运动控制系统第一章新版
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运动控制系统第1讲
全控整流电路运行特性
正、反两组全控整流电路 运行特性
晶闸管整流器相关的问题：
* 晶闸管的单向导电性，给系统的可逆运行造成困难； * 晶闸管元件对过电压、过电流以及过高的du/dt和di/dt
都很敏感，因此晶闸管整流电路设有许多保护环节； * 当系统处在深调速状态时，晶闸管的导通角很小，使 得系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流，引起电 网电压畸变，殃及附近的用电设备。若其没备容量在电网 中所占比重较大，必须增设无功补偿和谐波滤波装置。
1.1.2 调压调速方案分析
1.1.2.1 旋转变流机组 1 系统组成： 交流电动机、直 流发电机G、 励磁 发电机GE、直流 电动机
旋转变流机组系统结构组成示意图
2 工作原理：
由交流电动机拖动直流 发电机G实现变流，发电 机给需要调速的直流电动 机M供电。调节发电机的 励滋电流If可改变其输出电 压U，从而调节直流电动 机的转速n。这样的调速系 统简称为G—M系统。
1.2 晶闸管-电动机（V-M）系统的特殊问题
V-M系统本质上是带R、L、E负载的晶闸管可 控整流电路。根据分析调速系统的需要，重点地 归纳出V—M系统的几个特殊问题。
1.2.1 触发脉冲相位控制
(电力电子知识)
在V-M系统中，调节给定 电压Ug；即可移动触发装置 GT输出脉冲的相位，从而很 方便地改变整流器的输出瞬 时电压ud和平均电压Ud。
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。
目前，以直流控制为基础的现代交流调速系 统发展日趋完善！
1.0.6 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 程式为： 1、旋转运动系统的牛顿第二定律 dω J Te - TL = dt dω 其中， J 为惯性转矩 dt
01-运动控制系统概述
运动控制系统/伺服系统
• 伺服系统（Servo System）/随动控制系统
• 是一种以机械位置或角度以及（速度，加速度） 作为控制对象的自动控制系统。
• 它的根本任务是实现执行机构对给定指令的准确 跟踪（包含反馈环节），即实现输出变量的某种 状态能够自动、连续、精确地复现输入指令信号 （期望值）的变化规律。
-
控制器
驱动器Βιβλιοθήκη 电动机生产机械测量反馈装置
运动控制系统的控制目标
• （1 ）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 到另一确定的空间位置。（数控机床、机器人）
• （2 ）速度和加速度控制 • 以确定的速度曲线使负载产生运动。（电梯）
• （3 ）转矩控制 • 通过转矩的反馈来维持转矩的恒定。（造纸机械）
运动控制系统概述
• 运动控制就是以机械运动的驱动设备为控制对象 （电机），以控制器为核心，以电力电子的功率变 换装置为驱动，在自动控制理论指导下，对运动部 件的位置、速度、转矩等进行实时的控制管理，使 运动部件按照预期的轨迹和规定的运动参数（如速 度、加速度等）或动力参数（转矩）完成相应的动 作。
电网 给定量
•
伺服系统
衡量伺服系统性能的主要指标还有频带宽度。
频带宽度简称带宽，由系统频率响应特性来规定，反映伺服系 统的跟踪的快速性。带宽越大，快速性越好。伺服系统的带宽 主要受控制对象和执行机构的惯性的限制。惯性越大，带宽越 窄。
典型运动控制系统（伺服系统）结构
• 开环运动控制系统
结构简单，方便； 位置精度取决于步进电机的精度、 传动系统的精度以及摩擦阻尼等特性
典型运动控制系统（伺服系统）结构
• 半闭环运动控制系统
普遍配有内环（电流
运动控制系统第1讲
五、 教学过程
教学目的与要求
课程的设置目的: 融合多门课程知识,训练综合分析及解决问题的能力! 教学要求: 1 按时出勤、提高课堂效率; 2 独立完成实验及课外作业; 3 成绩构成:平时15%、实验15%、期末考试70%
学习方法
勤于思考,善于总结， “温故知新”的认知系统结 构组成、定性分析工作原理；运用自控原理的方 法定量分析系统的稳态、动态过程。
运动控制系统主要教学内容
开环系统
晶闸管+PID控制器
单闭环系统 多环系统
电 动 机 调 速 系 统
直流电动机 调速系统
（相控）
GTO/IGBT+PID控制器构成的系统
（斩控）
交流调压调速系统 交流电动机 调速系统 变频变压调速系统 同步电动机调速系统系统 串极调速系统
可 逆 系 统
运动控制系统涉及的知识范围
K e：电动势常数
3、直流电动机的调速方法
n = ( U - IaR ) / K eΦ （1）调节电枢电压 n
Ud1<Ud2<Ud3<Un
om
