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运动控制系统Motion Control System 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。 控制电动机的转矩、转速和转角，实现运动机械的运动要求。 运动控制系统课程在自动化专业中的地位 专业知识综合应用和实际控制系统设计调试能力训练。 运动控制系统的种类 按驱动电机类型 直流拖动控制系统 闭环控制的DC调速系统 双闭环系统的工程设计方法 DC调速系统的数字控制 位置随动系统 交流拖动控制系统 笼型异步电动机的VVVF系统 按被控物理量 调速系统 以转速为被控量 位置随动/伺服系统 以角位移或直线位移为被控量 按控制类型 模拟 模拟数字混合 全数字 运动控制系统的特点 过渡过程短 功率范围宽 调速范围大 可获得良好动静态性能 电机空载损耗小、效率高，短时过载能力强 可四象限运行 教学参考书 电力拖动自动控制系统 上海大学 陈伯时 机械工业出版社 2006年第3版 电机与运动控制系统 清华大学 杨耕等 清华大学出版社 2006年第1版 运动控制系统 清华大学 尔桂花等 清华大学出版社 2002年第1版 §1 闭环直流调速系统 为什么要采用闭环调速 制造业： 钢连轧、电炉；加工机床、造纸、印刷、纺织、印染、起重、传送等 高新产业： 机器人、电动汽车、电动舰船、高速列车等 生活： 冰箱、空调、洗衣机、电梯等 闭环控制的必要性举例 连轧机 每一电机都必须按照它所拖动轧辊前后钢板的厚度和钢板送入速度来控制自己的转速 开环控制与闭环控制1 开环：系统的输出量不被引回对系统的控制部分产生影响 例 步进数控 开环控制与闭环控制2 闭环 按被控量的偏差进行控制 例 电炉箱恒温 若炉温偏高，调节过程相反 闭环反馈控制可以自动进行补偿。 直流调速的主要方案 直流电动机运行遵循的4个基本方程 1.改变电枢回路总电阻R〖简便、有级、特性软、高能耗〗 2.改变电机主磁通〖无级、ne、响应慢〗； 3.改变电枢电压U 〖无级、快、ne。主流〗 1.1 直流调速系统用的可控直流电源 旋转变流机组 可在转矩允许范围内4象限运行 2、静止式可控整流器 通过晶闸管(Thyristor)直接对交流电源电压进行可控整流： 简称V-M系统 功率放大倍数高，控制功率小；快速性较G-M高。单向，可逆运行须采用开关切换或两组设备反并联；只能滞后触发、功率因数低；需串联较大的平波电抗器。 3、脉冲宽度调制变换器[PWM,pulse width modulation] 电枢电压的平均值 开关频率高，电流易连续，低速性能好，调速范围宽，电机损耗小；功率元件少，控制方便。 桥式双极性PWM变换器 输出电压平均值 1.2 晶闸管整流开环调速系统的机械特性 V-M调速系统的机械特性 电流连续时 电流断续时 非线性显著：电压波形与反电势有关，即与转速有关。 理想空载转速很高：电流为0时，反电势等于触发瞬间电压，对三相半波 特性很软：电流为脉冲波， 负载增大时，为提供足够 平均电流，电流峰值高， 即要求输出电压与反电势 差要大：速降大。相当于 整流内阻变大。 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数 非线性晶闸管整流放大系数的线性化处理 晶闸管整流传递函数的近似处理 晶闸管触发与整流的失控时间与纯滞后特性 晶闸管触发与整流装置的传递函数 考虑到平均失控时间很小，忽略高阶项，晶闸管触发与整流装置的传递函数可近似为一阶惯性环节。 1.3 直流PWM(Pulse Width Modulation)调速系统 不可逆PWM变换器 定义 ， 对不可逆PWM变换器， 特点： 线路简单。电流不能反向， 无制动能力，只能单象限运行。 有制动能力的不可逆PWM变换器 桥式可逆PWM变换器 特点：电流连续；可四象限运行；低速平稳。 直流PWM调速系统的机械特性 对双极桥式变换器： 直流PWM调速系统的传递函数 直流PWM放大器的失控时间与滞后特性 传递函数与V-M系统具有相同的形式，但滞后时间远远小于V-M系统 1.4 反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计[重点] 一、转速控制的要求和调速指标 1、? 调速：范围宽、无级 2、? 稳速：精度高、抗扰强、波动小。