电力拖动与运动控制系统 第二版 课件

电力拖动与运动控制系统

(ElectricalMachineryandMotionControlSystems)

授课教师：戴诗陆、稀晓田办公地址：华南理工大学3号楼509室Email:audaisl@Tel力拖动与运动控制系统绪论内容提要先谈谈运动控制在机器人领域应用例子什么是运动控制系统？为什么要学习运动控制系统

？运动控制系统的发展过程与趋势本课程的特点绪论内容提要先谈谈运动控制在机器人领域应用例子致谢运动控制在机器人领域应用例子该例子是来源于RoboCupJunior中国委员会李实博士的“电机与运动控制专题讲座（一）”详见网址：/p-78514023.html致谢运动控制在机器人领域应用例子1.1

先说说：运动地面常见的运动形式

轮式，履带式，腿式运动：双足行走，多足行走一些常见的特殊运动方式：自平衡车，蛇形机器人，滑冰，飞行，水里游动1.1先说说：运动地面常见的运动形式1.2几种地面运动形式的比较主要从路面适应性，结构复杂性，以及控制要求角度来比较：路面适应性：多足运动>双足运动>履带运动>轮式运动结构复杂性：多足运动>双足运动>履带运动>轮式运动控制难度：双足运动>多足运动>履带运动>轮式运动问题：为什么自然界的生物，不能进化出轮子？都是腿式运动？几点结论：人类双足行走，是目前已知能量消耗最小的双足运行方式自然界的进化，就是能量最优的进化轮式运动，结构简单，控制容易，虽然对路面要求高，不过还是我们制作初级机器人的最好选择1.2几种地面运动形式的比较主要从路面适应性，结构复杂性，1.3轮式运动分析双轮差速控制方式速度方向独立控制方式万向运动方式1.3轮式运动分析双轮差速控制方式1.4双轮差速双轮差速：

特点：两个电机分别控制两个不同的轮子，通过控制轮子转速的差别，来实现机器人的速度与方向控制。两个轮子布置在机器人轴线上，穿过机器人相应方向的几何中心。要求机器人的重心必须与机器人的几何中心在水平面投影重合。运动特点：可以实现回转半径为零1.4双轮差速双轮差速：1.5速度方向独立控制轮子，与方向，分别控制，常见的例子包括：汽车，三轮车结构稳定，驱动力大。缺点：回转半径>零1.5速度方向独立控制轮子，与方向，分别控制，常见的例子包1.6万向运动运动控制复杂；可以在水平移动的同时，进行旋转；任何方向的移动与转动，都需要合成三个轮子的运动来实现；有三轮方式，以及四轮方式。不过最少也需要三轮，四轮方式是冗余配置；1.6万向运动运动控制复杂；1.7

万向特色由于旋转与平移的独立控制，可以实现机器人一边运动一边旋转。机器人到任意两点间的运动，都是直线；机器人可以在曲线运动中，正方向始终面向一个方向。应用：机器人守门员，无论如何移动，可以永远盯着球的方向；1.7万向特色由于旋转与平移的独立控制，可以实现机器人一边1.8

电机与运动机器人的运动，就是通过控制电机的转速与转向，来实现；机器人运动问题，本质上就是电机控制问题；电机控制的三个层面：速度控制：通过控制速度，使机器人的运动速度恒定；位移控制：通过控制电机速度与转过的角度，来实现机器人位移（应用于万向运动）；电流控制：通过控制电机的电流，来实现电机输出恒定扭矩；（应用于精密加工领域）1.8电机与运动机器人的运动，就是通过控制电机的转速与转向1.9

机器人常用的直流电机直流减速电机；步进电机；无刷电机；1.9机器人常用的直流电机直流减速电机；1.10

直流减速电机两个重要结论：电机转速，与施加给电机的电压，成正比；电机的输出扭矩，与通过电机转子线圈的电流，成正比；减速箱的作用：电机的转速，通过减速箱，除以减速比，降低转速；电机的输出扭矩，通过减速箱，乘以减速比，提高输出扭矩；电机控制方法：通过控制施加给电机的电压，以及正负极性的改变，来控制电机的转速与转向；控制器，与驱动器的概念。控制方式：PWM，驱动方式：H桥开环控制，与闭环控制；通过检测电机的当前运转情况，反馈给控制器，然后来调节控制信号，就是闭环控制；1.10直流减速电机两个重要结论：1.11

