南京理工大学 运动控制系统 第1章
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运动控制系统的任务 通过控制电动机电压、电流、频率等输入量， 来改变工作机械的转矩、速度、位移等机械 量，使各种工作机械按人们期望的要求运行， 以满足生产工艺及其他应用的需要。
5
运动控制系统－绪论
运动控制系统的组成
知识领域：执行与驱动 知识单元：
光机电一体化、电力电子技术 功率、损耗、数字控制技术等
忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩，运动控制系统的 简化运动方程式为
J
dωm dt
= Te
− TL
采用工程单位制
GD 2 375
dn dt
= Te
− TL
22
运动控制系统－绪论
1.3 运动控制系统的转矩控制规律
GD 2 375
dn dt
= Te
− TL
转矩控制是运动控制的根本问题
; 要控制转速和转角，唯一的途径就是控制电动机 的电磁转矩Te，使转速变化率按人们期望的规律 变化。
知识领域：电机原理与模型 知识单元：
机电能量变换原理 电机原理与传动 CAD仿真技术、效率、损耗等
有关系统的知识领域：控制与智能
知识领域：计算与处理
知识领域：传感与检测
知识单元：
1-2 运动控制系知统识及单其元组：成
控制、信号处理
传感器、检测与诊断
软件工程、数字控制技术等
抗干扰技术、测量信号处理等 6
¾ 归纳出几种典型的生产机械负载转矩特性，实际 负载可能是多个典型负载的组合，应根据实际负 载的具体情况加以分析。
24
运动控制系统－绪论
恒转矩负载
负载转矩TL的大小恒定，与ωm或n无关。 TL=常数
1-3 恒转矩负载特性
a) 位能性恒转矩负载 b) 反抗性恒转矩负载
25
运动控制系统－绪论
恒功率负载
¾ 工业领域：数控机床、印刷电路板生产线、机械 手、连轧机、造纸机等；
¾ 国防领域：雷达跟踪、自动武器、飞行器控制 等；
¾ 家电领域：冰箱、空调、洗衣机、光驱等； ¾ 交通运输领域：电动汽车、高速列车、电梯等； ¾ 科学研究领域：倒立摆、机器人等； ¾ 高新技术领域：航天器、磁悬浮系统等。
28
运动控制系统－绪论
平时（出勤、作业、回答问题）20％；实验20％；
期末考试（半开卷）60％。
33
34
运动控制系统－绪论
课程的主要内容
1）直流调速系统
单闭环直流调速系统； 双闭环直流调速系统及其调节器的工程设计方法； 直流脉宽调速系统（PWM）； 直流调速系统的数字控制 。
2）交流调速系统
异步电动机变压调速、变频调速； 同步电动机变压变频调速。
1）高频化 在功率驱动装置中，低频半控器件（晶闸管）在 中小功率范围里将被高频全控器件所代替。 优越性：1）可以提高系统性能； 2）可以改善电网功率因数。
2）网络化 适应自动化系统发展的需要：大型化、复杂化、 全集成化。
19
运动控制系统－绪论
运动控制系统的发展趋势
3）交流化
比较内容 结构及制造 重量/功率 体积/功率 价格/功率 最大容量 最大转速 最高电枢电压 安装环境
2
运动控制系统－绪论
现代运动控制技术
现代运动控制技术以各类 电动机为控制对象，以计 算机和其他电子装置为控 制手段，以电力电子装置 为弱电控制强电的纽带， 以自动控制理论和信息处 理理论为理论基础，以计 算机数字仿真和计算机辅 助设计为研究和开发的工 具。
特点：综合性、工程化
1-1 运动控制及其相关学科
3
运动控制系统－绪论
1.1 运动控制系统及其组成
¾ 运动－机械运动
电动机的转速、角位 置等相关的运动
¾ 控制－人工控制
4
运动控制系统－绪论
运动控制系统的定义
运动控制系统 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，以电力电子功率变换装置为执 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。
负载转矩与转速成 反比，而功率为常 数
TL
= PL ωm
= 常数 ωm
