电机与运动控制系统课件chapter1

1、主讲：朱张青主讲：朱张青E-mail:zzq-电话：电话13814120636南京大学工程管理学院控制与系统工程系南京大学工程管理学院控制与系统工程系第一章第一章 绪论绪论1.1 什么是 “电机与运动控制系统”1.2 运动控制系统应用及其发展1.3 课程的特点、要求及教学安排 1.1 什么是电机与运动控制系统课程体系：课程体系：过去：过去： 本科生：电机与拖动本科生：电机与拖动+电力电子技术电力电子技术 运动控制系统运动控制系统 硕士生：现代交流调速系统硕士生：现代交流调速系统现在：现在： 本科生：本科生： 电机（电力拖动）与运动控制系统电机（电力拖动）与运动控制系

2、统 硕士生：硕士生： 现代运动控制技术现代运动控制技术注意：考虑到课程的体系性，我们在讲解时仍然抓住运动注意：考虑到课程的体系性，我们在讲解时仍然抓住运动控制系统的主线，如在讲解绪论时我们还是以运动控制系控制系统的主线，如在讲解绪论时我们还是以运动控制系统来介绍，而不是详细介绍单一知识，这在每一部分里会统来介绍，而不是详细介绍单一知识，这在每一部分里会有说明有说明自动控制系统 （按应用分）： 运动控制 (Motion control)过程控制 (Process control)例如：例如： 过程控制过程控制: 啤酒发酵过程，化工提炼过程，锅炉控制啤酒发酵过程，化工提炼过程，锅炉控制 运动控制运

3、动控制: 轧钢控制，数控机床控制，高速电钻控制轧钢控制，数控机床控制，高速电钻控制现阶段的主要区别是被控量及控制目标不同，现阶段的主要区别是被控量及控制目标不同，运动控制：解决运动控制：解决“电能电能机械能机械能”中的控制问题中的控制问题 （但是许多应用同时具有这两种控制，相互融合。）（但是许多应用同时具有这两种控制，相互融合。） 1 认识认识 “电机与运动控制系统电机与运动控制系统”（1）电机（电动机与发电机）：）电机（电动机与发电机）： 实现电能传输和机电能量变换的主要装置实现电能传输和机电能量变换的主要装置（2） 认识运动控制系统认识运动控制系统 各种生产线各种生产线: 轧钢：冷轧，热轧

4、，连轧连铸轧钢：冷轧，热轧，连轧连铸 印刷电路板生产线：表面贴焊印刷电路板生产线：表面贴焊,快速打孔快速打孔,放置器件放置器件 自动生产线上的自动生产线上的运动控制运动控制 动画动画 机器人各个关节：高精度的伺服控制机器人各个关节：高精度的伺服控制 2005: 越来越广：越来越广：自自行车自主运行行车自主运行 2004: 舞蹈机器人舞蹈机器人：（：（Sony） ASIMO 2003: 行走速度行走速度3.2km /h, 2004: 走跑步自如走跑步自如 空间机器车：空间机器车：旅居者旅居者（1997） 视频视频 军事装备：雷达跟踪，自动武器，飞行器控制军事装备：雷达跟踪，自动武器，飞行器控制

5、民用民用：冰箱：冰箱,空调空调,洗衣机洗衣机,电脑电脑(光驱光驱), 现代交通：电气牵引（轻轨），现代交通：电气牵引（轻轨），电动汽车电动汽车, 电动自行车，磁电动自行车，磁悬浮悬浮Hybrid RX：最大输出功：最大输出功率接近率接近V6发动机的发动机的1.5倍，倍，与与V8发动机相当，燃耗为发动机相当，燃耗为1415km/LToyota Prius: 燃耗为燃耗为30km/L至至2002,10, 全球销售全球销售100,000辆辆混合动力车：混合动力车：HEV: Engine Battery +Capacitor +InvertorPerformances Motor power：24KW