直流减速电机的控制器控制方式：脉宽调制信号(PulseWidthModerm,PWM)；控制器：只要是可以输出PWM信号的设备，可以包括：单片机，DSP，FPGA，PLC，等等电机PWM控制：电机控制的难题：电机的转速与转向，与电压大小与极性有关。所以要控制电机转速与转向，就必须控制电机两端的电压大小与方向。而电压是模拟信号，而所有的控制器，都是数字式的，也就是只能输出脉冲。解决办法：通过调节脉冲的占空比，也就是脉冲宽度，来调节施加给电机的等效电压。前提：电机是时滞器件，而且是大延时响应详细原理，如下图所示；1.11直流减速电机的控制器控制方式：脉宽调制信号(Pul1.12电机驱动器驱动方式：H桥驱动器：各种H桥电路，根据PWM信号，来实现电机电压大小与方向的变化；原理如下。参考：/article/87/82/2009/2009071678033.html1.12电机驱动器驱动方式：H桥1.13

直流减速电机的闭环控制闭环控制可以达到的三个层面：速度闭环：电机可以在任何外界环境下，保持恒定的转速；位移闭环：电机可以在允许的最大速度情况下，转过恒定的角度，然后停止；电流闭环：电机可以在不同负载情况下，保持恒定的扭矩输出；电机反馈信号检测用传感器：编码器：检测电机轴转动的角速度，以及转过的角度

说明：编码器应该与电机同轴，并且安装在减速前端，而不是在减速后，否则精度大大降低；

编码器有光电式，或者霍尔式，不同原理。单位：线/分钟(PPM)1.13直流减速电机的闭环控制闭环控制可以达到的三个层面：1.14

闭环控制原理控制器通过编码器，实时检测当前电机运动信息，如果电机运动状态，和期望值不一致，那么就调整PWM输出，直到电机运动与期望值一致为止。经典控制方法：比例微分积分控制（PID）先进控制方法：模糊控制，神经元网络控制，模糊神经元控制，等等。1.14闭环控制原理控制器通过编码器，实时检测当前电机1.15PID控制1.15PID控制内容提要先谈谈运动控制在机器人领域应用例子什么是运动控制系统？为什么要学习运动控制系统

？运动控制系统的发展过程与趋势本课程的特点内容提要先谈谈运动控制在机器人领域应用例子2、什么是运动控制系统？控制系统自动控制系统运动控制系统2、什么是运动控制系统？控制系统自动控制系统运动控制系统2.1控制系统人工控制2.1控制系统人工控制电力拖动与运动控制系统第二版课件自动控制系统自动控制定义所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。例如：数控车床按照预定程序自动地切削工件；化学反应炉的温度或压力自动地维持恒定；无人飞机按照预定航迹自动升降和飞行等等.自动控制系统自动控制定义工业自动化过程控制：针对六大参数控制，时间常数较大运动控制：针对机械运动过程，时间常数小运动控制的研究内容：处理机械系统中一个或多个坐标上的运动以及这些运动之间的协调，涉及各轴上运动速度的调节以及形成准确的定位或遵循特定的轨迹等诸如此类的问题在复杂条件下，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动运动控制系统按照被控物理量可划分为：调速系统(以转速为被控量)；伺服系统(以位移为被控量)工业自动化过程控制：针对六大参数控制，时间常数较大运动控制的2.2运动控制系统定义

以电动机及其拖动的机械设备为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率转换装置为执行机构，在控制理论等指导下可实现电气传动功能的自动控制系统,称为运动控制系统(MotionControlSystems),也为称电力拖动控制系统（ControlSystemsofElectricDrive）;电机控制系统（MotorControlSystems）2.2运动控制系统定义

