运动控制系统第1讲

1、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一一 、教学目的与教学要求、教学目的与教学要求三三 、教学时间、教学时间 2学时学时二、二、 教学内容教学内容1.0 运动控制组成及其分析运动控制组成及其分析1.1直流调速系统用的可控电源直流调速系统用的可控电源1.2闸管电动机系统的特殊问题闸管电动机系统的特殊问题1 了解运动控制系统课程设置的目的、教学要求及学习方法了解运动控制系统课程设置的目的、教学要求及学习方法2 掌握运动控制系统的基本概念及其相关知识掌握运动控制系统的基本概念及其相关知识3 掌握直流电动机调速系统的发展历程掌握直流电动机调速系统的发展历程4 掌握掌握PW

2、M调速系统的优势所在调速系统的优势所在 5 掌握晶闸管电动机系统的特殊问题掌握晶闸管电动机系统的特殊问题四四 、教学思路流程、教学思路流程生产机械的负载转矩特性分几类生产机械的负载转矩特性分几类?讨论分析课程的设置目的、明确学习方法及教学要求讨论分析课程的设置目的、明确学习方法及教学要求运动控制系统的组成部分如何运动控制系统的组成部分如何?运动控制系统的技术发展演变的原因何在运动控制系统的技术发展演变的原因何在?运动控制系统转矩控制规律是否学过运动控制系统转矩控制规律是否学过?直流电动机有几种调速方法？直流电动机有几种调速方法？直流电动机调压调速有几种方法？直流电动机调压调速有几种方法？运动学

3、方程与调速的关系如何？运动学方程与调速的关系如何？教学目的与要求课程的设置目的课程的设置目的: 融合多门课程知识融合多门课程知识,训练综合分析及解决问题的能力训练综合分析及解决问题的能力!学习方法学习方法教学要求教学要求:1 按时出勤、提高课堂效率按时出勤、提高课堂效率;2 独立完成实验及课外作业独立完成实验及课外作业;3 成绩构成成绩构成:平时平时15%、实验、实验15%、期末考试、期末考试70%勤于思考勤于思考,善于总结，善于总结， “温故知新温故知新”的认知系统结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

4、。法定量分析系统的稳态、动态过程。五、五、 教学过程教学过程运动控制系统主要教学内容运动控制系统主要教学内容电电动动机机调调速速系系统统直流电动机直流电动机调速系统调速系统交流电动机交流电动机调速系统调速系统晶闸管晶闸管+PID控制器控制器开环系统开环系统单闭环系统单闭环系统多环系统多环系统GTO/IGBT+PID控制器构成的系统控制器构成的系统（相控）（相控）（斩控）（斩控）可可逆逆系系统统交流调压调速系统交流调压调速系统变频变压调速系统变频变压调速系统同步电动机调速系统系统同步电动机调速系统系统串极调速系统串极调速系统运动控制系统涉及的知识范围运动控制系统涉及的知识范围电路电路 +电机与拖

5、动电机与拖动+自动控制理论自动控制理论 + 电力电子电路电力电子电路+ 电子电路电子电路主、控电路主、控电路控制原理控制原理控制对象控制对象运运动动控控制制系系统统模拟模拟运动控制系统运动控制系统数字数字运动控制系统运动控制系统 现代运动控制技术涉及现代运动控制技术涉及 电机学、电力电子技术、微电子技术、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交叉的综合性学科 。1.0 运动控制系统及其组成分析运动控制系统及其组成分析(复习补充复习补充) 看图说话看图说话第一章第一章

6、闭环控制的直流调速系统闭环控制的直流调速系统1.0.1电动机是运动控制系统的控制对象电动机是运动控制系统的控制对象电电动机动机按类型可分为：直流电动机、交流感按类型可分为：直流电动机、交流感应电动机（交流异步电动机）和交流同步电应电动机（交流异步电动机）和交流同步电动机。动机。电动机电动机按用途可分为：用于调速系统的拖动按用途可分为：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。电动机和用于伺服系统的伺服电动机。电动机的类型电动机的类型如何分类如何分类?1.0.2运动控制系统的功率放大与变换装置运动控制系统的功率放大与变换装置电力电子型功率器电力电子型功率器件的发展状况如何？件的发展状况

7、如何？半控型向全控型发展、半控型向全控型发展、低频开关向高频开关发展、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分立的器件向具有复合功能的功率模块发展1.0.3运动控制系统的控制器运动控制系统的控制器l模拟控制器模拟控制器 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，并行运行、控制器的滞后时间小。在硬件电路，并行运行、控制器的滞后时间小。 线路复杂、通用性差、制效果受到器件性能、温度线路复杂、通用性差、制效果受到器件性能、温度等因素的影响。等因素的影响。l数字控制器数字控制器硬件电路标准化程度高，控制规律体现在软件上，

