运动控制系统 绪论综述

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1、下一页总目录 章目录返回上一页 运动控制系统运动控制系统 电话：电话： QQQQ: : 下一页总目录 章目录返回上一页 课程的性质课程的性质 uu本课程属于专业必修课；本课程属于专业必修课； uu主要以系统设计为主；主要以系统设计为主； uu本课程主要涉及到自动控制理论、电力电子技本课程主要涉及到自动控制理论、电力电子技 术和电机与拖动基础三门专业课。术和电机与拖动基础三门专业课。 下一页总目录 章目录返回上一页 课程的概述课程的概述 运动控制系统是以运动控制系统是以电动机电动机为对象，以为对象，以电力电子技电力电子技 术术功率变换器为弱电控制强电的媒质，以功率变换器为弱电控制强电的媒质，以自

2、动控自动控 制理论制理论为分析和设计基础，以为分析和设计基础，以电子线路电子线路或或计算机计算机 为控制手段，掌握运动控制系统的控制规律及设为控制手段，掌握运动控制系统的控制规律及设 计方法。计方法。 电能机械能 下一页总目录 章目录返回上一页 课程在本专业培养中的地位与作用课程在本专业培养中的地位与作用 本课程是自动化专业的核心课程；本课程是自动化专业的核心课程； 既有完整的理论体系，又有很强的实践性，是一既有完整的理论体系，又有很强的实践性，是一 门把理论基础和工具应用到工程实践中去的典范门把理论基础和工具应用到工程实践中去的典范 课程；课程； 本课程不但能培养系统的概念，还能培养应用基本

3、课程不但能培养系统的概念，还能培养应用基 本理论与方法进行工程设计的能力。本理论与方法进行工程设计的能力。 下一页总目录 章目录返回上一页 课程在本专业培养中的地位与作用课程在本专业培养中的地位与作用 学习本课程有利于建立以下几个观点，形成正确学习本课程有利于建立以下几个观点，形成正确 的认识：的认识： 系统的观念系统的观念 工程的观念工程的观念 科技进步的观念科技进步的观念 创新的观念创新的观念 下一页总目录 章目录返回上一页 课程在本专业培养中的地位与作用课程在本专业培养中的地位与作用 系统的观念：一个电路从信号输入、中间的处理系统的观念：一个电路从信号输入、中间的处理 到最后的输出，各级

4、之间的增益分配、参数设置到最后的输出，各级之间的增益分配、参数设置 、逻辑关系都是相互协调、相互制约的，只有通、逻辑关系都是相互协调、相互制约的，只有通 盘考虑、全面调试才能获得理想效果。盘考虑、全面调试才能获得理想效果。运动控运动控 制系统制系统课程特别有利于学生系统集成课程特别有利于学生系统集成 的能力、的能力、 综合应用能力、仿真能力的培养综合应用能力、仿真能力的培养 下一页总目录 章目录返回上一页 课程在本专业培养中的地位与作用课程在本专业培养中的地位与作用 工程的观念：数学、物理的严格论证及精确计算工程的观念：数学、物理的严格论证及精确计算 到工程实际之间往往有很大差距，到工程实际之

5、间往往有很大差距，运动控制系运动控制系 统统中的中的“ “工程设计工程设计” ”方法能引导学生的思维更切方法能引导学生的思维更切 合工程实际。因而特别有利于学生工程观念的培合工程实际。因而特别有利于学生工程观念的培 养。养。 下一页总目录 章目录返回上一页 课程在本专业培养中的地位与作用课程在本专业培养中的地位与作用 科技进步的观念：科技进步的观念：运动控制系统运动控制系统的发展，电的发展，电 子器件的换代，比其它任何技术都快，学习子器件的换代，比其它任何技术都快，学习运运 动控制系统动控制系统可以让人深刻地体会到，在科学技可以让人深刻地体会到，在科学技 术飞速发展的时代，只有不断更新知识，才

