精细版运动控制系统总结.ppt
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《运动控制系统》课件
开环控制系统的缺点是抗干扰能力差，受环境影响较大，无法自动修正误差。
闭环控制系统包含反馈回路，通过负反馈来自动调节系统的输出量，使其达到预定的目标值。
闭环控制系统的优点是精度高，抗干扰能力强，能够自动修正误差，适用于对精度要求较高的复杂系统。
闭环控制系统的缺点是结构复杂，设计难度较大，需要具备一定的稳定性分析和调整能力。
03
反馈控制原理的实现需要具备一定的传感器和控制器技术，以及对系统的数学建模和仿真分析能力。
01
反馈控制原理是通过比较系统的输入与输出信号，将输出信号的差值用于控制执行机构，以实现系统的自动调节。
02
反馈控制原理广泛应用于各种运动控制系统，能够提高系统的稳定性和精度。
04
运动控制系统的应用
运动控制系统能够精确控制机器人的动作和位置，实现自动化生产线的连续作业，提高生产效率和产品质量。
控制器的种类繁多，根据应用需求可以选择不同的控制器，如单片机、PLC、运动控制卡等。
执行器是运动控制系统的输出部分，负责将驱动器的电压或电流信号转换为机械运动。
执行器的种类也很多，常见的有步进电机、伺服电机、直线电机等。
执行器的选择要根据实际应用需求来决定，如需要高精度定位、快速响应等。
传感器的种类也很多，常见的有光电编码器、旋转变压器、霍尔元件等。
自动化决策
智能化运动控制系统将具备自适应学习能力，能够根据不同环境和工况自动调整控制策略，以适应各种复杂和动态的运动需求。
自适应控制
远程监控与控制
通过网络技术，实现对运动控制系统的远程监控和控制，方便对设备进行远程调试、故障诊断和远程维护。
数据共享与协同工作
通过网络化实现多设备之间的数据共享和协同工作，提高生产效率和设备利用率。
闭环控制系统包含反馈回路，通过负反馈来自动调节系统的输出量，使其达到预定的目标值。
闭环控制系统的优点是精度高，抗干扰能力强，能够自动修正误差，适用于对精度要求较高的复杂系统。
闭环控制系统的缺点是结构复杂，设计难度较大，需要具备一定的稳定性分析和调整能力。
03
反馈控制原理的实现需要具备一定的传感器和控制器技术，以及对系统的数学建模和仿真分析能力。
01
反馈控制原理是通过比较系统的输入与输出信号，将输出信号的差值用于控制执行机构，以实现系统的自动调节。
02
反馈控制原理广泛应用于各种运动控制系统，能够提高系统的稳定性和精度。
04
运动控制系统的应用
运动控制系统能够精确控制机器人的动作和位置，实现自动化生产线的连续作业，提高生产效率和产品质量。
控制器的种类繁多，根据应用需求可以选择不同的控制器，如单片机、PLC、运动控制卡等。
执行器是运动控制系统的输出部分，负责将驱动器的电压或电流信号转换为机械运动。
执行器的种类也很多，常见的有步进电机、伺服电机、直线电机等。
执行器的选择要根据实际应用需求来决定，如需要高精度定位、快速响应等。
传感器的种类也很多，常见的有光电编码器、旋转变压器、霍尔元件等。
自动化决策
智能化运动控制系统将具备自适应学习能力，能够根据不同环境和工况自动调整控制策略，以适应各种复杂和动态的运动需求。
自适应控制
远程监控与控制
通过网络技术，实现对运动控制系统的远程监控和控制，方便对设备进行远程调试、故障诊断和远程维护。
数据共享与协同工作
通过网络化实现多设备之间的数据共享和协同工作，提高生产效率和设备利用率。
运动控制系统课件第1-3章
2．电流脉动及其波形的连续与断续
在整流变压器二次侧额定相电压u2的瞬时值大 于反电动势E时，晶闸管才可能被触发导通。
导通后如果u2降低到E以下，靠电感作用可以 维持电流id继续流通。
由于电压波形的脉动，造成了电流波形的脉动。
图2-3 带负载单相全控桥式整流电路的输出 电压和电流波形
图2－4 V-M系统的电流波形 (a) 电流连续
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
J
d m
dt
Te
TL
d m
dt
m
1.3 运动控制系统转矩控制规律
转矩控制是运动控制的根本问 题
