运动控制系统设计42页PPT
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运动控制系统课件
在弱磁调速范围内，转速越高，磁通越 弱，容许输出转矩减小，而容许输出转矩 与转速的乘积则不变，即容许功率不变， 为“恒功率调速方式 。 恒功率调速方式” 恒功率调速方式
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两种调速方式： 两种调速方式：
U Te Φ P
ΦN
UN Te U P nN
变电压调速 两种调速方式 弱磁调速
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绪论
一。什么是运动控制系统？
运动控制系统（Motion Control System）也可称作电力 拖动控制系统（Control Systems of Electric Drive） 运动控制系统－－通过对电动机电压、电流、频率等 输入电量的控制，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。工业生产和科学 技术的发展对运动控制系统提出了日益复杂的要求， 同时也为研制和生产各类新型的控制装置提供了可能。
直流电机 速度控制 位置控制 直流调速系统* 直流调速系统 直流伺服系统 交流电机
（异步电机*、同步电机） 异步电机 、同步电机）
交流调速系统* 交流调速系统 交流伺服系统
直流调速系统－－第一篇，运动控制（ 直流调速系统－－第一篇，运动控制（一） －－第一篇 交流调速系统－－第二篇，运动控制（ 交流调速系统－－第二篇，运动控制（二） －－第二篇
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电力拖动自动控制系统
第1Biblioteka 篇直流拖动控制系统
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直流调速方法
根据直流电动机转速方程
U − IR n= KeΦ
式中 n — U— I — R— Φ— Ke— （1-1）
运动控制系统设计课件
编程语言与开发环境
01 Python：易学易用，适合算法开发和原型设计。 02 MATLAB/Simulink：用于建模、仿真和控制系
统设计。
03 Visual Studio：集成开发环境，支持多种编程语 言。
软件测试与调试
单元测试
对软件模块进行测试，确保其功能正常。
系统测试
模拟实际运行环境，验证系统整体性能和功 能。
80%
神经网络控制
利用神经网络的学习和自适应能 力，对复杂的非线性系统进行精 确控制。
系统参数调整
01
02
03
增益调整
根据系统的运行状态和性 能要求，调整控制系统的 增益参数，以实现更好的 控制效果。
滤波器设计
通过设计适当的滤波器， 降低噪声干扰，提高信号 的信噪比，从而提高控制 精度。
系统校准
对系统的各个部分进行校 准，确保系统参数的准确 性，提高系统的整体性能 。
案例二：工业机器人运动控制系统设计
总结词
灵活、快速、安全
详细描述
工业机器人运动控制系统设计需要实现灵活、快速和安全的运动控制，以确保生产过程的自动化和高 效性。该系统通常采用开放式架构，支持多种机器人型号和编程语言。同时，为了保证系统的安全性 和稳定性，还需要进行防碰撞检测和紧急停止功能的设计。
案例三：自动化生产线运动控制系统设计
运动控制器阶段
随着计算机技术的不断发展， 独立的运动控制器逐渐成为主 流，采用高速总线技术和分布 式系统结构，实现了高速、高 精度的运动控制。
02
运动控制系统设计基础
运动控制系统的基本组成
01
02
03
04
控制器
用于生成控制指令，根据系统 输入和当前状态计算出控制量
【PPT】什么是运动控制系统.
