运动控制讲义

运动控制讲义第一页，共二十二页，2022年，8月28日先修要求：电机调速及控制技术，电力电子学，微特电机内容简介1、高精度位置伺服系统2、交流伺服系统的直接转矩控制、矢量控制3、方波与正弦波复合驱动理论4、永磁电机的弱磁调速技术5、超低速运动控制理论6、无位置传感器的位置检测技术7、伺服系统的智能控制方法主要参考书：最新文献，自编论文集第二页，共二十二页，2022年，8月28日运动控制系统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。作用控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，使被控机械运动实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制，以及这些被控机械量的综合控制，以实现运动机械的运动要求。

第三页，共二十二页，2022年，8月28日运动控制系统分类按被控物理量调速系统位置伺服系统按驱动电机直流传动系统交流传动系统按控制器模拟控制系统数字控制系统按系统结构开环闭环：单闭环、双闭环、多闭环第四页，共二十二页，2022年，8月28日运动控制系统特点被控量过渡过程短：秒级～毫秒级传动功率范围宽：几毫瓦～几百兆瓦调速范围宽：调速比1：10000稳态精度高：稳速、定位动态性能好：响应快、精度高效率高、过载能力强多台协调控制应用范围宽第五页，共二十二页，2022年，8月28日运动控制对系统的性能要求稳态跟踪----精确性动态响应----精确性与快速性对系统参数变化和不确定干扰----鲁棒性

第六页，共二十二页，2022年，8月28日运动控制技术的发展趋势

驱动交流化控制数字化应用先进控制理论系统网络化第七页，共二十二页，2022年，8月28日直流调速系统

开环调速：调压、调磁、调电阻转速单闭环调速有静差：P无静差：PI电流截止负反馈：限流保护转速电流双闭环起动快、稳定性提高多环调速电流变化率内环：提高起动安全性电压内环：加快电压调节双域调节基速以下：恒转矩，调压调速（磁通恒定）基速以上：恒功率，弱磁调速（电压恒定）第八页，共二十二页，2022年，8月28日交流调速系统

交流电机：多输入多输出、非线性、强耦合、时变由和共同产生与是两个相互耦合的变量对鼠笼式电机无法测、无法直接控制转子功率因数角是与转速相关的时变量：转子绕组的感抗和电阻电阻随温度变化，转矩也随之变化平均转矩公式：由稳态等值电路推导,瞬态更复杂转速控制本质上是转矩控制,转矩控制是难点。第九页，共二十二页，2022年，8月28日交流调速基本方法

异步电机：第十页，共二十二页，2022年，8月28日变频控制基本方法

标量控制矢量控制（1971年）直接转矩控制（1985年）第十一页，共二十二页，2022年，8月28日标量控制三项异步电机每相定子电势基频以下：恒定压频比控制方式基频以上：电压保持，频率增大标量控制：只控制变量的幅值，不控制其相位第十二页，共二十二页，2022年，8月28日矢量控制（磁场定向控制）基本思想：通过坐标变换，将交流异步电机模型等效为直流电机，仿照直流机的控制方法，求得直流电机的控制,再经过相应的反变换，实现电机转矩和磁通的解耦，达到对瞬时转矩的控制。直流电动机：三相异步电机：解耦：第十三页，共二十二页，2022年，8月28日矢量控制（磁场定向控制）基本公式：定子电流被分解为相互垂直的两个分量：磁链分量：控制转子磁链转矩分量：调节电机转矩解耦控制：实现在动态过程中对电磁转矩进行精细控制，大大提高调速的动态性能。缺点：对参数的变化十分敏感，转子磁链难于观测，矢量变换复杂研究方向：跟踪参数变化，提高控制的鲁棒性第十四页，共二十二页，2022年，8月28日直接转矩控制特点：在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，直接控制磁链和转矩，免去了复杂解耦、变换计算，计算简便。只需定子磁链参数，不需转子参数，减少参数变化对系统性能的影响。采用电压矢量和六边形磁链轨迹，直接控制转矩。控制结构简单，便于实现数字化。转矩和磁链都采用带滞环的band-band控制，把误差限制在容许的范围内，控制直接又简化。转矩响应迅速，无超调，动静态性能好。第十五页，共二十二页，2022年，8月28日方波与正弦波复合控制

方波控制：出力大、控制简单、低速脉动大正弦波控制：低速脉动小、控制复杂复合控制：不同速度段用不同的控制模式特点：硬件相同、控制策略改变

第十六页，共二十二页，2022年，8月28日无位置传感器的位置检测技术

电机结构简单适合轻载起动场合转子磁场位置检测方法永磁同步电动机最近热点研究：利用交直轴磁阻变化第十七页，共二十二页，2022年，8月28日软开关驱动技术硬开关逆变器的系统整体效率较低，开关器件的电压、电流应力大，散热器的体积和重量较大，产生严重的电磁干扰(EMI)并影响电机的绝缘寿命，功率开关器件开通和关断瞬间的电压和电流尖峰可能使功率器件的运行轨迹超出安全工作区(SOA)，从而导致功率开关器件的损坏。软开关逆变器中的功率开关器件在零电压(ZVS)或零电流(ZCS)条件下切换，理论上而言开关损耗为零。软开关技术可以改善功率器件的运行环境，提高器件运行的可靠性，降低系统的功率损耗，提高装置的效率，减小散热器体积增加逆变器的功率密度，抑制过高的和降低电磁干扰，降低系统音频噪声。第十八页，共二十二页，2022年，8月28日基于网络的运动控制

运动控制系统的网络化主要指运动控制系统与外部的其他控制系统或上位计算机进行网络联接和网络控制。随着信息化技术的大量采用，越来越多的国内用户在进口数控机床时要求具有远程通信服务等功能。使运动控制技术与网络技术有机结合，即基于因特网的运动控制技术研究，在国内外尚处于起步阶段。

第十九页，共二十二页，2022年，8月28日快速原型法在运动控制系统设计中的应用应用程序模块框图建立模型平台，构思解决方案，在硬件布置、编写产品控制软件或交付固定设计方案之前，及早了解系统性能的过程。应用快速成型过程，可以通过连续重复建模优化实时系统；应用Simulink作为实时模型的前台在运行过程中调节参数。与传统开发方法相比，周期短、费用低、效率高。快速成型过程是算法、软件、硬件设计阶段的结合，允许开发人员在昂贵的硬件开发之前查看结果和快速重复设计。

第二十页，共二十二页，2022年，8月28日先进控制策略在运动控制系统中的应用

最优控制自适应控制非线性控制滑模变结构控制模糊控制专家系统神经网络控制

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