8、硬件电路标准化程度高，控制规律体现在软件上，修改灵活方便，拥有信息存储、数据通信和故障诊断等修改灵活方便，拥有信息存储、数据通信和故障诊断等功能。功能。 串行运行方式，其滞后时间比模拟控制器大得多，串行运行方式，其滞后时间比模拟控制器大得多，在设计系统时应予以考虑。在设计系统时应予以考虑。控制器如控制器如何分类？何分类？1.0.4运动控制系统的信号检测与处理运动控制系统的信号检测与处理l信号检测：电压、电流、转速和位置等信号信号检测：电压、电流、转速和位置等信号l信号转换：电压匹配、极性转换、脉冲整形等信号转换：电压匹配、极性转换、脉冲整形等l数据处理：数据处理： 信号滤波信号滤波1.0.5

9、运动控制系统的历史与发展运动控制系统的历史与发展l直流调速系统直流调速系统直流电动机的数学模型简单，转矩易于控制。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。解耦，使转矩与电枢电流成正比。l交流调速系统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（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。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

10、速系目前，以直流控制为基础的现代交流调速系统发展日趋完善！统发展日趋完善！电气传动运动方程为：电气传动运动方程为：Te - TL =GD2375dndt2 2、电气传动系统的运动学方程、电气传动系统的运动学方程1 1、旋转运动系统的牛顿第二定律、旋转运动系统的牛顿第二定律Te - TL =ddtJ JddtJ J其中，其中， 为惯性转矩为惯性转矩一般工程上采用飞轮惯量一般工程上采用飞轮惯量GDGD2 2代替代替J J，二者关系：，二者关系：GDGD2 2= 4gJ= 4gJ其中，其中，G G为转动惯量、为转动惯量、D D为旋转部分直径、为旋转部分直径、g g为重力加速度为重力加速度由于：由于：

11、 = 2n/60 = 2n/60 所以所以 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：程式为：1.0.6 运动控制系统的转矩控制规律运动控制系统的转矩控制规律 要产生加速度要产生加速度!Te - TL 03 3、运动方程与调速的关系、运动方程与调速的关系Te - TL =GD2375dndt电动机加速电动机加速要产生加速度要产生加速度!Te - TL 0电动机减速电动机减速加速度加速度=0Te - TL = = 0电动机恒速电动机恒速调速调速 调速定义：调速是指在一定负载作用下，通过调速定义：调速是指在一定负载作用下，通过改

12、变电动机或电源的参数使机械特性发生相应改改变电动机或电源的参数使机械特性发生相应改变，从而使电动机转速变化或保持不变。变，从而使电动机转速变化或保持不变。4、直流电动机的电磁转矩方程、直流电动机的电磁转矩方程T e = Km Ia 说明：说明： 电枢电流与定子磁通相互作用产生电磁力与电磁转矩电枢电流与定子磁通相互作用产生电磁力与电磁转矩 电枢电流与定子磁通是相互独立控制的（电枢电流与定子磁通是相互独立控制的（ T e是线性可是线性可控的）控的）KmIa直流电机转矩的结构常数直流电机转矩的结构常数直流电动机定子磁通直流电动机定子磁通直流电机电枢电流直流电机电枢电流1.0.7 生产机械的负载转矩特

13、性生产机械的负载转矩特性l生产机械的负载转矩是一个必然存在的不生产机械的负载转矩是一个必然存在的不可控扰动输入。可控扰动输入。l三种典型生产机械负载转矩特性，实际负三种典型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。载可能是多个典型负载的组合。1、恒转矩负载、恒转矩负载 l负载转矩的大小恒定，称作恒转矩负载。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）位能性恒转矩负载 ；b) 反抗性恒转矩负载反抗性恒转矩负载2、恒功率负载、恒功率负载l负载转矩与转速负载转矩与转速成反比，而功率成反比，而功率为常数，称作恒为常数，称作恒功率负载功率负载mmLLPT常数恒功率转矩负载恒功