6、 (60 KW)FCE power： 30KWBattery ： 50AHMax speed： 110 km/hGrade ability ： 20Acceleration： 15.9sRange ： 220 kmEfficient： 0.98 kg/100km2 运动控制系统的定义、知识体系和构成（1）定义）定义 以电机为控制对象，以电机为控制对象， 以控制器为核心，以控制器为核心， 以功率变换装置为执行机构，以功率变换装置为执行机构， 在控制理论指导下组成的自动控制系统在控制理论指导下组成的自动控制系统。（2）知识体系）知识体系 电机与拖动知识，电机与拖动知识， 电力电子技术，电力电子技术

7、， 开关控制：交流接触控制与开关控制：交流接触控制与PLC， 在控制理论指导下组成的自动控制系统在控制理论指导下组成的自动控制系统。（3）构成：三大部分）构成：三大部分电机部分：直流电机，交流电机。电机部分：直流电机，交流电机。 功率变换部分：开关器件、可控整流，直流斩波，功率变换部分：开关器件、可控整流，直流斩波， 逆变等。逆变等。控制器部分：控制器部分：PIDPID控制（单环控制（单环, ,多环）多环）, ,工程设计，自适应控工程设计，自适应控制，模糊控制，智能控制，矢量控制，直接转矩控制等。制，模糊控制，智能控制，矢量控制，直接转矩控制等。 控制器控制器 (硬件硬件:模拟模拟/数字电路数

8、字电路 软件软件:算法算法) 被控对象被控对象 (电机电机 负载负载) 执行器执行器 功率变换部分功率变换部分 (硬件硬件/软件软件) 传感器传感器 基本构成图 3 运动控制系统的分类l按电机分：直流系统，交流系统；按电机分：直流系统，交流系统；l按被控量分：调速系统按被控量分：调速系统,位置随动系统位置随动系统,转矩控制系统；转矩控制系统；l按控制器的类型分：模拟型，数字型；按控制器的类型分：模拟型，数字型；l按控制原理分：按控制原理分：PID控制控制,模糊控制模糊控制,矢量控制等等；矢量控制等等；l按闭环数分：单环，双环，多环系统按闭环数分：单环，双环，多环系统 可交叉：如数字式双闭环直流

9、调速系统可交叉：如数字式双闭环直流调速系统4 运动控制系统的特点（性能） 传动功率范围大：几毫瓦到几百兆瓦； 调速范围宽：1：10000，每小时几转到每分钟几十万 转；过渡过程快，秒级或毫秒级； 具有较高的动、静态性能； 四相限运行，能量回馈，多机协调； 合理地选择系统方案几乎可以适用任何电气传动场合的要求;1.2 运动控制系统应用及其发展1 历史l十九世纪末，交流电机出现，经济实用的鼠笼机，功率因数十九世纪末，交流电机出现，经济实用的鼠笼机，功率因数 高的同步机；高的同步机；l二十世纪中，形成直流调速，交流不调速的格局；二十世纪中，形成直流调速，交流不调速的格局；l二十世纪八十年代以前，只有

10、直流传动；二十世纪八十年代以前，只有直流传动； 直流调速的发展：直流调速的发展： 旋转变流机组旋转变流机组-晶闸管可控调压晶闸管可控调压-PWM斩波控制系统斩波控制系统l二十世纪后期，交流调速兴起，原来格局打破。二十世纪后期，交流调速兴起，原来格局打破。 直流调速直流调速20%, 交流调速交流调速 80%，应用领域空前广泛。，应用领域空前广泛。2 运动控制的主要应用领域l工业工业:机械加工，冶金，造纸，机械手机械加工，冶金，造纸，机械手,机械运输等。机械运输等。l军事装备军事装备:随动系统（兵器，雷达）随动系统（兵器，雷达）l交通工具交通工具:电力机车电力机车,电动汽车电动汽车,舰船的电驱动系

