运动控制系统(第4版)第1章 绪论

第1章 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为：
d m J Te TL D m K m dt d m m dt
• 式中 •
2 J——机械转动惯量 (kg m ) ；
(1 - 1)
•
• • • •
ωm—— 转子的机械角速度（rad/s)； θm—— 转子的机械转角（rad）； Te—— 电动机的电磁转矩（N· m）； TL—— 负载转矩（N· m）； D——阻转矩阻尼系数； K——扭转弹性转矩系数。
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• 信号转换和处理包括电压匹配、极性转换、脉冲整形等，对 于计算机数字控制系统而言，必须将传感器输出的模拟或数 字信号变换为可用于计算机运算的数字量。数据处理的另一 个重要作用是去伪存真，即从带有随机扰动的信号中筛选出 反映被测量的真实信号，去掉随机的扰动信号，以满足控制 系统的需要。 • 常用的数据处理方法是信号滤波，模拟控制系统常采用模拟 器件构成的滤波电路，而计算机数字控制系统往往采用模拟 滤波电路和计算机软件数字滤波相结合的方法。
第1章 绪论
• 何时刻只能执行一条指令，属于串行运行方式，其滞后时间 比模拟控制器大得多，在设计系统时应予以考虑。
• 1.1.4 信号检测与处理
• 运动控制系统中常需要电压、电流、转速和位置的反馈信号， 为了真实可靠地得到这些信号，并实现功率电路（强电）和 控制器（弱电）之间的电气隔离，需要相应的传感器。电压、 电流传感器的输出信号多为连续的模拟量，而转速和位置传 感器的输出信号因传感器的类型而异，可以是连续的模拟量， 也可以是离散的数字量。由于控制系统对反馈通道上的扰动 无抑制能力，所以，信号传感器必须有足够高的精度，才能 保证控制系统的准确性。
图1-4 恒功率负载特性
第1章 绪论
• 1.4.3 风机、泵类负载特性
GD2 4gJ ;
n——转子的机械转速（r/min），
60 m n . 2
第1章 绪论
• 运动控制系统的任务就是控制电动机的转速和转角，对于直 线电动机来说就是控制速度和位移。由式（1-1）和式（1-2） 可知，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。因此，转矩 控制是运动控制的根本问题。 • 为了有效地控制电磁转矩，充分利用电机铁心，在一定的电 流作用下进可能产生最大的电磁转矩，以加快系统的过渡过 程，必须在控制转矩的同时也控制磁通（或磁链）。因为当 磁通（或磁链）很小时，即使电枢电流（或交流电机定子电 流的转矩分量）很大，实际转矩仍然很小。何况由于物理条 件限制，电枢电流（或定子电流）总是有限的。因此，磁链 控制与转矩控制同样重要，不可偏废。通常在基速（额定转 速）以下采用恒磁通（或磁链）控制，而在基速以上采用弱 磁控制。
第1章 绪论
• 实现矢量控制系统的数字化，大大简化了系统的硬件结构， 经过不断的改进和完善，形成现在通用的高性能矢量控制系 统。1985年，德国鲁尔大学Depenbrock教授提出直接转矩 控制，1987年把它推广到弱磁调速范围，其控制结构简单， 是一种高动态响应的交流迢速系统。 • 同步电动机的转速与电源频率严格保持同步，机械特性硬。 电励磁同步电动机还有一个突出的优点，就是可以控制励磁 来调节它的功率因数，使功率因数达到1.0，甚至产生超前的 功率因数角。但同步电动机由电网直接供电时，存在起动困 难与失步问题。电力电子变频技术的发展，成功地解决了阻 碍同步电动机调速发展的这两大问题，而永磁同步电动机和 直流无刷电动机等新型同步电动机的问世，犹如猛虎添翼， 使同步电动机调速得ห้องสมุดไป่ตู้飞速的发展。
第1章 绪论
