青岛科技大学 运动控制课件 第1章

1、运动控制系统运动控制系统Motion Control Systems 第第1章章 绪论绪论(Introduction)自动控制系统自动控制系统 自动控制系统自动控制系统（automatic control systems）是在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按期望规律或预定程序进行的控制系统。自动控制系统自动控制系统按被控对象的工艺过程分类按被控对象的工艺过程分类运动控制系统：运动控制系统： 过程控制系统：过程控制系统： 对机械运动部件的对机械运动部件的位置位置(或姿态或姿态)、速度或转矩、速度或转矩等进行控制，使其按照预期的运动轨迹和规定的运等进行控制，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动

2、参数进行运动。动参数进行运动。它使用通称为伺服机构的一些设它使用通称为伺服机构的一些设备如液压泵、线性执行机、电动机等作为执行机构。备如液压泵、线性执行机、电动机等作为执行机构。 以表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。“过程过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。表征过程的主要参量有温度、压温度、压力、流量、液位、成分、浓度力、流量、液位、成分、浓度等。电力拖动电力拖动 在自动控制系统中，对生产机械的控制对生产机械的控制是相当普遍的是相当普遍的，如各类机器人、自动装配生产线、各种加工机床、电动机车、磁悬浮、纺织机、起重机、水泵等

3、。这些设备都需要对机械装置的运动速度或位移进行控制对机械装置的运动速度或位移进行控制。要使生产机械运动动力动力 水力、风力、热力、电力电力等水车、水磨、水轮机风帆、风车（风力机）、风磨热力发动机包括蒸汽机、汽轮机、内燃机(汽油机、柴油机、煤气机等)、热气机、燃气轮机、喷气式发动机等。电力拖动电力拖动 电能是最普遍的能源，以电机为动力拖以电机为动力拖动生产机械的拖动动生产机械的拖动电力拖动电力拖动水力、风力、热力、电力电力等 通过控制通过控制电动机的电压、电流、频率电动机的电压、电流、频率等输等输入量，来改变工作机械的入量，来改变工作机械的转矩、速度、位移转矩、速度、位移等等机械量，使各种工作机

4、械按照人们期望的要求机械量，使各种工作机械按照人们期望的要求运行，以满足生产工艺和其它工艺的要求。运行，以满足生产工艺和其它工艺的要求。一、电力拖动自动控制系统一、电力拖动自动控制系统 运动控制系统运动控制系统 现代运动控制技术以现代运动控制技术以电动机电动机为控制对象，以为控制对象，以计算计算机机和其它电子装置为控制手段，以和其它电子装置为控制手段，以电力电子装置电力电子装置为弱为弱电控制强电的纽带，以电控制强电的纽带，以自动控制理论自动控制理论和和信息处理理论信息处理理论为理论基础，以为理论基础，以计算机数字仿真计算机数字仿真和和计算机辅助设计计算机辅助设计为为研究和开发的工具。研究和开发

5、的工具。交叉综合学科交叉综合学科运动运动控制控制电力电电力电子技术子技术电机学电机学微电子微电子技术技术信号检信号检测与处测与处理技术理技术控制理控制理论论计算机计算机控制技控制技术术现代运动控制技术现代运动控制技术已成为电机学、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多门学科相互交叉的综合学科交叉的综合学科。运动控制系统的种类运动控制系统的种类（1 1）按被控物理量分）按被控物理量分: :（伺服系统）（伺服系统）（2 2）按驱动电机的类型分）按驱动电机的类型分: :（3 3）按控制器的类型分）按控制器的类型分: : 二、运动控制系统的基本结构二、运

6、动控制系统的基本结构信号检测与数据处理控制器控制器功率放大功率放大与变换与变换电网电网+- 信号处理信号处理传感器传感器控制理论电力电子技术电机与拖动基础运动控制系统的主要组成运动控制系统的主要组成 控制器控制器按照给定值和实际运行的反馈值之差，按照给定值和实际运行的反馈值之差，调节控制量。调节控制量。 功率驱动装置功率驱动装置一方面按控制量的大小将电一方面按控制量的大小将电网中的电能作用于电动机上，调节电动机的转矩网中的电能作用于电动机上，调节电动机的转矩大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换成电动机所需的交流电或直流电。网供电转换成电

