運(yùn)動控制系統(tǒng)課程總結(jié)

1、.運(yùn)動控制系統(tǒng)課程總結(jié)摘要：本文通過對運(yùn)動控制系統(tǒng)課程的總結(jié)，使我對運(yùn)動控制系統(tǒng)有了更深刻的理解。現(xiàn)代運(yùn)動控制已成為電機(jī)學(xué)，電力電子技術(shù)，微電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，控制理論，信號檢測與處理技術(shù)等多門學(xué)科相互交叉的綜合性學(xué)科。文中簡單介紹了運(yùn)動控制及其相關(guān)學(xué)科的關(guān)系，隨著其他相關(guān)學(xué)科的不斷發(fā)展，運(yùn)動控制系統(tǒng)也在不斷發(fā)展，不斷提高系統(tǒng)的安全性，可靠性。文中最后簡述了其發(fā)展歷程及其未來發(fā)展的展望。關(guān)鍵字：運(yùn)動控制，電力電子，直流調(diào)速，交流調(diào)速1.引言運(yùn)動控制系統(tǒng)也叫做電力拖動控制系統(tǒng)。運(yùn)動控制系統(tǒng)的任務(wù)是通過對電動機(jī)電壓，電流，頻率等輸入電量的控制,來改變工作機(jī)械的轉(zhuǎn)矩，速度，位移等機(jī)械量，使各種

2、機(jī)械按人們期望的要求運(yùn)行,以滿足生產(chǎn)工藝及其他應(yīng)用的需要。工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對運(yùn)動控制系統(tǒng)提出了日益復(fù)雜的要求，同時(shí)也為研制和生產(chǎn)各類新型的控制裝置提供了可能。在前期課程控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)處理、電力電子等課程的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)以電動機(jī)為被控對象的控制系統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)觀念、運(yùn)動控制系統(tǒng)的基本理論和方法、初步的工程設(shè)計(jì)能力和研發(fā)同類系統(tǒng)的能力。1. 課程總結(jié)本書運(yùn)動控制系統(tǒng)全面、系統(tǒng)、深入地介紹了運(yùn)動控制系統(tǒng)的基本控制原理、系統(tǒng)組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、分析和設(shè)計(jì)方法。 運(yùn)動控制系統(tǒng)內(nèi)容主要包括直流調(diào)速、交流調(diào)速和伺服系統(tǒng)三部分。直流調(diào)速部分主要介紹單閉環(huán)、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和以全控型功率器件

3、為主的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)等內(nèi)容；交流調(diào)速部分主要包括基于異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)模型的調(diào)速系統(tǒng)、基于異步電動機(jī)動態(tài)模型的高性能調(diào)速系統(tǒng)以及串級調(diào)速系統(tǒng)；隨動系統(tǒng)部分介紹直、交流隨動系統(tǒng)的性能分析與動態(tài)校正等內(nèi)容。此外，書中還介紹了近幾年發(fā)展起來的多電平逆變技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)等內(nèi)容。運(yùn)動控制系統(tǒng)既注重理論基礎(chǔ)，又注重工程應(yīng)用，體現(xiàn)了理論性與實(shí)用性相統(tǒng)一的特點(diǎn)。書中結(jié)合大量的工程實(shí)例，給出了其仿真分析、圖形或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)，具有形象直觀、簡明易懂的特點(diǎn)。1.1直流調(diào)速系統(tǒng)第一部分中主要介紹直流調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)節(jié)直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速有三種方法：改變電樞回路電阻調(diào)速閥，減弱磁通調(diào)速法，調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速法。變壓調(diào)速是是直流調(diào)速系

4、統(tǒng)的主要方法，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)至少包含了兩部分：能夠調(diào)節(jié)直流電動機(jī)電樞電壓的直流電源和產(chǎn)生被調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的直流電動機(jī)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，可控直流電源主要有兩大類，一類是相控整流器，它把交流電源直接轉(zhuǎn)換成可控直流電源；另一類是直流脈寬變換器，它先把交流電整流成不可控的直流電，然后用PWM方式調(diào)節(jié)輸出直流電壓。圖為相控整流器-直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）本章說明了兩類直流電源的特性和數(shù)學(xué)模型。當(dāng)用可控直流電源和直流電動機(jī)組成一個(gè)直流調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，它們所表現(xiàn)車來的性能指標(biāo)和人們的期望值必然存在一個(gè)不小的差距，并做出了分析。開環(huán)控制系統(tǒng)無法滿足人們期望的性能指標(biāo)，本章就閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)展開分析