当磁通Φ 和电阻 nnom R一定时，改变电 n1 枢电压U，可以平 n2 滑地调节转速n，机 n3 械特性将上下平移， 如图所示。
1、恒转矩负载
负载转矩的大小恒定，称作恒转矩负载。 a）位能性恒转矩负载 ；b) 反抗性恒转矩负载
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
恒功率转矩负载
TL
m
PL
常数
m
3、风机、泵类负载
负载转矩与转速的 平方成正比，称作 风机、泵类负载
风机、泵类负载
《运动控制系统》教案
《运动控制系统》教案第一章：运动控制系统概述1.1 运动控制系统的定义1.2 运动控制系统的作用1.3 运动控制系统的发展历程1.4 运动控制系统的应用领域第二章：运动控制系统的组成2.1 控制器2.2 执行器2.3 传感器2.4 驱动器2.5 运动控制器与执行器的接口第三章：运动控制算法3.1 PID控制算法3.2 模糊控制算法3.3 神经网络控制算法3.4 自适应控制算法3.5 预测控制算法第四章：运动控制系统的性能评估4.1 动态性能评估4.2 静态性能评估4.3 稳态性能评估4.4 鲁棒性评估4.5 节能性能评估第五章：运动控制系统的应用案例5.1 运动控制5.2 数控机床运动控制5.3 电动汽车运动控制5.4 无人机运动控制5.5 生物医学运动控制第六章：运动控制系统的建模与仿真6.1 运动控制系统的数学建模6.2 运动控制系统的计算机仿真6.3 仿真软件的选择与应用6.4 系统建模与仿真的实际案例6.5 建模与仿真在运动控制系统设计中的应用第七章：运动控制系统的故障诊断与容错控制7.1 运动控制系统的常见故障及诊断方法7.2 故障诊断算法及其在运动控制系统中的应用7.3 容错控制策略及其在运动控制系统中的应用7.4 故障诊断与容错控制在提高运动控制系统可靠性方面的作用7.5 故障诊断与容错控制的实际案例分析第八章：运动控制系统的优化与调整8.1 运动控制系统的性能优化方法8.2 控制器参数的整定方法8.3 系统调整过程中的注意事项8.4 优化与调整在提高运动控制系统性能方面的作用8.5 运动控制系统优化与调整的实际案例第九章：运动控制系统在工业中的应用9.1 运动控制系统在制造业中的应用9.2 运动控制系统在自动化生产线中的应用9.3 运动控制系统在技术中的应用9.4 运动控制系统在电动汽车技术中的应用9.5 运动控制系统在其他工业领域中的应用第十章：运动控制系统的发展趋势与展望10.1 运动控制系统技术的发展趋势10.2 运动控制系统在未来的应用前景10.3 我国运动控制系统产业的发展现状与展望10.4 运动控制系统领域的研究热点与挑战10.5 面向未来的运动控制系统教育与人才培养重点和难点解析重点一：运动控制系统的作用和应用领域运动控制系统在现代工业和科技领域中起着至关重要的作用。
运动控制系统1(new1)
（2）按控制目的分类
调速系统、位置随动系统（位置伺服系统）
（3）按控制电路实现方式分类
模拟控制方式、数字模拟混合控制方式、全数字控制方式
2014-11-28 20
四、运动控制系统的发展概况
运动控制系统的主要部分：
控制电路－电力电子变换器－电动机
1. 控制电路方面的发展
三角波 振荡器
Ucn
+ U fn
2014-11-28
1
《运动控制系统》
交流变频调速与随动系统
主讲教师：赵 金 刘 洋 Tel：87543730
目
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节
前言
录
交流调速的基本类型 交流电动机电压/频率协调控制 交流电动机转差频率控制
交流电动机矢量控制
交流电动机直接转矩控制 位置随动系统
Fig. 5
2014-11-28
27
2014-11-28
TEXAS INSTRUMENTS TMS320 DSP EVOLUTION
28
HIGH PERFORMANCE POWER EFFICIENT CONTROL OPTIMIZED
TMS320C6000
TMS320C5000
TMS320C2000
它是电力电子和自动控制技术的主要应用领域。作为机电能
量变换的运动控制系统在国民经济各部门起着重要的作用。
2014-11-28 4
运动控制系统：以电机为对象，以电力电子（功率）变换 器为弱电控制强电的媒质，以自动控制理论为分析和设计 基础，以电子线路或计算机为控制手段，实现物体位置、
速度等物理量控制。
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调速系统、位置随动系统（位置伺服系统）
（3）按控制电路实现方式分类
模拟控制方式、数字模拟混合控制方式、全数字控制方式
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四、运动控制系统的发展概况
运动控制系统的主要部分：
控制电路－电力电子变换器－电动机
1. 控制电路方面的发展
三角波 振荡器
Ucn
