电力拖动与运动控制系统：第0章 绪论

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1、Spring 2015Motion Control Systems电力拖动与运动控制系统电力拖动与运动控制系统 (Electrical Machinery and Motion Control Systems) Spring 2015Motion Control Systemsu 综合性强，多个学科交叉综合性强，多个学科交叉（电机与拖动、电力电子技术、自动控制、电路、微机技术等）（电机与拖动、电力电子技术、自动控制、电路、微机技术等）u 本课程强调本课程强调-控制系统的组成、工作原理、机械性能、稳态性控制系统的组成、工作原理、机械性能、稳态性 能、动态分析与设计能、动态分析与设计u 工程化理论

2、与实践相结合。工程化理论与实践相结合。u 涉及的知识：涉及的知识：电机学电机学、电力电子技术、自动控制理论、电力电子技术、自动控制理论、 模拟与数字电路原理、微机原理模拟与数字电路原理、微机原理u 重视能力培养，学会如何将学到的知识具体应用到实际的工程重视能力培养，学会如何将学到的知识具体应用到实际的工程 设计中。设计中。本课程概述及特点本课程概述及特点Spring 2015Motion Control Systems参考书目参考书目参考书目参考书目1 1罗飞，稀晓田，文小玲，许玉格罗飞，稀晓田，文小玲，许玉格. . 电力拖动与运动控制系统电力拖动与运动控制系统 （第（第2 2版），化学工业出

3、版社版），化学工业出版社. .2 2陈伯时陈伯时. . 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3 3版），版）， 机械工业出版社，机械工业出版社，20032003 考核方式考核方式考核方式考核方式平时成绩平时成绩平时成绩平时成绩 20% 20% 20% 20%30%30%30%30%（作业、出勤）（作业、出勤）（作业、出勤）（作业、出勤）期末考试期末考试期末考试期末考试 70% 70% 70% 70%80%80%80%80%（闭卷）（闭卷）（闭卷）（闭卷）Spring 2015Motion Control SystemsSpring 2015Motion C

4、ontrol Systems其他参考书其他参考书Spring 2015Motion Control Systems1.单项选择题单项选择题（约（约15%，1015小题）小题）范围广，注意细节区分范围广，注意细节区分2.多项选择题多项选择题（约（约20%，510小题，少选扣分，错选小题，少选扣分，错选0分）分）范范 围广，内容深，注意细节区分围广，内容深，注意细节区分3.填空题填空题（约（约15%，510小题）小题）范围广，基本概念范围广，基本概念4.作图与简述题作图与简述题（约（约40%，46小题），小题），课程重点内容课程重点内容5.分析计算题分析计算题（10%，12题），题），课程重点内容

5、课程重点内容6.判断题（判断题（与单选题二选一，约与单选题二选一，约15%）范围广，注意细节区分）范围广，注意细节区分考试题型及分数分配考试题型及分数分配考试题型及分数分配考试题型及分数分配Spring 2015Motion Control Systems第一部分第一部分 直流调速系统直流调速系统 （约（约2828学时）学时）1.1.第一章（转速负反馈）单闭环直流调速系统第一章（转速负反馈）单闭环直流调速系统2.2.第二章第二章 双闭环（速度环双闭环（速度环+ +电流环）直流调速系统电流环）直流调速系统 3.3.第三章第三章 直流可逆（晶闸管反并联）调速系统直流可逆（晶闸管反并联）调速系统4.