• 的位置保证了电枢电流与励磁电流的解耦。1960年以来，晶 闸管整流器的应用，使得直流拖动控制技术得到了飞速的发 展，对直流拖动控制系统调节器的设计也有了一套实用的工 程设计方法。 • 交流电动机（尤其是笼型异步电动机）具有结构简单等诸多 优点，但其动态数学模型具有非线性多变量强耦合的性质， 比直流电动机复杂得多。早期交流调速系统的控制方法是基 于交流电动机稳态数学模型的，其动态性能无法与直流调速 系统相比。 • 20世纪70年代德国工程师F· Blaschke和W· Flöter等人提出 “感应电机磁场定向控制原理”，P.C.Custman和A.A.Clark 提出“定子电压坐标变换控制”，这都是矢量控制的基本设 想。1980年日本难波江章教授等人提出转差型矢量控制，进 一步简化了系统结构。1980年，德国W.Leonhard教授等用 微机
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• 图1-3 恒转矩负载特性 • a) 位能性恒转矩 b）反抗性恒转矩负载
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• 1.4.2 恒功率负载
• 恒功率负载的特征是负载转矩与转 速成反比，而功率为常数，即
TL
或
m
PL

常数
m
(1- 5)
60PL 常数 TL 2n n
式中 PL——机械功率。 横功率负载的特性如图1-4所示。
第1章 绪论
• 高性能的运动控制系统需要转速闭环控制，但速度传感器的 机械安装要求高，调试工作量大，有时由于场地及空间的限 制，根本不允许安装速度传感器，无速度传感器控制的调速 系统正好能弥补这些不足。无速度传感器控制的基本方法是 实时检测定子电压和电流，再依据电动机模型或合适的算法 对转速进行估算，用估算的值进行反馈控制。但这种方法受 电机参数影响大，对测量噪声敏感。如何提高转速估算精度， 是进一步发展无速度传感器控制系统的关键。 • 近年来，模糊控制、专家系统和神经网络的应用，使运动控 制系统向智能化的方向发展。在现代运动控制系统中，常使 智能控制与传统PI控制互相结合，取长补短，既保证了系统 的控制精度，又增加了系统的自学习、自调整及决策能力， 提高了系统的鲁棒性。
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• 1.2 运动控制系统的历史与发展
• 直流电动机电力拖动与交流电动机电力拖动在19世纪中叶先后诞 生（1866年德国人西门子制成了自激式的直流发电机；1890年 美国西屋电气公司利用尼古拉· 特斯拉的专利研制出第一台交流 同步电机；1898年第一台异步电动机诞生），在20世纪前半叶， 约占整个电力拖动容量80%的不可调速拖动系统采用交流电动机， 只有20%的高性能可调速拖动系统采用直流电动机。20世纪后半 叶，电力电子技术和微电子技术带动了带动了新一代的交流调速 系统的兴起与发展，逐步打破了直流调速系统一统高性能拖动天 下的格局。进入21世纪后，用交流调速系统取代直流调速系统已 成为不争的事实。 • 直流电动机的数学模型简单，转矩易于控制。其换向器与电刷
第1章 绪论
• 1.1.3 控制器 • 控制器分模拟控制器和数字控制器两类，也有模数混合的控 制器，现在已越来越多地采用数字控制器。 • 模拟控制器常用运算放大器及相应的电气元件实现，具有物 理概念清晰、控制信号流向直观等优点，其控制规律体现在 硬件电路和所用的器件上，因而线路复杂、通用性差、控制 效果受到器件性能、温度等因素的影响。 • 以微处理器为核心的数字控制器的硬件电路标准程度高、制 作成本低，而且没有器件的温度漂移的问题。控制规律体现 在软件上，修改起来灵活方便。此外，还拥有信息储存、数 据通信和故障诊断等模拟控制器难以实现的功能。 • 然而，模拟控制器的所有运算能在同一时刻并行运行，控制 器的滞后时间很小，可以忽略不计；而一般的微处理器在任
第1章 绪论