5、和討論。論述哦了轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律，分析了系統(tǒng)的靜差率，介紹了PI調(diào)節(jié)器和P調(diào)節(jié)器的控制作用。轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)能夠提高調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，但動態(tài)性能仍不理想，轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是靜動態(tài)性能良好，應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)；還介紹了轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)系統(tǒng)的組成及其靜特性，數(shù)學(xué)模型，并對雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)特性進(jìn)行了詳細(xì)分析。本章對直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了討論，論述了與調(diào)速系統(tǒng)緊密關(guān)聯(lián)的數(shù)字測速方法和數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)方法，并用MATLAB仿真軟件對轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。 圖為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)1.2交流調(diào)速系統(tǒng)第二部分主要介紹交流調(diào)速系統(tǒng)。交流調(diào)速

6、系統(tǒng)有異步電動機(jī)和同步電動機(jī)兩大類。異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)分為3類：轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)，轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng)，轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)。同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率恒為零，同步電動機(jī)調(diào)速只能通過改變同步轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)，由于同步電動機(jī)極對數(shù)是固定的，只能采用變壓變頻調(diào)速。本章介紹了基于等效電路的異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)模型，討論異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速的基本原理和基頻以下的電流補(bǔ)償控制。首先介紹了交流PWM變頻器的主電路，然后討論正選PWM（SPWM），電流跟蹤PWM（CFPWM）和電壓空間矢量PWM(SVPWM)三種控制方式，討論了電壓矢量與定子磁鏈的關(guān)系，最后介紹了PWM變頻器在異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用的特殊問題。并

7、討論了轉(zhuǎn)速開環(huán)電壓頻率協(xié)調(diào)控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)和通用變頻器。詳細(xì)討論了轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)的工作原理和控制規(guī)律，并介紹了變頻調(diào)速在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例。矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制是兩種基于動態(tài)模型的高性能的交流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，矢量控制系統(tǒng)通過矢量變換和按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，得到等效直流電機(jī)模型，然后按照直流電動機(jī)模型設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)；直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)利用轉(zhuǎn)矩偏差和定子磁鏈幅值偏差的符號，根據(jù)當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶克诘奈恢?，直接選取合適的定子電壓矢量，實(shí)施電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的控制。兩種交流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的靜，動態(tài)性能，各有所長，也各有不足之處。2. 運(yùn)動控制及其相關(guān)學(xué)科現(xiàn)代運(yùn)動控制已成為電機(jī)

8、學(xué)，電力電子技術(shù)，微電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，控制理論，信號檢測與處理技術(shù)等多門學(xué)科相互交叉的綜合性學(xué)科。運(yùn)動控制系統(tǒng)是以電動機(jī)為控制對象,以控制器為核心, 以電力電子、功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu),在控制理論指導(dǎo)下組成的電氣傳動控制系統(tǒng)。運(yùn)動控制系統(tǒng)多種多樣, 但從基本結(jié)構(gòu)上看, 一個(gè)典型的現(xiàn)代運(yùn)動控制系統(tǒng)的硬件主要由上位計(jì)算機(jī)、運(yùn)動控制器、功率驅(qū)動裝盆電動機(jī)和傳感器反饋檢測裝置和被控對象等幾部分組成。電動機(jī)及其功率驅(qū)動裝置作為執(zhí)行器主要為被控對象提供動力。圖為運(yùn)動控制系統(tǒng)及其組成2.1.電機(jī)學(xué)電機(jī)學(xué)是運(yùn)動控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理決定了運(yùn)動控制的設(shè)計(jì)方法和運(yùn)行性能，新型電機(jī)的發(fā)明就會

9、帶出新的運(yùn)動控制系統(tǒng)。2.2.電力電子技術(shù)以電力電子器件為基礎(chǔ)的功率放大與變換裝置是弱電控制強(qiáng)電的媒介，在運(yùn)動控制系統(tǒng)中作為電動機(jī)的可控電源，其輸出電源質(zhì)量直接影響到運(yùn)動控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)喝性能。新型電力電子器件的誕生必將產(chǎn)生新型的功率放大器與變換裝置，對改善電動機(jī)供電電源質(zhì)量，提高系統(tǒng)運(yùn)行性能，起到積極地推進(jìn)作用。目前功率放大與變換裝置多用電力電子型。電力電子器件經(jīng)歷了有半空型向全控型，由低頻開關(guān)向高頻開關(guān)，由分立的器件向具有復(fù)合功能的功率器件模塊發(fā)展的過程，電力電子技術(shù)的發(fā)展，使功率放大與變換裝置的結(jié)構(gòu)趨于簡單，性能趨于完善。2.3.微電子技術(shù)微電子技術(shù)的快速發(fā)展，導(dǎo)致各種高性能的大規(guī)?；?/p>

