運(yùn)動控制系統(tǒng)(第4版)第1章-緒論課件

1、第1章 緒論重點(diǎn)介紹運(yùn)動控制系統(tǒng)的組成及發(fā)展概況，包括4節(jié)內(nèi)容。1.1 運(yùn)動控制系統(tǒng)及其組成1.2 運(yùn)動控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展1.3 運(yùn)動控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律1.4 生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性第1章 緒論重點(diǎn)介紹運(yùn)動控制系統(tǒng)的組成及發(fā)展概況，包括4節(jié)第1章 緒論電力拖動實(shí)現(xiàn)了電能與機(jī)械能之間的能量變換，而電力拖動自動控制系統(tǒng)運(yùn)動控制系統(tǒng)的任務(wù)是通過控制電動機(jī)電壓、電流、頻率等輸入量，來改變工作機(jī)械的轉(zhuǎn)矩、速度、位移等機(jī)械量，使各種機(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。現(xiàn)代運(yùn)動控制技術(shù)以各類電動機(jī)為控制對象，以計(jì)算機(jī)和其他電子裝置為控制手段，以電力電子裝置為弱電控制強(qiáng)電的紐帶，以

2、自動控制理論和信息處理理論為理論基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）為研究和開發(fā)的工具。由此可見，現(xiàn)代運(yùn)動控制技術(shù)已成為電機(jī)學(xué)、電力電子學(xué)、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。第1章 緒論電力拖動實(shí)現(xiàn)了電能與機(jī)械能之間的能量變換，而電第1章 緒論圖1-1 運(yùn)動控制及其相關(guān)學(xué)科第1章 緒論圖1-1 運(yùn)動控制及其相關(guān)學(xué)科第1章 緒論1.1 運(yùn)動控制系統(tǒng)及其組成運(yùn)動控制系統(tǒng)由電動機(jī)、功率放大與變換裝置、控制器及相應(yīng)的傳感器等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。圖1-2 運(yùn)動控制系統(tǒng)及其組成第1章 緒論1.1 運(yùn)動控制系統(tǒng)及其組成圖1-2 運(yùn)動第

3、1章 緒論1.1.1 電動機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)的控制對象為電動機(jī)，電動機(jī)根據(jù)工作原理可分為直流電動機(jī)、交流感應(yīng)電動機(jī)（交流異步電動機(jī)）和交流同步電動機(jī)等，根據(jù)用途可分為用于調(diào)速系統(tǒng)的拖動電動機(jī)和用于伺服系統(tǒng)的伺服電動機(jī)。直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，電刷和換向器限制了它的轉(zhuǎn)速與容量。極限容量和速度之積約為 ， 交流電動機(jī)（尤其是籠型感應(yīng)電動機(jī)）結(jié)構(gòu)簡單、制造容易，無須機(jī)械換向器，因此其允許轉(zhuǎn)速與容量均大于直流電動機(jī)。同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速，機(jī)械特性硬，功率因數(shù)可調(diào)。但在恒頻電源供電時(shí)調(diào)速較為困難，變頻器的誕生不僅解決了同步電動機(jī)的調(diào)速，還解決了其起動和失步問題，有效地促進(jìn)了同步電動機(jī)在運(yùn)動控

4、制系統(tǒng)中的應(yīng)用。第1章 緒論1.1.1 電動機(jī)第1章 緒論1.1.2 功率放大與變換裝置功率放大與變換裝置有電機(jī)型、電磁型、電力電子型等，現(xiàn)在多用電力電子型的。電力電子器件經(jīng)歷了由半控型向全控型、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。晶閘管（SCR）是第一代電力電子器件的典型代表，屬于半控型器件，通過門極只能使晶閘管開通，而無法使它關(guān)斷。該類器件可方便地應(yīng)用于相控整流器（ACDC）和有源逆變器（DCAC），但用于無源逆變（DCAC）或直流PWM（脈寬調(diào)制）方式調(diào)壓（DCDC）時(shí)，必須增加強(qiáng)迫換