6、4.第四章第四章 直流脉宽调速系统（直流脉宽调速系统（PWMPWM）5.5.第五章第五章 数字控制的直流调速系统与数字控制的直流调速系统与MATLABMATLAB仿真（自学）仿真（自学）第二部分第二部分 交流调速系统交流调速系统 （约（约2020学时）学时）1.1.第六章第六章 交流调速系统（调压调速、串级调速）交流调速系统（调压调速、串级调速） 2.2.第七章第七章 交流异步电动机变频调速系统；交流异步电动机变频调速系统；本课程目录及时间安排本课程目录及时间安排本课程目录及时间安排本课程目录及时间安排-重点内容重点内容重点内容重点内容共共共共4848学时学时学时学时8Spring 2015M

7、otion Control Systems绪绪 论论绪论内容提要绪论内容提要先谈谈运动控制在机器人领域应用例子先谈谈运动控制在机器人领域应用例子什么是运动控制系统什么是运动控制系统 ？为什么要学习运动控制系统为什么要学习运动控制系统 ？运动控制系统的发展过程与趋势运动控制系统的发展过程与趋势 9Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论致谢致谢运动控制在机器人领域应用例子运动控制在机器人领域应用例子 该例子是来源于该例子是来源于RoboCupJunior RoboCupJunior 中国委员会李实博士的中国委员会李实博士的“电电机与运动控制专题讲座机与运动控制

8、专题讲座（一）（一）” 详见网址：详见网址：http:/ 2015Motion Control Systems绪绪 论论1.1 先说说：运动先说说：运动v地面常见的运动形式地面常见的运动形式 轮式，履带式，腿式轮式，履带式，腿式运动：双足行走，多足运动：双足行走，多足行走行走v一些常见的特殊运动一些常见的特殊运动方式：自平衡车，蛇形方式：自平衡车，蛇形机器人，滑冰，飞行，机器人，滑冰，飞行，水里游动水里游动11Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论1.2 几种地面运动形式的比较几种地面运动形式的比较主要从路面适应性，结构复杂性，以及控制要求角度来比较：主要

9、从路面适应性，结构复杂性，以及控制要求角度来比较：路面适应性：路面适应性：多足运动多足运动 双足运动双足运动 履带运动履带运动 轮式运动轮式运动结构复杂性：结构复杂性：多足运动多足运动 双足运动双足运动 履带运动履带运动 轮式运动轮式运动控制难度：控制难度：双足运动双足运动 多足运动多足运动 履带运动履带运动 轮式运动轮式运动问题：为什么自然界的生物，不能进化出轮子？都是腿式运动？问题：为什么自然界的生物，不能进化出轮子？都是腿式运动？几点结论：几点结论：v人类双足行走，是目前已知能量消耗最小的双足运行方式人类双足行走，是目前已知能量消耗最小的双足运行方式v自然界的进化，就是能量最优的进化自然

10、界的进化，就是能量最优的进化v轮式运动，结构简单，控制容易，虽然对路面要求高，不过还是我们制作初级机器人的最好选轮式运动，结构简单，控制容易，虽然对路面要求高，不过还是我们制作初级机器人的最好选择择12Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论1.3 轮式运动分析轮式运动分析v双轮差速控制方式双轮差速控制方式v速度方向独立控制方式速度方向独立控制方式v万向运动方式万向运动方式13Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论1.4 双轮差速双轮差速v双轮差速：双轮差速： 特点：两个电机分别控制两个不同的轮子，通过控制轮子转速的差别

11、，来实现特点：两个电机分别控制两个不同的轮子，通过控制轮子转速的差别，来实现机器人的速度与方向控制。两个轮子布置在机器人轴线上，穿过机器人相应方向的机器人的速度与方向控制。两个轮子布置在机器人轴线上，穿过机器人相应方向的几何中心。要求机器人的重心必须与机器人的几何中心在水平面投影重合。几何中心。要求机器人的重心必须与机器人的几何中心在水平面投影重合。v运动特点：可以实现回转半径为零运动特点：可以实现回转半径为零14Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论1.5 速度方向独立控制速度方向独立控制v轮子，与方向，分别控轮子，与方向，分别控制，常见的例子包括：汽制

