运动控制系统4
运动控制系统的课程设计
运动控制系统的课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解运动控制系统的基本概念、组成和分类。
2. 学生能掌握运动控制系统中常见传感器的原理和应用。
3. 学生能描述运动控制系统的执行机构工作原理及其特点。
4. 学生了解运动控制算法的基本原理，如PID控制、模糊控制等。
技能目标：1. 学生具备运用所学知识分析和解决实际运动控制问题的能力。
2. 学生能设计简单的运动控制系统，并进行仿真实验。
3. 学生能熟练使用相关软件和工具进行运动控制系统的调试与优化。
情感态度价值观目标：1. 学生培养对运动控制系统相关技术的兴趣，激发学习热情。
2. 学生养成合作、探究的学习习惯，培养团队协作精神。
3. 学生认识到运动控制系统在工程实际中的应用价值，增强社会责任感。
课程性质：本课程为电子信息工程及相关专业高年级学生的专业课程，旨在帮助学生掌握运动控制系统的基本原理、设计方法和实际应用。
学生特点：学生已具备一定的电子、电气和控制系统基础，具有较强的学习能力和实践操作能力。
教学要求：结合学生特点和课程性质，注重理论与实践相结合，强调学生的动手能力和创新能力培养。
通过本课程的学习，使学生具备运动控制系统设计、调试和应用的能力。
教学过程中，关注学生的个体差异，因材施教，确保课程目标的实现。
二、教学内容1. 运动控制系统概述- 运动控制系统的基本概念、组成和分类- 运动控制系统的发展及应用领域2. 运动控制系统传感器- 常见运动控制传感器的工作原理、特性及应用- 传感器的选型及接口技术3. 执行机构- 电动伺服电机、步进电机、液压气动执行机构的工作原理及特点- 执行机构的控制策略及性能分析4. 运动控制算法- PID控制算法原理及其在运动控制中的应用- 模糊控制、神经网络等其他先进控制算法介绍5. 运动控制系统设计- 系统建模、控制器设计及仿真- 硬件在环（HIL）仿真与实验- 运动控制系统调试与优化6. 运动控制系统实例分析- 分析典型运动控制系统的设计过程及解决方案- 案例教学，培养学生的实际操作能力教学内容安排与进度：- 第1周：运动控制系统概述- 第2-3周：运动控制系统传感器- 第4-5周：执行机构- 第6-7周：运动控制算法- 第8-9周：运动控制系统设计- 第10周：运动控制系统实例分析教材章节关联：本课程教学内容与教材中第3章“运动控制系统”相关内容相衔接，涵盖第3章中的3.1-3.5节。
运动控制系统(第4版)第1章 绪论
第1章 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 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。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 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。 • 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 滤波电路和计算机软件数字滤波相结合的方法。
GD2 4gJ ;
n——转子的机械转速（r/min），
60 m n . 2
第1章 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 线电动机来说就是控制速度和位移。由式（1-1）和式（1-2） 可知，要控制转速和转角，唯一的途径就是控制电动机的电 磁转矩Te，使转速变化率按人们期望的规律变化。因此，转矩 控制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）。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，磁链 控制与转矩控制同样重要，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。
第1章 绪论
• 1.2 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19世纪中叶先后诞 生（1866年德国人西门子制成了自激式的直流发电机；1890年 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 同步电机；1898年第一台异步电动机诞生），在20世纪前半叶， 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， 只有20%的高性能可调速拖动系统采用直流电动机。20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 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。进入21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。 • 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