TL
=
60PL 2πn
=
常数 n
PL——机械功率
1-4 恒功率转矩负载
26
运动控制系统－绪论
风机、泵类负载
负载转矩与转速的平 方成正比
TL
∝ω
2 m
∝
n2
1-5 风机、泵类负载特性
27
运动控制系统－绪论
1.5 运动控制系统的主要应用领域
10
运动控制系统－绪论
运动控制系统的组成
3）运动系统的控制策略 ¾ 开环控制：一种不需要测量系统输出，以及不需要 根据输出作出反应的控制技术。 ¾ 闭环控制：将测量系统输出与输入给定值相比较， 并采取正确行动已获得期望的输出结果的技术。 ¾ 闭环运动控制系统一般围绕某种控制目标进行。
11
运动控制系统－绪论
运动控制系统－绪论
运动控制系统的分类
交流电机系列
15
步进电机系列
16
运动控制系统－绪论
运动控制系统的特点
¾ 被控量的过渡过程较短：秒级甚至毫秒级； ¾ 传动功率范围宽：从几毫瓦到几百兆瓦； ¾ 调速范围大； ¾ 可获得良好的动态性能和较高的稳速精度或定位
精度； ¾ 可单电机运行，也可多台协调控制运行。
3）位置随动系统（伺服系统）
运动控制系统－绪论
教材与参考书目
教 材：
阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统－－运动控制系 统(第4版).北京：机械工业出版社，2009.
参考书：
尔桂花.运动控制系统.北京：清华大学出版社,2002. 顾绳谷.电机及拖动基础(上、下册)（第3版）,北京： 机械工业出版社，2004.
运动控制系统
Motion Control Systems
南京理工大学自动化学院
School of Automation Nanjing university of Science & Technology
运动控制系统－绪论
第1章 绪论
1.1 运动控制系统及其组成 1.2 运动控制系统的历史与发展 1.3 运动控制系统的转矩控制规律 1.4 生产机械的负载转矩特性 1.5 运动控制系统的主要应用领域
17
运动控制系统－绪论
1.2 运动控制系统的历史与发展
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世纪后期， 交流调速兴起
20世纪30年代起，形成直流 调速，交流不调速的格局
18
运动控制系统－绪论
运动控制系统的发展趋势
数控机床
运动控制系统－绪论
机械手ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
29
30
运动控制系统－绪论
倒立摆
运动控制系统－绪论
机器人
31
32
运动控制系统－绪论
航天器
运动控制系统－绪论
课程安排
时间安排：总共48学时
讲课－－36学时
实验－－12学时
内容安排：
¾ 调速系统：直流调速系统、交流调速系统
¾ 伺服系统（位置随动系统）
¾ 实验
考核方式：
运动控制系统－绪论
运动控制系统的组成
运动控制系统－绪论
运动控制系统的组成
电动机实现电能与机械能之间的能量变换； 功率放大与变换装置是弱电与强电的接口； 控制器是为达到控制的目的加入的附加设备； 信号检测与处理是利用传感器及其信号处理电
路，获取被控对象的运动参数，提供给控制器。 7
主要研究内容：1）电力传动装置与系统 2）运动参数的测量与反馈 3）运动系统的控制策略
运动控制系统－绪论
教材/参考书封面
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；
以节能为目的： 改原来交流不调速为交流调速； 改相位控制为PWM控制。
21
运动控制系统－绪论
1.3 运动控制系统的转矩控制规律
运动控制系统的基本运动方程式
J
dωm dt
= Te
− TL
− Dωm
− Kθm
dθm dt
= ωm
维护 调速性能
直流电机 有电刷，制造复杂
约2倍 约2倍 几倍 12MW～14MW（双电枢） 1000r/min左右 1kV 要求高 较多
好
交流电机
无电刷，结构简单
1倍
1倍
1倍 几十MW
数千r/min