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 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
磁链控制同样重要
最大失控时间
Ts max
1 mf
(2-13)
平均失控时间
Ts
1 2 Ts max
式中，f ——交流电源频率(Hz)， m —— 一周内整流电压的脉 波数。
表2-2 晶闸管整流器的失控时间 （f=50Hz）
整流电路形式
最大失控时间 平均失控时间
Tsmax(ms) Ts(ms)
单相半波
20
10
单相桥式（全波）
TL m2 n2
图1-5 风机、泵类负载
直流电动机复习
思考直流电动机是怎样转动起来的？拖动恒转矩 负载时稳态？
直流电动机的稳态特性
n
U IR Ke
式中
n——转速（r/min）; U——电枢电压（V）；
I——电枢电流（A）； R——电枢回路总电阻(Ω）；
φ——励磁磁通（Wb）；
高精度运动控制系统的关键技术及综合运用ppt课件
公司自主研制的0.1微米级精密运动平台及集成 控制系统是微电子制造和测试设备的核心部件，也 是生物医疗设备和精密制造业发展的关键部件，这 些产品在以上领域的应用可以极大提高我国的制造 水平，缩小和先进国家的差距。
3
公司简介（二）
此外公司还与秦皇岛海纳科技公司 合作研发了国内首款可驱动直线电机和 旋转电机的通用型伺服驱动器。该驱动 器具有高阶轨迹生成、支持用户编程等 高端功能，产品性能已达到国际先进水 平，可广泛用于高精密运动控制系统的 驱动和控制。
17
总结
❖ 运动控制技术是多学科复合技术：机械与电子、硬件和软件、算法 和分析
❖ 运动控制应用范围广：开环控制或闭环控制、半闭环或全闭环控制 ❖ 采用闭环控制首要考虑的是系统稳定性 ❖ 运动控制的性能不仅要考核时域响应，还要考核频域特性 ❖ 运动控制系统由控制平台、功率放大器/驱动器、执行机构/电机/
安装误差的影响
15
实例：编码器安装对信号质量及精度的影响（续） 信号质量对误差影响
16
运动控制系统的保护
软件级 •计算错误保护 •位置误差保护 •饱和保护 •震荡保护 •RMS功率保护 •电源故障保护 •急停保护
机械级 •机械限位装置 •机械刹车/卡紧装置 •机械防撞装置 •… …
硬件级 •限位传感器保护 •看门狗保护 •电源故障保护 •过功率保护 •驱动器短路保护 •驱动器过压/欠压保护 •驱动器过温保护 •驱动器RMS电流保护 •… …
➢ 光栅尺的精度
➢ 线距，或信号周期(每毫米线数，或每圈线)
➢ 光栅尺的热敏系数
➢ 差值技术
➢ 信号质量
➢ 频率响应与最高速度
旋转编码器最大速度 = [工作频率 (Hz) / (每转线数) ]*60 [RPM]
3
公司简介（二）
此外公司还与秦皇岛海纳科技公司 合作研发了国内首款可驱动直线电机和 旋转电机的通用型伺服驱动器。该驱动 器具有高阶轨迹生成、支持用户编程等 高端功能，产品性能已达到国际先进水 平，可广泛用于高精密运动控制系统的 驱动和控制。
17
总结
❖ 运动控制技术是多学科复合技术：机械与电子、硬件和软件、算法 和分析
❖ 运动控制应用范围广：开环控制或闭环控制、半闭环或全闭环控制 ❖ 采用闭环控制首要考虑的是系统稳定性 ❖ 运动控制的性能不仅要考核时域响应，还要考核频域特性 ❖ 运动控制系统由控制平台、功率放大器/驱动器、执行机构/电机/
安装误差的影响
15
实例：编码器安装对信号质量及精度的影响（续） 信号质量对误差影响
16
运动控制系统的保护
软件级 •计算错误保护 •位置误差保护 •饱和保护 •震荡保护 •RMS功率保护 •电源故障保护 •急停保护
机械级 •机械限位装置 •机械刹车/卡紧装置 •机械防撞装置 •… …
硬件级 •限位传感器保护 •看门狗保护 •电源故障保护 •过功率保护 •驱动器短路保护 •驱动器过压/欠压保护 •驱动器过温保护 •驱动器RMS电流保护 •… …
➢ 光栅尺的精度
➢ 线距，或信号周期(每毫米线数，或每圈线)
➢ 光栅尺的热敏系数
➢ 差值技术
➢ 信号质量
➢ 频率响应与最高速度
旋转编码器最大速度 = [工作频率 (Hz) / (每转线数) ]*60 [RPM]
【PPT】什么是运动控制系统.