7、动机所需的交流电或直流电。（功率变换；性质变换功率变换；性质变换） 电动机电动机则按供电大小拖动生产机械运转。直则按供电大小拖动生产机械运转。直流电动机、交流电动机。流电动机、交流电动机。 信号检测与处理信号检测与处理反馈电压、电流、转速和反馈电压、电流、转速和位置等信号。位置等信号。三、运动控制系统的历史、应用三、运动控制系统的历史、应用及发展趋势及发展趋势1、发展过程、发展过程19世纪世纪80年代前年代前直流电气传动是唯一的电直流电气传动是唯一的电气传动方式。气传动方式。19世纪末世纪末交流电交流电鼠笼式异步电动机鼠笼式异步电动机 交流电气传动得到广泛应用。交流电气传动得到广泛应用。20世

8、纪世纪30年代年代直流调速系统。直流调速系统。20世纪世纪70年代以后年代以后交流调速得到迅速发展交流调速得到迅速发展目前，交流调速已占主导地位。目前，交流调速已占主导地位。l电力电子技术电力电子技术和和微电子技术微电子技术带动了新一代带动了新一代交流调速系统的兴起与发展，打破了直流交流调速系统的兴起与发展，打破了直流调速系统一统高性能拖动天下的格局。调速系统一统高性能拖动天下的格局。l进入进入21世纪后，用交流调速系统取代直流世纪后，用交流调速系统取代直流调速系统已成为不争的事实。调速系统已成为不争的事实。运动控制系统应用运动控制系统应用连轧机连轧机切削机切削机床床造纸造纸机机纺织纺织机机家

9、用电器家用电器军用军用航空航天航空航天工业、农业工业、农业冰箱、空调、冰箱、空调、洗衣机、电脑洗衣机、电脑抽水泵抽水泵2、应用、应用例例1 转盘速度控制转盘速度控制+-例例：计算机磁盘驱动器计算机磁盘驱动器-+ft10第二层第二层 tz缆绳缆绳皮带皮带 tv计算机命令计算机命令 tt,例例2 2 电梯控制电梯控制0e电梯控制系统组成+-aRaLt0 tv0 tv1y 卷纸张力控制卷纸张力控制例3 卷纸张力控制例例4 4 机器人机器人太空探测机器人太空探测机器人) 3)(1(1 ss火火星星漫漫游游车车控控制制系系统统KR(s)r(t)=t,t0+D(s)+-Y(s)1997年7月4日，美国“火

10、星探路者”飞抵火星考察。“火星探路者”上执行火星探测使命的索杰纳火星车索杰纳火星车，有如一台微波炉一样大小，质量10.4千克，是一个有6个轮子的小机器人。 例5 灌装流水线速度控制)(sG)(1(1pss+-R(s)Y(s)例6 电动汽车电动汽车由底盘、车身、蓄电池组、电动机、控制器和辅助设施六部分组成底盘、车身、蓄电池组、电动机、控制器和辅助设施六部分组成。由于电动机具有良好的牵引特性，因此蓄电池汽车的传动系统不需要离合器和变速器。车速控制由控制器通过调速系统改变电动机的转速即可实现。蓄电池向电动机提供电能来驱动汽车。在制动或减速时，电机作为发电机来回收能量。电动汽车具有零排放、低噪音、加速

11、性能好、怠速零能耗等特点，性能优势逐渐凸显。例7 线路板装配机器人 3D3D打印机打印机例8me L m mddJ TTDKt 3D 打印关键技术3D 打印需要依托多个学科领域的尖端技术：信息技术：信息技术： 要有先进的设计软件及数字化工具，辅助设计人员制作出产品的三维数字模型，并且根据模型自动分析出打印的工序，自动控制打印器材的走向。精密机械：精密机械： 3D 打印以每层的叠加为加工方式。要生产高精度的产品，必须对打印设备的精准程度、稳定性有较高的要求。材料科学：材料科学： 用于3D 打印的原材料较为特殊，必须能够液化、粉末化、丝化，在打印完成后又能重新结合起来，并具有合格的物理、化学性质。