运动控制系统
知识创造未来
运动控制系统
运动控制系统是指利用电子设备和软件来实现运动控制的一种系统。
它可以用于控制机械设备、机器人、汽车等进行运动控制。
运动控制系统通常包括以下几个部分：
1. 传感器：用于检测实际运动的位置、速度、加速度等参数，并将
其转换为电信号。
2. 控制器：负责接收传感器的信号，并根据预设的控制算法，计算
出相应的控制命令。
3. 执行器：根据控制命令，进行相应的机械运动，如电机、气缸等。
4. 软件系统：包括控制算法、运动规划、通信协议等，用于实现运
动控制的逻辑和功能。
运动控制系统的主要功能包括位置控制、速度控制和力控制等。
通
过调整控制器的参数和算法，可以达到不同的控制效果。
运动控制系统广泛应用于各个领域，如工业自动化、机器人、航空
航天、医疗器械等。
它可以提高设备的精度、稳定性和生产效率，
实现自动化生产和操作。
1。
多普康 TC55V 运动控制系统 1-4 轴系列说明书
TC55V 运动控制系统1-4轴系列说明书北京多普康自动化技术有限公司安全须知使用本控制系统前，请您仔细阅读本手册后再进行相关的操作。
仔细阅读本操作说明书，以及用户安全须知，采取必要的安全防护措施。
如果用户有其他需求，请与本公司联系。
工作环境及防护：1.控制系统的工作温度为0-40℃，当超出此环境温度时系统可能会出现工作不正常甚至死机等现象。
温度过低时，液晶显示器将出现不正常的情况。
2.相对湿度应控制在0-85%。
3.在高温、高湿、腐蚀性气体的环境下工作时，必须采取特殊的防护措施。
4.防止灰尘、粉尘、金属等杂物进入控制系统。
5.应防护好控制系统的液晶屏幕（易碎品）：使其远离尖锐物体；防止空中的物体撞到屏幕上；当屏幕有灰尘需要清洁时，应用柔软的纸巾或棉布轻轻擦除。
系统的操作：系统操作时需按压相应的操作按键，在按压按键时,需要食指或中指的指肚按压，切忌用指甲按压按键，否则将造成按键面膜的损坏，而影响您的使用。
初次进行操作的操作者，应在了解相应功能的正确使用方法后，方可进行相应的操作，对于不熟悉的功能或参数，严禁随意操作或更改系统参数。
由于使用产品不当，而造成危及人身、财产安全的责任，本公司概不负责。
系统的检修：当系统出现不正常的情况，需检修相应的连接或插座连接处时，应先切断系统电源。
再进行必要的检修。
未进行严格操作的技术人员或未得到本公司授权的单位或者个人，不能打开控制系统进行维修操作，否则后果自负。
系统保修说明：保修期：本产品自出厂之日起十二个月内。
保修范围：在保修期内，任何按使用要求操作的情况下所发生的故障。
保修期内：保修范围以外的故障为收费服务。
保修期外：所有的故障均为收费服务。
以下情况不在保修范围内：任何违反使用要求的人为故障或意外故障，尤其电压接反接错。
带电插拔系统连接插座而造成的损坏。
自然灾害等原因导致的损坏。
未经许可，擅自拆卸、改装、修理等行为造成的损坏。
其他事项：本说明书如有与系统功能不符、不详尽处，以系统软件功能为准。
电力拖动自动控制系统-运动控制系统习题解答第4、5章
习题四4.1双闭环调速系统的ASR 和ACR 均为PI 调节器，设系统最大给定电压*nmU =15V ，转速调节器限幅值为*im U =15V ， n N =1500r/min ，N I =20A ，电流过载倍数为2，电枢回路总电阻R =2Ω，s K =20，e C =0.127V·min/r ，求：（1）当系统稳定运行在*n U =5V ，dL I =10A 时，系统的n 、n U 、*i U 、i U 和c U 各为多少？（2）当电动机负载过大而堵转时，*i U 和c U 各为多少？解： （1）150.01min/1500/minnm N U VV r n r α=== 5500/min 0.01min/nU Vn r V rα===*150.375/40im dm U V V A I Aβ===*0.37510 3.75i d U I V β==⨯= 0.37510 3.75i d U I V β==⨯=0.1275001024.17520e d c s C n I R U V K +⨯+⨯=== （2）堵转时，V I U dm i 15*==β， 0.1270402420e d c s C n I R U V K +⨯+⨯=== 4.2 在转速、电流双闭环调速系统中，两个调节器ASR ，ACR 均采用PI 调节器。
