一什么是运动控制系统.

Shanghaiuniversity绪论一。什么是运动控制系统？运动控制系统（MotionControlSystem）也可称作电力拖动控制系统（ControlSystemsofElectricDrive）运动控制系统－－通过对电动机电压、电流、频率等输入电量的控制，来改变工作机械的转矩、速度、位移等机械量，使各种工作机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其他应用的需要。工业生产和科学技术的发展对运动控制系统提出了日益复杂的要求，同时也为研制和生产各类新型的控制装置提供了可能。Shanghaiuniversity二。运动控制及其相关学科现代运动控制已成为电机学、电力电子技术、微电子技术、计算机控制技术、控制理论、信号检测与处理技术等多门学科相互交叉的综合性学科运动控制电机学电力电子技术计算机控制控制理论技术技术微电子信号检测与处理技术Shanghaiuniversity1．电机学－－电动机是运动控制系统的控制对象电动机的结构和原理决定了运动控制系统的设计方法和运行性能，新型电机的发明就会带出新的运动控制系统。2．电力电子技术－－以电力电子器件为基础的功率放大与变换装置是弱电控制强电的媒介，是运动控制系统的执行手段。在运动控制系统中作为电动机的可控电源，其输出电源质量直接影响运动控制系统的运行状态和性能。新型电力电子器件的诞生必将产生新型的功率放大与变换装置，对改善电动机供电电源质量，提高系统运行性能，起到积极的推进作用。Shanghaiuniversity3．微电子技术－－控制基础微电子技术的快速发展，各种高性能的大规模或超大规模的集成电路层出不穷，方便和简化了运动控制系统的硬件电路设计及调试工作，提高了运动控制系统的可靠性。高速、大内存容量、多功能的微处理器或单片微机的问世，使各种复杂的控制算法在运动控制系统中的应用成为可能，并大大提高了控制精度。4．计算机控制技术－－系统控制核心(1)计算机控制(2)计算机仿真(3)计算机辅助设计Shanghaiuniversity•计算机具有强大的逻辑判断、数据计算和处理、信息传输等能力，能进行各种复杂的运算，可以实现不同于一般线性调节的控制规律，达到模拟控制系统难以实现的控制功能和效果。计算机控制技术的应用使对象参数辨识、控制系统的参数自整定和自学习、智能控制、故障诊断等成为可能，大大提高了运动控制系统的智能化和系统的可靠性。•在工程实际中，对于一些难以求得其精确解析解的问题，可以通过计算机求得其数值解，这就是计算机数字仿真。计算机数字仿真具有成本低，结构灵活，结果直观，便于贮存和进行数据分析等优点。计算机辅助设计(CAD)是在数字仿真的基础上发展起来的，在系统数学模型基础上进行仿真，按给定指标寻优进行计算机辅助设计，已成为运动控制系统常用的分析和设计工具。Shanghaiuniversity5．信号检测与处理技术－－控制系统的“眼睛”•运动控制系统的本质是反馈控制，即根据给定和输出的偏差实施控制，最终缩小或消除偏差，运动控制系统需通过传感器实时检测系统的运行状态，构成反馈控制，并进行故障分析和故障保护。•由于实际检测信号往往带有随机的扰动，这些扰动信号对控制系统的正常运行产生不利的影响，严重时甚至会破坏系统的稳定性。为了保证系统安全可靠的运行，必须对实际检测的信号进行滤波等处理，提高系统的抗干扰能力。此外，传感器输出信号的电压、极性和信号类型往往与控制器的需求不相吻合。所以，传感器输出信号一般不能直接用于控制，需要进行信号转换和数据处理。Shanghaiuniversity6．控制理论－－系统分析和设计的依据控制理论是运动控制系统的理论基础，是指导系统分析和设计的依据。控制系统实际问题的解决常常能推动理论的发展，而新的控制理论的诞生，诸如非线性控制、自适应控制、智能控制等，又为研究和设计各种新型的运动控制系统提供了理论依据。Shanghaiuniversity三。运动控制系统及其组成-+控制器信号处理功率放大与变换装置传感器电动机及负载知识领域：电力电子与驱动技术知识领域：电机原理与模型知识领域：信号检测与数据处理技术知识领域：控制理论Shanghaiuniversity1．电动机－－运动控制系统的控制对象（1）直流电动机－－结构复杂，制造成本高，电刷和换向器限制了它的转速与容量。优点：易于控制。（2）交流异步电动机－－结构简单、制造容易，无需机械换向器，其允许转速与容量均大于直流电动机。（3）同步电动机－－转速等于同步转速，具有机械特性硬，在恒频电源供电时调速较为困难，变频器的诞生不仅解决了同步电动机的调速，还解决了其起动和失步问题，有效地促进了同步电动机在运动控制中的应用。2．功率放大与变换装置－－执行手段电力电子器件组成电力电子装置。Shanghaiuniversity电力电子器件：第一代：半控型器件，如SCR，方便地应用于相控整流器(AC→DC)和有源逆变器(DC→AC)，但用于无源逆变(DC→AC)或直流PWM方式调压（DC→DC）时，必须增加强迫换流回路，使电路结构复杂。第二代：全控型器件，如GTO、BJT、IGBT、MOSFET等。此类器件用于无源逆变(DC→AC)和直流调压（DC→DC）时，无须强迫换流回路，主回路结构简单。另一个特点是可以大大提高开关频率，用脉宽调制（PWM）技术控制功率器件的开通与关断，可大大提高可控电源的质量。Shanghaiuniversity第三代：特点是由单一的器件发展为具有驱动、保护功能的复合功率模块，提高了使用的安全性和可靠性。3．控制器：(1)模拟控制器:模拟控制器常用运算放大器及相应的电气元件实现，具有物理概念清晰、控制信号流向直观等优点，其控制规律体现在硬件电路和所用的器件上，因而线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响。(2)数字控制器:硬件电路标准化程度高、制作成本低、而且不受器件温度漂移的影响。控制规律体现在软件上，修改起来灵活方便。此外，还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟控制器无法实现的功能。Shanghaiuniversity4．