电力拖动自动控制系统—运动控制系统第1章 绪论

1、电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 运动控制系统运动控制系统授课教师：授课教师：田田 伟伟Email：cse_Office：1J1203第第1章章 绪绪 论论n运动控制系统及其组成运动控制系统及其组成n运动控制系统的历史与发展运动控制系统的历史与发展n运动控制系统转矩控制规律运动控制系统转矩控制规律n生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性运动控制系统的任务运动控制系统的任务通过通过控制控制电动机电压、电流、频率等电动机电压、电流、频率等输入量输入量，改变改变工作机械的转矩、速度、位移等工作机械的转矩、速度、位移等机械量机械量，使各种工作机械按人们期望的要求运行，使各种工作机械按人们

2、期望的要求运行，以满足生产工艺及其他应用的需要。以满足生产工艺及其他应用的需要。电电 源源控制设备控制设备电动机电动机工作机构工作机构电力拖动系统的构成电力拖动系统的构成现代运动控制技术现代运动控制技术以各类电动机为以各类电动机为控制对象控制对象，以计算机和其他电子装置以计算机和其他电子装置为为控制手段控制手段，以电力电子，以电力电子装置为装置为弱电控制强电的纽弱电控制强电的纽带带，以自动控制理论和信，以自动控制理论和信息处理理论为息处理理论为理论基础理论基础，以计算机数字仿真和计算以计算机数字仿真和计算机辅助设计为机辅助设计为研究和开发研究和开发的工具的工具。图图1-1运动控制及其相关学科运

3、动控制及其相关学科1.1 运动控制系统及其组成运动控制系统及其组成 图图1-2 运动控制系统及其组成运动控制系统及其组成1.1.1运动控制系统的控制对象运动控制系统的控制对象电动机电动机l从类型上分从类型上分直流电动机、交流感应电动机（交流异直流电动机、交流感应电动机（交流异步电动机）和交流同步电动机。步电动机）和交流同步电动机。l从用途上分从用途上分用于调速系统的拖动电动机和用于伺服用于调速系统的拖动电动机和用于伺服系统的伺服电动机。系统的伺服电动机。1.1.2 运动控制系统的功率放大运动控制系统的功率放大 与变换装置与变换装置l电力电子型电力电子型功率放大与变换装置功率放大与变换装置 半控

4、型向全控型发展半控型向全控型发展 低频开关向高频开关发展低频开关向高频开关发展 分立的器件向具有复合功能的功率分立的器件向具有复合功能的功率模块发展模块发展1.1.3运动控制系统的控制器运动控制系统的控制器l模拟控制器模拟控制器（运放及相应电气元件）（运放及相应电气元件）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控制规律体现在硬件电路线路复杂、通用性差线路复杂、通用性差控制效果受到器件性能、温度等因控制效果受到器件性能、温度等因素的影响素的影响运动控制系统的控制器运动控制系统的控制器l以微处理器为核心的以微处理器为核心的数字控制器数字控制器硬件电路标准化

5、程度高硬件电路标准化程度高控制规律体现在软件上，修改灵活控制规律体现在软件上，修改灵活方便方便拥有信息存储、数据通信和故障诊拥有信息存储、数据通信和故障诊断等功能断等功能运动控制系统的控制器运动控制系统的控制器l模拟控制器模拟控制器 并行运行，控制器的滞后时间小。并行运行，控制器的滞后时间小。l微处理器数字控制器微处理器数字控制器 串行运行方式，其滞后时间比模拟串行运行方式，其滞后时间比模拟控制器大得多，在设计系统时应予以控制器大得多，在设计系统时应予以考虑。考虑。1.1.4运动控制系统的信号检测运动控制系统的信号检测 与处理与处理l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

6、速和位置等信号l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l数据处理数据处理 信号滤波信号滤波1.2 运动控制系统的历史与发展运动控制系统的历史与发展l电力电子技术和微电子技术带动了电力电子技术和微电子技术带动了新一代交流调速系统的兴起与发展，新一代交流调速系统的兴起与发展，打破了直流调速系统一统高性能拖打破了直流调速系统一统高性能拖动天下的格局。动天下的格局。l进入进入21世纪后，用交流调速系统取世纪后，用交流调速系统取代直流调速系统已成为不争的事实。代直流调速系统已成为不争的事实。1.2 运动控制系统的历史与发展运动控制系统的历史与发展l直流调速系统直流

7、调速系统直流电动机的数学模型简单，转直流电动机的数学模型简单，转矩易于控制。矩易于控制。换向器与电刷的位置保证了电枢换向器与电刷的位置保证了电枢电流与励磁电流的解耦，使转矩与电流与励磁电流的解耦，使转矩与电枢电流成正比。电枢电流成正比。1.2 运动控制系统的历史与发展运动控制系统的历史与发展l交流调速系统交流调速系统交流电动机（尤其是笼型感应电交流电动机（尤其是笼型感应电动机）结构简单动机）结构简单交流电动机交流电动机动态数学模型动态数学模型具有非具有非线性、多变量、强耦合的性质，比直线性、多变量、强耦合的性质，比直流电动机复杂得多。流电动机复杂得多。交流调速系统交流调速系统l基于基于稳态模型

