1、電力拖動自動控制系統電力拖動自動控制系統 運動控制系統運動控制系統授課教師：授課教師：田田 偉偉Email：cse_Office：1J1203第第1章章 緒緒 論論n運動控制系統及其組成運動控制系統及其組成n運動控制系統的歷史與發展運動控制系統的歷史與發展n運動控制系統轉矩控制規律運動控制系統轉矩控制規律n生產機械的負載轉矩特性生產機械的負載轉矩特性運動控制系統的任務運動控制系統的任務通過通過控制控制電動機電壓、電流、頻率等電動機電壓、電流、頻率等輸入量輸入量，改變改變工作機械的轉矩、速度、位移等工作機械的轉矩、速度、位移等機械量機械量，使各種工作機械按人們期望的要求運行，使各種工作機械按人們

2、期望的要求運行，以滿足生產工藝及其他應用的需要。以滿足生產工藝及其他應用的需要。電電 源源控制設備控制設備電動機電動機工作機構工作機構電力拖動系統的構成電力拖動系統的構成現代運動控制技術現代運動控制技術以各類電動機為以各類電動機為控制對象控制對象，以計算機和其他電子裝置以計算機和其他電子裝置為為控制手段控制手段，以電力電子，以電力電子裝置為裝置為弱電控制強電的紐弱電控制強電的紐帶帶，以自動控制理論和信，以自動控制理論和信息處理理論為息處理理論為理論基礎理論基礎，以計算機數字仿真和計算以計算機數字仿真和計算機輔助設計為機輔助設計為研究和開發研究和開發的工具的工具。圖圖1-1運動控制及其相關學科運

3、動控制及其相關學科1.1 運動控制系統及其組成運動控制系統及其組成 圖圖1-2 運動控制系統及其組成運動控制系統及其組成1.1.1運動控制系統的控制對象運動控制系統的控制對象電動機電動機l從類型上分從類型上分直流電動機、交流感應電動機（交流異直流電動機、交流感應電動機（交流異步電動機）和交流同步電動機。步電動機）和交流同步電動機。l從用途上分從用途上分用于調速系統的拖動電動機和用于伺服用于調速系統的拖動電動機和用于伺服系統的伺服電動機。系統的伺服電動機。1.1.2 運動控制系統的功率放大運動控制系統的功率放大 與變換裝置與變換裝置l電力電子型電力電子型功率放大與變換裝置功率放大與變換裝置 半控

4、型向全控型發展半控型向全控型發展 低頻開關向高頻開關發展低頻開關向高頻開關發展 分立的器件向具有復合功能的功率分立的器件向具有復合功能的功率模塊發展模塊發展1.1.3運動控制系統的控制器運動控制系統的控制器l模擬控制器模擬控制器（運放及相應電氣元件）（運放及相應電氣元件）物理概念清晰、控制信號流向直觀物理概念清晰、控制信號流向直觀控制規律體現在硬件電路控制規律體現在硬件電路線路復雜、通用性差線路復雜、通用性差控制效果受到器件性能、溫度等因控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響素的影響運動控制系統的控制器運動控制系統的控制器l以微處理器為核心的以微處理器為核心的數字控制器數字控制器硬件電路標準化

5、程度高硬件電路標準化程度高控制規律體現在軟件上，修改靈活控制規律體現在軟件上，修改靈活方便方便擁有信息存儲、數據通信和故障診擁有信息存儲、數據通信和故障診斷等功能斷等功能運動控制系統的控制器運動控制系統的控制器l模擬控制器模擬控制器 并行運行，控制器的滯后時間小。并行運行，控制器的滯后時間小。l微處理器數字控制器微處理器數字控制器 串行運行方式，其滯后時間比模擬串行運行方式，其滯后時間比模擬控制器大得多，在設計系統時應予以控制器大得多，在設計系統時應予以考慮。考慮。1.1.4運動控制系統的信號檢測運動控制系統的信號檢測 與處理與處理l信號檢測信號檢測 電壓、電流、轉速和位置等信號電壓、電流、轉