12、3 3、发展趋势、发展趋势 高频化：高频化：在功率驱动装置中，低频的半控器件晶闸管在中小功率范围将被高频的全控器件P-MOSFET、IGBT等所代替，这样既可以提高系统性能，又可以改善电网的功率因数。 交流化：交流化：交流调速取代直流调速已成为一种不可逆转的趋势。 网络化：网络化：运动控制系统正在由简单的单机控制系统走向多机多种控制过程协调的系统集成阶段。四、运动控制系统的转矩控制规律四、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基本运动方程式mmddtmmJ2机械转动惯量（k g m ）； 转子机械角速度（r a d / s ） 转子机械转角（r a d ）LTTDKe-电 磁

13、转 矩 （ N m） ；-负 载 转 矩 （ N m）阻 转 矩 阻 尼 系 数 ；扭 转 弹 性 阻 尼 系 数 。2eLd3 7 5 dGDnTTt忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩，得简化的基本运动方程式：简化的运动控制系统简化的运动控制系统基本运动方程式基本运动方程式meLddJTTtgJGD42mmJ2机械转动惯量（k g m ）； 转子机械角速度（r a d / s ） 转子机械转角（r a d ）或国际单位工程单位制2( Nm)转动惯量（飞轮力矩）m602n转子的机械转速（r/min)运动控制的核心问题运动控制的核心问题gJGD42运动控制任务：运动控制任务：控

14、制转速和转角控制转速和转角转矩控制转矩控制是运动控制的核心问题是运动控制的核心问题mmJ2机械转动惯量（k g m ）； 转子机械角速度（r a d / s ） 转子机械转角（r a d ）要控制转速和转角，唯一的途径就是控制电动要控制转速和转角，唯一的途径就是控制电动机的机的电磁转矩电磁转矩，使转速变化率按人们期望的规，使转速变化率按人们期望的规律变化律变化 为了有效地控制电磁转矩，充分利用电机铁为了有效地控制电磁转矩，充分利用电机铁芯，在一定的电流作用下尽可能产生最大的芯，在一定的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电磁转矩，必须在控制转矩的同时也控制磁通（或磁

15、链）。通（或磁链）。磁链控制与转矩控制同样重要磁链控制与转矩控制同样重要五、生产机械的负载转矩特性五、生产机械的负载转矩特性 对于运动控制系统来说，生产机械的负载负载转矩转矩是一个必然存在的不可控扰动输入扰动输入。几种典型负载转矩特性：几种典型负载转矩特性： 恒转矩负载 恒功率负载特性 风机、泵类负载特性1. 恒转矩负载特性恒转矩负载特性特点： 转矩与转速无关LT 常 数位能性恒转矩负载位能性恒转矩负载反抗性恒转矩负载反抗性恒转矩负载LLmmPT常 数2. 恒功率负载特性恒功率负载特性特点：转矩与转速成反比，功率为常数特点：转矩与转速成反比，功率为常数LL602PTnn常数或或0TL,nm3.

16、 风机、泵类负载特性风机、泵类负载特性特点：转矩与转速的平方成正比特点：转矩与转速的平方成正比22mLnT NoImage教教 材材 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 运动控制系统运动控制系统( (第第4 4版）版）阮毅阮毅 陈伯时陈伯时 主编主编20102010年年1 1月月l本书适用于高等院校电气工程与自动化、本书适用于高等院校电气工程与自动化、电气工程及其自动化、自动化专业电气工程及其自动化、自动化专业本科本科“运动控制系统运动控制系统”或或“电力拖动自动控制电力拖动自动控制系统系统”课程教学。课程教学。l可作为电力电子与电力传动、工业自动化可作为电力电子与电力传动、工业自动化等相关学科硕士研究生用书，还可供从事等相关学科硕士研究生用书，还可供从事电力拖动控制系统的工程技术人员参考。电力拖动控制系统的工程技术人员参考。主要章节主要章节l 第第1篇篇 直流调速系统直流调速系统 第第2章章 转速反馈控制的直流调速系统转速反馈控制的直流调速系统 第第3章章 转速、电流反馈控制的直流调速系统转速、电流反馈控制的直流调速系统 第第4章章 可逆控制和弱磁控制的直流调速系统可逆控制和弱磁