11、统舰船的电驱动系统l民用民用:电梯电梯,医疗设备医疗设备,娱乐娱乐,家电家电l机器人机器人3 构成系统的器件和理论的发展 微处理器微处理器, SOC (System on Chip) 的发展：的发展： Z80, 8051, 8098, 80196, TMS320 电力电子器件的发展：电力电子器件的发展： 可控硅可控硅(Thyristor), GTR, MOSFET, IGBT, IPM 控制理论的发展：控制理论的发展： 经典控制方法：反馈控制，经典控制方法：反馈控制，PID 现代控制理论：多变量，状态观测现代控制理论：多变量，状态观测 自身的理论（矢量控制等）自身的理论（矢量控制等） 控制器

12、(硬件/软件) 被控对象 (电机) 功率变换部分 (硬件/软件) 传感器 4 相关产业、相关公司、学会和杂志 相关产业： 制造业，军事装备，交通工具的电驱动系统，民用，娱乐，机器人 产值：上千亿。以制造业的低压变频器为例:In China:2003: 3.2 Billion CNY2005: 5.0 Billion CNY 相关国外学会及杂志相关国外学会及杂志： USA： IEEE-IAS, IEEE-IE, IEEE-PE, IEEE-CS EU： IEE, EPE 相关国内学会及杂志相关国内学会及杂志： 中国电机工程学会，中国电工技术学会，自动化学会，中国电机工程学会，中国电工技术学会，自

13、动化学会， 中国电源技术学会，电力电子学会中国电源技术学会，电力电子学会 相关公司相关公司（以低压变频器为例）（以低压变频器为例） 国际国际: 美国美国:GE, Rockwell, Emerson, Ansolder, 欧洲欧洲:Siemens, ABB, CT (Emerson), 日本日本: Toshiba, Mitsubishi, Hitachi, Fuji, 国内国内: 安圣，安圣，ABB中国，西门子中国，西门子, 金自天正，小企业，金自天正，小企业，5 运动控制系统的发展趋势l驱动的交流化和超高速、超大型化驱动的交流化和超高速、超大型化 l系统实现的集成化系统实现的集成化 l控制的数

14、字化、智能化和网络化控制的数字化、智能化和网络化 （1 1）驱动的交流化和超高速、超大型化 以节能环保为目的：交流不调速交流调速 以减少维护为目的：直流调速交流调速 以提高系统性能为目的: 变频空调 直流调速达不到的领域：大功率、高压、高速场合应 用交流调速系统 直流机直流机 交流机交流机 电机容量：电机容量： 十几十几MW （双电枢）（双电枢） 数倍数倍 电枢电压：电枢电压： 1 KV 610KV 转速：转速： 1000多多RPM 几万几万RPM 功率密度比功率密度比 ：小：小 大大 维护量：维护量： 大大 小小 (3) 控制的数字化、智能化和网络化 数字化数字化: : 新型控制理论和智能控

15、制方法的应用新型控制理论和智能控制方法的应用: 鲁棒控制鲁棒控制, ,非线性控制理论非线性控制理论 混合控制应用于各种拖动系统混合控制应用于各种拖动系统 模糊控制方法模糊控制方法,自学习自学习. 网络化网络化: :适应自动化系统发展的需要：大型化适应自动化系统发展的需要：大型化, ,复杂化复杂化, ,全集成全集成 Rockwell实验室网络结构实验室网络结构1.3 课程的特点、要求及教学计划课程的特点、要求及教学计划1 课程的特点和要求(1) 性质性质:核心专业课；核心专业课； 以解决工程实际问题为目的：以解决工程实际问题为目的： 机电能量的变换及相关物理量的控制（速度、位置、电压机电能量的变

16、换及相关物理量的控制（速度、位置、电压） 设计系统时的共性问题：建模、分析、与实现相关的技术设计系统时的共性问题：建模、分析、与实现相关的技术以前是一门课程：以前是一门课程：电机与运动控制基础电机与运动控制基础-很不够很不够从今年开始改为两门课程：从今年开始改为两门课程：电机与运动控制（基础篇）电机与运动控制（基础篇）-电机与电力拖动：主要包含电机与电力拖动：主要包含 “电机理论、拖动系统、电力电子，交流接触控制电机理论、拖动系统、电力电子，交流接触控制”电机与运动控制（应用篇）：主要包含电机与运动控制（应用篇）：主要包含“PLC控制、普通电控制、普通电机机 的控制、控制电机的控制的控制、控制

