运动控制系统 复习知识点总结讲课稿
运动控制系统 复习知识点总结
1 运动控制系统的任务是通过对电动机电压、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。
（运动控制系统框图）2. 运动控制系统的控制对象为电动机，运动控制的目的是控制电动机的转速和转角，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，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。
第1章可控直流电源-电动机系统内容提要相控整流器-电动机调速系统直流PWM变换器-电动机系统调速系统性能指标1相控整流器-电动机调速系统原理2.晶闸管可控整流器的特点（1）晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上，其门极电流可以直接用电子控制。
（2）晶闸管的控制作用是毫秒级的，系统的动态性能得到了很大的改善。
晶闸管可控整流器的不足之处晶闸管是单向导电的，给电机的可逆运行带来困难。
晶闸管对过电压、过电流和过高的du/dt与di/dt都十分敏感，超过允许值时会损坏晶闸管。
在交流侧会产生较大的谐波电流，引起电网电压的畸变。
需要在电网中增设无功补偿装置和谐波滤波装置。
3.V-M系统机械特4.最大失控时间是两个相邻自然换相点之间的时间，它与交流电源频率和晶闸管整流器的类型有关。
5.（1）直流脉宽变换器根据PWM变换器主电路的形式可分为可逆和不可逆两大类（2）简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统（3）有制动电流通路的不可逆PWM-直流电动机系统（4）桥式可逆PWM变换器（5）双极式控制的桥式可逆PWM变换器的优点双极式控制方式的不足之处（6）直流PWM变换器-电动机系统的能量回馈问题”。
（7）直流PWM调速系统的机械特性6..生产机械要求电动机在额定负载情况下所需的最高转速和最低转速之比称为调速范围，用字母D来表示（D的表达式）当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时电动机转速的变化率，称为静差率s。
运动控制(一)复习
运动控制系统（一）复习大纲第一章 绪论1、熟悉运动控制系统的基本组成；2、掌握运动控制系统的转矩控制规律及各种典型负载特性。
第二章 转速反馈控制的直流调速系统1、 直流电动机的调速方法（三种）、直流调速系统用的可控直流电源。
2、 可控直流电源及其特点：（1）晶闸管—电动机系统（V-M 系统）：相位控制、电流脉动、电流连续时的电机机械特性、晶闸管触发电路和整流装置的数学模型。
（2）直流脉宽调制PWM 调速系统：电路形式和波形分析、电压关系、机械特性、数学模型。
3、 转速控制要求和稳态调速性能指标（调速范围和静差率）。
4、 掌握调速范围、静差率和额定速降之间的关系：)s 1(n sn D N N -=∆5、 转速单闭环调速系统的组成、原理及静特性（会画静态结构图及推导静特性）、闭环控制规律及开环调速系统的机械特性与闭环调速系统的静特性的关系。
正确理解为什么闭环系统静特性会变硬？6、 反馈控制规律（比例控制有静差、服从给定抵制扰动、系统精度取决于给定电源和反馈检测的精度）及闭环系统的抗扰作用。
7、 开环系统机械特性和比例控制闭环系统静特性的关系：负载相同情况下：K1n n opcl +=∆∆；理想空载转速相同情况下：K1s s op cl +=在相同的静差率约束下，闭环系统的调速范围为开环系统的（1+K ）倍：op cl D )K 1(D +=8、 闭环直流调速系统的稳态参数计算。
（作业）9、 电流截止负反馈的作用及其系统组成原理（原理图、静态结构图）。
10、 带电流截止负反馈转速闭环控制系统的静态结构图及有关计算。
11、 转速反馈控制直流调速系统的数学模型及闭环系统稳定性分析。
12、 比例积分控制规律以及无静差调速系统的理解和稳态参数计算。
13、 数字控制系统的主要特点（离散化和数字化）；14、 数字测速方法（M ，T, M/T ）原理示意图、计算表达式及适应场合。
15、 模拟PI 调节器的数字化，差分方程，两种实现方法（位置式、增量式）及限幅。
老师期末复习运动控制讲课要点
运动控制技术一、什么是运动控制系统，它由什么组成？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）。
它是通过对电动机电压、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。
现代运动控制已成为电机学、电力电子技术、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二、什么是机床的数字控制以数字指令方式控制机床各部件的相对运动和动作。
将数字代码输入机床的数字控制装置（即控制机床的专用计算机）中去，经过计算机的计算处理、伺服控制、驱动机床各部件运动，完成上述空间直线段的加工。
用这种控制技术控制的机床就称为“数控机床”或“NC机床”。
（Numerically Controlled Machine Tool）轮廓加工控制：不仅对坐标的移动量进行控制，而且对各坐标的速度及它们之间比率都要行严格控制，以便加工出给定的轨迹。