5、流回路，使電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜。第1章 緒論1.1.2 功率放大與變換裝置第1章 緒論第二代電力電子器件是全控型器件，通過門極既可以使器件開通，也可以使它關(guān)斷，例如MOSFET、IGBT、GTO等。此類器件用于無源逆變（DCAC）和直流調(diào)壓（DCDC）時(shí)，無須強(qiáng)迫換流回路，主電路結(jié)構(gòu)簡單。第二代電力電子器件的另一個(gè)特點(diǎn)是可以大大提高開關(guān)頻率，用PWM技術(shù)控制功率器件的開通與關(guān)斷，可大大提高可控電源的質(zhì)量。第三代電力電子器件的特點(diǎn)是由單一的器件發(fā)展為具有驅(qū)動、保護(hù)等功能的復(fù)合功率模塊，提高了使用的安全性和可靠性。第1章 緒論第二代電力電子器件是全控型器件，通過門極既可以第1章 緒論1.1.3 控制器控制

6、器分模擬控制器和數(shù)字控制器兩類，也有模數(shù)混合的控制器，現(xiàn)在已越來越多地采用數(shù)字控制器。模擬控制器常用運(yùn)算放大器及相應(yīng)的電氣元件實(shí)現(xiàn)，具有物理概念清晰、控制信號流向直觀等優(yōu)點(diǎn)，其控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路和所用的器件上，因而線路復(fù)雜、通用性差、控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響。以微處理器為核心的數(shù)字控制器的硬件電路標(biāo)準(zhǔn)程度高、制作成本低，而且沒有器件的溫度漂移的問題?？刂埔?guī)律體現(xiàn)在軟件上，修改起來靈活方便。此外，還擁有信息儲存、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等模擬控制器難以實(shí)現(xiàn)的功能。然而，模擬控制器的所有運(yùn)算能在同一時(shí)刻并行運(yùn)行，控制器的滯后時(shí)間很小，可以忽略不計(jì)；而一般的微處理器在任第1章 緒論1.1

7、.3 控制器第1章 緒論何時(shí)刻只能執(zhí)行一條指令，屬于串行運(yùn)行方式，其滯后時(shí)間比模擬控制器大得多，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)予以考慮。1.1.4 信號檢測與處理運(yùn)動控制系統(tǒng)中常需要電壓、電流、轉(zhuǎn)速和位置的反饋信號，為了真實(shí)可靠地得到這些信號，并實(shí)現(xiàn)功率電路（強(qiáng)電）和控制器（弱電）之間的電氣隔離，需要相應(yīng)的傳感器。電壓、電流傳感器的輸出信號多為連續(xù)的模擬量，而轉(zhuǎn)速和位置傳感器的輸出信號因傳感器的類型而異，可以是連續(xù)的模擬量，也可以是離散的數(shù)字量。由于控制系統(tǒng)對反饋通道上的擾動無抑制能力，所以，信號傳感器必須有足夠高的精度，才能保證控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。第1章 緒論何時(shí)刻只能執(zhí)行一條指令，屬于串行運(yùn)行方式，其滯第1

8、章 緒論信號轉(zhuǎn)換和處理包括電壓匹配、極性轉(zhuǎn)換、脈沖整形等，對于計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)而言，必須將傳感器輸出的模擬或數(shù)字信號變換為可用于計(jì)算機(jī)運(yùn)算的數(shù)字量。數(shù)據(jù)處理的另一個(gè)重要作用是去偽存真，即從帶有隨機(jī)擾動的信號中篩選出反映被測量的真實(shí)信號，去掉隨機(jī)的擾動信號，以滿足控制系統(tǒng)的需要。常用的數(shù)據(jù)處理方法是信號濾波，模擬控制系統(tǒng)常采用模擬器件構(gòu)成的濾波電路，而計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)往往采用模擬濾波電路和計(jì)算機(jī)軟件數(shù)字濾波相結(jié)合的方法。第1章 緒論信號轉(zhuǎn)換和處理包括電壓匹配、極性轉(zhuǎn)換、脈沖整形第1章 緒論1.2 運(yùn)動控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展直流電動機(jī)電力拖動與交流電動機(jī)電力拖動在19世紀(jì)中葉先后誕生（1866年