8、稳态模型的交流调速系统的交流调速系统 转速开环的变压变频调速转速开环的变压变频调速 转速闭环的转差频率控制系统转速闭环的转差频率控制系统l动态性能无法与直流调速系统相比动态性能无法与直流调速系统相比交流调速系统交流调速系统l基于基于动态模型动态模型的交流调速系统的交流调速系统 矢量控制系统矢量控制系统 直接转矩控制系统直接转矩控制系统l动态性能良好，取代直流调速系统动态性能良好，取代直流调速系统1.2 运动控制系统的历史与发展运动控制系统的历史与发展l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同步电动机的转速与电源频率严格保持同步，机械特性硬。格保持同步，机械特性

9、硬。l电力电子变频技术的发展，成功地电力电子变频技术的发展，成功地解决了阻碍同步电动机调速的失步解决了阻碍同步电动机调速的失步和启动两大问题。和启动两大问题。1.3 运动控制系统的转矩控制规律运动控制系统的转矩控制规律 l运动控制系统的基本运动方程式运动控制系统的基本运动方程式mmmmemdtdKDTTdtdJLl忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩，运忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩，运动控制系统的简化运动方程式动控制系统的简化运动方程式mmemdtdLTTdtdJ1.3 运动控制系统的转矩控制规律运动控制系统的转矩控制规律 l若采用工程单位制，则若采用工程单位制，则LeTTdtdnGD-3752l转矩控制

10、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。化率按人们期望的规律变化。1.3 运动控制系统的转矩控制规律运动控制系统的转矩控制规律 l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，充分利为了有效地控制电磁转矩，充分利用电机铁芯，在一定的电流作用下用电机铁芯，在一定的电流作用下尽可能产生最大的电磁转矩，必须尽可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（或在控制转矩的同时也控制磁通（或磁链）。磁链）。1.3 运动控制系统的转

11、矩控制规律运动控制系统的转矩控制规律 基速以下恒磁通（或磁链）控制，基速以上采用弱磁控制。基速以下恒磁通（或磁链）控制，基速以上采用弱磁控制。1.4 生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性l生产机械的负载转矩是一个必然存生产机械的负载转矩是一个必然存在的不可控扰动输入。在的不可控扰动输入。l归纳出几种典型的生产机械负载转归纳出几种典型的生产机械负载转矩特性，实际负载可能是多个典型矩特性，实际负载可能是多个典型负载的组合，应根据实际负载的具负载的组合，应根据实际负载的具体情况加以分析。体情况加以分析。恒转矩负载恒转矩负载 l负载转矩的大小负载转矩的大小恒定，称作恒定，称作恒转恒转矩负载矩负

12、载a）位能性恒转矩负载）位能性恒转矩负载 由重力产生，由重力产生，具有固定的大小和方向具有固定的大小和方向b) 反抗性恒转矩负载反抗性恒转矩负载大小不变，大小不变，方向始终与转速反向方向始终与转速反向图1-3 恒转矩负载LT 常数恒功率负载恒功率负载l负载转矩与转速负载转矩与转速成反比，而功率成反比，而功率为常数，称作为常数，称作恒恒功率负载功率负载图1-4 恒功率转矩负载 mmLLPT常数nnPTLL常数或：260风机、泵类负载风机、泵类负载 l负载转矩与转负载转矩与转速的平方成正速的平方成正比，称作比，称作风机、风机、泵类负载泵类负载图1-5 风机、泵类负载22mnLTn计划学时计划学时:

13、 共共54学时学时,其中其中:实验实验6学时，讲课学时，讲课48学时，学时，n上课时间：上课时间：3-17周（单周周（单周4，双周，双周2）n学习章节：学习章节： 第第1章章 绪论绪论 第第1篇篇 直流调速系统直流调速系统 第第2章章 转速反馈控制的直流调速系统转速反馈控制的直流调速系统 第第3章章 转速、电流反馈控制的直流调速系统转速、电流反馈控制的直流调速系统 第第4章章 可逆控制和弱磁控制的直流调速系统可逆控制和弱磁控制的直流调速系统 第第2篇篇 交流调速系统交流调速系统 第第5章章 基于稳态模型的异步电动机调速系统基于稳态模型的异步电动机调速系统 第第6章章 基于动态模型的异步电动机调

14、速系统基于动态模型的异步电动机调速系统 授课安排授课安排教材与参考书教材与参考书n教材教材：电力拖动控制系统（第电力拖动控制系统（第4版），版），阮毅，阮毅，陈伯时，机械工业出版社。陈伯时，机械工业出版社。n参考书参考书：自动控制原理，胡寿松，科学出版社。自动控制原理，胡寿松，科学出版社。自动控制系统，陈伯时，机械工业出版社自动控制系统，陈伯时，机械工业出版社。电力电子技术，王兆安，机械工业出版社。电力电子技术，王兆安，机械工业出版社。现代控制工程，绪方胜彦（日），科学出版社。现代控制工程，绪方胜彦（日），科学出版社。电力拖动自动控制系统，王离九，华中理工大学出版社电力拖动自动控制系统，王离九，华中理工大学出版社电机控制系统，赖福新，上海交通大学出版社。电机控制系统，赖福新，上海交通大学出版社。电机及拖动基础（上、下册），顾绳谷，机