12、，常见的例子包括：汽车，三轮车车，三轮车v结构稳定，驱动力大。结构稳定，驱动力大。v缺点：回转半径缺点：回转半径 零零15Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论1.6 万向运动万向运动v运动控制复杂；运动控制复杂；v可以在水平移动的同时，进行旋转；可以在水平移动的同时，进行旋转；v任何方向的移动与转动，都需要合成任何方向的移动与转动，都需要合成三个轮子的运动来实现；三个轮子的运动来实现；v有三轮方式，以及四轮方式。不过最有三轮方式，以及四轮方式。不过最少也需要三轮，四轮方式是冗余配置；少也需要三轮，四轮方式是冗余配置；16Spring 2015Motion

13、 Control Systems绪绪 论论1.7 万向特色万向特色v由于旋由于旋转与平移的独立控制，可以与平移的独立控制，可以实现机器人一机器人一边运运动一一边旋旋转。机器人到任意两点。机器人到任意两点间的运的运动，都是直，都是直线；v机器人可以在曲机器人可以在曲线运运动中，正方向始中，正方向始终面向一个方面向一个方向。向。应用：机器人守用：机器人守门员，无，无论如何移如何移动，可以永，可以永远盯着球的方向；着球的方向；17Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论1.8 电机与运动电机与运动v机器人的运机器人的运动，就是通，就是通过控制控制电机的机的转速与速

14、与转向来向来实现；v机器人运机器人运动问题，本，本质上就是上就是电机控制机控制问题；电机控制的三个机控制的三个层面：面：v速度控制：通速度控制：通过控制速度，使机器人的运控制速度，使机器人的运动速度恒定；速度恒定；v位移控制：通位移控制：通过控制控制电机速度与机速度与转过的角度，来的角度，来实现机器人机器人位移（位移（应用于万向运用于万向运动）；）；v电流控制：通流控制：通过控制控制电机的机的电流，来流，来实现电机机输出恒定扭矩；出恒定扭矩；（应用于精密加工用于精密加工领域）域）18Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论1.9 机器人常用的直流电机机器人常

15、用的直流电机v直流减速电机；直流减速电机；v步进电机；步进电机；v无刷电机；无刷电机；19Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论1.10 直流减速电机直流减速电机两个重要两个重要结论：v电机机转速，与施加速，与施加给电机的机的电压，成正比；，成正比；v电机的机的输出扭矩，与通出扭矩，与通过电机机转子子线圈的圈的电流，成正比；流，成正比；减速箱的作用：减速箱的作用：v电机的机的转速，通速，通过减速箱，除以减速比，降低减速箱，除以减速比，降低转速；速；v电机的机的输出扭矩，通出扭矩，通过减速箱，乘以减速比，提高减速箱，乘以减速比，提高输出扭矩；出扭矩；电机控制

16、方法：机控制方法：v通通过控制施加控制施加给电机的机的电压，以及正，以及正负极性的改极性的改变，来控制，来控制电机的机的转速速与与转向；向；v控制器，与控制器，与驱动器的概念。控制方式：器的概念。控制方式：PWM，驱动方式：方式：H桥v开开环控制，与控制，与闭环控制；通控制；通过检测电机的当前运机的当前运转情况，反情况，反馈给控制器，控制器，然后来然后来调节控制信号，就是控制信号，就是闭环控制；控制；20Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论1.11 直流减速电机的控制器直流减速电机的控制器v控制方式：脉宽调制信号控制方式：脉宽调制信号(Pulse Wid

17、th Moderm, PWM)；控制器：；控制器：只要是可以输出只要是可以输出PWM信号的设备，信号的设备，可以包括：单片机，可以包括：单片机，DSP，FPGA，PLC，等等，等等电机电机PWM控制：控制：v电机控制的难题：电机的转速与转电机控制的难题：电机的转速与转向，与电压大小与极性有关。所向，与电压大小与极性有关。所以要控制电机转速与转向，就必以要控制电机转速与转向，就必须控制电机两端的电压大小与方须控制电机两端的电压大小与方向。而电压是模拟信号，而所有向。而电压是模拟信号，而所有的控制器，都是数字式的，也就的控制器，都是数字式的，也就是只能输出脉冲。是只能输出脉冲。v解决办法：通过调节