从电能的转换及传递(传输)角度来看，把电力拖动称为电 力传动，把电力拖动控制系统称为电力传动控制系统。由于 这类系统的基本任务是通过控制和调节电动机的旋转速度或 转角来实现工作机械对速度或位移的要求，因此把电力拖动 控制系统又称为运动控制系统。 电力拖动控制系统按被控制量的不同分为两大类： 以电动机的转速为被控制量的系统叫做调速系统； 以工作机械的角位移或直线位移为被控制量的系统叫做位 置伺服系统，又叫做位置随动系统。 电力拖动控制系统还有其他多种类型，如张力控制系统， 多电动机同步控制系统等。虽然电力拖动控制系统种类很多， 但是，各种电力拖动控制系统都是通过控制电动机转速来工 作的，因此，调速系统是最基本的电力拖动控制系统。
0.3 运动控制系统的发展过程及应用
纵观运动控制的发展历程，交、直流两大电气传动并 存于各个工业领域，虽然各个时期科学技术的发展使它 们所处的地位、所起的作用不同，但它们始终是随着工 业技术的发展，特别是电力电子和微电子技术的发展， 在相互竞争、相互促进中，不断完善并发生着变化。由 于历史上最早出现的是直流电机，所以19世纪80年代以 前，直流电气传动是惟一的电气传动方式。直到19世纪 末，出现了交流电，且解决了三相制交流电的输送和分 配问题，并制成了经济适用的鼠笼异步电机，这就使交 流电气传动在工业中逐步地得到广泛的应用。由于大量 使用异步电机，严重影响到电网的功率因数，同步电机 的诞生和使用大大缓解了功率因数问题。在20世纪的大 部分时间里，基本形成直流调速、交流不调速的格局。
运动控制系统的共同特点(续)
(7)可以控制单台电机运行，也可多台协调控制运行， 只是控制方法略有不同而已。 (8)只要合理地选择控制方案，几乎可以适用于任何 传动场合。 由于上述特点，运动控制系统被广泛地用于相关行 业的各个实际需求中。据统计，我国电动机的装机容 量约为4亿多千瓦，其用电量占当年全国发电量的 60%一70％，如何合理、有效、经济地利用好这一 部分电能，提高劳动生产率，运动控制系统的设计者 们对此有着不可推卸的责任。
运动控制系统第3章-转速闭环控制的直流调速系统ppt
s)
闭环时，Dcl
nN s ncl (1
s)
得到 Dcl (1 K )Dop
（2-50）
闭环系统静特性和开环系统机械特性的关系
开环系统 Id n 例如：在图2-24中工作点从A A′
闭环系统 Id n Un Un Uc
n Ud0 例如：在图2-24中工作点从A B 比例控制直流调速系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动 调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压， 以补偿电枢回路电阻压降的变化。
图2-26 积分调节器的输入和输出动态过程
图2-26 积分调节器的 输入和输出动态过程
只要ΔUn>0，积分调 节器的输出Uc便一直 增长；只有达到 ΔUn=0时， Uc才停止 上升；只有到ΔUn变 负， Uc才会下降。
当ΔUn=0时， Uc并 不是零，而是某一个 固定值Ucf
突加负载时，由于Idl的 增加，转速n下降，导 致ΔUn变正，
由式（2-48）可得
K
nop
1
275
1 103.6
ncl
2.63
则得
Kp
K
K s / Ce
103.6 30 0.015 / 0.2
46
即只要放大器的放大系数等于或大于46。
3.1.3 闭环直流调速系统反馈控制规律
（1）比例控制的反馈控制系统是被调量有 静差的控制系统 比例控制反馈控制系统的开环放大系数值 越大，系统的稳态性能越好。 但只要比例放大系数Kp＝常数，开环放大 系数K≠∞，反馈控制就只能减小稳态误差， 而不能消除它， 这样的控制系统叫做有静差控制系统。
电力拖动自动控制系统 —运动控制系统
第3章
转速闭环控制的 直流调速系统
【PPT】什么是运动控制系统.
运动控制系统的发展过程及应用（续）
早就普遍应用于恒速运行场合的交流电机可以弥补直流电机的不 足，加之世界范围的能源短缺，人们又开始了新一轮的交流调速的 研究。仅对占传动总量三分之一强的风机、水泵设备而言，如果改 恒速为调速的话，就可节节电30%左右。近三四十年来，随着电力 电子技术、微电子技术、现代控制理论的发展，为交流调速产品的 开发创造了有利的条件，使交流调速逐步具备了宽调速范围、高稳 速精度、快速动态响应和四象限运行等良好的技术性能，并实现了 产品的系列化，从调速性能上完全可与直流调速系统相媲美。目前 交流调速系统已占据主导地位。 当今社会，运动控制系统的应用已相当普及，不论是民用还是军 用。在工厂、农村以及大多数家庭中，到处可以看到以电动机为动 力的各种生产机械或家用电器。例如：轧钢厂的连轧机，加工车间 的切削机床，造纸厂的纸机，纺织厂的纺织机，化工厂的搅拌机和 离心机，搬运场的起重机和传送带，矿山的卷扬机，田间的抽水泵， 家庭中的冰箱、空调、洗衣机以及电脑等。