6kV~10kV
要求低
较少
复杂
20
运动控制系统－绪论
运动控制系统的发展趋势
以减少维护为目的： 改直流调速为交流调速；
¾按驱动电机： 直流传动系统；
交流传动系统；
步进电机传动系统等； ¾按被控物理量： 调速系统；
位置随动系统/伺服系统； ¾按控制器类型： 模拟控制系统；
数字控制系统；
¾按闭环数：
数模混合控制系统等； 单环，双环，多环系统。
13
运动控制系统－绪论
运动控制系统的分类
直流电机系列
14
运动控制系统－绪论
运动控制系统的分类
8
运动控制系统－绪论
运动控制系统的组成
1）电力传动装置与系统 电力传动：电源、控制设备、电动机和被拖动的 机械对象的组合。 电动机：电能到机械能的变换装置。 直流电动机、交流电动机等 驱动器：向电动机提供功率并控制其转矩、转速 或位置的装置。
9
运动控制系统－绪论
运动控制系统的组成
2）运动参数的测量和反馈 测量和反馈部分的核心：传感器 运动控制系统中传感器的作用： 运动参数的测量 力学参数的测量 电气参数的测量 控制系统对测量反馈部分的基本性能要求： 准确性（静态特性）、实时性（动态特性）
运动控制系统的组成
运动控制系统的控制目标 ; 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。（数控机床、机 器人） ; 速度和加速度控制：以确定的速度曲线使负载产生 运动。（电梯） ; 转矩控制：通过转矩的反馈来维持转矩的恒定。 （造纸机械）
12
运动控制系统－绪论
运动控制系统的分类
磁链控制同样重要
; 为了有效地控制电磁转矩，充分利用电机铁芯，
在一定的电流作用下尽可能产生最大的电磁转
矩，必须在控制转矩的同时也控制磁通（或磁
链）。
23
运动控制系统－绪论
1.4 生产机械的负载转矩特性
¾ 生产机械的负载转矩是一个必然存在的不可控扰 动输入。
¾ 生产机械的负载转矩特性直接影响运动控制系统 控制方案的选择和系统的动态性能。
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运动控制系统－绪论
运动控制系统的组成
知识领域：执行与驱动 知识单元：
光机电一体化、电力电子技术 功率、损耗、数字控制技术等
忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩，运动控制系统的 简化运动方程式为
J
dωm dt
= Te
− TL
采用工程单位制
GD 2 375
dn dt
= Te
− TL
22
运动控制系统－绪论
1.3 运动控制系统的转矩控制规律
GD 2 375
dn dt
= Te
− TL
转矩控制是运动控制的根本问题
; 要控制转速和转角，唯一的途径就是控制电动机 的电磁转矩Te，使转速变化率按人们期望的规律 变化。
知识领域：电机原理与模型 知识单元：
机电能量变换原理 电机原理与传动 CAD仿真技术、效率、损耗等
有关系统的知识领域：控制与智能
知识领域：计算与处理
知识领域：传感与检测
知识单元：
1-2 运动控制系知统识及单其元组：成
控制、信号处理
传感器、检测与诊断
软件工程、数字控制技术等
抗干扰技术、测量信号处理等 6
¾ 归纳出几种典型的生产机械负载转矩特性，实际 负载可能是多个典型负载的组合，应根据实际负 载的具体情况加以分析。
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运动控制系统－绪论
恒转矩负载
负载转矩TL的大小恒定，与ωm或n无关。 TL=常数
1-3 恒转矩负载特性
a) 位能性恒转矩负载 b) 反抗性恒转矩负载
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运动控制系统－绪论
恒功率负载
¾ 工业领域：数控机床、印刷电路板生产线、机械 手、连轧机、造纸机等；
¾ 国防领域：雷达跟踪、自动武器、飞行器控制 等；
¾ 家电领域：冰箱、空调、洗衣机、光驱等； ¾ 交通运输领域：电动汽车、高速列车、电梯等； ¾ 科学研究领域：倒立摆、机器人等； ¾ 高新技术领域：航天器、磁悬浮系统等。
