第第1章章 绪论绪论•重点介绍运动控制系统的组成及发展概况重点介绍运动控制系统的组成及发展概况，，包括包括4节内容•1.1 运动控制系统及其组成运动控制系统及其组成•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•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•1.4 生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性 第第1章章 绪论绪论•电力拖动实现了电能与机械能之间的能量变换，而电力拖动实现了电能与机械能之间的能量变换，而电力拖动自电力拖动自动控制系统动控制系统——运动控制系统的任务是通过控制电动机电压、运动控制系统的任务是通过控制电动机电压、电流、频率等输入量，来改变工作机械的转矩、速度、位移等电流、频率等输入量，来改变工作机械的转矩、速度、位移等机械量，使各种机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺机械量，使各种机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其他应用的需要及其他应用的需要•现代运动控制技术以各类电动机为控制对象，以计算机和其他现代运动控制技术以各类电动机为控制对象，以计算机和其他电子装置为控制手段，以电力电子装置为弱电控制强电的纽带，电子装置为控制手段，以电力电子装置为弱电控制强电的纽带，以自动控制理论和信息处理理论为理论基础，以计算机数字仿以自动控制理论和信息处理理论为理论基础，以计算机数字仿真和计算机辅助设计（真和计算机辅助设计（CAD）为研究和开发的工具。
为研究和开发的工具•由此可见，由此可见，现代运动控制技术已成为电机学、电力电子学、微现代运动控制技术已成为电机学、电力电子学、微电子技术、计算机控制技术、控制理论、信号检测与处理技术电子技术、计算机控制技术、控制理论、信号检测与处理技术等等多门学科相互交叉的综合性学科多门学科相互交叉的综合性学科 第第1章章 绪论绪论•图图1-1 运动控制及其相关学科运动控制及其相关学科 第第1章章 绪论绪论•1.1 运动控制系统及其组成运动控制系统及其组成•运动控制系统由电动机、功率放大与变换装置、控制器及相运动控制系统由电动机、功率放大与变换装置、控制器及相应的传感器等构成，其结构如图应的传感器等构成，其结构如图1-2所示图图1-2 运动控制系统及其组成运动控制系统及其组成 第第1章章 绪论绪论•1.1.1 电动机电动机•运动控制系统的控制对象为电动机，电动机根据工作原理可分运动控制系统的控制对象为电动机，电动机根据工作原理可分为直流电动机、交流感应电动机（交流异步电动机）和交流同为直流电动机、交流感应电动机（交流异步电动机）和交流同步电动机等，根据用途可分为用于调速系统的拖动电动机和用步电动机等，根据用途可分为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。
于伺服系统的伺服电动机•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转速与容量极限容量和速度之积约为极限容量和速度之积约为 ，， 交流电动机（尤其是笼型感应电动机）结构简单、制造容易，交流电动机（尤其是笼型感应电动机）结构简单、制造容易，无须机械换向器，因此其允许转速与容量均大于直流电动机无须机械换向器，因此其允许转速与容量均大于直流电动机•同步电动机的转速等于同步转速，机械特性硬，功率因数可调同步电动机的转速等于同步转速，机械特性硬，功率因数可调但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但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系统中的应用了同步电动机在运动控制系统中的应用 第第1章章 绪论绪论•1.1.2 功率放大与变换装置功率放大与变换装置•功率放大与变换装置有电机型、电磁型、电力电子型等，现在功率放大与变换装置有电机型、电磁型、电力电子型等，现在多用电力电子型的。