6、速和位置等信號l信號轉換信號轉換 電壓匹配、極性轉換、脈沖整形等電壓匹配、極性轉換、脈沖整形等l數據處理數據處理 信號濾波信號濾波1.2 運動控制系統的歷史與發展運動控制系統的歷史與發展l電力電子技術和微電子技術帶動了電力電子技術和微電子技術帶動了新一代交流調速系統的興起與發展，新一代交流調速系統的興起與發展，打破了直流調速系統一統高性能拖打破了直流調速系統一統高性能拖動天下的格局。動天下的格局。l進入進入21世紀后，用交流調速系統取世紀后，用交流調速系統取代直流調速系統已成為不爭的事實。代直流調速系統已成為不爭的事實。1.2 運動控制系統的歷史與發展運動控制系統的歷史與發展l直流調速系統直流

7、調速系統直流電動機的數學模型簡單，轉直流電動機的數學模型簡單，轉矩易于控制。矩易于控制。換向器與電刷的位置保證了電樞換向器與電刷的位置保證了電樞電流與勵磁電流的解耦，使轉矩與電流與勵磁電流的解耦，使轉矩與電樞電流成正比。電樞電流成正比。1.2 運動控制系統的歷史與發展運動控制系統的歷史與發展l交流調速系統交流調速系統交流電動機（尤其是籠型感應電交流電動機（尤其是籠型感應電動機）結構簡單動機）結構簡單交流電動機交流電動機動態數學模型動態數學模型具有非具有非線性、多變量、強耦合的性質，比直線性、多變量、強耦合的性質，比直流電動機復雜得多。流電動機復雜得多。交流調速系統交流調速系統l基于基于穩態模型

8、穩態模型的交流調速系統的交流調速系統 轉速開環的變壓變頻調速轉速開環的變壓變頻調速 轉速閉環的轉差頻率控制系統轉速閉環的轉差頻率控制系統l動態性能無法與直流調速系統相比動態性能無法與直流調速系統相比交流調速系統交流調速系統l基于基于動態模型動態模型的交流調速系統的交流調速系統 矢量控制系統矢量控制系統 直接轉矩控制系統直接轉矩控制系統l動態性能良好，取代直流調速系統動態性能良好，取代直流調速系統1.2 運動控制系統的歷史與發展運動控制系統的歷史與發展l同步電動機交流調速系統同步電動機交流調速系統同步電動機的轉速與電源頻率嚴同步電動機的轉速與電源頻率嚴格保持同步，機械特性硬。格保持同步，機械特性

9、硬。l電力電子變頻技術的發展，成功地電力電子變頻技術的發展，成功地解決了阻礙同步電動機調速的失步解決了阻礙同步電動機調速的失步和啟動兩大問題。和啟動兩大問題。1.3 運動控制系統的轉矩控制規律運動控制系統的轉矩控制規律 l運動控制系統的基本運動方程式運動控制系統的基本運動方程式mmmmemdtdKDTTdtdJLl忽略阻尼轉矩和扭轉彈性轉矩，運忽略阻尼轉矩和扭轉彈性轉矩，運動控制系統的簡化運動方程式動控制系統的簡化運動方程式mmemdtdLTTdtdJ1.3 運動控制系統的轉矩控制規律運動控制系統的轉矩控制規律 l若采用工程單位制，則若采用工程單位制，則LeTTdtdnGD-3752l轉矩控制

10、是運動控制的根本問題轉矩控制是運動控制的根本問題要控制轉速和轉角，唯一的途徑就是要控制轉速和轉角，唯一的途徑就是控制電動機的電磁轉矩，使轉速變控制電動機的電磁轉矩，使轉速變化率按人們期望的規律變化。化率按人們期望的規律變化。1.3 運動控制系統的轉矩控制規律運動控制系統的轉矩控制規律 l磁鏈控制同樣重要磁鏈控制同樣重要為了有效地控制電磁轉矩，充分利為了有效地控制電磁轉矩，充分利用電機鐵芯，在一定的電流作用下用電機鐵芯，在一定的電流作用下盡可能產生最大的電磁轉矩，必須盡可能產生最大的電磁轉矩，必須在控制轉矩的同時也控制磁通（或在控制轉矩的同時也控制磁通（或磁鏈）。磁鏈）。1.3 運動控制系統的轉