已知参数：电动机：N P =3.7kW ，N U =220V ，N I =20A ，N n =1000 r/min ,电枢回路总电阻R =1.5Ω,设cm im nmU U U ==** =8V ，电枢回路最大电流dm I =40A,电力电子变换器的放大系数s K =40。
试求：（1）电流反馈系数β和转速反馈系数α。
（2）当电动机在最高转速发生堵转时的,0d U c i i U U U ,,*值。
解:1）*80.32/40im dm U VV A I Aβ===80.008min/1000/minnm N U VV r n r α=== 2) 040 1.560d d dm U E I R I R V ∑∑=+⨯=⨯=⨯=这时： *8,0n n U V U ==，ASR 处于饱和，输出最大电流给定。
运 动 控 制 系 统
基于稳态模型的交流调速系统动态性能无法与直
流调速系统相比；基于动态模型的交流调速系统 （矢量控制系统，直接转矩控制系统）动态性能 良好，取代直流调速系统。 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格保持同步， 机械特性硬。 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和启动两大问题。
负载可能是多个典型负载的组合，应根据实际负 载的具体情况加以分析。 1、 恒转矩负载 负载转矩的大小恒定，称作 恒转矩负载 TL 常数 a）位能性恒转矩负载 b) 反抗性恒转矩负载
图1-3 恒转矩负载
2、 恒功率负载
负载转矩与转速成反比， 而功率为常数，称作恒功 率负载
TL
m
PL
信号检测
电压、电流、转速和位置等信号 信号转换 电压匹配、极性转换、脉冲整形等 数据处理 信号滤波
二、运动控制系统的历史与发展
电力电子技术和微电子技术的兴起与发展，使交流
调速系统取代直流调速系统已成为不争的事实。 直流调速系统 直流电动机的数学模型简单，转矩易于控制。 换向器与电刷的位置保证了电枢电流与励磁电 流的解耦，使转矩与电枢电流成正比。 交流调速系统 交流电动机（尤其是笼型感应电动机）结构简单。 但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。
1、电动机—— 运动控制系统的控制对象
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。 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。 2、 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 分立的器件向具有复合功能的功率模块发展
电力拖动实现了电能和机械能之间 的能量转换。 运动控制系统的任务 是：通过控制电机的电压、 电流、频率等输入量来改 变工作机械的转矩、速度、 位移等机械量，使各种工 作机械按人们期望的要求 运行，以满 足生产工艺及 其他应用要求。
电力拖动自动控制系统运动控制系统-四版-复习题-考试题目
电力拖动自动控制系统运动控制系统-四版-复习题-考试题目直流调速系统判断:1弱磁控制时电动机的电磁转矩属于恒功率性质只能拖动恒功率负载而不能拖动恒转矩负载。
<）2采用光电式旋转编码器的数字测速方法中，M 法适用于测高速，T法适用于测低速。
<）3只有一组桥式晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统在位能式负载下能实现制动。
<）4直流电动机变压调速和降磁调速都可做到无级调速。
<）5静差率和机械特性硬度是一回事。
< ）6带电流截止负反馈的转速闭环系统不是单闭环系统。
< ）7电流—转速双闭环无静差可逆调速系统稳态时控制电压Uk 的大小并非仅取决于速度定 Ug*的大小。
<）8双闭环调速系统在起动过程中，速度调节器总是处于饱和状态。
< ）9逻辑无环流可逆调速系统任何时候都不会出现两组晶闸管同时封锁的情况。
<）10可逆脉宽调速系统中电动机的转动方向<正或反）由驱动脉冲的宽窄决定。
<）11双闭环可逆系统中，电流调节器的作用之一是对负载扰动起抗扰作用。
<）与开环系统相比，单闭环调速系统的稳态速降减小了。
< ）12α=β配合工作制的可逆调速系统的制动过程分为本组逆变和它组制动两阶段<）13转速电流双闭环速度控制系统中转速调节为PID调节器时转速总有超调。
<）14 电压闭环相当于电流变化率闭环。
<）15 闭环系统可以改造控制对象。
<）16闭环系统电动机转速与负载电流<或转矩）的稳态关系，即静特性，它在形式上与开环机械特性相似，但本质上却有很大的不同。
17直流电动机弱磁升速的前提条件是恒定电动势反电势不变。