9、德國人西門子制成了自激式的直流發(fā)電機(jī)；1890年美國西屋電氣公司利用尼古拉特斯拉的專利研制出第一臺交流同步電機(jī)；1898年第一臺異步電動機(jī)誕生），在20世紀(jì)前半葉，約占整個(gè)電力拖動容量80%的不可調(diào)速拖動系統(tǒng)采用交流電動機(jī)，只有20%的高性能可調(diào)速拖動系統(tǒng)采用直流電動機(jī)。20世紀(jì)后半葉，電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)帶動了帶動了新一代的交流調(diào)速系統(tǒng)的興起與發(fā)展，逐步打破了直流調(diào)速系統(tǒng)一統(tǒng)高性能拖動天下的格局。進(jìn)入21世紀(jì)后，用交流調(diào)速系統(tǒng)取代直流調(diào)速系統(tǒng)已成為不爭的事實(shí)。直流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型簡單，轉(zhuǎn)矩易于控制。其換向器與電刷第1章 緒論1.2 運(yùn)動控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展第1章 緒論的位置保證了電樞電流

10、與勵磁電流的解耦。1960年以來，晶閘管整流器的應(yīng)用，使得直流拖動控制技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，對直流拖動控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)也有了一套實(shí)用的工程設(shè)計(jì)方法。交流電動機(jī)（尤其是籠型異步電動機(jī)）具有結(jié)構(gòu)簡單等諸多優(yōu)點(diǎn)，但其動態(tài)數(shù)學(xué)模型具有非線性多變量強(qiáng)耦合的性質(zhì)，比直流電動機(jī)復(fù)雜得多。早期交流調(diào)速系統(tǒng)的控制方法是基于交流電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的，其動態(tài)性能無法與直流調(diào)速系統(tǒng)相比。20世紀(jì)70年代德國工程師FBlaschke和WFlter等人提出“感應(yīng)電機(jī)磁場定向控制原理”，P.C.Custman和A.A.Clark提出“定子電壓坐標(biāo)變換控制”，這都是矢量控制的基本設(shè)想。1980年日本難波江章教授等人提出轉(zhuǎn)

11、差型矢量控制，進(jìn)一步簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。1980年，德國W.Leonhard教授等用微機(jī)第1章 緒論的位置保證了電樞電流與勵磁電流的解耦。1960第1章 緒論實(shí)現(xiàn)矢量控制系統(tǒng)的數(shù)字化，大大簡化了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，經(jīng)過不斷的改進(jìn)和完善，形成現(xiàn)在通用的高性能矢量控制系統(tǒng)。1985年，德國魯爾大學(xué)Depenbrock教授提出直接轉(zhuǎn)矩控制，1987年把它推廣到弱磁調(diào)速范圍，其控制結(jié)構(gòu)簡單，是一種高動態(tài)響應(yīng)的交流迢速系統(tǒng)。同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率嚴(yán)格保持同步，機(jī)械特性硬。電勵磁同步電動機(jī)還有一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)，就是可以控制勵磁來調(diào)節(jié)它的功率因數(shù)，使功率因數(shù)達(dá)到1.0，甚至產(chǎn)生超前的功率因數(shù)角。但同步電動機(jī)由電網(wǎng)

12、直接供電時(shí)，存在起動困難與失步問題。電力電子變頻技術(shù)的發(fā)展，成功地解決了阻礙同步電動機(jī)調(diào)速發(fā)展的這兩大問題，而永磁同步電動機(jī)和直流無刷電動機(jī)等新型同步電動機(jī)的問世，猶如猛虎添翼，使同步電動機(jī)調(diào)速得到飛速的發(fā)展。第1章 緒論實(shí)現(xiàn)矢量控制系統(tǒng)的數(shù)字化，大大簡化了系統(tǒng)的硬件第1章 緒論高性能的運(yùn)動控制系統(tǒng)需要轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，但速度傳感器的機(jī)械安裝要求高，調(diào)試工作量大，有時(shí)由于場地及空間的限制，根本不允許安裝速度傳感器，無速度傳感器控制的調(diào)速系統(tǒng)正好能彌補(bǔ)這些不足。無速度傳感器控制的基本方法是實(shí)時(shí)檢測定子電壓和電流，再依據(jù)電動機(jī)模型或合適的算法對轉(zhuǎn)速進(jìn)行估算，用估算的值進(jìn)行反饋控制。但這種方法受電機(jī)參數(shù)