18、脉冲的占空比，解决办法：通过调节脉冲的占空比，也就是脉冲宽度，来调节施加给也就是脉冲宽度，来调节施加给电机的等效电压。电机的等效电压。v前提：电机是时滞器件，而且是大前提：电机是时滞器件，而且是大延时响应延时响应v详细原理，如下图所示；详细原理，如下图所示；21Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论1.12 电机驱动器电机驱动器v驱动方式：驱动方式：H桥桥v驱动器：各种驱动器：各种H桥电路，根据桥电路，根据PWM信信号，来实现电机电压大小与方向的变号，来实现电机电压大小与方向的变化；化；v原理如下。参考：原理如下。参考：http:/ 2015Motion

19、Control Systems绪绪 论论1.13 直流减速电机的闭环控制直流减速电机的闭环控制闭环控制可以达到的三个层面：闭环控制可以达到的三个层面：v速度闭环：电机可以在任何外界环境速度闭环：电机可以在任何外界环境下，保持恒定的转速；下，保持恒定的转速；v位移闭环：电机可以在允许的最大速位移闭环：电机可以在允许的最大速度情况下，转过恒定的角度，然后停度情况下，转过恒定的角度，然后停止；止；v电流闭环：电机可以在不同负载情况电流闭环：电机可以在不同负载情况下，保持恒定的扭矩输出；下，保持恒定的扭矩输出；电机反馈信号检测用传感器：电机反馈信号检测用传感器：编码器：检测电机轴转动的角速度，编码器：

20、检测电机轴转动的角速度，以及转过的角度以及转过的角度 说明：编码器应该与电机同轴，并说明：编码器应该与电机同轴，并且安装在减速前端，而不是在减速后，且安装在减速前端，而不是在减速后，否则精度否则精度 大大降低；大大降低； 编码器有光电式，或者霍尔式，不编码器有光电式，或者霍尔式，不同原理。单位：线同原理。单位：线/分钟分钟(PPM)23Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论1.14 闭环控制原理闭环控制原理 v控制器通过编码器，实时检测当前电机运动信息，如果电机运动状态，控制器通过编码器，实时检测当前电机运动信息，如果电机运动状态，和期望值不一致，那么就调

21、整和期望值不一致，那么就调整PWM输出，直到电机运动与期望值一致输出，直到电机运动与期望值一致为止。为止。v经典控制方法：比例微分积分控制（经典控制方法：比例微分积分控制（PID）v先进控制方法：模糊控制，神经元网络控制，模糊神经元控制，等等。先进控制方法：模糊控制，神经元网络控制，模糊神经元控制，等等。24Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论1.15 PID控制控制25Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论绪论内容提要绪论内容提要先谈谈运动控制在机器人领域应用例子先谈谈运动控制在机器人领域应用例子什么是运动控制系统

22、什么是运动控制系统 ？为什么要学习运动控制系统为什么要学习运动控制系统 ？运动控制系统的发展过程与趋势运动控制系统的发展过程与趋势 26Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论2、什么、什么是运动控制系统？是运动控制系统？控制系统控制系统自动控制系统自动控制系统运动控制系统运动控制系统27Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论2.1 2.1 控制系统控制系统人工控制人工控制28Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论29Spring 2015Motion Control Systems

23、绪绪 论论自动控制系统自动控制系统自动控制定义自动控制定义 所谓自动控制，是指在所谓自动控制，是指在没有人直接参与没有人直接参与的情况下，利用的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或外加的设备或装置（称控制装置或控制器控制器），使机器、设备），使机器、设备或生产过程（统称或生产过程（统称被控对象被控对象）的某个工作状态或参数（即被）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。控量）自动地按照预定的规律运行。 例如：数控车床按照预定程序自动地切削工件；化学反例如：数控车床按照预定程序自动地切削工件；化学反应炉的温度或压力自动地维持恒定；无人飞机按照预定航迹应炉的温度或压力自动地