• 1.1.2 功率放大与变换装置 • 功率放大与变换装置有电机型、电磁型、电力电子型等，现 在多用电力电子型的。电力电子器件经历了由半控型向全控 型、由低频开关向高频开关、由分立的器件向具有复合功能 的功率模块发展的过程。电力电子技术的发展，使功率放大 与变换装置的结构趋于简单、性能趋于完善。 • 晶闸管（SCR）是第一代电力电子器件的典型代表，属于半 控型器件，通过门极只能使晶闸管开通，而无法使它关断。 该类器件可方便地应用于相控整流器（AC→DC）和有源逆变 器（DC→AC），但用于无源逆变（DC→AC）或直流PWM （脉宽调制）方式调压（DC→DC）时，必须增加强迫换流回 路，使电路结构复杂。
第1章 绪论
• 重点介绍运动控制系统的组成及发展概况， 包括4节内容。 • 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
第1章 绪论
• 电力拖动实现了电能与机械能之间的能量变换，而电力拖动 自动控制系统——运动控制系统的任务是通过控制电动机电 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。 • 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（CAD）为研究和开发的工具。 • 由此可见，现代运动控制技术已成为电机学、电力电子学、 微电子技术、计算机控制技术、控制理论、信号检测与处理 技术等多门学科相互交叉的综合性学科。
第1章 绪论
• 第二代电力电子器件是全控型器件，通过门极既可以使器件 开通，也可以使它关断，例如MOSFET、IGBT、GTO等。 此类器件用于无源逆变（DC→AC）和直流调压（DC→DC） 时，无须强迫换流回路，主电路结构简单。第二代电力电子 器件的另一个特点是可以大大提高开关频率，用PWM技术 控制功率器件的开通与关断，可大大提高可控电源的质量。 • 第三代电力电子器件的特点是由单一的器件发展为具有驱动、 保护等功能的复合功率模块，提高了使用的安全性和可靠性。
第1章 绪论
• 若忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩，则运动控制系统的基本运 动方程式可简化为： d m J Te TL dt d m m (1 - 2) dt 若采用工程单位制，则式（1-2）的第1行应改写为： GD 2 dn Te TL (1 - 3) 375 dt
2 2 式中 GD ——转动惯量，习惯称飞轮力矩 ( N m ) ,
第1章 绪论
• 图1-1 运动控制及其相关学科
第1章 绪论
• 1.1 运动控制系统及其组成 • 运动控制系统由电动机、功率放大与变换装置、控制器及相 应的传感器等构成，其结构如图1-2所示。
图1-2 运动控制系统及其组成
第1章 绪论
• 1.1.1 电动机 • 运动控制系统的控制对象为电动机，电动机根据工作原理可分 为直流电动机、交流感应电动机（交流异步电动机）和交流同 步电动机等，根据用途可分为用于调速系统的拖动电动机和用 于伺服系统的伺服电动机。 • 直流电动机结构复杂，制造成本高，电刷和换向器限制了它的 转速与容量。极限容量和速度之积约为 PN nmax 3.0 106 ， 交流电动机（尤其是笼型感应电动机）结构简单、制造容易， 无须机械换向器，因此其允许转速与容量均大于直流电动机。 • 同步电动机的转速等于同步转速，机械特性硬，功率因数可调。 但在恒频电源供电时调速较为困难，变频器的诞生不仅解决了 同步电动机的调速，还解决了其起动和失步问题，有效地促进 了同步电动机在运动控制系统中的应用。
第1章 绪论
• 1.4 生产机械的负载转矩特性
• 对运动控制系统而言，生产机械的负载转矩是一个必然存在 的不可控扰动输入，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。为了对运动控 制系统作全面的了解，便于系统设计和调试，常归纳出几种 典型的生产机械负载转矩特性。 • 1.4.1 恒转矩负载特性 • 负载转矩TL的大小恒定，与ωm或n无关，称做恒转矩负载， • TL = 常数 （1-4） • 恒转矩负载有位能性和反抗性两种。位能性恒转矩负载由重 力产生，具有固定的大小和方向，如图1-3a所示。反抗性恒 转矩负载的大小不变，方向则始终与转速反向，如图1-3b。