10、超大規(guī)模的集成電路層出不窮，方便和簡化了運(yùn)動控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及調(diào)試工作，提高了運(yùn)動控制系統(tǒng)的可靠性。高速，大內(nèi)存容量，多功能的微處理器或單片微機(jī)的問世，使各種復(fù)雜的控制算法在運(yùn)動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用成為可能，并大大提高了控制精度。2.4.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)具有強(qiáng)大的邏輯判斷、數(shù)據(jù)計(jì)算和處理、信息傳輸?shù)饶芰?，能進(jìn)行各種復(fù)雜的運(yùn)算，可以實(shí)現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的控制規(guī)律，達(dá)到模擬控制系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)的控制功能和效果。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用使對象參數(shù)辨識、控制系統(tǒng)的參數(shù)自整定和自學(xué)習(xí)、智能控制、故障診斷等成為可能，大大提高了運(yùn)動控制系統(tǒng)的智能化和系統(tǒng)的可靠性。在工程實(shí)際中，對于一些難以求得其精確解析解的問題

11、，可以通過計(jì)算機(jī)求得其數(shù)值解，這就是計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真。計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真具有成本低，結(jié)構(gòu)靈活，結(jié)果直觀，便于貯存和進(jìn)行數(shù)據(jù)分析等優(yōu)點(diǎn)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)是在數(shù)字仿真的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，在系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真，按給定指標(biāo)尋優(yōu)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，已成為運(yùn)動控制系統(tǒng)常用的分析和設(shè)計(jì)工具。 2.5.信號檢測與處理技術(shù)控制系統(tǒng)的“眼睛”運(yùn)動控制系統(tǒng)的本質(zhì)是反饋控制，即根據(jù)給定和輸出的偏差實(shí)施控制，最終縮小或消除偏差，運(yùn)動控制系統(tǒng)需通過傳感器實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，構(gòu)成反饋控制，并進(jìn)行故障分析和故障保護(hù)。由于實(shí)際檢測信號往往帶有隨機(jī)的擾動，這些擾動信號對控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生不利的影響，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?/p>

12、破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了保證系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行，必須對實(shí)際檢測的信號進(jìn)行濾波等處理，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。此外，傳感器輸出信號的電壓、極性和信號類型往往與控制器的需求不相吻合。所以，傳感器輸出信號一般不能直接用于控制，需要進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理。2.6.控制理論系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的依據(jù) 控制理論是運(yùn)動控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，是指導(dǎo)系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的依據(jù)?？刂葡到y(tǒng)實(shí)際問題的解決常常能推動理論的發(fā)展，而新的控制理論的誕生，諸如非線性控制、自適應(yīng)控制、智能控制等，又為研究和設(shè)計(jì)各種新型的運(yùn)動控制系統(tǒng)提供了理論依據(jù)。同樣，運(yùn)動控制系統(tǒng)在我們所學(xué)過的許多專業(yè)課程中也有重要的應(yīng)用。例如我們在這個(gè)學(xué)期所學(xué)習(xí)的DSP其中

13、就有用DSP控制直流電機(jī)調(diào)速的。這用到運(yùn)動控制系統(tǒng)中的直流調(diào)速系統(tǒng)的相關(guān)知識。3.運(yùn)動控制的發(fā)展運(yùn)動控制系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從直流到交流，從開環(huán)到閉環(huán)，從模擬到數(shù)字，直到基于PC的伺服控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和基于網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)動控制的發(fā)展過程，每個(gè)過程的發(fā)展都在很大程度上促進(jìn)了運(yùn)動控制系統(tǒng)的發(fā)展。與交流運(yùn)動系統(tǒng)相比，直流運(yùn)動系統(tǒng)控制簡單、調(diào)速性能好，長期以來占統(tǒng)治地位，當(dāng)前已經(jīng)發(fā)展的相當(dāng)完善。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，國際上全數(shù)字直流運(yùn)動控制系統(tǒng)已經(jīng)非常的普及。直流運(yùn)動控制系統(tǒng)以其優(yōu)異的性能在近一段時(shí)期內(nèi)不會被完全淘汰，交流運(yùn)動控制系統(tǒng)代替直流運(yùn)動控制系統(tǒng)需要經(jīng)歷一個(gè)漫長的過程。直流運(yùn)動控制系統(tǒng)存在著以下的缺點(diǎn)：a.