运动控制系统的发展过程及应用（续）
早就普遍应用于恒速运行场合的交流电机可以弥补直流电机的不 足，加之世界范围的能源短缺，人们又开始了新一轮的交流调速的 研究。仅对占传动总量三分之一强的风机、水泵设备而言，如果改 恒速为调速的话，就可节节电30%左右。近三四十年来，随着电力 电子技术、微电子技术、现代控制理论的发展，为交流调速产品的 开发创造了有利的条件，使交流调速逐步具备了宽调速范围、高稳 速精度、快速动态响应和四象限运行等良好的技术性能，并实现了 产品的系列化，从调速性能上完全可与直流调速系统相媲美。目前 交流调速系统已占据主导地位。 当今社会，运动控制系统的应用已相当普及，不论是民用还是军 用。在工厂、农村以及大多数家庭中，到处可以看到以电动机为动 力的各种生产机械或家用电器。例如：轧钢厂的连轧机，加工车间 的切削机床，造纸厂的纸机，纺织厂的纺织机，化工厂的搅拌机和 离心机，搬运场的起重机和传送带，矿山的卷扬机，田间的抽水泵， 家庭中的冰箱、空调、洗衣机以及电脑等。
图0.1 运动控制系统的基本结构
图中的三个主要组成部分是构成运动控制系统所必需的，而 且也是变化多样的。任何一部分微小的变化都可构成不同的 运动控制系统，这些不同系统的共性和特点以及它们的分析 和设计方法就是本课程研究的主要内容。我们把每一部分可 能的变化列于表0.1中。
表中各部分的不同组合，可以构成不同的运动控制系统。电动机部分、功率驱动部分 和控制器中的大部分内容分别在其他课程中有介绍，但它们组合成完整的运动控制系统以 后，有哪些新的控制要求，如何分析系统的性能，如何设计控制器使系统达到较高的性能 指标，在实际应用中存在哪些具体问题，以及如何解决等，这些都是个课程要解决的问题。
0.1 什么是运动控制系统
按中国大百科全书的解释，运动是物质的固有性质和 存在方式，是物质所固有的根本属性．没有不运动的物 质，也没有离开物质的运动、这是基于哲学的解释。与 中文“运动”对应的英义词汇有“movment”和 “motion”，按照大英百科全书的解释，运动是一个物 体相对于另一个物体或相对于一个坐标系统的位置的变 化、这是基于运动学的定义。运动涉及宇宙万物、大到 遥远的天体，小到物质内部的质子和电子，对这些运动 的研究覆盖了整个科学技术领域。 本课程所指的运动(motion)和运动控制系统(motion control system)是近10多年来在国际上流行的一个技术 术语，它源于一种狭义的、约定俗成的共识，即它的主 要研究内容是机械运动过程中涉及的力学、机械学、动 力驱动、运动参数检测和控制等方面的理论和技术问题。
运动控制系统总结资料
运动控制系统总结
第1章 绪论
什么是运动控制系统
• 运动控制系统是以机械运动的驱动设备— —电动机为控制对象，以控制器为核心， 以电力电子功率变换装置为执行机构，在 自动控制理论的指导下组成的电气传动自 动控制系统。
运动控制系统及其组成
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 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，比直流电动机复杂 得多。
运动控制系统的转矩控制规律
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
d m J Te TL dt d m m dt
• 转矩控制是运动控制的根本问题 d m
• 在高速段，与M法测速的分辨率完全相同。 • 在低速段，M1＝1，M2随转速变化，分辨率与T法 测速完全相同。 • M/T法测速无论是在高速还是在低速都有较强的 分辨能力。
Zn 2 Q 60 f 0 Zn
M/T法测速
• 在M法测速中，随着电动机的转速的降低，计数值 减少，测速装置的分辨能力变差，测速误差增大。 • T法测速正好相反，随着电动机转速的增加，计数 值减小，测速装置的分辨能力越来越差。 • 综合这两种测速方法的特点，产生了M/T测速法， 它无论在高速还是在低速时都具有较高的分辨能力 和检测精度。
• T法测速的分辨率定义为时钟脉冲个数由M2变成 (M2-1)时转速的变化量，
60 f 0 60 f 0 60 f 0 Q Z ( M 2 1) ZM 2 ZM 2 ( M 2 1)
（2-81）
• 综合式（2-80）和式（2-81），可得 (2-82) • T法测速的分辨率与转速高低有关，转速越低，Q 值越小，分辨能力越强。
第1章 绪论
什么是运动控制系统
• 运动控制系统是以机械运动的驱动设备— —电动机为控制对象，以控制器为核心， 以电力电子功率变换装置为执行机构，在 自动控制理论的指导下组成的电气传动自 动控制系统。
运动控制系统及其组成
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 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，比直流电动机复杂 得多。
运动控制系统的转矩控制规律
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
d m J Te TL dt d m m dt
• 转矩控制是运动控制的根本问题 d m
• 在高速段，与M法测速的分辨率完全相同。 • 在低速段，M1＝1，M2随转速变化，分辨率与T法 测速完全相同。 • M/T法测速无论是在高速还是在低速都有较强的 分辨能力。