电力电子器件经历了由半控型向全控型、多用电力电子型的电力电子器件经历了由半控型向全控型、由低频开关向高频开关、由分立的器件向具有复合功能的功率由低频开关向高频开关、由分立的器件向具有复合功能的功率模块发展的过程电力电子技术的发展，使功率放大与变换装模块发展的过程电力电子技术的发展，使功率放大与变换装置的结构趋于简单、性能趋于完善置的结构趋于简单、性能趋于完善•晶闸管（晶闸管（SCR）是第一代电力电子器件的典型代表，属于半控）是第一代电力电子器件的典型代表，属于半控型器件，通过门极只能使晶闸管开通，而无法使它关断该类型器件，通过门极只能使晶闸管开通，而无法使它关断该类器件可方便地应用于相控整流器（器件可方便地应用于相控整流器（AC→DC）和有源逆变器）和有源逆变器（（DC→AC），但用于无源逆变（），但用于无源逆变（DC→AC）或直流）或直流PWM（脉宽调制）方式调压（（脉宽调制）方式调压（DC→DC）时，必须增加强迫换流回）时，必须增加强迫换流回路，使电路结构复杂路，使电路结构复杂 第第1章章 绪论绪论•第二代电力电子器件是全控型器件，通过门极既可以使器件第二代电力电子器件是全控型器件，通过门极既可以使器件开通，也可以使它关断，例如开通，也可以使它关断，例如MOSFET、、IGBT、、GTO等。
等此类器件用于无源逆变（此类器件用于无源逆变（DC→AC）和直流调压）和直流调压（（DC→DC）时，）时，无须强迫换流回路，主电路结构简单无须强迫换流回路，主电路结构简单第二代电力电子器件的另一个特点是二代电力电子器件的另一个特点是可以大大提高开关频率，可以大大提高开关频率，用用PWM技术控制功率器件的开通与关断，可大大提高可控技术控制功率器件的开通与关断，可大大提高可控电源的质量电源的质量•第三代电力电子器件的特点是由单一的器件发展为具有驱动、第三代电力电子器件的特点是由单一的器件发展为具有驱动、保护等功能的复合功率模块，提高了使用的安全性和可靠性保护等功能的复合功率模块，提高了使用的安全性和可靠性 第第1章章 绪论绪论•1.1.3 控制器控制器•控制器分模拟控制器和数字控制器两类，也有模数混合的控制控制器分模拟控制器和数字控制器两类，也有模数混合的控制器，现在已越来越多地采用数字控制器器，现在已越来越多地采用数字控制器•模拟控制器常用运算放大器及相应的电气元件实现，具有物理模拟控制器常用运算放大器及相应的电气元件实现，具有物理概念清晰、控制信号流向直观等优点概念清晰、控制信号流向直观等优点，其控制规律体现在硬件，其控制规律体现在硬件电路和所用的器件上，因而线路复杂、通用性差、控制效果受电路和所用的器件上，因而线路复杂、通用性差、控制效果受到器件性能、温度等因素的影响。
到器件性能、温度等因素的影响•以微处理器为核心的数字控制器的硬件电路标准程度高、制作以微处理器为核心的数字控制器的硬件电路标准程度高、制作成本低，而且没有器件的温度漂移的问题控制规律体现在软成本低，而且没有器件的温度漂移的问题控制规律体现在软件上，修改起来灵活方便件上，修改起来灵活方便此外，还拥有信息储存、数据通信此外，还拥有信息储存、数据通信和故障诊断等模拟控制器难以实现的功能和故障诊断等模拟控制器难以实现的功能•然而，模拟控制器的所有运算能在同一时刻并行运行，控制器然而，模拟控制器的所有运算能在同一时刻并行运行，控制器的滞后时间很小，可以忽略不计；而一般的微处理器在任的滞后时间很小，可以忽略不计；而一般的微处理器在任 第第1章章 绪论绪论•何时刻只能执行一条指令，属于串行运行方式，其滞后时间何时刻只能执行一条指令，属于串行运行方式，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比模拟控制器大得多，在设计系统时应予以考虑•1.1.4 信号检测与处理信号检测与处理•运动控制系统中常需要电压、电流、转速和位置的反馈信号，运动控制系统中常需要电压、电流、转速和位置的反馈信号，为了真实可靠地得到这些信号，并实现功率电路（强电）和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。
