运动控制-绪论

1,电力拖动控制技术是以电动机为对象，以电力电子技术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，掌握运动控制系统的控制规律及设计方法。,1.1运动控制系统及其组成,运动控制系统是多门学科相互交叉的综合性学科,知识领域：控制理论,知识领域：电力电子与功率变换技术,知识领域：电机学,知识领域：信号检测与数据处理技术,运动控制系统及其组成,1.1运动控制系统及其组成,弱电,强电,纽带,运动控制系统的控制对象-电动机:,1.1运动控制系统及其组成,电力电子型功率放大与变换装置的发展趋势:,半控型向全控型发展（晶闸管。IGBT）低频开关向高频开关发展分立器件向复合功率模块发展,1.1运动控制系统及其组成,控制器分为模拟控制器和数字控制器。模拟控制器:,物理概念清晰，控制信号流向直观；控制规律体现在硬件电路当中；线路复杂、通用性差，控制效果受器件性能、温度等因素影响；并行运行，控制器的滞后时间很小。,1.1运动控制系统及其组成,以微处理器为核心的数字控制器:,硬件电路标准化程度高；控制规律体在软件上，修改起业灵活、方便；拥有信息存储、数据通信和故障诊断等功能；串行运行方式，滞后时间比模拟控制器大得多，在设计中应予以考虑。,1.1运动控制系统及其组成,ARM7TDMI三级流水线结构的指令执行顺序,周期2,周期1,周期3,周期4,处理器执行一条指令的三个阶段,补充知识,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,1.1运动控制系统及其组成,反馈通道，弱电和强电之间的电气隔离，需要相应的传感器。,10,电力传动系统特点,电力传动系统由电动机，控制装置以及被拖动的生产机械所组成。其主要特点是：功率范围极大，单个设备的功率可以几毫瓦到几百兆瓦；调速范围极宽，转速从每分钟几转到每分钟几十万转；适用范围极广，可适用于任何工作环境与各种各样的负载。如轧钢机、起重机、泵、风机、精密机床等,还有空调、冰箱、洗衣机等。,11,速度控制系统：即调速控制系统。例如电动机的转速调节，磁带的速度调节等等。调速控制系统又可分为:直流调速交流调速两种，又常称为直流传动系统和交流传动系统。各种控制系统往往都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是最基本的电力拖动控制系统,交直流调速系统的分类,12,位置控制系统：即位置随动(伺服)系统。例如：液面位置的控制，雷达方位角的控制，火炮角位置的控制，机械加工小的轨迹控制等等。张力控制系统：例如在加工各种带材和线材的过程中，必须保持一定的卷进卷出张力，才能使带材卷得紧而齐，线材拉得粗细均匀而不断。一套典型的张力控制系统主要由张力控制器，驱动器（电机），张力检测器，制动器和离合器构成。,13,1电机5放卷辊2磁粉离合器6磁粉制动器3收卷辊7霍尔传感器4物料8ZK-2型自动张力控制仪,转速传感器检出收卷辊和放卷辊直径的连续变化，将卷料直径变化信号反馈给控制器，使其输出一个与之相适应的控制电流，自动控制磁粉制动器或磁粉离合器的激磁电流，随之递增或者递减，从而改变卷料筒的制动力矩，达到卷料恒张力的控制。,14,多电机同步控制系统：即整个系统中有多个传动点，每个传动点由一个电动机拖动单元拖动，组成了多单元同步控制系统。,系统中各单元应能同时按规定的速度比稳定运行，并有良好的一致、单调性。系统对启、制动要求一般不高，启动时，一般缓慢均匀协调升速，制动时要求停车迅速协调。,1.2运动控制系统历史与发展,直流调速系统:,直流电动机的数据模型简单，转矩易于控制。其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。,直流电动机模型,直流电机的电磁转矩,产生:电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。,大小:,制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比。,补充知识,交流调速系统:,交流电动机（成尤其是笼型感应电动机）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，比直流电机复杂得多；基于稳成模型的交流调速系统动态性能无法与直流调速系统相比；基于动态模型的高动态响应交流调速系统：矢量控制系统、直接转矩控制系统。,1.2运动控制系统历史与发展,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，可以方便的改变电源的频率。,1.2运动控制系统历史与发展,转子转速与定子旋转磁场的转速相同的交流电机，同步电动机的转速完全决定于电源频率。频率一定时，电动机的转速也就一定，它不随负载而变。这一特点在某些传动系统，特别是多机同步传动系统和精密调速稳速系统中具有重要意义。同步电动机的运行稳定性也比较高。同步电动机一般是在过励状态下运行，其过载能力比相应的异步电动机大。异步电动机的转矩与电压平方成正比，而同步电动机的转矩决定于电压和电机励磁电流所产生的内电动势的乘积，即仅与电压的一次方成比例。当电网电压突然下降到额定值的80%左右时，异步电动机转矩往往下降为64%左右，并因带不动负载而停止运转；而同步电动机的转矩却下降不多，还可以通过强行励磁来保证电动机的稳定运行。,补充知识,运动控制系统的基本运动方程:,忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩:,1.3运动控制系统转矩控制规律,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。,电磁转矩(e)和负载转矩(L),J机械转动惯量,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。,磁链控制同样重要:,为了有效地控制电磁转矩，充分利用电机的铁芯，在一定电流作用下尽可能产生最大的电磁转矩，必须在控制转矩的同时也控制磁通（或磁链）。,1.3运动控制系统转矩控制规律,1.4生产机械的负载转矩特性,恒转矩负载:,负载转矩的大小恒定。,恒转矩负载:,负载转矩的大小恒定。,恒转矩负载由重力产生，具有固定的大小和方向