Zn 2 Q 60 f 0 Zn
M/T法测速
• 在M法测速中，随着电动机的转速的降低，计数值 减少，测速装置的分辨能力变差，测速误差增大。 • T法测速正好相反，随着电动机转速的增加，计数 值减小，测速装置的分辨能力越来越差。 • 综合这两种测速方法的特点，产生了M/T测速法， 它无论在高速还是在低速时都具有较高的分辨能力 和检测精度。
• T法测速的分辨率定义为时钟脉冲个数由M2变成 (M2-1)时转速的变化量，
60 f 0 60 f 0 60 f 0 Q Z ( M 2 1) ZM 2 ZM 2 ( M 2 1)
（2-81）
• 综合式（2-80）和式（2-81），可得 (2-82) • T法测速的分辨率与转速高低有关，转速越低，Q 值越小，分辨能力越强。
运动控制系统ppt课件
如果要求D = 20，s ≤ 5%，则由式（1-29）可知
n N D ( n 1 N ss)2 1 0 (1 0 0 0 .0 .0 0)0 r 5 5 /m i2 .6 nr/3 min 由上例可以看出，开环调速系统的额定速降是275 r/min，而生产工艺的要求却只有2.63r/min，相差几乎 百倍！ 由此可见，开环调速已不能满足要求，需采用反馈 控制的闭环调速系统来解决这个问题。
精品课件
3. 静差率与机械特性硬度的区别
然而静差
n
率和机械特性硬度 n0a
又是有区别的。一
∆ nNa
般调压调速系统在
a
不同转速下的机械 n0b
特性是互相平行的 。
∆ nNb
对于同样硬度的特
b
性，理想空载转速 越低时，静差率越 O0
TeN
Te
大，转速的相对稳
定度也就越差。
图1-23 不同转速下的静差率
精品课件
1.4.2 开环调速系统及其存在的问题
若可逆直流脉宽调速系统是开 环调速系统，调节控制电压就可以改变电 动机的转速。如果负载的生产工艺对运行 时的静差率要求不高，这样的开环调速系 统都能实现一定范围内的无级调速，可以 找到一些用途。
但是，许多需要调速的生产机 械常常对静差率有一定的要求。在这些情 况下，开环调速系精统品课往件 往不能满足要求。
精品课件
❖ 结论1：
一个调速系统的调速范围，是指在最 低速时还能满足所需静差率的转速可调范 围。
精品课件
❖ 例题1-1 某直流调速系统电动机额定转
速为，额定速降 nN = 115r/min，当要
求静差率30%时，允许多大的调速范围？ 如果要求静差率20%，则调速范围是多少？ 如果希望调速范围达到10，所能满足的 静差率是多少？
运动控制系统PPT参考课件
9
第1篇 直流拖动பைடு நூலகம்制系统
1.1 直流调速系统用的可控直流电源 ❖ 直流调速方法 ❖ 直流调速电源 ❖ 直流调速控制
10
1.1.1 直流调速方法
根据直流电机转速方程
n U IR Ke
（1-1）
n — 转速（r/min）；
U — 电枢电压（V）；
I — 电枢电流（A）；
R — 电枢回路总电阻（ ）；
晶闸管-电动机调速系统（简称VM系统，又称静止的Ward-Leonard系 统），图中VT是晶闸管可控整流器，通 过调节触发装置 GT 的控制电压 Uc 来移 动触发脉冲的相位，即可改变整流电压 Ud ，从而实现平滑调速。
22
• V-M系统的特点
与G-M系统相比较： 晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提
25
1). 直流斩波器的基本结构
控制电路
+
VT
Us
VD
_
a）原理图
u
+ Us ton
M _O
T
b）电压波形图
图1-5 直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形
Ud t
26
2). 斩波器的基本控制原理
在原理图中，VT 表示电力电子开关器件， VD 表示续流二极管。当VT 导通时，直流电源 电压 Us 加到电动机上；当VT 关断时，直流电 源与电机脱开，电动机电枢经 VD 续流，两端 电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形如 图1-5b ，好像是电源电压Us在ton 时间内被接上， 又在 T – ton 时间内被斩断，故称“斩波”。
改变电压 UN U
U n ， n0
❖ 调速特性：
O
转速下降，机械特性
第1篇 直流拖动பைடு நூலகம்制系统
1.1 直流调速系统用的可控直流电源 ❖ 直流调速方法 ❖ 直流调速电源 ❖ 直流调速控制
10
1.1.1 直流调速方法
根据直流电机转速方程
n U IR Ke
（1-1）
n — 转速（r/min）；
U — 电枢电压（V）；
I — 电枢电流（A）；
R — 电枢回路总电阻（ ）；
晶闸管-电动机调速系统（简称VM系统，又称静止的Ward-Leonard系 统），图中VT是晶闸管可控整流器，通 过调节触发装置 GT 的控制电压 Uc 来移 动触发脉冲的相位，即可改变整流电压 Ud ，从而实现平滑调速。
22
• V-M系统的特点
与G-M系统相比较： 晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提
25
1). 直流斩波器的基本结构
控制电路
+
VT
Us
VD
_
a）原理图
u
+ Us ton