以电动机及其拖动的机械设备为典型运动控制系统结构(交流)电源控制器电力电子变化器电动机机械系统反馈装置PID调节器数字控制器（PC、PLC、DSP）晶闸管PWM控制电路（弱电）(他励)直流电动机

(异步)交流电动机（笼型、绕线型）测速发电机（TG）电流互感器（TA）

电压互感器（TU）编码器（数控）传动装置定位平台旋转平台给定典型运动控制系统结构(交流)电源控制器电力电子变化器电动机机研究对象电动机直流电动机交流电动机异步电动机同步电动机研究对象电动机直流电机系列直流电机系列步进电机系列接收数字控制信号，把电脉冲信号转换成角位移步进电机系列接收数字控制信号，把电脉冲信号转换成角位移交流电机系列交流电机系列直流电机直流电机(电动机)是以直流电作为电源，使线圈通过电流，线圈旁有永久磁铁，以电磁感应感应出转距使其旋转。直流电机基本上有三种永磁式电机、串激式电机、并激式电机。直流电机的优点：一般而言同样的体积直流电机可以输出较大功率，直流电机转速不受电源频率限制可以制做出高速电机，速度控制只要控制电压较简单容易。缺点：电机上的碳刷使用一段时间会磨损消耗掉须更换,电枢会磨损。用途：造纸机械、车床、起重机、升降机、电气铁道车等需要调整转速的地方。直流电机直流电机(电动机)是以直流电作为电源，使线圈通过电流交流电机交流电机是用途最广的电动机，其优点：价格低廉、构造简单、维修容易、速率变动小。它的转速与频率成正比，频率愈高转速愈快，常见输送带上的交流电机旁边有变频器，用来控制传动转速。交流电机的优点：结构简单生产容易，无接触零件较不用保养使用期限长。缺点：是转速受电源频率固定,使用一般交流频率无法使电机高速运转,最高仅达3600rpm高速电机必需用变频器来产生需要的工作频率，速度控制须改变频率或加装其它回授器较麻烦。用途：冷气机、吹风机、电风扇、抽水泵等。交流电机交流电机是用途最广的电动机，其优点：价格低廉、构造简直流和交流电机区别最大的区别在于有没有碳刷，转动轴有没有线圈。直流电机一定要有碳刷来将电流导入转轴线圈并切换产生磁场相位。直流和交流电机区别最大的区别在于有没有碳刷，转动轴有没有线圈运动控制系统结构电源主控制器运动控制器驱动器电动机机械系统反馈装置前向部分——电力传动与系统主控制器/运动控制器：PC/PLC

电动机控制设备：电力电子变流装置反馈部分——运动参数的测量和反馈传感器控制策略开环控制、闭环控制电动机分类传感器分类运动控制系统结构电源主控制器运动控制器驱动器电动机机械系统反闭环控制策略转矩、速度、位置由内向外的三闭环系统位置控制器速度控制器转矩控制器电流控制功能电动机转矩检测器机械负载＋－＋－＋－＋－s闭环控制策略转矩、速度、位置由内向外的三闭环系统位速转电电转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速度控制以确定的速度曲线使负载产生运动转矩控制维持转矩的恒定或遵循某一变化规律闭环控制策略

并非所有控制系统都需要三个闭环，伺服系统一般是三闭环结构，调速系统一般是双闭环结构位置控制闭环控制策略并非所有控制系统都需要三转矩控制

对转矩的控制通常通过控制电流来实现

性能评价：稳态精度、动态响应速度速度控制开、闭环（交、直流电动机）位置控制开环（步进电机）、闭环（伺服电机）闭环控制策略转矩控制闭环控制策略控制器：通用控制方法

古典自控原理（PID控制）、现代控制理论（自适应控制、鲁棒控制）、先进控制方法（智能控制、NeuralNetworks、Fuzzy

Cotrol）等特定控制策略针对交流电动机的转矩控制有：变频控制（VVVF）、矢量控制(VC)、直接转矩控制(DTC)闭环控制策略控制器：闭环控制策略2.3运动控制系统的分类按驱动电机分：直流传动系统－－用直流电机带动生产机械；