24、维持恒定；无人飞机按照预定航迹自动升降和飞行等等自动升降和飞行等等. .30Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论工业自动化工业自动化过程控制：针对六大参数控制，时间常数较大过程控制：针对六大参数控制，时间常数较大运动控制：针对机械运动过程，时间常数小运动控制：针对机械运动过程，时间常数小运动控制的研究内容：运动控制的研究内容：处理机械系统中一个或多个坐标上的运动以及这些处理机械系统中一个或多个坐标上的运动以及这些运动之间的协调，涉及各轴上运动速度的调节以及形成运动之间的协调，涉及各轴上运动速度的调节以及形成准确的定位或遵循特定的轨迹等诸如此类的问题准确的

25、定位或遵循特定的轨迹等诸如此类的问题在复杂条件下，将预定的控在复杂条件下，将预定的控制方案、规划指令转变成期制方案、规划指令转变成期望的机械运动望的机械运动运动控制系统按照被控物理量可划分为：运动控制系统按照被控物理量可划分为：运动控制系统按照被控物理量可划分为：运动控制系统按照被控物理量可划分为：调速系统调速系统调速系统调速系统( (以转速为被控量以转速为被控量以转速为被控量以转速为被控量) )；伺服系统；伺服系统；伺服系统；伺服系统( (以位移为被控量以位移为被控量以位移为被控量以位移为被控量) )31Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论2.2 运动

26、控制系统定义运动控制系统定义 以以电动机及其拖机及其拖动的机械的机械设备为控制控制对象象，以，以控制器控制器为核心核心，以，以电力力电子功率子功率转换装置装置为执行机构行机构，在控制理在控制理论等指等指导下可下可实现电气气传动功能功能的的自自动控制系控制系统, 称称为运运动控制系控制系统(Motion Control Systems), 也也为称称电力拖力拖动控制系控制系统（Control Systems of Electric Drive）; 电机机控制系控制系统（Motor Control Systems）32Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论典型

27、运动控制系统结构典型运动控制系统结构典型运动控制系统结构典型运动控制系统结构(交流交流)电源电源控制器控制器电力电子变化器电力电子变化器电动机电动机机械系统机械系统反馈装置反馈装置PID调节器调节器数字控制器（数字控制器（PC、PLC、DSP）晶闸管晶闸管PWM控制电路控制电路（弱电）（弱电）(他励他励)直流电动机直流电动机 (异步异步 )交流电动机交流电动机（笼型、绕线型）（笼型、绕线型）测速发电机（测速发电机（TG）电流互感器（电流互感器（TA）电压互感器（电压互感器（TU）编码器（数控）编码器（数控）传动装置传动装置定位平台定位平台旋转平台旋转平台给定给定33Spring 2015Mot

28、ion Control Systems绪绪 论论研究对象研究对象研究对象研究对象电动机电动机直流电动机直流电动机交流电动机交流电动机异步电动机异步电动机同步电动机同步电动机34Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论直流电机系列直流电机系列35Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论步进电机系列步进电机系列接收数字控制信号，把电脉冲接收数字控制信号，把电脉冲信号转换成角位移信号转换成角位移36Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论交流电机系列交流电机系列37Spring 2015Mot

29、ion Control Systems绪绪 论论直流电机直流电机直流直流电机机( (电动机机) )是以直流是以直流电作作为电源，使源，使线圈通圈通过电流，流，线圈圈旁有永久磁旁有永久磁铁，以，以电磁感磁感应感感应出出转距使其旋距使其旋转。 直流直流电机基本上有三种永磁式机基本上有三种永磁式电机、串激式机、串激式电机、并激式机、并激式电机。机。直流直流电机的机的优点：一般而言同点：一般而言同样的体的体积直流直流电机可以机可以输出出较大功大功率，直流率，直流电机机转速不受速不受电源源频率限制可以制做出高速率限制可以制做出高速电机，速度机，速度控制只要控制控制只要控制电压较简单容易。容易。缺点：缺点