M _O
T
b）电压波形图
图1-5 直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形
Ud t
26
2). 斩波器的基本控制原理
在原理图中，VT 表示电力电子开关器件， VD 表示续流二极管。当VT 导通时，直流电源 电压 Us 加到电动机上；当VT 关断时，直流电 源与电机脱开，电动机电枢经 VD 续流，两端 电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形如 图1-5b ，好像是电源电压Us在ton 时间内被接上， 又在 T – ton 时间内被斩断，故称“斩波”。
改变电压 UN U
U n ， n0
❖ 调速特性：
O
转速下降，机械特性
运动控制系统(3).ppt
nNIC de R N30 0 .2 0.5 1r8 /m i2 n7 r/m 5 in
开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率为
sN n N n N n N 12 0 2 7 07 5 0 0 .5 21 26 .6 1 %
这已大大超过了5%的要求，更不必谈调到最 低速了。
如果要求D = 20，s ≤ 5%，则由式（1-29）可知
❖ 例题1-2 某龙门刨床工作台拖动采用直流 电动机，其额定数据如下：60kW、220V、 305A、1000r/min，采用V-M系统，主电路 总电阻，电动机电动势系数。如果要求调 速范围 D = 20，静差率5%，采用开环调速 能否满足？若要满足这个要求，系统的额 定速降最多能有多少？
解 当电流连续时，V-M系统的额定速降为
空载增加到额定值时所对应的转速降落 nN ，与理
想空载转速
n0
之比，称作静差率 s nN
s
，即
（1-32）
或用百分数表示
n0
s nN 100% n0
（1-33）
式中 nN = n0 - nN
3. 静差率与机械特性硬度的区别
然而静差率和
n
机械特性硬度又是 n0a
有区别的。一般调
∆ nNa
压调速系统在不同
1.4.2 开环调速系统及其存在的问题
若可逆直流脉宽调速系统是开环调速 系统，调节控制电压就可以改变电动机的 转速。如果负载的生产工艺对运行时的静 差率要求不高，这样的开环调速系统都能 实现一定范围内的无级调速，可以找到一 些用途。
但是，许多需要调速的生产机械常常 对静差率有一定的要求。在这些情况下， 开环调速系统往往不能满足要求。
于是，最低转速为 nmi n n sN nN(1ss) nN
开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率为
sN n N n N n N 12 0 2 7 07 5 0 0 .5 21 26 .6 1 %
这已大大超过了5%的要求，更不必谈调到最 低速了。
如果要求D = 20，s ≤ 5%，则由式（1-29）可知
❖ 例题1-2 某龙门刨床工作台拖动采用直流 电动机，其额定数据如下：60kW、220V、 305A、1000r/min，采用V-M系统，主电路 总电阻，电动机电动势系数。如果要求调 速范围 D = 20，静差率5%，采用开环调速 能否满足？若要满足这个要求，系统的额 定速降最多能有多少？
解 当电流连续时，V-M系统的额定速降为
空载增加到额定值时所对应的转速降落 nN ，与理
想空载转速
n0
之比，称作静差率 s nN
s
，即
（1-32）
或用百分数表示
n0
s nN 100% n0
（1-33）
式中 nN = n0 - nN
3. 静差率与机械特性硬度的区别
然而静差率和
n
机械特性硬度又是 n0a
有区别的。一般调
∆ nNa
压调速系统在不同
1.4.2 开环调速系统及其存在的问题
若可逆直流脉宽调速系统是开环调速 系统，调节控制电压就可以改变电动机的 转速。如果负载的生产工艺对运行时的静 差率要求不高，这样的开环调速系统都能 实现一定范围内的无级调速，可以找到一 些用途。
但是，许多需要调速的生产机械常常 对静差率有一定的要求。在这些情况下， 开环调速系统往往不能满足要求。
于是，最低转速为 nmi n n sN nN(1ss) nN
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• 特性a和b的静 差率不相同。
图2-14 不同转速下的静差课件率
调速范围、静差率和额定速降之间的关系
D nN s nN (1 s)
课件
转速反馈控制直流调速系统
•
n K pKsUn* Id R K pKsUn* RId
Ce (1 K pKs / Ce )课件 Ce (1 K ) Ce (1 K )
• 准确的测速时间是用所得的高频时钟脉冲个数M2 计算出来的，即 Tt M 2 / f0 ，
• 电动机转速为
n 60 60 f0 ZT课t件 ZM 2
（2-80）
• T(M法2-测1)速时的转分速辨的率变定化义量为，时钟脉冲个数由M2变成
Q 60 f0 60 f0
60 f0
Z (M 2 1) ZM 2 ZM 2 (M 2 1)
• 输入输出关系为
U d 0 K sU c 1(t Ts )
Ws (s)
U d0 (s) Uc (s)
K s e Tss
Ws
(
s
)
1
Ks Ts
s
课件
直流PWM变换器-电动机系统
课件
