运动控制第四版

1、主讲教师主讲教师 shu课程课程学时学时 72学时学时考核考核方式方式 闭卷考试闭卷考试 平时作业及考勤平时作业及考勤 20% 期末考试期末考试 80%主讲教材主讲教材 电力拖动自动控制系统运动控制系统（第电力拖动自动控制系统运动控制系统（第4版）版） 阮毅陈伯时机械工业出版社阮毅陈伯时机械工业出版社2 电力拖动控制技术是以电力拖动控制技术是以电动机电动机为对象，为对象，以以电力电子技术电力电子技术功率变换器为弱电控制强电功率变换器为弱电控制强电的媒质，的媒质，以以自动控制理论自动控制理论为分析和设计基础，为分析和设计基础，以以电子线路电子线路或或计算机计算机为控制手段，掌握运动为控制手段，掌

2、握运动控制系统的控制规律及设计方法。控制系统的控制规律及设计方法。 1.1 运动控制系统及其组成运动控制系统及其组成运动控制电机学电力电子学计算机控制技术自动控制理论信号检测与处理技术微电子技术运动控制系统是多门学科相互交叉的综合性学科控制器功率放大与变换装置电动机及负载传感器信号处理知识领域：控制理论知识领域：电力电子与功率变换技术知识领域：电机学知识领域：信号检测与数据处理技术运动控制系统及其组成1.1 运动控制系统及其组成运动控制系统及其组成弱电强电纽带 运动控制系统的控制对象控制对象-电动机:系统）伺服电动机（用于伺服系统）拖动电动机（用于调速按用途分类交流同步电动机电动机交流交流感应

3、电动机直流电动机按类型分类)异步(1.1 运动控制系统及其组成运动控制系统及其组成同步和异步是指定转子旋转磁场，三相交流电通过一定结构的绕组时,要产生旋转磁场.在旋转磁场的作用下,转子随旋转磁场旋转转子随旋转磁场旋转.如果转子如果转子的转速同旋转磁场的转速完全一致的转速同旋转磁场的转速完全一致,就是同步电机就是同步电机;如果转子的转速小如果转子的转速小于磁场转速于磁场转速,也就是说两者不同步也就是说两者不同步,就是异步电机就是异步电机.异步电机结构简单异步电机结构简单,应用广泛应用广泛.同步电机要求转子有固定的磁极同步电机要求转子有固定的磁极(永磁或电磁永磁或电磁),如交流发电如交流发电机和同

4、步交流电动机机和同步交流电动机.简单来说，伺服系统一般都需要位置控制位置控制，调速系统只是速度控制速度控制。硬件上来说，伺服系统为带编码器反馈的闭环控制，调速系统也有带编码器反馈的闭环控制，也有不带编码器反馈的开环控制。两种控制方式对应的是不同的应用场合，伺服控制更多应用于需求高精度和高高精度和高动态动态响应的场合。 电力电子型功率放大与变换装置的发展趋势电力电子型功率放大与变换装置的发展趋势: 半控型向全控型发展（半控型向全控型发展（晶闸管晶闸管。 IGBT） 低频开关向高频开关发展低频开关向高频开关发展 分立器件向复合功率模块发展分立器件向复合功率模块发展1.1 运动控制系统及其组成运动控

5、制系统及其组成控制器分为控制器分为模拟控制器模拟控制器和和数字控制器数字控制器。模拟控制器模拟控制器: 物理概念清晰，控制信号流向直观；物理概念清晰，控制信号流向直观； 控制规律体现在硬件电路当中；控制规律体现在硬件电路当中； 线路复杂、通用性差，控制效果受器件性能、温度线路复杂、通用性差，控制效果受器件性能、温度等因素影响；等因素影响； 并行运行，控制器的滞后时间很小。并行运行，控制器的滞后时间很小。1.1 运动控制系统及其组成运动控制系统及其组成以微处理器为核心的数字控制器以微处理器为核心的数字控制器: 硬件电路标准化程度高；硬件电路标准化程度高； 控制规律体在软件上，修改起业灵活、方便；

6、控制规律体在软件上，修改起业灵活、方便； 拥有信息存储、数据通信和故障诊断等功能；拥有信息存储、数据通信和故障诊断等功能； 串行运行串行运行方式，滞后时间比模拟控制器大得多，在方式，滞后时间比模拟控制器大得多，在设计中应予以考虑。设计中应予以考虑。1.1 运动控制系统及其组成运动控制系统及其组成 三级流水线的指令执行顺序。 ARM7TDMI三级流水线结构的指令执行顺序PC指令1指令2指令3指令4程序存储器PC-4PC-8PC+4周期1周期2周期3周期4周期5周期6取指 译码 执行取指 译码 执行取指 译码 执行取指 译码 执行周期周期2周期周期1周期周期3周期周期4 在第1个周期，PC指向指令