电压、控制器（弱电）之间的电气隔离，需要相应的传感器电压、电流传感器的输出信号多为连续的模拟量，而转速和位置传电流传感器的输出信号多为连续的模拟量，而转速和位置传感器的输出信号因传感器的类型而异，可以是连续的模拟量，感器的输出信号因传感器的类型而异，可以是连续的模拟量，也可以是离散的数字量也可以是离散的数字量由于控制系统对反馈通道上的扰动由于控制系统对反馈通道上的扰动无抑制能力，所以，信号传感器必须有足够高的精度，才能无抑制能力，所以，信号传感器必须有足够高的精度，才能保证控制系统的准确性保证控制系统的准确性 第第1章章 绪论绪论•信号转换和处理包括电压匹配、极性转换、脉冲整形等，对信号转换和处理包括电压匹配、极性转换、脉冲整形等，对于计算机数字控制系统而言，必须将传感器输出的模拟或数于计算机数字控制系统而言，必须将传感器输出的模拟或数字信号变换为可用于计算机运算的数字量字信号变换为可用于计算机运算的数字量数据处理的另一数据处理的另一个重要作用是去伪存真，即从带有随机扰动的信号中筛选出个重要作用是去伪存真，即从带有随机扰动的信号中筛选出反映被测量的真实信号，去掉随机的扰动信号，以满足控制反映被测量的真实信号，去掉随机的扰动信号，以满足控制系统的需要。
系统的需要•常用的数据处理方法是信号滤波，模拟控制系统常采用模拟常用的数据处理方法是信号滤波，模拟控制系统常采用模拟器件构成的滤波电路，而计算机数字控制系统往往采用模拟器件构成的滤波电路，而计算机数字控制系统往往采用模拟滤波电路和计算机软件数字滤波相结合的方法滤波电路和计算机软件数字滤波相结合的方法 第第1章章 绪论绪论•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•直流电动机电力拖动与交流电动机电力拖动在直流电动机电力拖动与交流电动机电力拖动在19世纪中叶先后诞世纪中叶先后诞生（生（1866年德国人西门子制成了自激式的直流发电机；年德国人西门子制成了自激式的直流发电机；1890年年美国西屋电气公司利用尼古拉美国西屋电气公司利用尼古拉·特斯拉的专利研制出第一台交流特斯拉的专利研制出第一台交流同步电机；同步电机；1898年第一台异步电动机诞生年第一台异步电动机诞生），在），在20世纪前半叶，世纪前半叶，约占整个电力拖动容量约占整个电力拖动容量80%的不可调速拖动系统采用交流电动机，的不可调速拖动系统采用交流电动机，只有只有20%的高性能可调速拖动系统采用直流电动机的高性能可调速拖动系统采用直流电动机。
20世纪后半世纪后半叶，电力电子技术和微电子技术带动了带动了新一代的交流调速叶，电力电子技术和微电子技术带动了带动了新一代的交流调速系统的兴起与发展，逐步打破了直流调速系统一统高性能拖动天系统的兴起与发展，逐步打破了直流调速系统一统高性能拖动天下的格局下的格局进入进入21世纪后，用交流调速系统取代直流调速系统已世纪后，用交流调速系统取代直流调速系统已成为不争的事实成为不争的事实•直流电动机的数学模型简单，转矩易于控制直流电动机的数学模型简单，转矩易于控制其换向器与电刷其换向器与电刷 第第1章章 绪论绪论•的位置保证了电枢电流与励磁电流的解耦的位置保证了电枢电流与励磁电流的解耦1960年以来，晶年以来，晶闸管整流器的应用，使得直流拖动控制技术得到了飞速的发展，闸管整流器的应用，使得直流拖动控制技术得到了飞速的发展，对直流拖动控制系统调节器的设计也有了一套实用的工程设计对直流拖动控制系统调节器的设计也有了一套实用的工程设计方法•交流电动机（尤其是笼型异步电动机）具有结构简单等诸多优交流电动机（尤其是笼型异步电动机）具有结构简单等诸多优点，但其动态数学模型具有非线性多变量强耦合的性质，比直点，但其动态数学模型具有非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。