不可逆PWM变换器-直流电动机系统
Ud
t on T
U
s
U s
电压和电流波形
课件
有制动电流通路的不可逆 PWM变换器-直流电动机系统
表3-4 典型Ⅱ型系统阶跃输入跟随性能指标 (按Mrmin准则确定参数关系)
h
3
4
5
6
7
8
9
10
52.6% 43.6% 37.6% 33.2% 29.8% 27.2% 25.0% 23.3%
tr / T 2.4 2.65 2.85 3.0 3.1 3.2 3.3 3.35
ts / T 12.15 11.65 9.55 10.45 11.30 12.25 13.25 14.20
运动控制系统总结
第1章 绪论
课件
什么是运动控制系统
• 运动控制系统是以机械运动的驱动设备— —电动机为控制对象，以控制器为核心， 以电力电子功率变换装置为执行机构，在 自动控制理论的指导下组成的电气传动自 动控制系统。
课件
运动控制系统及其组成
课件
直流调速系统
直流电动机的数学模型简单，转矩易 于控制。
U s RI d E RI d Cen
直流PWM调速系统（课电件 流连续）的机械特性
转速控制的要求和稳态调速性能指标
调速范围
静差率s
D nmax nm in
s nN 100 % n0
课件
静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准
• 特性a和b的硬 度相同，
• 特性a和b额定 速降相同，
• 综合这两种测速方法的特点，产生了M/T测速法， 它无论在高速还是在低速时都具有较高的分辨能力 和检测精度。
课件
• 在高速段，与M法测速的分辨率完全相同。 • 在测低速速完段 全， 相M同1。＝1，M2随转速变化，分辨率与T法
• M/T法测速无论是在高速还是在低速都有较强的 分辨能力。
课件
2.5.2带电流截止负反馈环节的 直流调速系统
一般电动状态的 电压、电流波形
课件
Ud E
U g1 的正脉冲比 负脉冲窄 ，
E Ud
id 始终为负。
制动状态的电压、电流波形 图2-11 有制动电流通路的不可逆课件PWM变换器-直流电动机系统
VT1、VD2、VT2和VD1
id
四个管子轮流导通。
1
2
0
t4
4
ton
t2 T
t
3
(d) 轻载电动状态课的件 电流波形
sr (Tjs 1)
j 1
常把Ⅰ型和Ⅱ型系统作为系统设计的目标。
课件
• K值越大，截止频率
c 也越大，系统响
应越快，相角稳定裕
度 越小，快速性
与稳定性之间存在矛 盾。 • 在选择参数 K 时， 须在快速性与稳定性 之间取折衷。
课件
表3-1 典型Ⅰ型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系
参数关系KT
• 采用“振荡指标法”中的闭环幅频特性峰值最小准则，可 以找到和两个参数之间的一种最佳配合。
2 2h c h 1
(3-25)
c h 1 1 2
(3-26)
• 在确定了h之后，可求得
M r min
h h
1 1
hT
(3-29)
K
1c
12
h 1 2
(1 hT
)2
h 1 2
h 1 2h2T 2
课件
(3-30)
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。
课件
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
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，比直流电动机复杂 得多。
课件
运动控制系统的转矩控制规律
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
（2-81）
• 综合式（2-80）和式（2-81），可得
Q Zn2 60 f0 Zn
(2-82)
• T法测速的分辨率与转速高低有关，转速越低，Q 值越小，分辨能力越强。
课件
M/T法测速
• 在M法测速中，随着电动机的转速的降低，计数值 减少，测速装置的分辨能力变差，测速误差增大。
• T法测速正好相反，随着电动机转速的增加，计数 值减小，测速装置的分辨能力越来越差。
课件
3.2 转速、电流反馈控制直流调速系统 的数学模型与动态过程分析
3.2.1 转速、电流反馈控制直流调速系统的动态数学模型
图3-5 双闭环直流调速系统的动态结构图
课件
电流Id从零增长到Idm， 然后在一段时间内维持
其值等于Idm不变， 以后又下降并经调节后
到达稳态值IdL。
图3-6 双闭环
直流调速系统
ZTc
ZTc ZTc
（2-78）
• M法测速的分辨率与实际转速的大小无关。
• M法的测速误差率的最大值为
60M 1 60( M 1 1 )
max ZTc
ZTc 60M 1
ZTc
100% 1 100%
M1
（2-79）
• δmax与M1成反比。转速愈低，M1愈小，误差率愈
大。
课件
T法测速
• T法测速是测出旋转编码器两个输出脉冲之间的间隔 时间来计算转速，又被称为周期法测速。
起动过程的转
课件
速和电流波形
• 双闭环直流调速系统的起动过程有以下三 个特点：
（1）饱和非线性控制 （2）转速超调 （3）准时间最优控制
课件
3.3 转速、电流反馈控制 直流调速系统的设计
3.3.1 控制系统的动态性能指标 • 在控制系统中设置调节器是为了改善系统
的静、动态性能。 • 控制系统的动态性能指标包括对给定输入