图0.1 运动控制系统的基本结构
图中的三个主要组成部分是构成运动控制系统所必需的，而 且也是变化多样的。任何一部分微小的变化都可构成不同的 运动控制系统，这些不同系统的共性和特点以及它们的分析 和设计方法就是本课程研究的主要内容。我们把每一部分可 能的变化列于表0.1中。
表中各部分的不同组合，可以构成不同的运动控制系统。电动机部分、功率驱动部分 和控制器中的大部分内容分别在其他课程中有介绍，但它们组合成完整的运动控制系统以 后，有哪些新的控制要求，如何分析系统的性能，如何设计控制器使系统达到较高的性能 指标，在实际应用中存在哪些具体问题，以及如何解决等，这些都是个课程要解决的问题。
0.1 什么是运动控制系统
按中国大百科全书的解释，运动是物质的固有性质和 存在方式，是物质所固有的根本属性．没有不运动的物 质，也没有离开物质的运动、这是基于哲学的解释。与 中文“运动”对应的英义词汇有“movment”和 “motion”，按照大英百科全书的解释，运动是一个物 体相对于另一个物体或相对于一个坐标系统的位置的变 化、这是基于运动学的定义。运动涉及宇宙万物、大到 遥远的天体，小到物质内部的质子和电子，对这些运动 的研究覆盖了整个科学技术领域。 本课程所指的运动(motion)和运动控制系统(motion control system)是近10多年来在国际上流行的一个技术 术语，它源于一种狭义的、约定俗成的共识，即它的主 要研究内容是机械运动过程中涉及的力学、机械学、动 力驱动、运动参数检测和控制等方面的理论和技术问题。
运动控制系统设计 ppt课件
PLC –结构
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PLC应用
PLC 国内市场目前主要有三大流派，占中 国市场份额90％以上： 美国：ROCKWELL、GE；欧洲：西门 子、施耐德；日本：三菱、OMRON。 在大中型PLC 市场，西门子占据优势，其 次是施耐德、ROCKWELL、GE，日系品 牌竞争力较弱； 在微小型PLC 市场，三菱、OMRON、西 门子占据了绝大多数份额，其品牌份额较 12 ppt课件 少。
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开环控制-步进电机
步距角的选择 静力矩的选择 电流的选择
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开环控制-步进电机-驱动器
双极性恒流斩波技术
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交流伺服系统的应用分析 几个概念 定位方式 系统精度 频带宽度 交流伺服系统的整定 机械系统的完备性 由内至外的整定方式 频带宽度与响应时间 机械共振与定位时间 ppt课件
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系统部件的选择
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运动控制系统设计
(1)需要确定方案，根据装置的运动和力学 要求进行计算，确定电机类型及驱动器、 减速器、位置检测装置的类型和规格。 (2) 电机和传动机构的搭配结构。 (3) 选择合适的系列运动控制器，通常根 据伺服电机、编码器类型和数量进行选择。
ppt课件 22
第3环是位置环，它是最外环，可以在驱动器 和电机编码器间构建也可以在外部控制器和 电机编码器或最终负载间构建，要根据实际 情况来定。由于位置控制环内部输出就是速 度环的设定，位置控制模式下系统进行了所 有3个环的运算，此时的系统运算量最大，动 态响应速度也最慢。
《运动控制系统设计》课件
结论于提高生产效率和精度至关重要。
运动控制系统未来发展趋势
随着技术的不断进步，运动控制系统将更加智能化和自适应。
参考文献
1. John Smith, "Motion Control Systems Design", 2020. 2. Anna Johnson, "Introduction to Motion Control Systems", 2019. 3. Michael Chen, "Advanced Techniques in Motion Control Design", 2018.