早期交流调速系统的控制方法是基于交流早期交流调速系统的控制方法是基于交流电动机稳态数学模型的，其动态性能无法与直流调速系统相比电动机稳态数学模型的，其动态性能无法与直流调速系统相比•20世纪世纪70年代德国工程师年代德国工程师F·Blaschke和和W·Flöter等人提出等人提出“感感应电机磁机磁场定向控制原理定向控制原理”，和提出，和提出“定子定子电压坐坐标变换控制控制”，，这都是都是矢量控制矢量控制的基本的基本设想1980年日本年日本难波江章教授等波江章教授等人提出人提出转差型矢量控制，差型矢量控制，进一步一步简化了系化了系统结构1980年，年，德国德国W.Leonhard教授等用微机教授等用微机 第第1章章 绪论绪论•实现矢量控制系统的数字化，大大简化了系统的硬件结构，经实现矢量控制系统的数字化，大大简化了系统的硬件结构，经过不断的改进和完善，形成现在通用的高性能矢量控制系统过不断的改进和完善，形成现在通用的高性能矢量控制系统1985年，德国鲁尔大学年，德国鲁尔大学Depenbrock教授提出教授提出直接转矩控制直接转矩控制，，1987年把它推广到弱磁调速范围，其控制结构简单，是一种年把它推广到弱磁调速范围，其控制结构简单，是一种高动态响应的交流迢速系统。
高动态响应的交流迢速系统•同步电动机的转速与电源频率严格保持同步，机械特性硬电同步电动机的转速与电源频率严格保持同步，机械特性硬电励磁同步电动机还有一个突出的优点，就是可以控制励磁来调励磁同步电动机还有一个突出的优点，就是可以控制励磁来调节它的功率因数，使功率因数达到节它的功率因数，使功率因数达到1.0，甚至产生超前的功率，甚至产生超前的功率因数角但同步电动机由电网直接供电时，存在起动困难与失但同步电动机由电网直接供电时，存在起动困难与失步问题电力电子变频技术的发展，成功地解决了阻碍同步电步问题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发展的这两大问题，而永磁同步电动机和直流无刷电动机调速发展的这两大问题，而永磁同步电动机和直流无刷电动机等新型同步电动机的问世，犹如猛虎添翼，使同步电动机动机等新型同步电动机的问世，犹如猛虎添翼，使同步电动机调速得到飞速的发展调速得到飞速的发展 第第1章章 绪论绪论•高性能的运动控制系统需要转速闭环控制，但速度传感器的高性能的运动控制系统需要转速闭环控制，但速度传感器的机械安装要求高，调试工作量大，有时由于场地及空间的限机械安装要求高，调试工作量大，有时由于场地及空间的限制，根本不允许安装速度传感器，制，根本不允许安装速度传感器，无速度传感器控制的调速无速度传感器控制的调速系统系统正好能弥补这些不足。
无速度传感器控制的基本方法是正好能弥补这些不足无速度传感器控制的基本方法是实时检测定子电压和电流，再依据电动机模型或合适的算法实时检测定子电压和电流，再依据电动机模型或合适的算法对转速进行估算，用估算的值进行反馈控制但这种方法受对转速进行估算，用估算的值进行反馈控制但这种方法受电机参数影响大，对测量噪声敏感如何提高转速估算精度，电机参数影响大，对测量噪声敏感如何提高转速估算精度，是进一步发展无速度传感器控制系统的关键是进一步发展无速度传感器控制系统的关键•近年来，模糊控制、专家系统和神经网络的应用，使运动控近年来，模糊控制、专家系统和神经网络的应用，使运动控制系统向智能化的方向发展在现代运动控制系统中，常使制系统向智能化的方向发展在现代运动控制系统中，常使智能控制与传统智能控制与传统PI控制互相结合，取长补短，既保证了系统控制互相结合，取长补短，既保证了系统的控制精度，又增加了系统的自学习、自调整及决策能力，的控制精度，又增加了系统的自学习、自调整及决策能力，提高了系统的鲁棒性提高了系统的鲁棒性 第第1章章 绪论绪论•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•运动控制系统的基本运动方程式为：运动控制系统的基本运动方程式为：•式中式中 J——机械转动惯量机械转动惯量 ；；• ωm—— 转子的机械角速度（转子的机械角速度（rad/s)；；• θm—— 转子的机械转角（转子的机械转角（rad）；）；• Te—— 电动机的电磁转矩（电动机的电磁转矩（N·m）；）；• TL—— 负载转矩（负载转矩（N·m）；）；• D——阻转矩阻尼系数；阻转矩阻尼系数；• K——扭转弹性转矩系数。