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运动控制系统－绪论
平时（出勤、作业、回答问题）20％；实验20％；
期末考试（半开卷）60％。
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运动控制系统－绪论
课程的主要内容
1）直流调速系统
单闭环直流调速系统； 双闭环直流调速系统及其调节器的工程设计方法； 直流脉宽调速系统（PWM）； 直流调速系统的数字控制 。
2）交流调速系统
异步电动机变压调速、变频调速； 同步电动机变压变频调速。
1）高频化 在功率驱动装置中，低频半控器件（晶闸管）在 中小功率范围里将被高频全控器件所代替。 优越性：1）可以提高系统性能； 2）可以改善电网功率因数。
2）网络化 适应自动化系统发展的需要：大型化、复杂化、 全集成化。
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运动控制系统－绪论
运动控制系统的发展趋势
3）交流化
比较内容 结构及制造 重量/功率 体积/功率 价格/功率 最大容量 最大转速 最高电枢电压 安装环境
2
运动控制系统－绪论
现代运动控制技术
现代运动控制技术以各类 电动机为控制对象，以计 算机和其他电子装置为控 制手段，以电力电子装置 为弱电控制强电的纽带， 以自动控制理论和信息处 理理论为理论基础，以计 算机数字仿真和计算机辅 助设计为研究和开发的工 具。
特点：综合性、工程化
1-1 运动控制及其相关学科
3
运动控制系统－绪论
1.1 运动控制系统及其组成
¾ 运动－机械运动
电动机的转速、角位 置等相关的运动
¾ 控制－人工控制
4
运动控制系统－绪论
运动控制系统的定义
运动控制系统 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，以电力电子功率变换装置为执 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。
负载转矩与转速成 反比，而功率为常 数
TL
= PL ωm
= 常数 ωm
TL
=
60PL 2πn
=
常数 n
PL——机械功率
1-4 恒功率转矩负载
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运动控制系统－绪论
风机、泵类负载
负载转矩与转速的平 方成正比
TL
∝ω
2 m
∝
n2
1-5 风机、泵类负载特性
27
运动控制系统－绪论
1.5 运动控制系统的主要应用领域
10
运动控制系统－绪论
运动控制系统的组成
3）运动系统的控制策略 ¾ 开环控制：一种不需要测量系统输出，以及不需要 根据输出作出反应的控制技术。 ¾ 闭环控制：将测量系统输出与输入给定值相比较， 并采取正确行动已获得期望的输出结果的技术。 ¾ 闭环运动控制系统一般围绕某种控制目标进行。
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运动控制系统－绪论
运动控制系统－绪论
运动控制系统的分类
交流电机系列
15
步进电机系列
16
运动控制系统－绪论
运动控制系统的特点
¾ 被控量的过渡过程较短：秒级甚至毫秒级； ¾ 传动功率范围宽：从几毫瓦到几百兆瓦； ¾ 调速范围大； ¾ 可获得良好的动态性能和较高的稳速精度或定位
精度； ¾ 可单电机运行，也可多台协调控制运行。
3）位置随动系统（伺服系统）
运动控制系统－绪论
教材与参考书目
教 材：
阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统－－运动控制系 统(第4版).北京：机械工业出版社，2009.
参考书：
尔桂花.运动控制系统.北京：清华大学出版社,2002. 顾绳谷.电机及拖动基础(上、下册)（第3版）,北京： 机械工业出版社，2004.