13、影響大，對測量噪聲敏感。如何提高轉(zhuǎn)速估算精度，是進(jìn)一步發(fā)展無速度傳感器控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。近年來，模糊控制、專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，使運(yùn)動控制系統(tǒng)向智能化的方向發(fā)展。在現(xiàn)代運(yùn)動控制系統(tǒng)中，常使智能控制與傳統(tǒng)PI控制互相結(jié)合，取長補(bǔ)短，既保證了系統(tǒng)的控制精度，又增加了系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)、自調(diào)整及決策能力，提高了系統(tǒng)的魯棒性。第1章 緒論高性能的運(yùn)動控制系統(tǒng)需要轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，但速度傳第1章 緒論1.3 運(yùn)動控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律運(yùn)動控制系統(tǒng)的基本運(yùn)動方程式為：式中 J機(jī)械轉(zhuǎn)動慣量 ； m 轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度（rad/s)； m 轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)角（rad）； Te 電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩（Nm）； TL 負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N

14、m）； D阻轉(zhuǎn)矩阻尼系數(shù)； K扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩系數(shù)。 第1章 緒論1.3 運(yùn)動控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律第1章 緒論若忽略阻尼轉(zhuǎn)矩和扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩，則運(yùn)動控制系統(tǒng)的基本運(yùn)動方程式可簡化為：若采用工程單位制，則式（1-2）的第1行應(yīng)改寫為：式中 轉(zhuǎn)動慣量，習(xí)慣稱飛輪力矩 n轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)速（r/min），第1章 緒論若忽略阻尼轉(zhuǎn)矩和扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩，則運(yùn)動控制系統(tǒng)的第1章 緒論運(yùn)動控制系統(tǒng)的任務(wù)就是控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，對于直線電動機(jī)來說就是控制速度和位移。由式（1-1）和式（1-2）可知，要控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，唯一的途徑就是控制電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te，使轉(zhuǎn)速變化率按人們期望的規(guī)律變化。因此，轉(zhuǎn)矩控制是運(yùn)動控制的根

15、本問題。為了有效地控制電磁轉(zhuǎn)矩，充分利用電機(jī)鐵心，在一定的電流作用下進(jìn)可能產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩，以加快系統(tǒng)的過渡過程，必須在控制轉(zhuǎn)矩的同時(shí)也控制磁通（或磁鏈）。因?yàn)楫?dāng)磁通（或磁鏈）很小時(shí)，即使電樞電流（或交流電機(jī)定子電流的轉(zhuǎn)矩分量）很大，實(shí)際轉(zhuǎn)矩仍然很小。何況由于物理?xiàng)l件限制，電樞電流（或定子電流）總是有限的。因此，磁鏈控制與轉(zhuǎn)矩控制同樣重要，不可偏廢。通常在基速（額定轉(zhuǎn)速）以下采用恒磁通（或磁鏈）控制，而在基速以上采用弱磁控制。第1章 緒論運(yùn)動控制系統(tǒng)的任務(wù)就是控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，第1章 緒論1.4 生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性對運(yùn)動控制系統(tǒng)而言，生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩是一個(gè)必然存在的不可控?cái)_動輸入

16、，生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性直接影響運(yùn)動控制系統(tǒng)控制方案的選擇和系統(tǒng)的動態(tài)性能。為了對運(yùn)動控制系統(tǒng)作全面的了解，便于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試，常歸納出幾種典型的生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性。1.4.1 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL的大小恒定，與m或n無關(guān)，稱做恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載， TL = 常數(shù) （1-4）恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載有位能性和反抗性兩種。位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載由重力產(chǎn)生，具有固定的大小和方向，如圖1-3a所示。反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的大小不變，方向則始終與轉(zhuǎn)速反向，如圖1-3b。第1章 緒論1.4 生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性第1章 緒論圖1-3 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性a) 位能性恒轉(zhuǎn)矩 b）反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載第1章 緒論圖1-3 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性第1章 緒論1.4.2 恒功率負(fù)載恒功率負(fù)載的特征是負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，而