA
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PWM 控制
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M
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