11、矩控制規律運動控制系統的轉矩控制規律 基速以下恒磁通（或磁鏈）控制，基速以上采用弱磁控制。基速以下恒磁通（或磁鏈）控制，基速以上采用弱磁控制。1.4 生產機械的負載轉矩特性生產機械的負載轉矩特性l生產機械的負載轉矩是一個必然存生產機械的負載轉矩是一個必然存在的不可控擾動輸入。在的不可控擾動輸入。l歸納出幾種典型的生產機械負載轉歸納出幾種典型的生產機械負載轉矩特性，實際負載可能是多個典型矩特性，實際負載可能是多個典型負載的組合，應根據實際負載的具負載的組合，應根據實際負載的具體情況加以分析。體情況加以分析。恒轉矩負載恒轉矩負載 l負載轉矩的大小負載轉矩的大小恒定，稱作恒定，稱作恒轉恒轉矩負載矩負

12、載a）位能性恒轉矩負載）位能性恒轉矩負載 由重力產生，由重力產生，具有固定的大小和方向具有固定的大小和方向b) 反抗性恒轉矩負載反抗性恒轉矩負載大小不變，大小不變，方向始終與轉速反向方向始終與轉速反向圖1-3 恒轉矩負載LT 常數恒功率負載恒功率負載l負載轉矩與轉速負載轉矩與轉速成反比，而功率成反比，而功率為常數，稱作為常數，稱作恒恒功率負載功率負載圖1-4 恒功率轉矩負載 mmLLPT常數nnPTLL常數或：260風機、泵類負載風機、泵類負載 l負載轉矩與轉負載轉矩與轉速的平方成正速的平方成正比，稱作比，稱作風機、風機、泵類負載泵類負載圖1-5 風機、泵類負載22mnLTn計劃學時計劃學時:

13、 共共54學時學時,其中其中:實驗實驗6學時，講課學時，講課48學時，學時，n上課時間：上課時間：3-17周（單周周（單周4，雙周，雙周2）n學習章節：學習章節： 第第1章章 緒論緒論 第第1篇篇 直流調速系統直流調速系統 第第2章章 轉速反饋控制的直流調速系統轉速反饋控制的直流調速系統 第第3章章 轉速、電流反饋控制的直流調速系統轉速、電流反饋控制的直流調速系統 第第4章章 可逆控制和弱磁控制的直流調速系統可逆控制和弱磁控制的直流調速系統 第第2篇篇 交流調速系統交流調速系統 第第5章章 基于穩態模型的異步電動機調速系統基于穩態模型的異步電動機調速系統 第第6章章 基于動態模型的異步電動機調

14、速系統基于動態模型的異步電動機調速系統 授課安排授課安排教材與參考書教材與參考書n教材教材：電力拖動控制系統（第電力拖動控制系統（第4版），版），阮毅，阮毅，陳伯時，機械工業出版社。陳伯時，機械工業出版社。n參考書參考書：自動控制原理，胡壽松，科學出版社。自動控制原理，胡壽松，科學出版社。自動控制系統，陳伯時，機械工業出版社自動控制系統，陳伯時，機械工業出版社。電力電子技術，王兆安，機械工業出版社。電力電子技術，王兆安，機械工業出版社。現代控制工程，緒方勝彥（日），科學出版社。現代控制工程，緒方勝彥（日），科學出版社。電力拖動自動控制系統，王離九，華中理工大學出版社電力拖動自動控制系統，王離九，華中理工大學出版社電機控制系統，賴福新，上海交通大學出版社。電機控制系統，賴福新，上海交通大學出版社。電機及拖動基礎（上、下冊），顧繩谷，機