14、率转矩负载 3、风机、泵类负载、风机、泵类负载 l负载转矩与转速的负载转矩与转速的平方成正比，称作平方成正比，称作风机、泵类负载风机、泵类负载22mnLT风机、泵类负载风机、泵类负载看图说话看图说话思考：直流调速的特殊结构组成是什么？思考：直流调速的特殊结构组成是什么？n = ( U - IaR ) / K e 1 直流电动机的转速特性方程直流电动机的转速特性方程（复习）（复习）请说明式中各量的物理意义！请说明式中各量的物理意义！U：电枢电压：电枢电压K e：电动势常数电动势常数Ia ：电枢电流：电枢电流R：电枢回路总电阻：电枢回路总电阻：磁通：磁通1.1.1 直流电动机调速方法分析直流电动机

15、调速方法分析1.1 直流调速系统用的可控电源直流调速系统用的可控电源3、直流电动机的调速方法、直流电动机的调速方法n = ( U - IaR ) / K e （1）调节电枢电压）调节电枢电压 当磁通当磁通和电阻和电阻R一定时，改变电一定时，改变电枢电压枢电压U，可以平，可以平滑地调节转速滑地调节转速n，机，机械特性将上下平移，械特性将上下平移，如图所示。如图所示。Ud1Ud2Ud3Unom Ud3Ud1Ud2UnomTnn1n2n3nnomTL 电枢电压的电枢电压的变化只能向变化只能向小于小于额定电压的方向额定电压的方向变化，所以这种变化，所以这种调速方式只能在调速方式只能在电动机额定转速电动

16、机额定转速以下调速，其转以下调速，其转速调节的下限受速调节的下限受低速时运转不稳低速时运转不稳定性的限制。定性的限制。Ud1Ud2Ud3Unom Ud3Ud2Ud2UnomTnn1n2n3nnomTL看图说话！看图说话！（2）调节磁通）调节磁通 当当U和和R不变时不变时，减小激磁磁通（，减小激磁磁通（即改变直流他励电即改变直流他励电动机的励磁电流）动机的励磁电流），电动机转速将高，电动机转速将高于额定转速，其机于额定转速，其机械特性向上移动，械特性向上移动，如图所示。如图所示。 n = ( U - IaR ) / K e Tn123nom nom321TLnnom 减弱磁通调速，减弱磁通调速，

17、电动机最高转速受电动机最高转速受换向器和机械强度换向器和机械强度的限制，弱磁调速的限制，弱磁调速范围不大。范围不大。Ud1Ud2Ud3Unom Ud3Ud1Ud2UnomTn123nom nom321TLnnom 在实际生产中，在实际生产中，往往只是配合调压方往往只是配合调压方案，在额定转速以上案，在额定转速以上作小范围的升速。这作小范围的升速。这样，调压与调磁相结样，调压与调磁相结合，可以扩大调理范合，可以扩大调理范围围 改变电枢回路电改变电枢回路电阻调速，一般是在阻调速，一般是在电枢回路中串接附电枢回路中串接附加电阻，损耗较大加电阻，损耗较大，且只能进行有级，且只能进行有级调速，电动机的机

18、调速，电动机的机械特性较软，一般械特性较软，一般应用于少数小功率应用于少数小功率场合。场合。（3）调节电枢电阻调节电枢电阻Ra R1R2R3R1R3R2RaTnTLnnom n = ( U - IaR ) / K e （4）调速方法综合调速方法综合调压同属无级调速，且能在额定转速之下的一定范围进调压同属无级调速，且能在额定转速之下的一定范围进行调节，在实际中广泛应用，是我们研究的重点！行调节，在实际中广泛应用，是我们研究的重点！调节电枢电阻调速是有级调速；调节电枢电阻调速是有级调速；调节磁通调速虽无级调速，但是升速调速；调节磁通调速虽无级调速，但是升速调速；1.1.2 调压调速方案分析调压调速

19、方案分析1.1.2.1 旋转变流机组旋转变流机组 交流电动机、直交流电动机、直流发电机流发电机G、 励磁励磁发电机发电机GE、直流、直流电动机电动机 1 系统组成：系统组成：旋转变流机组系统结构组成示意图旋转变流机组系统结构组成示意图2 工作原理：工作原理： 由交流电动机拖动直流由交流电动机拖动直流发电机发电机G实现变流，发电实现变流，发电机给需要调速的直流电动机给需要调速的直流电动机机M供电。调节发电机的供电。调节发电机的励滋电流励滋电流If可改变其输出电可改变其输出电压压U，从而调节直流电动，从而调节直流电动机的转速机的转速n。这样的调速系。这样的调速系统简称为统简称为GM系统。系统。旋转