运动控制系统
Motion Control Systems
南京理工大学自动化学院
School of Automation Nanjing university of Science & Technology
运动控制系统－绪论
第1章 绪论
1.1 运动控制系统及其组成 1.2 运动控制系统的历史与发展 1.3 运动控制系统的转矩控制规律 1.4 生产机械的负载转矩特性 1.5 运动控制系统的主要应用领域
17
运动控制系统－绪论
1.2 运动控制系统的历史与发展
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世纪后期， 交流调速兴起
20世纪30年代起，形成直流 调速，交流不调速的格局
18
运动控制系统－绪论
运动控制系统的发展趋势
数控机床
运动控制系统－绪论
机械手ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
29
30
运动控制系统－绪论
倒立摆
运动控制系统－绪论
机器人
31
32
运动控制系统－绪论
航天器
运动控制系统－绪论
课程安排
时间安排：总共48学时
讲课－－36学时
实验－－12学时
内容安排：
¾ 调速系统：直流调速系统、交流调速系统
¾ 伺服系统（位置随动系统）
¾ 实验
考核方式：
运动控制系统－绪论
运动控制系统的组成
运动控制系统－绪论
运动控制系统的组成
电动机实现电能与机械能之间的能量变换； 功率放大与变换装置是弱电与强电的接口； 控制器是为达到控制的目的加入的附加设备； 信号检测与处理是利用传感器及其信号处理电
路，获取被控对象的运动参数，提供给控制器。 7
主要研究内容：1）电力传动装置与系统 2）运动参数的测量与反馈 3）运动系统的控制策略
运动控制系统－绪论
教材/参考书封面
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；
以节能为目的： 改原来交流不调速为交流调速； 改相位控制为PWM控制。
21
运动控制系统－绪论
1.3 运动控制系统的转矩控制规律
运动控制系统的基本运动方程式
J
dωm dt
= Te
− TL
− Dωm
− Kθm
dθm dt
= ωm
维护 调速性能
直流电机 有电刷，制造复杂
约2倍 约2倍 几倍 12MW～14MW（双电枢） 1000r/min左右 1kV 要求高 较多
好
交流电机
无电刷，结构简单
1倍
1倍
1倍 几十MW
数千r/min
6kV~10kV
要求低
较少
复杂
20
运动控制系统－绪论
运动控制系统的发展趋势
以减少维护为目的： 改直流调速为交流调速；
¾按驱动电机： 直流传动系统；
交流传动系统；
步进电机传动系统等； ¾按被控物理量： 调速系统；
位置随动系统/伺服系统； ¾按控制器类型： 模拟控制系统；
数字控制系统；
¾按闭环数：
数模混合控制系统等； 单环，双环，多环系统。
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运动控制系统－绪论
运动控制系统的分类
直流电机系列
14
运动控制系统－绪论
运动控制系统的分类
8
运动控制系统－绪论
运动控制系统的组成
1）电力传动装置与系统 电力传动：电源、控制设备、电动机和被拖动的 机械对象的组合。 电动机：电能到机械能的变换装置。 直流电动机、交流电动机等 驱动器：向电动机提供功率并控制其转矩、转速 或位置的装置。
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运动控制系统－绪论
运动控制系统的组成
2）运动参数的测量和反馈 测量和反馈部分的核心：传感器 运动控制系统中传感器的作用： 运动参数的测量 力学参数的测量 电气参数的测量 控制系统对测量反馈部分的基本性能要求： 准确性（静态特性）、实时性（动态特性）
运动控制系统的组成
运动控制系统的控制目标 ; 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。（数控机床、机 器人） ; 速度和加速度控制：以确定的速度曲线使负载产生 运动。（电梯） ; 转矩控制：通过转矩的反馈来维持转矩的恒定。 （造纸机械）
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运动控制系统－绪论
运动控制系统的分类
磁链控制同样重要
; 为了有效地控制电磁转矩，充分利用电机铁芯，
在一定的电流作用下尽可能产生最大的电磁转
矩，必须在控制转矩的同时也控制磁通（或磁
链）。
23
运动控制系统－绪论
1.4 生产机械的负载转矩特性
¾ 生产机械的负载转矩是一个必然存在的不可控扰 动输入。
¾ 生产机械的负载转矩特性直接影响运动控制系统 控制方案的选择和系统的动态性能。