<）18 直流电动机弱磁升速的前提条件是恒定电枢电压不变。
<）19电压闭环会给闭环系统带来谐波干扰，严重时会造成系统振荡。
<）20对电网电压波动来说，电压环比电流环更快。
<）二选择题1直流双闭环调速系统中出现电源电压波动和负载转矩波动时，< ）。
运动控制系统_陈伯时_第4版课后习题答案完整版
2.2 系统的调速范围是1000~100min r ，要求静差率s=2%，那么系统允许的静差转速降是多少？ 解：10000.02(100.98) 2.04(1)n n sn rpm D s ∆==⨯⨯=-系统允许的静态速降为2.04rpm2.3 某一调速系统，在额定负载下，最高转速特性为0max 1500min n r =，最低转速特性为0min 150min n r =，带额定负载时的速度降落15min N n r ∆=，且在不同转速下额定速降不变，试问系统能够达到的调速范围有多大？系统允许的静差率是多少？解：1）调速范围 max min D n n =(均指额定负载情况下）max 0max 1500151485N n n n =-∆=-= min 0min 15015135N n n n =-∆=-= max min 148513511D n n ===2) 静差率 01515010%N s n n =∆==2.4 直流电动机为P N =74kW,UN=220V ，I N =378A ，n N =1430r/min ，Ra=0.023Ω。
相控整流器内阻Rrec=0.022Ω。
采用降压调速。
当生产机械要求s=20%时，求系统的调速范围。
如果s=30%时，则系统的调速范围又为多少？？解：()(2203780.023)14300.1478N N a N Ce U I R n V rpm =-=-⨯= 378(0.0230.022)0.1478115N n I R rpm ∆==⨯+= (1)]14300.2[115(10.2)] 3.1N D n S n s =∆-=⨯⨯-=[(1)]14300.3[115(10.3)] 5.33N D n S n s =∆-=⨯⨯-=2.5 某龙门刨床工作台采用V-M调速系统。
已知直流电动机60,220,305,1000min N N N N P kW U V I A n r ====，主电路总电阻R=0.18Ω,Ce=0.2V•min/r,求：（1）当电流连续时，在额定负载下的转速降落N n ∆为多少？ （2）开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率N S 多少？（3）若要满足D=20,s ≤5%的要求，额定负载下的转速降落N n ∆又为多少? 解：(1)3050.180.2274.5/min N N n I R r ∆=⨯=⨯= (2) 0274.5(1000274.5)21.5%N N S n n =∆=+=(3) [(1)]10000.05[200.95] 2.63/min N n n S D s r ∆=-=⨯⨯=2.6 有一晶闸管稳压电源，其稳态结构图如图所示，已知给定电压*8.8u U V =、比例调节器放大系数2P K =、晶闸管装置放大系数15S K =、反馈系数γ=0.7。
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（1） 接触器开关切换的可逆线路
• KMF闭合，电动机正转； • KMR闭合，电动机反转。
V
+
KMF +Id
~
UUdd
M
-
KMR –Id
KMR KMF
（2）晶闸管开关切换的可逆线路
• VT1、VT4导通，电动机正转； • VT2、VT3导通，电动机反转。
V
+
VVTT11 +Id
~
UUdd
M
-
VVTT22 –Id
4.1.0 问题的提出
有许多生产机械要求电动机既能正转， 又能反转，而且常常还需要快速地起动 和制动，这就需要电力拖动系统具有四 象限运行的特性，也就是说，需要可逆 的调速系统。
4.1.0 问题的提出（续）
直流电动机改变转向的手段： 改变电枢端外供电源的极性 改变励磁电压的极性
直流电机可逆运转的电路解决方案： 可逆电力电子线路
4.1.1 单片微机控制ห้องสมุดไป่ตู้PWM可逆直流调速系统 不要求
4.1.2 可逆晶闸管-电动机系统
一. V-M系统的可逆线路 对应前面提到的实现电动机可逆运转
的两种手段，V-M系统的可逆线路有两 种方式： 电枢反接可逆线路； 励磁反接可逆线路。
1. 电枢反接可逆线路
电枢反接可逆线路的形式有多种，这 里介绍如下3种方式： （1）接触器开关切换的可逆线路 （2）晶闸管开关切换的可逆线路 （3）两组晶闸管装置反并联可逆线路
Ud0 = －Ud0 max cos
（4-2）
2. 单组晶闸管装置的有源逆变