传感器
传感器能够感知物体的位置、速度等信息， 反馈给运动控制器以实现闭环控制。
电机驱动器
电机驱动器将控制指令转化为电流或电压， 驱动电机实现运动。
运动控制指令生成器
根据需求和输入信号，生成运动控制指令。
运动控制系统的控制算法
1 位置控制算法
2 速度控制算法
3 加速度控制算法
用于控制物体的位置， 实现精准的定位。
用于控制物体的速度， 实现平滑的运动。
用于控制物体的加速度， 实现快速的加速和减速。
运动控制系统的应用领域
工业自动化
运动控制系统在生 产线和机器人中起 着重要作用，提高 生产效率和质量。
机器人控制
运动控制系统在工 业和服务机器人中 广泛应用，实现复 杂的运动和任务。
交通运输
运动控制系统在交 通信号灯和电动车 辆中用于实现精确 和高效的控制。
界面。
5
功能测试
对系统进行全面测试，保证其功能正 常运行。
运动控制系统设计的注意事项
1 系统稳定性
2 系统精度
运动控制系统ppt课件
如果要求D = 20，s ≤ 5%，则由式（1-29）可知
n N D ( n 1 N ss)2 1 0 (1 0 0 0 .0 .0 0)0 r 5 5 /m i2 .6 nr/3 min 由上例可以看出，开环调速系统的额定速降是275 r/min，而生产工艺的要求却只有2.63r/min，相差几乎 百倍！ 由此可见，开环调速已不能满足要求，需采用反馈 控制的闭环调速系统来解决这个问题。
精品课件
3. 静差率与机械特性硬度的区别
然而静差
n
率和机械特性硬度 n0a
又是有区别的。一
∆ nNa
般调压调速系统在
a
不同转速下的机械 n0b
特性是互相平行的 。
∆ nNb
对于同样硬度的特
b
性，理想空载转速 越低时，静差率越 O0
TeN
Te
大，转速的相对稳
定度也就越差。
图1-23 不同转速下的静差率
精品课件
1.4.2 开环调速系统及其存在的问题
若可逆直流脉宽调速系统是开 环调速系统，调节控制电压就可以改变电 动机的转速。如果负载的生产工艺对运行 时的静差率要求不高，这样的开环调速系 统都能实现一定范围内的无级调速，可以 找到一些用途。
但是，许多需要调速的生产机 械常常对静差率有一定的要求。在这些情 况下，开环调速系精统品课往件 往不能满足要求。
精品课件
❖ 结论1：
一个调速系统的调速范围，是指在最 低速时还能满足所需静差率的转速可调范 围。
精品课件
❖ 例题1-1 某直流调速系统电动机额定转
速为，额定速降 nN = 115r/min，当要
求静差率30%时，允许多大的调速范围？ 如果要求静差率20%，则调速范围是多少？ 如果希望调速范围达到10，所能满足的 静差率是多少？
运动控制相关理论ppt课件
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10
理论提供了：
• 解释行为的理论框架：理论允许治疗师看到超过 某个患者的行为之外的东西，将应用拓宽到更多 的病例中
• 指导临床操作：理论为治疗师提供了一个可能的 操作指导。
• 新的观点：理论是动作的，不断改变的，以反映 与理论相关的更多的认识。
• 检查和治疗有效地假设：理论因其抽象性，并不 是可直接进行测试的，确切地说。理论产生可进 行验证的假说。通过验证假说所得到的信息用来 证实该理论有效与否。
47损伤水平策略水平改变步态适应性腘绳肌牵伸踩夹子滑轮踝牵伸下肢前伸后踢腿屈膝半蹲星形伸展平衡仰卧抬腿踏步练习走斜坡上下台阶后上下台阶行走的整体模式练习48第1趾骨第25趾骨第1跖骨第2跖骨第3跖骨第4跖骨第5跖骨足弓足跟内侧和足跟外侧足刚开始着地时相跖骨刚开始着地时相趾骨刚开始着地时相足跟离开地面时相趾离地时相
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个体内限制动作的因素
• 在个体中动作是通过许多大脑结构和程序 的合作而出现的。
• 动作是由相互作用、相互影响的多个程序 产生的，包括那些与其相关的知觉，认知 和行为。
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任务对动作的限制
• 任务对动作的神经组织加上了限制。
• 在日常生活中，我们执行大量各种需要运动的功 能活动。所执行任务的本质在部分程度上决定了 所需要的动作类型。
• 中枢神经系统功能的康复要求患者针对感觉/知觉， 运动和认识损伤形成适合功能任务需要的运动模 式。因此，帮助患者学习/重新学习执行功能任务， 并要考虑到潜在的功能缺损的治疗策略，是最大 限度使患者恢复功能独立的基础。
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运动控制系统PPT参考课件
9
第1篇 直流拖动பைடு நூலகம்制系统
1.1 直流调速系统用的可控直流电源 ❖ 直流调速方法 ❖ 直流调速电源 ❖ 直流调速控制
10
1.1.1 直流调速方法
根据直流电机转速方程
n U IR Ke
（1-1）
n — 转速（r/min）；
U — 电枢电压（V）；
I — 电枢电流（A）；
R — 电枢回路总电阻（ ）；
晶闸管-电动机调速系统（简称VM系统，又称静止的Ward-Leonard系 统），图中VT是晶闸管可控整流器，通 过调节触发装置 GT 的控制电压 Uc 来移 动触发脉冲的相位，即可改变整流电压 Ud ，从而实现平滑调速。