14、直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、故障多、維護(hù)困難且工作量大，經(jīng)常因?yàn)榛鸹ù蠖绊懮a(chǎn)，同時(shí)對其他設(shè)備也造成不同程度的電磁干擾。b.機(jī)械換向器的換向能力限制了電動機(jī)的容量、電壓和速度，接觸式的電流傳輸又限制了直流電動機(jī)的應(yīng)用場合。c.電樞在轉(zhuǎn)子上，電動機(jī)效率低，散熱條件差，冷卻費(fèi)用高。為了改善換向能力，減小電樞的漏感，轉(zhuǎn)子變得粗短，影響了系統(tǒng)的動態(tài)性能。由開環(huán)到閉環(huán)的發(fā)展是控制系統(tǒng)發(fā)展的必然。直流運(yùn)動系統(tǒng)的閉環(huán)控制作為交流運(yùn)動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，交流運(yùn)動控制系統(tǒng)的控制就是模擬了直流運(yùn)動系統(tǒng)的閉環(huán)控制功能。交流運(yùn)動控制系統(tǒng)在當(dāng)前的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大。 運(yùn)動控制系統(tǒng)在要求成本低、控制精度不高的場合大多運(yùn)行于開

15、環(huán)狀態(tài)。當(dāng)前的開環(huán)控制模式主要有調(diào)壓(VV)、調(diào)頻(VF，無閉環(huán))以及變壓變頻(VVVF)，其中變壓變頻可以分為交交變頻和交直交變頻。傳統(tǒng)的電動機(jī)的狀態(tài)只有正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和靜止這三種狀態(tài)，不能產(chǎn)生轉(zhuǎn)速的變化。應(yīng)用變頻器調(diào)速后，使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速變化自如，賦予了運(yùn)動控制系統(tǒng)新的活力，過去運(yùn)動控制中的難題由此迎刃而解。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，新一代全數(shù)字通用變頻器可以組成恒壓頻比的開環(huán)調(diào)速運(yùn)動控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)具有較硬的機(jī)械特性和較好的調(diào)速性能，可滿足很大部分中小型生產(chǎn)機(jī)械的一般調(diào)速要求，達(dá)到節(jié)能、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效益的目的，由于這部分交流運(yùn)動系統(tǒng)量大面廣，因此，速度開環(huán)控制的運(yùn)動控制系統(tǒng)是運(yùn)動控制的主要

16、部分。由于開環(huán)控制缺少必要的閉環(huán)，因此存在很多的弊端：電流無法控制，無法做到對運(yùn)動系統(tǒng)的有效的保護(hù)；系統(tǒng)的控制精度不高等。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠和高精度，運(yùn)動控制必須實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。對于不同的運(yùn)動控制系統(tǒng)，閉環(huán)的模式也就不一樣。為了實(shí)現(xiàn)速度的控制，可以采用電流環(huán)和速度環(huán)兩環(huán)結(jié)構(gòu)；為了實(shí)現(xiàn)位置的跟蹤，應(yīng)采用位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的三環(huán)結(jié)構(gòu)。當(dāng)前，流行的閉環(huán)控制模式主要分為矢量控制(或磁場定向控制)和直接轉(zhuǎn)矩控制。進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，因?yàn)槲㈦娮蛹夹g(shù)的快速發(fā)展，電路的集成度越來越高，對運(yùn)動控制系統(tǒng)產(chǎn)生了很重要的影響，運(yùn)動控制系統(tǒng)的控制方式迅速向微機(jī)控制方向發(fā)展，并由硬件控制轉(zhuǎn)向軟件控制，智

17、能化的軟件控制將成為運(yùn)動控制系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展趨勢?；赑C的運(yùn)動控制卡，在當(dāng)前具有很大的優(yōu)勢。很多的科研院所所開發(fā)的運(yùn)動控制卡，可以諧調(diào)多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)，使得系統(tǒng)具有良好的控制性能。隨著材料技術(shù)、電力電子技術(shù)、控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)的快速發(fā)展以及電動機(jī)制造工藝水平的逐步提高，同時(shí)伴隨著制造業(yè)的不斷升級和“柔性制造技術(shù)”的快速發(fā)展，必將為“柔性加工和制造技術(shù)”的核心技術(shù)之一的“運(yùn)動控制系統(tǒng)技術(shù)”迎來又一大好的發(fā)展時(shí)機(jī)。4.總結(jié)本文概述了運(yùn)動控制系統(tǒng)內(nèi)容總結(jié)，以及相關(guān)學(xué)科的關(guān)系，包括各個(gè)方面的發(fā)展。從中可以看出, 現(xiàn)代的運(yùn)動控制系統(tǒng)已經(jīng)不同于原有的電氣傳動控制系統(tǒng)的概念, 它是綜合電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)