20、变流机组系统结构组成示意图旋转变流机组系统结构组成示意图 如果改变如果改变If的方向，的方向，则则U的极性和的极性和n的转向都跟的转向都跟着改变，所以着改变，所以GM系统系统的可逆运行是很容易实现的可逆运行是很容易实现的。的。旋转变流机组系统结构组成示意图旋转变流机组系统结构组成示意图 为了供给直流发电机和电动机励磁电流，通常专门为了供给直流发电机和电动机励磁电流，通常专门设置一台直流励磁发电机设置一台直流励磁发电机GE。因此。因此G-M系统设备多、系统设备多、体积大、费用高、效率低、安装维护不便、运行有噪声体积大、费用高、效率低、安装维护不便、运行有噪声。3 G-M系统机械特性系统机械特性1

21、.1.2.2 可控整流器调压系统可控整流器调压系统 20世纪世纪60年代起，出现了晶闸管整流装置，它年代起，出现了晶闸管整流装置，它具有效率高、体积小、成本低、无噪声等优点具有效率高、体积小、成本低、无噪声等优点1 可控整流器调速系统简称可控整流器调速系统简称V-M系统组成系统组成 可控整流器调速系统简称可控整流器调速系统简称V-M系统，电动机（系统，电动机（M）是被控对象，转速是被控对象，转速n是被调量，即输出量。晶闸管（是被调量，即输出量。晶闸管（V）可控整流器可以是单相、相或更多相数，半波、全波、可控整流器可以是单相、相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型。基本结构（开环）图示如下：

22、半控、全控等类型。基本结构（开环）图示如下：可控整流器调速系统（可控整流器调速系统（V-M）图示）图示 控制特点：控制特点： 在控制快速性在控制快速性方面，方面，G-M系统系统是秒级，而是秒级，而V-M系统是毫秒级，系统是毫秒级，这将会大大提高这将会大大提高系统的动态性能。系统的动态性能。 通过调节触发电路的移相电压，便可改变整流电通过调节触发电路的移相电压，便可改变整流电压压Ud，实现电动机的平滑调速控制。，实现电动机的平滑调速控制。2 工作原理工作原理Ug3 运行特性（看图说话）运行特性（看图说话）n nTeTe半控整流电路运行特性半控整流电路运行特性n nTeTe全控整流电路运行特性全控

23、整流电路运行特性n nTeTe正、反两组全控整流电路正、反两组全控整流电路运行特性运行特性 * 晶闸管元件对过电压、过电流以及过高的晶闸管元件对过电压、过电流以及过高的du/dt和和di/dt都很敏感，因此晶闸管整流电路设有许多保护环节；都很敏感，因此晶闸管整流电路设有许多保护环节；晶闸管整流器相关的问题：晶闸管整流器相关的问题： * 当系统处在深调速状态时，晶闸管的导通角很小，使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网电压畸变，殃及附近

24、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。中所占比重较大，必须增设无功补偿和谐波滤波装置。 * 晶闸管的单向导电性，给系统的可逆运行造成困难；晶闸管的单向导电性，给系统的可逆运行造成困难； 采用半控或全控型电力电子器件控制直流电压的装置采用半控或全控型电力电子器件控制直流电压的装置称为直流斩波器（称为直流斩波器（PWM斩波器），也称直流调压器。斩波器），也称直流调压器。基本组成框图与控制原理基本组成框图与控制原理1.1.2.3 直流斩波器直流斩波器1 1 基本组成及工作原理分析基本组成及工作原理分析2 2 控制策略分析控制策略分析（开关管的状态控制）（开关管

25、的状态控制）（1 1）脉冲宽度控制策略（）脉冲宽度控制策略（PWMPWM）基本组成框图与控制原理基本组成框图与控制原理控制原理控制原理：脉冲周期：脉冲周期T T不变，只改不变，只改变开关管的导通时间变开关管的导通时间t tONONUdUd=( t=( ton on / T ) U/ T ) Us sU Ut ti ii id dVTVTVDVDt t0n0nT Tt tT=CT=CT=CT=CT=CT=C（2 2）脉冲频率控制策略（）脉冲频率控制策略（PFMPFM）基本组成框图与控制原理基本组成框图与控制原理控制原理：控制原理：开关管的导通时间开关管的导通时间t tONON不不变，只改变开关动

26、作频率变，只改变开关动作频率f f（改变关（改变关断时间）。断时间）。UdUd=( t=( ton on / T ) U/ T ) Us sU Ut ti ii id dVTVTVDVDt t0n0nT Tt tt tonon=C=Ct tonon=C=C（3 3）两点式控制策略）两点式控制策略控制原理：控制原理：当负载或电压低于某一值时，使开关管导通；当负载或电压低于某一值时，使开关管导通；当负载或电压高于某一值时，使开关管关断。当负载或电压高于某一值时，使开关管关断。t ti ii id di imaxmaxi iminmini imaxmaxi iminmin基本组成框图与控制原理基本组