22
• V-M系统的特点
与G-M系统相比较： 晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提
25
1). 直流斩波器的基本结构
控制电路
+
VT
Us
VD
_
a）原理图
u
+ Us ton
M _O
T
b）电压波形图
图1-5 直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形
Ud t
26
2). 斩波器的基本控制原理
在原理图中，VT 表示电力电子开关器件， VD 表示续流二极管。当VT 导通时，直流电源 电压 Us 加到电动机上；当VT 关断时，直流电 源与电机脱开，电动机电枢经 VD 续流，两端 电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形如 图1-5b ，好像是电源电压Us在ton 时间内被接上， 又在 T – ton 时间内被斩断，故称“斩波”。
改变电压 UN U
U n ， n0
❖ 调速特性：
O
转速下降，机械特性
第1篇 直流拖动பைடு நூலகம்制系统
1.1 直流调速系统用的可控直流电源 ❖ 直流调速方法 ❖ 直流调速电源 ❖ 直流调速控制
10
1.1.1 直流调速方法
根据直流电机转速方程
n U IR Ke
（1-1）
n — 转速（r/min）；
U — 电枢电压（V）；
I — 电枢电流（A）；
R — 电枢回路总电阻（ ）；
晶闸管-电动机调速系统（简称VM系统，又称静止的Ward-Leonard系 统），图中VT是晶闸管可控整流器，通 过调节触发装置 GT 的控制电压 Uc 来移 动触发脉冲的相位，即可改变整流电压 Ud ，从而实现平滑调速。
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• V-M系统的特点
与G-M系统相比较： 晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提
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1). 直流斩波器的基本结构
控制电路
+
VT
Us
VD
_
a）原理图
u
+ Us ton
M _O
T
b）电压波形图
图1-5 直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形
Ud t
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2). 斩波器的基本控制原理
在原理图中，VT 表示电力电子开关器件， VD 表示续流二极管。当VT 导通时，直流电源 电压 Us 加到电动机上；当VT 关断时，直流电 源与电机脱开，电动机电枢经 VD 续流，两端 电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形如 图1-5b ，好像是电源电压Us在ton 时间内被接上， 又在 T – ton 时间内被斩断，故称“斩波”。
改变电压 UN U
U n ， n0
❖ 调速特性：
O
转速下降，机械特性
运动控制系统基础PPT课件
Servo Drive
Position Feedback To
Motion Controller
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第9页/共43页
伺服电机——抱闸的概念
伺服电机可以选择带有抱闸装置。 例如在垂直负载应用中，为了防 止在电机失电的情况下自由落体 状况的发生。 通常，在抱闸线圈通电的时候， 弹簧压紧，抱闸处于打开状态； 而当电机失电，抱闸在弹簧作用 下关闭，防止轴的坠落。 在其他需要的场合，也需要使用 抱闸电机。
Motor Power ( 3 phase) •Motor Current •Motor Voltage
−115VAC −230VAC −460VAC
Typical Servo Drive Line
Voltage
Servo Drive
•100-240VAC (Single Phase) •100-240VAC (3-Phase)
Motion Controller
Motion Software
8
第8页/共43页
伺服电机——反馈的概念
Servo Motor Feedback 伺服电机反馈设备通常安装在电机上，用来提供实际位置 反馈给控制器，以确保位置精度。反馈类型的选择则取决于实际应用和用户需求。 目前有很多不同的反馈检测技术和产品可供选择。
Motor with Feedback
Motor Power
Position Feedback
Servo Drives 伺服驱动 接受运动控制器的指令信号，控制电机所提 供的速度和扭矩（电流），要完成这些，驱动器需要将主进线电能 转换成电机所需要的电压和电流，以完成营工控制要求。
Plant Power
伺服电机 驱动器 执行和传动机构 电机电流 电机电压 运动控制器 运动控制软件 行程限位 回零 抱闸