30、：电机上的碳刷使用一段机上的碳刷使用一段时间会磨会磨损消耗掉消耗掉须更更换, ,电枢会磨枢会磨损。用途：造用途：造纸机械、机械、车床、起重机、升降机、床、起重机、升降机、电气气铁道道车等需要等需要调整整转速的地方。速的地方。38Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论交流电机交流电机交流交流电机是用途最广的机是用途最广的电动机，其机，其优点：价格低廉、构造点：价格低廉、构造简单、维修容易、速率修容易、速率变动小。它的小。它的转速与速与频率成正比，率成正比，频率愈高率愈高转速速愈快，常愈快，常见输送送带上的交流上的交流电机旁机旁边有有变频器，用来控制器，用来控

31、制传动转速。速。交流交流电机的机的优点：点：结构构简单生生产容易，无接触零件容易，无接触零件较不用保养使不用保养使用期限用期限长。缺点：是缺点：是转速受速受电源源频率固定率固定, ,使用一般交流使用一般交流频率无法使率无法使电机高速机高速运运转, ,最高最高仅达达3600rpm3600rpm高速高速电机必需用机必需用变频器来器来产生需要的工作生需要的工作频率，速度控制率，速度控制须改改变频率或加装其它回授器率或加装其它回授器较麻麻烦。用途：冷气机、吹用途：冷气机、吹风机、机、电风扇、抽水扇、抽水泵等。等。39Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论直流和交流

32、电机区别直流和交流电机区别最大的区最大的区别在于有没有碳刷，在于有没有碳刷，转动轴有没有有没有线圈。圈。直流直流电机一定要有碳刷来将机一定要有碳刷来将电流流导入入转轴线圈并切圈并切换产生磁生磁场相位。相位。40Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论闭环控制策略闭环控制策略闭环控制策略闭环控制策略转矩、速度、位置由内向外的三闭环系统转矩、速度、位置由内向外的三闭环系统位位置置控控制制器器速速度度控控制制器器转转矩矩控控制制器器电电流流 控控 制制 功功 能能 电电动动机机转转矩矩检检测测器器机机械械负负载载s41Spring 2015Motion Contr

33、ol Systems绪绪 论论位置控制位置控制 将某负载从某一确定的空间位置按某种轨迹移动到将某负载从某一确定的空间位置按某种轨迹移动到 另一确定的空间位置另一确定的空间位置速度控制速度控制 以确定的速度曲线使负载产生运动以确定的速度曲线使负载产生运动转矩控制转矩控制 维持转矩的恒定或遵循某一变化规律维持转矩的恒定或遵循某一变化规律闭环控制策略闭环控制策略闭环控制策略闭环控制策略 并非所有控制系统都需要三个闭环，伺服系统一般是并非所有控制系统都需要三个闭环，伺服系统一般是并非所有控制系统都需要三个闭环，伺服系统一般是并非所有控制系统都需要三个闭环，伺服系统一般是三闭环结构，调速系统一般是双闭环

34、结构三闭环结构，调速系统一般是双闭环结构三闭环结构，调速系统一般是双闭环结构三闭环结构，调速系统一般是双闭环结构42Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论转矩控制转矩控制对转矩的控制通常通过控制电流来实现对转矩的控制通常通过控制电流来实现 性能评价：稳态精度、动态响应速度性能评价：稳态精度、动态响应速度速度控制速度控制 开、闭环（交、直流电动机）开、闭环（交、直流电动机）位置控制位置控制 开环（步进电机）、闭环（伺服电机）开环（步进电机）、闭环（伺服电机）闭环控制策略闭环控制策略闭环控制策略闭环控制策略43Spring 2015Motion Control

35、 Systems绪绪 论论控制器：控制器：通用控制方法通用控制方法古典自控原理（古典自控原理（PID控制）、现代控制理论（自适控制）、现代控制理论（自适应控制、鲁棒控制）、先进控制方法（智能控制、应控制、鲁棒控制）、先进控制方法（智能控制、Neural Networks、 Fuzzy Cotrol）等）等特定控制策略特定控制策略 针对交流电动机的转矩控制有：针对交流电动机的转矩控制有： 变频控制（变频控制（VVVF）、矢量控制）、矢量控制(VC)、直接转、直接转矩控制矩控制(DTC)闭环控制策略闭环控制策略闭环控制策略闭环控制策略44Spring 2015Motion Control Syst