扭转弹性转矩系数 第第1章章 绪论绪论•若忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩，则运动控制系统的基本运若忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩，则运动控制系统的基本运动方程式可简化为：动方程式可简化为：若采用工程单位制，则式（若采用工程单位制，则式（1-2）的第）的第1行应改写为：行应改写为：式中式中 ——转动惯量，习惯称飞轮力矩转动惯量，习惯称飞轮力矩 n——转子的机械转速（转子的机械转速（r/min），）， 第第1章章 绪论绪论•运动控制系统的任务就是控制电动机的转速和转角，对于直线运动控制系统的任务就是控制电动机的转速和转角，对于直线电动机来说就是控制速度和位移电动机来说就是控制速度和位移由式（1-1）和式（）和式（1-2）可）可知，要控制转速和转角，唯一的途径就是控制电动机的电磁转知，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矩Te，使转速变化率按人们期望的规律变化因此，，使转速变化率按人们期望的规律变化因此，转矩控制转矩控制是运动控制的根本问题是运动控制的根本问题•为了有效地控制电磁转矩，充分利用电机铁心，在一定的电流为了有效地控制电磁转矩，充分利用电机铁心，在一定的电流作用下进可能产生最大的电磁转矩，以加快系统的过渡过程，作用下进可能产生最大的电磁转矩，以加快系统的过渡过程，必须在控制转矩的同时也控制磁通（或磁链）必须在控制转矩的同时也控制磁通（或磁链）。
因为当磁通因为当磁通（或磁链）很小时，即使电枢电流（或交流电机定子电流的转（或磁链）很小时，即使电枢电流（或交流电机定子电流的转矩分量）很大，实际转矩仍然很小何况由于物理条件限制，矩分量）很大，实际转矩仍然很小何况由于物理条件限制，电枢电流（或定子电流）总是有限的因此，电枢电流（或定子电流）总是有限的因此，磁链控制与转矩磁链控制与转矩控制同样重要控制同样重要，不可偏废通常在基速（额定转速）以下采用，不可偏废通常在基速（额定转速）以下采用恒磁通（或磁链）控制，而在基速以上采用弱磁控制恒磁通（或磁链）控制，而在基速以上采用弱磁控制 第第1章章 绪论绪论•1.4 生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性•对运动控制系统而言，生产机械的负载转矩是一个必然存在的对运动控制系统而言，生产机械的负载转矩是一个必然存在的不可控扰动输入，生产机械的负载转矩特性直接影响运动控制不可控扰动输入，生产机械的负载转矩特性直接影响运动控制系统控制方案的选择和系统的动态性能为了对运动控制系统系统控制方案的选择和系统的动态性能为了对运动控制系统作全面的了解，便于系统设计和调试，常归纳出几种典型的生作全面的了解，便于系统设计和调试，常归纳出几种典型的生产机械负载转矩特性。
产机械负载转矩特性•1.4.1 恒转矩负载特性恒转矩负载特性•负载转矩负载转矩TL的大小恒定，与的大小恒定，与ωm或或n无关，称做恒转矩负载，无关，称做恒转矩负载，• TL = 常数常数 （（1-4））•恒转矩负载有位能性和反抗性两种位能性恒转矩负载由重力恒转矩负载有位能性和反抗性两种位能性恒转矩负载由重力产生，具有固定的大小和方向，如图产生，具有固定的大小和方向，如图1-3a所示反抗性恒转矩所示反抗性恒转矩负载的大小不变，方向则始终与转速反向，如图负载的大小不变，方向则始终与转速反向，如图1-3b 第第1章章 绪论绪论•图图1-3 恒转矩负载特性恒转矩负载特性•a) 位能性恒转矩位能性恒转矩 b）反抗性恒转矩负载）反抗性恒转矩负载 第第1章章 绪论绪论•1.4.2 恒功率负载恒功率负载•恒功率负载的特征是负载转矩与转速恒功率负载的特征是负载转矩与转速成反比，而功率为常数，即成反比，而功率为常数，即或或式中式中 PL——机械功率机械功率横功率负载的特性如图横功率负载的特性如图1-4所示。
所示图图1-4 恒功率负载特性恒功率负载特性 第第1章章 绪论绪论•1.4.3 风机、泵类负载特性风机、泵类负载特性•风机、泵类负载的转矩与转速的风机、泵类负载的转矩与转速的平方成正比，即平方成正比，即风机、泵类负载特性如图风机、泵类负载特性如图1-5所示所示以上所述的各类负载是从各种实以上所述的各类负载是从各种实际负载中概括出来的典型负载形际负载中概括出来的典型负载形式，实际负载可能是多个典型负式，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图图1-5 风机、泵类负载特性风机、泵类负载特性 。