17、电机的控制”涉及到的知识: - + 控制器 信号处理 功率执行装置 传感器 电机及拖动对象 知识领域： 执行与驱动执行与驱动 知识单元： 光机电一体化 电力电子技术 效率、损耗 数字控制技术等 知识领域： 电机原理与电机原理与模型模型 知识单元： 机电能量变换原理 电机原理与传动 仿真技术 效率、损耗等 知识领域： 计算与处理 知识单元： 控制、信号处理 软件工程、数字控制技术等 知识领域： 传感与检测 知识单元： 传感器 检测与诊断 抗干扰技术 测量信号处理等 有关系统的知识领域： 控制与智能控制与智能 知识单元： 控制控制、稳定性稳定性与鲁棒性 可靠性与容错 系统建模技术系统建模技术 自身

18、的控制理论自身的控制理论 系统辨识、参数估计、自学习、最优 （1）从控制系统的角度：运动控制系统具有系统的典型性和应）从控制系统的角度：运动控制系统具有系统的典型性和应用的广泛性用的广泛性 由上一节对运动控制系统的介绍可知该系统在国民经济中应用由上一节对运动控制系统的介绍可知该系统在国民经济中应用广泛、作用重大。而大部分的控制系统都具有与图广泛、作用重大。而大部分的控制系统都具有与图1.1实线部分实线部分所示系统相似的结构，只是控制目标、执行机构和被控对象因系所示系统相似的结构，只是控制目标、执行机构和被控对象因系统不同而不同。统不同而不同。（2）从知识体系的角度：该知识体系和内容具有较好的代

19、表性）从知识体系的角度：该知识体系和内容具有较好的代表性和综合性和综合性 对于自动化专业的同学而言，具有系统控制及工程方面的知识对于自动化专业的同学而言，具有系统控制及工程方面的知识和能力十分重要。图和能力十分重要。图1.1中的点划线虚框说明了设计和构成一个运中的点划线虚框说明了设计和构成一个运动控制系统时、所涉及的知识领域以及所需要的知识单元，每个动控制系统时、所涉及的知识领域以及所需要的知识单元，每个单元都有相关课程。经过本课程把以前所学的知识综合起来，实单元都有相关课程。经过本课程把以前所学的知识综合起来，实用起来，才能明白所学过的知识到底有什么用处、是怎样应用的。用起来，才能明白所学过

20、的知识到底有什么用处、是怎样应用的。经过这样综合和应用，所学的知识才是完整的；经过这样综合和应用，所学的知识才是完整的；（2)2)课程的核心内容：课程的核心内容： 一个主题：运动控制系统；一个主题：运动控制系统； 两条主线：能量变换机器和运动控制系统。两条主线：能量变换机器和运动控制系统。从从能量变换能量变换的角度主要关注：的角度主要关注：l直流、交流电机原理；直流、交流电机原理；l从使用角度考察的电机的变换效率、外特性；从使用角度考察的电机的变换效率、外特性；l作为某一控制系统的被控对象时，电机的作为某一控制系统的被控对象时，电机的数学模型的建立数学模型的建立。研究研究控制系统控制系统时要关注：时要关注：l稳定性，动静态特性；稳定性，动静态特性；l系统的分析方法、控制方法和设计方法；系统的分析方法、控制方法和设计方法；l与系统的实现相关的电力电子技术、控制理论、计算机技术、与系统的实现相关的电力电子技术、控制理论、计算机技术、信号处理等相关理论与技术。信号处理等相关理论与技术。 特点: 综合性综合性, ,工程性工程性, ,理论与实践相结合理论与实践相结合. . 所以