交流传动系统－－用交流电机带动生产机械；按被控物理量分：调速系统－－以转速为被控量；

位置随动系统（伺服系统）－－以角位移或直线位移为被控量；按控制器的类型分：模拟控制系统－－以模拟电路构成控制器；

数字控制系统－－以数字电路构成控制器（PC、PLC、DSP）；按闭环数分：单环，双环，多环系统对某一实际运动控制系统可能是这些分类的交叉：如：用单片机实现的数字式双闭环直流调速系统；2.3运动控制系统的分类按驱动电机分：直流传动系统伺服系统

伺服系统(servomechanism)是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。又称（位置）随动系统。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统。其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。伺服系统

伺服系统(servomechanism)是用来精确内容提要先谈谈运动控制在机器人领域应用例子什么是运动控制系统？为什么要学习运动控制系统

？运动控制系统的发展过程与趋势本课程的特点内容提要先谈谈运动控制在机器人领域应用例子3、为什么要学习运动控制系统?运动控制系统的主要应用领域机械加工，冶金，交通运输，石油加工，航天航空、国防工业、家电生产、轻工、农业等领域。3、为什么要学习运动控制系统?运动控制系统的主要应用领域机械具体应用例子：

工业领域：制造业：钢厂连轧、电炉、加工车间的各种（数控）机床，起重机、传送带，矿山、油田、林场等等用电力拖动机械。印刷电路板生产线：表面贴焊，快速打孔，机械手放置器件；

国防领域：雷达跟踪，自动武器，飞行器控制等；

家电领域：冰箱，空调，洗衣机，电脑光盘驱动器，电风扇等；

机器人：机械手、足球机器人、搬运机器人、各种机器人的移动及关节姿态控制等；其他高新技术产业：电梯、电动汽车，高速列车、无轨电车的调速系统等具体应用例子：工业领域：制造业：钢厂连轧、电炉、加工车间的数控车床数控车床数控铣床数控铣床机械手机械手六自由度机械手取物六自由度机械手运动六自由度机械手取物六自由度机械手运动分体式变频空调控制电路原理框图变频空调分体式变频空调控制电路原理框图变频空调微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图电力拖动与运动控制系统第二版课件据统计，我国电动机装机容量约为4亿多千瓦，其用电量占当年全国发电量的60%~70%。当前，能源紧张！！！合理、经济、有效的利用电能，是运动控制系统设计者的责任。据统计，我国电动机装机容量约为4亿多千瓦，其用电量占当年全国内容提要先谈谈运动控制在机器人领域应用例子什么是运动控制系统？为什么要学习运动控制系统

？运动控制系统的发展过程与趋势

本课程的特点内容提要先谈谈运动控制在机器人领域应用例子运动控制系统的发展历史19世纪80年代以前－－仅有直流电气传动19世纪末，出现交流电机（鼠笼式异步交流电机）－－开始逐步使用交流电气传动20世纪30年代起，形成直流调速，交流不调速的格局20世纪后期，交流调速兴起运动控制系统的发展历史19世纪80年代19世纪末，出现交流电运动控制系统的发展趋势高频化、集成化交流化数字化、智能化和网络化运动控制系统的发展趋势高频化、集成化交流化数字化、智能化和网运动控制发展趋势驱动的交流化以省电为目的：改原来交流不调速为交流调速；以减少维护为目的：改直流调速为交流调速；原直流调速达不到的领域：大功率、高压、高速场合应用交流调速系统。驱动系统的超高速化和超小化、超大型化系统实现的集成化控制的数字化、智能化和网络化运动控制发展趋势驱动的交流化内容提要先谈谈运动控制在机器人领域应用例子什么是运动控制系统？为什么要学习运动控制系统

？运动控制系统的发展过程与趋势本课程的特点内容提要先谈谈运动控制在机器人领域应用例子

综合性强，多个学科交叉（电机与拖动、电力电子技术、自动控制、电路、微机技术等）

本课程强调--控制系统的组成、工作原理、机械性能、稳态性能、动态分析与设计工程化－－理论与实践相结合。涉及的知识：电机学、电力电子技术、自动控制理论、