6、能不术飞速发展的时代，只有不断更新知识，才能不 断进步。断进步。 下一页总目录 章目录返回上一页 课程在本专业培养中的地位与作用课程在本专业培养中的地位与作用 创新的观念：在阐述电子器件的产生背景、电路创新的观念：在阐述电子器件的产生背景、电路 构思、应用场合等问题时特别具有启发性，课程构思、应用场合等问题时特别具有启发性，课程 将控制理论与实际工程系统的分析、设计紧密结将控制理论与实际工程系统的分析、设计紧密结 合、相互促进，能够充分发挥学生的想象力和创合、相互促进，能够充分发挥学生的想象力和创 造力，因而特别有利于创新意识和创新能力的培造力，因而特别有利于创新意识和创新能力的培 养。养。

7、下一页总目录 章目录返回上一页 考试方法考试方法 平时成绩平时成绩20%20%（包括出勤、作业）；（包括出勤、作业）； 实验实验20% 20% （包括实验操作、实验报告）；（包括实验操作、实验报告）； 期末笔试开卷期末笔试开卷60%60%。 下一页总目录 章目录返回上一页 电力拖动自动控制系统 运动控制系统 第1章 绪论 下一页总目录 章目录返回上一页 内内 容容 提提 要要 运动控制系统及其组成 运动控制系统的历史与发展 运动控制系统转矩控制规律 生产机械的负载转矩特性 下一页总目录 章目录返回上一页 0-1 运动控制及其相关学科 电机学、 电力电子技术、 微电子技术、 计算机控制技术、 控

8、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 。 图0-1运动控制及其相关学科 下一页总目录 章目录返回上一页 1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。 下一页总目录 章目录返回上一页 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

9、系统运行性能，起到积极的推进作用。 下一页总目录 章目录返回上一页 3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 下一页总目录 章目录返回上一页 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

10、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。 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。 下一页总目录 章目录返回上

11、一页 5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。 下一页总目录 章目录

12、返回上一页 6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。 下一页总目录 章目录返回上一页 0-2运动控制系统及其组成 图0-2 运动控制系统及其组成 下一页总目录 章目录返回上一页 运动控制系统的控制对象 电动机 l 从类型上分 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。 l 从用途上分 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。 下一页总目录 章

13、目录返回上一页 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 下一页总目录 章目录返回上一页 运动控制系统的功率放大与变换装置 l 电力电子型功率放大与变换装置 半控型向全控型发展 低频开关向高频开关发展 分立的器件向

14、具有复合功能的功率模块发展 下一页总目录 章目录返回上一页 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。 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(ACDC)和有源逆变器(DCAC) ，但用于无 源逆变(DCAC)或直流PWM方式调压（DCDC） 时，必须增加强迫换流回路，使电路结构复杂。 下一页总目录 章目录返回上一页 第二代：全控型器件，如GTO、BJT、IGBT等 。 此类器件用于无源逆变(DCAC) 和直流调压 （DCDC）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

15、与关断，可大大提高可控电源的质量。 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。 下一页总目录 章目录返回上一页 运动控制系统的控制器 l 模拟控制器 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 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 下一页总目录 章目录返回上一页 运动控制系统的控制器 l 以微处理器为核心的数字控制器 硬件电路标准化程度高 控制规律体现在软件上，修改灵活方便 拥有信息存储、数据通信和故障诊断等功能 下一页总目录 章目录返回上一页 运动控制系统的控制器 l 模拟控制器 并行运行，控制器的滞后时间小。 l 微处理器数字控制器 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考虑。 下一页总目录 章目录返回上一页 运动控制系统的信号检测与处理 l 信号检测 电压、电流、转速和位置等信号 l 信号转换 电压匹配、极性转换、脉冲整形等 l 数据处理 信号滤波 下一页总目录 章目录返回上一页 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。 下一页总目录 章目录返回上一页 信号检测与处理传感器 精度信号传感器