+ U fn
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1
《运动控制系统》
交流变频调速与随动系统
主讲教师：赵 金 刘 洋 Tel：87543730
目
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节
前言
录
交流调速的基本类型 交流电动机电压/频率协调控制 交流电动机转差频率控制
交流电动机矢量控制
交流电动机直接转矩控制 位置随动系统
Fig. 5
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27
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TEXAS INSTRUMENTS TMS320 DSP EVOLUTION
28
HIGH PERFORMANCE POWER EFFICIENT CONTROL OPTIMIZED
TMS320C6000
TMS320C5000
TMS320C2000
它是电力电子和自动控制技术的主要应用领域。作为机电能
量变换的运动控制系统在国民经济各部门起着重要的作用。
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运动控制系统：以电机为对象，以电力电子（功率）变换 器为弱电控制强电的媒质，以自动控制理论为分析和设计 基础，以电子线路或计算机为控制手段，实现物体位置、
速度等物理量控制。
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运动控制第一章习题答案
按稳态性能指标要求 K ≥ 27.9
∴ 此闭环系统不稳定
1－12 解：由题意知 I dbl = 1.5 × 94 = 141A, I dcr = 1.1× 94 = 103.4 A
* UN 15 α≈ = = 0.015 nN 1000
①
② Ce =
U N − I N Ra 220 − 94 × 0.15 = = 0.2059 nN 1000
(1) 开环系统静态速降
∆nop = I N R 15.6 × (1.5 + 1) = = 297.7 r min Ce 0.131
∴ 当系统开环工作且 D=30 时
s=
D∆nop nN + D∆nop
=
30 × 297.7 × 100% = 85.6% 1500 + 30 × 297.7
（2）D=3 , ∆ncl =
= 2 × 12.5 = 25 A, I dcr = 1.2 ×12.5 = 15 A
* UN + U com I = db1 RS I = U com dcr RS
15 + U com 25 = RS 即 15 = U com RS
解得： RS (2)
= 1.5Ω, U com = 22.5V
1 1 R 'S = ( Ra + Rrec ) = × (1.2 + 1.5) = 0.9Ω 3 3
∴
U 'com = I dcr × R 'S = 15 × 0.9 = 13.5V
图略
1－15 解： L = 50mH
计算各环节时间常数：
L 0.05 = = 0.0185s R 2.7 GD 2 R 1.6 × 2.7 = = 0.062 s 375CeCm 375 × 9.55 × 0.142
第1章电力拖动自动控制系统运动控制系统第5版
1.4 生产机械的负载转矩特性
生产机械的负载转矩是一个必然存 在的不可控扰动输入。
归纳出几种典型的生产机械负载转 矩特性，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 体情况加以分析。
恒转矩负载
负载转矩的大小 恒定，称作恒转 矩负载
a）位能性恒 转矩负载
b) 反抗性恒转 矩负载
TL 常数
1.3 运动控制系统转矩控制规律
运动控制系统的基本运动方程式
d
( J m
dt
)
Te
TL
Dm
Km
dm
dt
m
1.3 运动控制系统转矩控制规律
当J为常数时，运动控制系统的基本 运动方程式
J
d m
dt
Te
TL
Dm
K m
d m
dt
m
1.3 运动控制系统转矩控制规律
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比。
1.2 运动控制系统的历史与发展
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。
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 转速闭环的转差频率控制系统
内容提要
运动控制系统及其组成 运动控制系统的历史与发展 运动控制系统转矩控制规律 生产机械的负载转矩特性
现代运动控制技术
电机学、电力电子 技术、微电子技 术、计算机控制 技术、控制理论、 信号检测与处理 技术等多门学科 相互交叉的综合 性学科 。