单组晶闸管装置供电的V-M系统在拖动位能型 的负载时也可能出现整流和有源逆变状态。
a）整流状态：提升重物， 90°，Ud0 E，n 0
由电网向电动机提供能量。
R
V+
Ud0 P
+n E -M-
-
-
Id
b）逆变状态：放下重物
E -Mn
-
Id
-
图4-4 两组晶闸管反并联可逆V-M系统的正组整流和反组逆变状态
b) 反组晶闸管装置VR逆变
当电动机需要回馈制动时，由于电机 反电动势的极性未变，要回馈电能必须 产生反向电流，而反向电流是不可能通 过VF流通的。这时，可以利用控制电路 切换到反组晶闸管装置VR，并使它工作 在逆变状态。
电力拖动自动控制系统
第4章
可逆调速系统和位置随动系统
本章在前三章的基础上进一步探讨可逆 调速系统和位置随动系统。本课件选择可 逆调速系统为主要内容。
4.1 可逆直流调速系统
内容提要
问题的提出 晶闸管-电动机系统的可逆线路 晶闸管-电动机系统的回馈制动 两组晶闸管可逆线路中的环流 有环流可逆调速系统 无环流可逆调速系统
在电流连续的条件下，晶闸管装置的平 均理想空载输出电压为
U d0
m π
U
m
sin
π m
cos
Ud0max cos
（4-1）
当控制角为 90°，晶闸管装置处于整流状态； 当控制角为 90°，晶闸管装置处于逆变状态。
因此在整流状态中，Ud0 为正值；在逆变状 态中，Ud0 为负值。为了方便起见，定义逆变角 = 180 – ，则逆变电压公式可改写为
VR处于逆变状态：
此时，r 90°，E > |Ud0r|， n 0
90°，Ud E，n 0
由电动机向电网回馈能量。注意电流方向！
R
V-
-Ud0 +
-
P
E -Mn
Id +
进入回馈的条件： 装置处于逆变 E 与Ud同极性 Ud E
c）机械特性
整流状态：
n
电动机工作于
第1象限；
逆变状态：
电动机工作于 第4象限。
-n
提升
Te
TL
Id
放下
图4-3 单组V-M系统带起重机类型负载时的整流和逆变状态
励磁反接可逆供电方式
V+
Id
-M-
VF + Id
- VR
-Id
-
-
+
主电路
可逆励磁电路
晶闸管反并联励磁反接可逆线路
励磁反接的特点
优点：供电装置功率小。 由于励磁功率仅占电动机额定功率的
1~5%，因此，采用励磁反接方案，所需 晶闸管装置的容量小、投资少、效益高。
缺点：改变转向时间长。 由于励磁绕组的电感大，励磁反向的过
3. 两组晶闸管装置反并联的整流和逆变
现以正组晶闸管装置整流和反组晶闸 管装置逆变为例，说明两组晶闸管装置反 并联可逆线路的工作原理。
a) 正组晶闸管装置VF整流
VF处于整流状态：
此时， f 90°，Ud0f E， n 0
电机从电路吸收能量作电动运行。
a)正组整流电动运行
R
VF +
+
P
Ud0 f
接触器切换线路——适用于不经常正反 转的生产机械；
晶闸管开关切换线路——适用于中、小 功率的可逆系统；
两组晶闸管反并联线路——适用于各种 可逆系统。
二. 晶闸管-电动机系统的回馈制动
1. 晶闸管装置的整流和逆变状态
在两组晶闸管反并联线路的V-M系统中， 晶闸管装置可以工作在整流或有源逆变 状态。
晶闸管开关切换的可逆线路
VTT33 VTT44
• 接触器切换可逆线路的特点 优点：
仅需一组晶闸管装置，简单、经济。
缺点：有触点切换，开关寿命短； 需自由停车后才能反向，时间长。
应用：不经常正反转的生产机械。
（3）两组晶闸管装置反并联可逆线路
两组晶闸管装置反并联可逆供电方式
a) 电路结构
程较慢；又因电动机不允许在失磁的情况 下运行，因此系统控制相对复杂一些。
小结
（1）V-M系统的可逆线路可分为两大类：
电枢反接可逆线路——电枢反接反向过 程快，但需要较大容量的晶闸管装置；
励磁反接可逆线路——励磁反接反向过 程慢，控制相对复杂，但所需晶闸管装 置容量小。
（2）每一类线路又可用不同的换向方式：
但是，不允许让两组晶闸管同时处于整流状 态，否则将造成电源短路，因此对控制电路提
出了严格的要求。
2. 励磁反接可逆线路
改变励磁电流的方向也能使电动机改 变转向。与电枢反接可逆线路一样，可 以采用接触器开关或晶闸管开关切换方 式，也可采用两组晶闸管反并联供电方 式来改变励磁方向。
励磁反接可逆线路见下图，电动机电 枢用一组晶闸管装置供电，励磁绕组由 另外的两组晶闸管装置供电。
VF +
Id
-M-
-
- VR
-Id
+
b) 运行范围 n
正向
O
-Id
Id
反向
-n
图4-2 两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路
两组晶闸管装置可逆运行模式
电动机正转时，由正组晶闸管装置VF供电； 反转时，由反组晶闸管装置VR供电。
两组晶闸管分别由两套触发装置控制，都能 灵活地控制电动机的起、制动和升、降速。