信号检测与处理－传感器运动控制系统中常用的反馈信号是电压、电流、转速和位置，为了真实可靠地得到这些信号，并实现功率电路（强电）和控制器（弱电）之间的电气隔离，需要相应的传感器。精度－信号传感器必须有足够高的精度，才能保证控制系统的准确性。滤波－信号滤波，模拟控制系统常采用模拟器件构成的滤波电路，而计算机数字控制系统往往采用模拟滤波电路和计算机软件数字滤波相结合的方法。Shanghaiuniversity四。运动控制系统的转矩控制规律运动控制系统的基本运动方程式：J——机械转动惯量，m——转子的机械角速度，m——转子的机械转角，mmemdtdLTTdtdJ运动控制的目的：控制电动机的转速和转角，对于直线电动机来说是控制速度和位移Shanghaiuniversity要控制转速和转角，唯一的途径就是控制电动机的电磁转矩。使转速变化率按人们期望的规律变化。因此，转矩控制是运动控制的根本问题。在高性能的运动控制系统中，采用转速闭环控制，用转速偏差来调节系统的动态转矩。Shanghaiuniversity五。运动控制系统的分类直流电机交流电机（异步电机*、同步电机）速度控制直流调速系统*交流调速系统*位置控制直流伺服系统交流伺服系统直流调速系统－－第一篇，运动控制（一）交流调速系统－－第二篇，运动控制（二）Shanghaiuniversity六。课程性质及要求综合型（综合应用多门课程）的专业课，所学知识的具体应用。包括理论教学及实验二部分。理论教学：多思考、多分析考核：期终考试80％平时20％：a）考勤b）作业c）学习态度Shanghaiuniversity直流拖动控制系统第1篇电力拖动自动控制系统Shanghaiuniversity根据直流电动机转速方程ΦeKIRUn直流调速方法（1-1）式中n—转速（r/min）；U—电枢电压（V）；I—电枢电流（A）；R—电枢回路总电阻（）；—励磁磁通（Wb）；Ke—由电机结构决定的电动势常数。Shanghaiuniversity调节电动机转速的三种方法1.调节电枢供电电压U2.改变电枢回路电阻R3.减弱励磁磁通Shanghaiuniversity1。调压调速•工作条件：保持励磁=N；保持电阻R=Ra•调节过程：改变电压UNUUn，n0•调速特性：转速下降，机械特性曲线平行下移。nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3调压调速特性曲线nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3调压调速特性曲线Shanghaiuniversity2。调阻调速•工作条件：保持励磁=N；保持电压U=UN；•调节过程：增加电阻RaRRn，n0不变；•调速特性：转速下降，机械特性曲线变软。nn0OIILRaR1R2R3nNn1n2n3调阻调速特性曲线Shanghaiuniversity3。调磁调速•工作条件：保持电压U=UN；保持电阻R=Ra；•调节过程：减小励磁Nn，n0•调速特性：转速上升，机械特性曲线变软。nn0OTeTLN123nNn1n2n3调压调速特性曲线Shanghaiuniversity三种调速方法的性能与比较改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，在基速以上作小范围的弱磁升速。调压调速能在较大的范围内无级平滑调速。Shanghaiuniversity恒转矩调速方式电机长期运行时，电枢电流应小于额定值IN，而电磁转矩Te=KmI。在调压调速范围内，励磁磁通不变，容许的输出转矩也不变，称作“恒转矩调速方式”。Shanghaiuniversity恒功率调速方式在弱磁调速范围内，转速越高，磁通越弱，容许输出转矩减小，而容许输出转矩与转速的乘积则不变，即容许功率不变，为“恒功率调速方式”。Te=KmImeMTP电磁功率：电磁转矩：Shanghaiuniversity两种调速方式：TeNnNnmax变电压调速弱磁调速UNUPPTeUnO两种调速方式Shanghaiuniversity第1章闭环控制的直流调速系统本章着重讨论基本的闭环控制系统及其分析与设计方法。Shanghaiuniversity1.1直流调速系统用的可控直流电源调压调速需要有专门向电动机供电的可控直流电源。本节介绍几种主要的可控直流电源。Shanghaiuniversity常用的可控直流电源：•旋转变流机组——用交流电动机和直流发电机组成机组，获得可调的直流电压。。•静止式可控整流器——用静止式的可控整流器获得可调的直流电压。•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，产生可变的平均电压。Shanghaiuniversity1.1.1旋转变流机组（G-M系统）图1-1旋转变流机组和由它供电的直流调速系统（G-M系统）原理图Ward-Leonard系统Shanghaiuniversity•G-M系统特性n正向电动反向制动OTeTL-TLn0n1n2正向制动反向电动图1-2G-M系统的机械特性Shanghaiuniversity1.1.2静止式可控整流器图1-3晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）原理图Shanghaiuniversity•V-M系统工作原理晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统，又称静止的Ward-Leonard系统），图中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。Shanghaiuniversity•V-M系统的特点–晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制。–控制的快速性，晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。Shanghaiuniversity•V-M系统的问题–由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。–晶闸管对过电