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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第第1章章绪绪论论内内 容容 提提 要要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现代运动控制技术现代运动控制技术电机学、电力电子电机学、电力电子技术、微电子技技术、微电子技术、计算机控制术、计算机控制技术、控制理论、技术、控制理论、信号检测与处理信号检测与处理技术等多门学科技术等多门学科相互交叉的综合相互交叉的综合性学科性学科 。图图1-1运动控制及其相关学科运动控制及其相关学科1.
2、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。运动控制系统的功率放大与变运动控制系统的功率放大与变换装置换装置l电力电子型功率放大与变换装置电力电子型功率放大与变换装置 半控型向全控型发展半控型向全控型发展 低频开关向高
3、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
4、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。运动控制系统的信号检测与处理运动控制系统的信号检测与处理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
5、 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新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，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
6、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动态数学模型具有非交流电动机动态数学模型具有非线性多变量强耦合的性质，比直流电线性多变量强耦合的性质，比直流电动机复杂得多。动机复杂得多。交流调速系统交流调速系统l基于稳态模型的交流调速系统基于稳态模型的交流调速系统 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
7、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基于动态模型的交流调速系统基于动态模型的交流调速系统 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同步步电电动动机机的的转转速速与与电电源源频频率率严严格保持同步，机械特性硬。格保持同步，机械特性硬。l电电力力电电子子变变频频技技术术的的发发展展，成成功功地地解解决决了了阻阻碍碍同同步步电电动动机机调调速速的的失失
8、步步和启动两大问题。和启动两大问题。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 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 l当当J J为常数时，运动控制系统的基本为常数时，运动控制系统的基本运动方程式运动方程式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 l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 l转矩控制是运动控制的根本问转矩控制是运动控制的根本问题题要控制转速和转
9、角，唯一的途径就要控制转速和转角，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。变化率按人们期望的规律变化。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 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）。1.4 生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性l生生产产机机械械的的负负载载转转矩矩
10、是是一一个个必必然然存存在的不可控扰动输入。在的不可控扰动输入。l归归纳纳出出几几种种典典型型的的生生产产机机械械负负载载转转矩矩特特性性，实实际际负负载载可可能能是是多多个个典典型型负负载载的的组组合合，应应根根据据实实际际负负载载的的具具体情况加以分析。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，称作恒转恒定，称作恒转矩负载矩负载a）位能性恒转）位能性恒转矩负载矩负载 b) 反抗性恒转反抗性恒转矩负载矩负载图1-3 恒转矩负载恒功率负载恒功率负载l负载转矩与转负载转矩与转速成反比，而速成反比，而功率为常数，功率为常数，称作恒功率负称作恒功率负载载图1-4 恒功率转矩负载 风机、泵类负载风机、泵类负载 l负载转矩与转速负载转矩与转速的平方成正比，的平方成正比，称作风机、泵类称作风机、泵类负载负载图1-5 风机、泵类负载