7、1，此时指令1进入三级流水线的取指阶段。1 在第2个周期，PC指向指令2，此时指令1进入三级流水线的译码阶段，同时取出指令2。2 在第3个周期，PC指向指令3，此时指令1进入三级流水线的执行阶段，指令2进入译码阶段，取出指令3。3处理器执行一条指令的三个阶段补充知识补充知识在第1个周期，PC指向指令1，此时指令1进入三级流水线的取指阶段。在第2个周期，PC指向指令2，此时指令1进入三级流水线的译码阶段，同时取出指令2。在第3个周期，PC指向指令3，此时指令1进入三级流水线的执行阶段，指令2进入译码阶段，取出指令3。 在第4个周期，指令1执行完成，指令2和指令3流水线推进一级，同时开始指令4的取

8、指处理。 ARM7是冯。诺依曼结构，采用三级流水线结构的指令执行顺序。 ARM9是哈弗结构，采用五级流水线（取指、译码、执行、存储、回写），ARM11使用七级流水线结构。 PC是程序计数器。信号检测信号检测:电压、电流、转速和位置等信号电压、电流、转速和位置等信号信号转换信号转换:电压匹配、极性转换、脉冲整形等电压匹配、极性转换、脉冲整形等数据处理数据处理:信号滤波信号滤波1.1 运动控制系统及其组成运动控制系统及其组成反馈通道，弱电和强电之间的电气隔离，需要相应的传感器。反馈通道，弱电和强电之间的电气隔离，需要相应的传感器。15电力传动系统电力传动系统特点特点 电力传动系统由电动机，控制装置

9、以及被拖动的电力传动系统由电动机，控制装置以及被拖动的生产机械所组成。其主要特点是：生产机械所组成。其主要特点是： 功率范围极大，单个设备的功率可以几毫瓦到几功率范围极大，单个设备的功率可以几毫瓦到几百兆瓦；百兆瓦； 调速范围极宽，转速从每分钟几转到每分钟几十调速范围极宽，转速从每分钟几转到每分钟几十万转；万转； 适用范围极广，可适用于任何工作环境与各种各适用范围极广，可适用于任何工作环境与各种各样的负载。如轧钢机、起重机、泵、风机、精密机样的负载。如轧钢机、起重机、泵、风机、精密机床等床等, ,还有空调、冰箱、洗衣机等。还有空调、冰箱、洗衣机等。16 速度控制系统：速度控制系统：即调速控制系

10、统。例如电动即调速控制系统。例如电动机的转速调节，磁带的速度调节等等。机的转速调节，磁带的速度调节等等。 调速控制系统又可分为调速控制系统又可分为: : 直流调速直流调速 交流调速交流调速 两种，又常称为两种，又常称为直流传动系统直流传动系统和和交流传动系统交流传动系统。 各种控制系统往往都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是最基本的电力拖动控制系统交直流调速系统的分类17 位置控制系统位置控制系统：即即位置随动位置随动( (伺服伺服) )系统系统。例如：液面位。例如：液面位置的控制，雷达方位角的控制，火炮角位置的控制，机械置的控制，雷达方位角的控制，火炮角位置的控制，机械加工小的轨迹控制等

11、等。加工小的轨迹控制等等。 张力控制系统：张力控制系统：例如在加工各种带材和线材的过程中，例如在加工各种带材和线材的过程中，必须保持一定的卷进卷出张力，才能使带材卷得紧而齐，必须保持一定的卷进卷出张力，才能使带材卷得紧而齐，线材拉得粗细均匀而不断线材拉得粗细均匀而不断。一套典型的张力控制系统主要一套典型的张力控制系统主要由张力控制器，驱动器（电机），张力检测器，制动器和由张力控制器，驱动器（电机），张力检测器，制动器和离合器构成。离合器构成。181电机5放卷辊2磁粉离合器6磁粉制动器3收卷辊7霍尔传感器4物料8ZK-2型自动张力控制仪转速传感器检出收卷辊和放卷辊直径的连续变化，将卷料直径变化信

12、号反馈给控制器，使 其输出一个与之相适应的控制电流，自动控制磁粉制动器或磁粉离合器的激磁电流，随之递增或者递减，从而改变卷料筒的制 动力矩，达到卷料恒张力的控制。19 多电机同步控制系统：多电机同步控制系统：即整个系统中有多即整个系统中有多个传动点，每个传动点由一个电动机拖动单元拖个传动点，每个传动点由一个电动机拖动单元拖动，组成了多单元同步控制系统。动，组成了多单元同步控制系统。 系统中各单元应能同时按规定的速度比稳定运行，并有良系统中各单元应能同时按规定的速度比稳定运行，并有良好的一致、单调性。系统对启、制动要求一般不高，启动时，好的一致、单调性。系统对启、制动要求一般不高，启动时，一般缓