0.5 16.3 %
2.4T 3.2T 51.8 ° 0.786/T
课件
定义中频宽： h 2
T 1
(3-23)
中频宽表示了斜率为20dB/sec的中频的宽度，是一
个与性能指标紧密相关的参数。
课件
“振荡指标法”中的闭环幅频特性峰值最小准则：对 于一定的h值，只有一个确定的ωc(或K)，可得到最 小的闭环幅频特性峰值Mrmin
nN
n1
Ra
n2 n3
R1
R2
R3
O
IL
I
调阻调速特性曲线
课件
n
n3
n0
nn12 nN
O
TL
N 1 2 3
Te
调磁调速特性曲线
课件
第2章
转速反馈控制的直流调速系统
课件
晶闸管整流器-电动机系统
•
U d K sU c
课件
电流连续时V-M系统的机械特性
•
n
1 Ce
(U
d0
Id
R
)
课件
晶闸管触发电路与整流装置的传递函数
J
d m
dt
Te
TL
d m
dt
m
课件
• 转矩控制是运动控制的根本问题
J
dm
dt
Te
TL
• 磁链控制同样重要
Te KT Ia
课件
生产机械的负载转矩特性
• 生产机械的负载转矩TL是一个必然存 在的不可控扰动输入。
J
dm
dt
Te
TL
课件
恒转矩负载
a）位能性恒转矩负载 b) 反抗性恒转矩负载
• 再按照控制对象确定电流调节器的类型，按动态 性能指标要求确定电流调节器的参数。
• 电流环设计完成后，把电流环等效成转速环（外 环）中的一个环节，再用同样的方法设计转速环 为典型II型系统。
课件
图3-26 双闭环调速系统内环和外环的开环对数幅频特性 I——电流内环 n——转速外环
（3）内、外环开环对数幅频特性的比较 • 外环的响应比内环慢，这是按上述工程设计方法设计多环控
Q n2 n1
• 转速实际值和测量值之差与实际值之比定 义为测速误差率
n 100%
n 课件
M法测速
• 记取一个采样周期内旋转编码器发出的脉冲个
数来算出转速的方法称为M法测速，又称频率
法测速。
n 60 M 1 r/min ZTc
(2-77)
课件
• M法测速分辨率为
Q 60(M1 1) 60M1 60
0.25 0.39
0.5
0.69
1.0
阻尼比 超调量
图2-14 不同转速下的静差课件率
调速范围、静差率和额定速降之间的关系
D nN s nN (1 s)
课件
转速反馈控制直流调速系统
•
n K pKsUn* Id R K pKsUn* RId
Ce (1 K pKs / Ce )课件 Ce (1 K ) Ce (1 K )
• 准确的测速时间是用所得的高频时钟脉冲个数M2 计算出来的，即 Tt M 2 / f0 ，
• 电动机转速为
n 60 60 f0 ZT课t件 ZM 2
（2-80）
• T(M法2-测1)速时的转分速辨的率变定化义量为，时钟脉冲个数由M2变成
Q 60 f0 60 f0
60 f0
Z (M 2 1) ZM 2 ZM 2 (M 2 1)
• 输入输出关系为
U d 0 K sU c 1(t Ts )
Ws (s)
U d0 (s) Uc (s)
K s e Tss
Ws
(
s
)
1
Ks Ts
s
课件
直流PWM变换器-电动机系统
课件
不可逆PWM变换器-直流电动机系统
Ud
t on T
U
s
U s
电压和电流波形
课件
有制动电流通路的不可逆 PWM变换器-直流电动机系统
表3-4 典型Ⅱ型系统阶跃输入跟随性能指标 (按Mrmin准则确定参数关系)
h
3
4
5
6
7
8
9
10
52.6% 43.6% 37.6% 33.2% 29.8% 27.2% 25.0% 23.3%
tr / T 2.4 2.65 2.85 3.0 3.1 3.2 3.3 3.35
ts / T 12.15 11.65 9.55 10.45 11.30 12.25 13.25 14.20
运动控制系统总结
第1章 绪论
课件
什么是运动控制系统
• 运动控制系统是以机械运动的驱动设备— —电动机为控制对象，以控制器为核心， 以电力电子功率变换装置为执行机构，在 自动控制理论的指导下组成的电气传动自 动控制系统。
课件
运动控制系统及其组成
课件
直流调速系统
直流电动机的数学模型简单，转矩易 于控制。
U s RI d E RI d Cen
直流PWM调速系统（课电件 流连续）的机械特性
转速控制的要求和稳态调速性能指标
调速范围
静差率s
D nmax nm in
s nN 100 % n0
课件
静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准
• 特性a和b的硬 度相同，
• 特性a和b额定 速降相同，
• 综合这两种测速方法的特点，产生了M/T测速法， 它无论在高速还是在低速时都具有较高的分辨能力 和检测精度。
课件
• 在高速段，与M法测速的分辨率完全相同。 • 在测低速速完段 全， 相M同1。＝1，M2随转速变化，分辨率与T法
• M/T法测速无论是在高速还是在低速都有较强的 分辨能力。
课件
2.5.2带电流截止负反馈环节的 直流调速系统
一般电动状态的 电压、电流波形
课件
Ud E
U g1 的正脉冲比 负脉冲窄 ，
E Ud
id 始终为负。
制动状态的电压、电流波形 图2-11 有制动电流通路的不可逆课件PWM变换器-直流电动机系统
VT1、VD2、VT2和VD1
id
四个管子轮流导通。
1
2
0
t4
4