27、成框图与控制原理根据波形，判断直流斩波器的控制方式根据波形，判断直流斩波器的控制方式a） b） c） c)1.1.2.4 PWMPWM与与V-MV-M系统的比较分析系统的比较分析（P11P11） 1)PWM 1)PWM系统低速运行平稳，调速范围宽系统低速运行平稳，调速范围宽 原因在于原因在于PWMPWM调速系统的开关频率高，仅靠电枢电感即可获得调速系统的开关频率高，仅靠电枢电感即可获得脉动很小的直流电流，电枢电流连续。脉动很小的直流电流，电枢电流连续。 2)PWM 2)PWM系统动态抗扰能力强、快速响应性能好系统动态抗扰能力强、快速响应性能好 原因在于原因在于PWMPWM调速系统的开关频率高，

28、需配合快速响应电动机。调速系统的开关频率高，需配合快速响应电动机。 3)PWM 3)PWM系统主电路损耗低、工作效率高系统主电路损耗低、工作效率高 原因在于原因在于PWMPWM系统中，功率器件都工作在开关状态。系统中，功率器件都工作在开关状态。 本课程教学以本课程教学以V-M和和PWM系统为主，重点介绍系统为主，重点介绍V-M系统的系统的调速系统调速系统 。第第 2 3 章章 V-M系统系统 、 第第 4 章章 PWM系统。系统。1.2 1.2 晶闸管晶闸管- -电动机（电动机（V-MV-M）系统的特殊问题）系统的特殊问题 V-M V-M系统本质上是带系统本质上是带R R、L L、E E负载的

29、晶闸管可负载的晶闸管可控整流电路。根据分析调速系统的需要，重点地控整流电路。根据分析调速系统的需要，重点地归纳出归纳出V VM M系统的几个特殊问题。系统的几个特殊问题。1.2.1 触发脉冲相位控制触发脉冲相位控制(电力电子知识电力电子知识) Ug 在在V-M系统中，调节给定系统中，调节给定电压电压Ug；即可移动触发装置；即可移动触发装置GT输出脉冲的相位，从而很输出脉冲的相位，从而很方便地改变整流器的输出瞬方便地改变整流器的输出瞬时电压时电压ud和平均电压和平均电压Ud。V-MV-M系统的等效电路与解析表达式分析系统的等效电路与解析表达式分析E E+ +- -U UdodoR RL LIdI

30、dUgu udodo = = E E+ i+ id dR R + L di+ L did d /d/dt t瞬时电压平衡方程式瞬时电压平衡方程式:等效电路等效电路( (电路知识电路知识) )U Udodo = = U Um msin cossin cos 全控整流电压平均值表达式全控整流电压平均值表达式:( (电力电子电路知识电力电子电路知识) )m mm m 触发脉冲控制角触发脉冲控制角U Um m =0=0时的整流电压峰值时的整流电压峰值m m 交流电源一周内的整流电交流电源一周内的整流电压脉波数压脉波数 1.2.2 电流脉动的危害与抑制措电流脉动的危害与抑制措施施 1 V-M系统电流脉动

31、的危害作用系统电流脉动的危害作用(电机拖动知识电机拖动知识)（1）脉动的电流产生脉动转矩，对生产机械有一定的危害作用）脉动的电流产生脉动转矩，对生产机械有一定的危害作用（2）脉动的电流产生较大的谐波分量，即对电网不利，同时也使）脉动的电流产生较大的谐波分量，即对电网不利，同时也使电动机增加发热。电动机增加发热。2 V-M系统电流脉动的抑制措施系统电流脉动的抑制措施(电力电子知识电力电子知识)（1）增加整流电路的相数）增加整流电路的相数（2）设置平波电抗器（）设置平波电抗器（mH）单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路 L=2.87UL=2.87U2 2 /I/IdmindminU U2 2 整流变压器二次额定电压有效值、整流变压器二次额定电压有效值、 I Idmindmin一般取电动机额定电流的一般取电动机额定电流的5-10%5-10%三相半波整流电路三相半波整流电路 L=1.46UL=1.46U2 2 /I/Idmindmin三相桥式整流电路三相桥式整流电路 L=0.693UL=0.693U2 2 /I/Idmindmin 1.2.3 电流波形的连续与断续电流波形的连续与断续 由于由于V-M系统存在电流脉动问题，必然会系统存在电流脉动问题，必然会在一定条件下