13、慢均匀协调升速，制动时要求停车迅速协调。一般缓慢均匀协调升速，制动时要求停车迅速协调。 1.2 运动控制系统历史与发展运动控制系统历史与发展直流调速系统直流调速系统:直流电动机的数据模型简单，转矩易于控制。其换向直流电动机的数据模型简单，转矩易于控制。其换向器与电刷的位置保证了电枢电流与励磁电流的解耦，使转器与电刷的位置保证了电枢电流与励磁电流的解耦，使转矩与电枢电流成正比。矩与电枢电流成正比。直流电动机模型直流电动机模型直流电机的电磁转矩产生产生:电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。大小:aTaemICIapNT2制造好的直流电机其电磁转矩

14、与气隙磁通气隙磁通及电枢电流电枢电流成正比。为电机的转矩常数，有其中apNCT2eTCC55. 9补充知识aI交流调速系统交流调速系统:交流电动机（成尤其是笼型感应电动机）具有结构简交流电动机（成尤其是笼型感应电动机）具有结构简单等诸多优点。但其动态数学模型具有非线性、多变量、单等诸多优点。但其动态数学模型具有非线性、多变量、强耦合的性质，比直流电机复杂得多；强耦合的性质，比直流电机复杂得多；基于稳成模型的交流调速系统基于稳成模型的交流调速系统动态性能无法与直流调无法与直流调速系统相比；速系统相比；基于动态模型的高动态响应交流调速系统：矢量控制基于动态模型的高动态响应交流调速系统：矢量控制系统

15、、直接转矩控制系统。系统、直接转矩控制系统。1.2 运动控制系统历史与发展运动控制系统历史与发展同步电动机交流调速系统同步电动机交流调速系统:同步电动机的转速与电源频率严格保持同步，机械特性硬；同步电动机的转速与电源频率严格保持同步，机械特性硬；电力电子变频技术的发展，可以方便的改变电源的频率。电力电子变频技术的发展，可以方便的改变电源的频率。1.2 运动控制系统历史与发展运动控制系统历史与发展转子转速与定子旋转磁场的转速相同相同的交流电机，同步电动机的转速完全决定于电源频率。频率一定时，电动机的转速也就一定，它不随负载而变。这一特点在某些传动系统，特别是多机同步传动系统和精密调速稳速系统中具

16、有重要意义。同步电动机的运行稳定性也比较高。同步电动机一般是在过励状态下运行，其过载能力比相应的异步电动机大。异步电动机的转矩与电压平方成正比，而同步电动机的转矩决定于电压和电机励磁电流所产生的内电动势的乘积，即仅与电压仅与电压的一次方成比例的一次方成比例。当电网电压突然下降到额定值的80%左右时，异步电动机转矩往往下降为64%左右，并因带不动负载而停止运转；而同步电动机的转矩却下降不多，还可以通过强行励磁来保证电动机的稳定运行。补充知识运动控制系统的基本运动方程运动控制系统的基本运动方程:mmLemKDTTdtdJ忽略忽略阻尼转矩阻尼转矩和和扭转弹性转矩扭转弹性转矩:LemTTdtdJ1.3

17、 运动控制系统转矩控制规律运动控制系统转矩控制规律要控制转速和转角，唯一的途径就是控制电动机的电磁转矩。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。电磁转矩电磁转矩(e)和负载转矩和负载转矩(L)eTJ机械转动惯量机械转动惯量v转矩控制是运动控制的根本问题转矩控制是运动控制的根本问题: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。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。v磁链控制同样重要磁链控制同样重要:为了有效地控制电磁转矩，充分利用电机的铁芯，在一定电流作用下尽可为了有效地控制电磁转矩，充分利用电机的铁芯，在一定电流作用下尽可能产生最大的电磁转矩，必须在控制

18、转矩的同时也控制磁通（或磁链）。能产生最大的电磁转矩，必须在控制转矩的同时也控制磁通（或磁链）。1.3 运动控制系统转矩控制规律运动控制系统转矩控制规律aTemICT1.4 生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性恒转矩负载恒转矩负载:负载转矩的大小恒定。负载转矩的大小恒定。 ( n)mOTL ( n)mOTL位能性恒转矩负载反抗性恒转矩负载恒转矩负载恒转矩负载:负载转矩的大小恒定。负载转矩的大小恒定。恒转矩负载由重力产生，具有固定的大小和方向。反抗性恒转矩负载的大小不变，方向始终与转速反向。恒功率负载恒功率负载:负载转矩与转速成反比，而功率为常数。负载转矩与转速成反比，而功率为常数。mmLLPT常数 ( n)mOTL恒功率负载1.4 生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性恒转矩负载通俗地说就是阻力大小不变的负载，比如摩擦力负载。你在路上拉一辆车，忽略空气阻力的话，拉得快和拉的快慢用的力都一样，这就是恒转矩负载。还有压缩机，指的是活塞式压缩机，不管你转速快还是慢，活塞受到的阻力都是一样的，这也是恒转矩负载。除非压缩机的压力变