ton
t2 T
t
3
(d) 轻载电动状态课的件 电流波形
sr (Tjs 1)
j 1
常把Ⅰ型和Ⅱ型系统作为系统设计的目标。
课件
• K值越大，截止频率
c 也越大，系统响
应越快，相角稳定裕
度 越小，快速性
与稳定性之间存在矛 盾。 • 在选择参数 K 时， 须在快速性与稳定性 之间取折衷。
课件
表3-1 典型Ⅰ型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系
参数关系KT
• 采用“振荡指标法”中的闭环幅频特性峰值最小准则，可 以找到和两个参数之间的一种最佳配合。
2 2h c h 1
(3-25)
c h 1 1 2
(3-26)
• 在确定了h之后，可求得
M r min
h h
1 1
hT
(3-29)
K
1c
12
h 1 2
(1 hT
)2
h 1 2
h 1 2h2T 2
课件
(3-30)
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。
课件
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
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，比直流电动机复杂 得多。
课件
运动控制系统的转矩控制规律
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
（2-81）
• 综合式（2-80）和式（2-81），可得
Q Zn2 60 f0 Zn
(2-82)
• T法测速的分辨率与转速高低有关，转速越低，Q 值越小，分辨能力越强。
课件
M/T法测速
• 在M法测速中，随着电动机的转速的降低，计数值 减少，测速装置的分辨能力变差，测速误差增大。
• T法测速正好相反，随着电动机转速的增加，计数 值减小，测速装置的分辨能力越来越差。
课件
3.2 转速、电流反馈控制直流调速系统 的数学模型与动态过程分析
3.2.1 转速、电流反馈控制直流调速系统的动态数学模型
图3-5 双闭环直流调速系统的动态结构图
课件
电流Id从零增长到Idm， 然后在一段时间内维持
其值等于Idm不变， 以后又下降并经调节后
到达稳态值IdL。
图3-6 双闭环
直流调速系统
ZTc
ZTc ZTc
（2-78）
• M法测速的分辨率与实际转速的大小无关。
• M法的测速误差率的最大值为
60M 1 60( M 1 1 )
max ZTc
ZTc 60M 1
ZTc
100% 1 100%
M1
（2-79）
• δmax与M1成反比。转速愈低，M1愈小，误差率愈
大。
课件
T法测速
• T法测速是测出旋转编码器两个输出脉冲之间的间隔 时间来计算转速，又被称为周期法测速。
起动过程的转
课件
速和电流波形
• 双闭环直流调速系统的起动过程有以下三 个特点：
（1）饱和非线性控制 （2）转速超调 （3）准时间最优控制
课件
3.3 转速、电流反馈控制 直流调速系统的设计
3.3.1 控制系统的动态性能指标 • 在控制系统中设置调节器是为了改善系统
的静、动态性能。 • 控制系统的动态性能指标包括对给定输入
0.5 16.3 %
2.4T 3.2T 51.8 ° 0.786/T
课件
定义中频宽： h 2
T 1
(3-23)
中频宽表示了斜率为20dB/sec的中频的宽度，是一
个与性能指标紧密相关的参数。
课件
“振荡指标法”中的闭环幅频特性峰值最小准则：对 于一定的h值，只有一个确定的ωc(或K)，可得到最 小的闭环幅频特性峰值Mrmin
nN
n1
Ra
n2 n3
R1
R2
R3
O
IL
I
调阻调速特性曲线
课件
n
n3
n0
nn12 nN
O
TL
N 1 2 3
Te
调磁调速特性曲线
课件
第2章
转速反馈控制的直流调速系统
课件
晶闸管整流器-电动机系统
•
U d K sU c
课件
电流连续时V-M系统的机械特性
•
n
1 Ce
(U
d0
Id
R
)
课件
晶闸管触发电路与整流装置的传递函数
J
d m
dt
Te
TL
d m
dt
m
课件
• 转矩控制是运动控制的根本问题
J
dm
dt
Te
TL
• 磁链控制同样重要
Te KT Ia
课件
生产机械的负载转矩特性
• 生产机械的负载转矩TL是一个必然存 在的不可控扰动输入。
J
dm
dt
Te
TL
课件
恒转矩负载
a）位能性恒转矩负载 b) 反抗性恒转矩负载
• 再按照控制对象确定电流调节器的类型，按动态 性能指标要求确定电流调节器的参数。
• 电流环设计完成后，把电流环等效成转速环（外 环）中的一个环节，再用同样的方法设计转速环 为典型II型系统。
课件
图3-26 双闭环调速系统内环和外环的开环对数幅频特性 I——电流内环 n——转速外环
（3）内、外环开环对数幅频特性的比较 • 外环的响应比内环慢，这是按上述工程设计方法设计多环控
Q n2 n1
• 转速实际值和测量值之差与实际值之比定 义为测速误差率
n 100%
n 课件
M法测速
• 记取一个采样周期内旋转编码器发出的脉冲个
数来算出转速的方法称为M法测速，又称频率
法测速。
n 60 M 1 r/min ZTc
(2-77)
课件
• M法测速分辨率为
Q 60(M1 1) 60M1 60
0.25 0.39
0.5
0.69
1.0
阻尼比 超调量