图1-1运动控制及其相关学科
1.1 运动控制系统及其组成
图1-3 恒转矩负载
运动控制系统上海大学全部章节内容
目录
第2篇 交流拖动控制系统
第5章 闭环控制的异步电动机变压调速系
统——一种转差功率消耗型调速系统
第6章 笼型异步电动机变压变频调速系统
——转差功率不变型调速系统
第7章 绕线转子异步电动机双馈调速系统
——转差功率馈送型调速系统
2020/4/5
自动化与电气工程系 3
第1篇 直流拖动控制系统
第1篇 直流拖动控制系统
n U IR K eΦ
调节电枢供电电压U；
减弱励磁磁通；
2020/4/5
改变电枢回路电阻R。
自动化与电气工程系 17
0 绪论
调节电枢供电电压调速 响应快，一恒定转范矩
工作条件：
围内无级平调滑速调方法
保持励磁 =
N
n
保持电阻 R = n0
Ra 调节过程：
改变电压 UN
速，但需要大容 量直流电源
电力拖动自动控制系统 ——运动控制系统
多媒体课件
高敬格 制作
2020/4/5
自动化与电气工程系 1
目录
第1篇 直流拖动控制系统
第1章 闭环控制的直流调速系统 第2章 转速、电流双闭环直流调速系统和 调节器的工程设计方法
第3章 直流调速系统的数字控制 第4章 可逆直流调速系统
2020/4/5
自动化与电气工程系 2
2020/4/5
响恒应功慢率，小范 调围速内的方平法滑调
速，所需电源
容量小
n3
nn12
nN
N
1 2 3
TL
Te
调磁调速特性曲线
自动化与电气工程系 19
0 绪论
调节电枢回路电阻调速 有级调速，平
工作条件：
运动控制系统总结ppt课件
46
图3-3 双闭环直流调速系统的稳态结构图 α——转速反馈系数 β——电流反馈系数
47
AB段是两个调 节器都不饱和 时的静特性，
IBdC<I段dm是, nA=nS0R。调 节器饱和时的 静n<特n0。性，Id=Idm,
图3-4 双闭环直流调速系统的静特性
48
根据各调节器的给定与反馈值计算有关的 反馈系数：
特性a和b的硬 度相同，
特性a和b额定 速降相同，
特性a和b的静 差率不相同。
图2-14 不同转速下N (1 s)
28
n
K pKsUn* Id R
K
p
KsU
* n
RId
Ce (1 K pKs / Ce ) Ce (1 K ) Ce (1 K )
29
30
31
图2-21 额定励磁下直流电动机 的动态结构框图
(a)电压电流间的结构框图 (b)电流电动势间的结构框图 (c)直流电动机的动态结构
框图
32
33
34
当为被1，测则转该速测由速n方1变法为的n分2时辨，率引是起记数值增量
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
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。
64
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
图3-3 双闭环直流调速系统的稳态结构图 α——转速反馈系数 β——电流反馈系数
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AB段是两个调 节器都不饱和 时的静特性，
IBdC<I段dm是, nA=nS0R。调 节器饱和时的 静n<特n0。性，Id=Idm,
图3-4 双闭环直流调速系统的静特性
48
根据各调节器的给定与反馈值计算有关的 反馈系数：
特性a和b的硬 度相同，
特性a和b额定 速降相同，
特性a和b的静 差率不相同。
图2-14 不同转速下N (1 s)
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K pKsUn* Id R
K
p
KsU
* n
RId
Ce (1 K pKs / Ce ) Ce (1 K ) Ce (1 K )
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图2-21 额定励磁下直流电动机 的动态结构框图
(a)电压电流间的结构框图 (b)电流电动势间的结构框图 (c)直流电动机的动态结构
框图
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当为被1，测则转该速测由速n方1变法为的n分2时辨，率引是起记数值增量
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
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。
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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