36、ems绪绪 论论2.3 运动控制系统的分类运动控制系统的分类按按驱动电机机分：分： 直流直流直流直流传动系系统用直流用直流电机机带动生生产机械；机械； 交流交流交流交流传动系系统用交流用交流电机机带动生生产机械；机械；按按被控物理量被控物理量分：分： 调速速系系统以以转速速为被控量；被控量； 位置随位置随动系系统（伺服系（伺服系统） 以角位移或直以角位移或直线位移位移为被控量；被控量； 按按控制器的控制器的类型型分：分：模模拟控制系控制系统以模以模拟电路构成控制器；路构成控制器； 数字数字控制系控制系统以数字以数字电路构成控制器（路构成控制器（PCPC、PLCPLC、DSPDSP）；）；按按闭

37、环数数分：分：单环，双，双环，多，多环系系统对某一某一实际运运动控制系控制系统可能是可能是这些分些分类的交叉：的交叉： 如：用如：用单片机片机实现的数字式双的数字式双闭环直流直流调速系速系统；45Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论伺服系统伺服系统伺服系伺服系统(servomechanism)是用来精确地跟随或复是用来精确地跟随或复现某某个个过程的反程的反馈控制系控制系统。又称（位置）随。又称（位置）随动系系统。在很。在很多情况下，伺服系多情况下，伺服系统专指被控制量（系指被控制量（系统的的输出量）是出量）是机械位移或位移速度、加速度的反机械位移或位移速

38、度、加速度的反馈控制系控制系统。 其作用是使其作用是使输出的机械位移（或出的机械位移（或转角）准确地跟踪角）准确地跟踪输入入的位移（或的位移（或转角）。伺服系角）。伺服系统的的结构构组成和其他形式的成和其他形式的反反馈控制系控制系统没有原没有原则上的区上的区别。46Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论绪论内容提要绪论内容提要先谈谈运动控制在机器人领域应用例子先谈谈运动控制在机器人领域应用例子什么是运动控制系统什么是运动控制系统 ？为什么要学习运动控制系统为什么要学习运动控制系统 ？运动控制系统的发展过程与趋势运动控制系统的发展过程与趋势 47Spring

39、 2015Motion Control Systems绪绪 论论3 3、为什么、为什么要学习运动控制系统要学习运动控制系统? ?运动控制系统的主要应用领域运动控制系统的主要应用领域机械加工，冶金，交通运输，石油加工，航机械加工，冶金，交通运输，石油加工，航天航空、国防工业、家电生产、轻工、农业天航空、国防工业、家电生产、轻工、农业等领域。等领域。48Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论具体应用例子：具体应用例子： 工业领域：工业领域：制造业：钢厂连轧、电炉、加工车间的各种（数控）制造业：钢厂连轧、电炉、加工车间的各种（数控） 机床，起重机、传送带，矿山、

40、油田、林场机床，起重机、传送带，矿山、油田、林场 等等用电力拖动机械。等等用电力拖动机械。 印刷电路板生产线：表面贴焊，快速打孔，机械手放置器件；印刷电路板生产线：表面贴焊，快速打孔，机械手放置器件； 国防领域：国防领域：雷达跟踪，自动武器，飞行器控制等；雷达跟踪，自动武器，飞行器控制等； 家电领域：家电领域：冰箱，空调，洗衣机，电脑光盘驱动器，电风扇等；冰箱，空调，洗衣机，电脑光盘驱动器，电风扇等； 机器人：机器人：机械手、足球机器人、搬运机器人、各种机器人的移动机械手、足球机器人、搬运机器人、各种机器人的移动 及关节姿态控制等；及关节姿态控制等；其他高新技术产业：其他高新技术产业：电梯、电

41、动汽车，高速列车、无轨电车的调电梯、电动汽车，高速列车、无轨电车的调 速系统等速系统等49Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论加工车间加工车间-鹏辉电池有限公司鹏辉电池有限公司50Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论数控车床数控车床51Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论数控铣床数控铣床52Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论机械手机械手53Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论六自由度机械手取物六

42、自由度机械手取物六自由度机械手运动六自由度机械手运动54Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论分体式变频空调控制电路原理框图分体式变频空调控制电路原理框图变频空调变频空调55Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论微机数字控制双闭环直流微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图调速系统硬件结构图56Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论57Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论据统计，我国电动机装机容量约为据统计，我国电动机装机容量约为4 4

43、亿多千瓦，其用亿多千瓦，其用电量占当年全国发电量的电量占当年全国发电量的60% 70%60% 70%。当前，能源紧张！当前，能源紧张！合理、经济、有效的利用电能，是运动控制系统设计合理、经济、有效的利用电能，是运动控制系统设计者的责任。者的责任。58Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论绪论内容提要绪论内容提要先谈谈运动控制在机器人领域应用例子先谈谈运动控制在机器人领域应用例子什么是运动控制系统什么是运动控制系统 ？为什么要学习运动控制系统为什么要学习运动控制系统 ？运动控制系统的发展过程与趋势运动控制系统的发展过程与趋势 59Spring 2015Mot

44、ion Control Systems绪绪 论论运动控制系统的发展历史运动控制系统的发展历史1919世纪世纪8080年代年代以前以前仅有仅有直流电气直流电气传动传动1919世纪末世纪末，出现交流电机出现交流电机（鼠笼式异步交流电机）（鼠笼式异步交流电机）开始逐步使用开始逐步使用交流电交流电气气传动传动2020世纪世纪3030年代起年代起，形成形成直流直流调速调速，交流不调速的格局，交流不调速的格局2020世纪后期世纪后期，交流调速交流调速兴起兴起60Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论运动控制系统的发展趋势运动控制系统的发展趋势高频化、集成化高频化、集成

45、化交流化交流化数字化、智能化和网络化数字化、智能化和网络化61Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论运动控制发展趋势运动控制发展趋势驱动的交流化的交流化以省以省电为目的：改原来交流不目的：改原来交流不调速速为交流交流调速；速；以减少以减少维护为目的：改直流目的：改直流调速速为交流交流调速；速；原直流原直流调速达不到的速达不到的领域：大功率、高域：大功率、高压、高速、高速场合合应用用 交流交流调速系速系统。驱动系系统的超高速化和超小化、超大型化的超高速化和超小化、超大型化系系统实现的集成化的集成化控制的数字化、智能化和网控制的数字化、智能化和网络化化62Sp

46、ring 2015Motion Control Systems绪绪 论论第一部分第一部分 直流调速系统直流调速系统 （约（约2828学时）学时）1.1.第一章（转速负反馈）单闭环直流调速系统第一章（转速负反馈）单闭环直流调速系统2.2.第二章第二章 双闭环（速度环双闭环（速度环+ +电流环）直流调速系统电流环）直流调速系统 3.3.第三章第三章 直流可逆（晶闸管反并联）调速系统直流可逆（晶闸管反并联）调速系统4.4.第四章第四章 直流脉宽调速系统（直流脉宽调速系统（PWMPWM）5.5.第五章第五章 数字控制的直流调速系统与数字控制的直流调速系统与MATLABMATLAB仿真（自学）仿真（自学）第二部分第二部分 交流调速系统交流调速系统 （约（约2020学时）学时）1.1.第六章第六章 交流调速系统（调压调速、串级调速）交流调速系统（调压调速、串级调速） 2.2.第七章第七章 交流异步电动机变频调速系统；交流异步电动机变频调速系统；本课程目录及时间安排本课程目录及时间安排本课程目录及时间安排本课程目录及时间安排-重点内容重点内容重点内容重点内容共共共共4848学时学时学时学时63Spring 2015Motion Control Systems绪绪 论论