在允许的误差范围内,从微观上看,用沿直线（精确地说沿逼近函数）的各轴最小单位移动量合成的分段运动来代替曲线运动，从而加工出轮廓。
基本名词术语：1.点位控制：控制点到点的距离；2.轮廓控制：控制轮廓加工，实时控制位移和速度；3. 分辨率：闭环数控机床的最小监测单位，也叫设定单位。
它代表了数控系统和数控机床的精度。
4、脉冲当量：数控系统中，一个指令脉冲代表的位移量(开环)；5、插补:数据密化,用已知线型（已有插补轨迹）代替未知线型。
6、直线插补：数控机床加工时，刀具运动轨迹是直线的，称为直线插补。
7、圆弧插补：数控机床加工时，刀具运动轨迹是圆弧的，称为圆弧插补；三、什么是开放式数控系统？及开放式数控系统的特点是什么？IEEE（国际电气电子工程师协会）是这样定义开放式数控系统的：“符合系统规范的应用系统可以运行在多个销售商的不同平台上，可以与其它系统的应用进行互操作，并且具有一致风格的用户交互界面。
《运动控制系统》知识要点
《运动控制系统》知识要点——— PH.D 戴卫力CH1 绪论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。
运动控制系统的基本运动方程:dtdn GD T T L e 3752=-2GD ：转动惯量，为飞轮矩（2Nm ）n ：转子的机械转速（r/min ）πω260mn =转矩控制是运动控制的根本问题。
生产机械的负载转矩特性一般分为恒转矩负载、恒功率负载和风机、泵类负载。
恒转矩负载又分为位能性和反抗性负载两种。
前者有重力产生，具有固定的大小和方向。
反抗性恒转矩负载的大小不变，方向始终与转速反向。
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 mLL P T ω=风机、泵类负载的转矩与转速的平方成正比。
闭环控制的直流调速系统直流调速公式的推想Φ-=e K IRU n Φ=e e K C ① 调节电枢电压U ；② 弱磁（只能弱，升磁会导致磁饱和）； ③ 改变电枢回路电阻R属无级调速的为①和②；有级调速的为③；调速范围小的② 因此，采用的最多的是①。
CH2 转速反馈控制的直流调速系统2.1 加在直流电机电枢绕组上的直流电源类型：旋转变流机组、静止式可控整流器、PWM 控制变换器 抑制电流脉动的措施：1）增加整流电路相数，或采用多重化技术。
2）设置电感量足够大的平波电抗器。
V-M 系统电流工作在断续时，有两个显著的特点：一是机械特性变软；二是理想空载转速高。
晶闸管整流器的失控时间Ts ：整流电路输出电压脉动周期的一半。
不可逆PWM 变换器中，加在电机两端的端电压是_____________桥式可逆PWM 变换器的输出平均电压为(2D-1)Us （D 为占空比，D=ton/T ）调速系统的稳态性能指标：调速范围D ：电动机提供的最高转速max n 和最低转速min n 之比；min max /n n D =注意的是：这里的最高和最低转速是指电动机额定负载时的最高和最低转速。
《运动控制》学习课程复习
《运动控制》课程复习大纲王一开编第一部分：填空题+简答题1、PWM系统的几种工作状态。
（P129）分正向电动，反向制动，轻载电动三种状态■一般电动状态在一般电动状态中，始终为正值（其正方向示于图1-17a中）。
设ton为VT1的导通时间，则一个工作周期有两个工作阶段：在0 ≤t ≤ton期间，Ug1为正，VT1导通，Ug2为负，VT2关断。
此时，电源电压Us加到电枢两端，电流id 沿图中的回路1流通。
在ton ≤t ≤T 期间，Ug1和Ug2都改变极性，VT1关断，但VT2却不能立即导通，因为id沿回路2经二极管VD2续流，在VD2两端产生的压降给VT2施加反压，使它失去导通的可能。
因此，实际上是由VT1和VD2交替导通，虽然电路中多了一个功率开关器件，但并没有被用上。
■制动状态在制动状态中，id为负值，VT2就发挥作用了。
这种情况发生在电动运行过程中需要降速的时候。
这时，先减小控制电压，使Ug1 的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平均电枢电压Ud降低。
但是，由于机电惯性，转速和反电动势E还来不及变化，因而造成E Ud 的局面，很快使电流id反向，VD2截止，VT2开始导通。
制动状态的一个周期分为两个工作阶段：在0 ≤t ≤ton 期间，VT2 关断，－id 沿回路4 经VD1 续流，向电源回馈制动，与此同时，VD1 两端压降钳住VT1 使它不能导通。
在ton ≤t ≤T期间，Ug2 变正，于是VT2导通，反向电流id 沿回路3 流通，产生能耗制动作用。
因此，在制动状态中，VT2和VD1轮流导通，而VT1始终是关断的，此时的电压和电流波形示于图1-17c。
■轻载电动状态有一种特殊情况，即轻载电动状态，这时平均电流较小，以致在关断后经续流时，还没有到达周期T ，电流已经衰减到零，此时，VT2因而两端电压也降为零，便提前导通了，使电流方向变动，产生局部时间的制动作用。
轻载电动状态，一个周期分成四个阶段：第1阶段，VD1续流，电流– id 沿回路4流通；第2阶段，VT1导通，电流id 沿回路1流通；第3阶段，VD2续流，电流id 沿回路2流通；第4阶段，VT2导通，电流– id 沿回路3流通。
运动控制系统复习要点
三复习纲要直流拖动系统（掌握）控制系统课程贯穿着一个基本方法：理论联系实际来分析问题解决问题。
具体来说就是系统思想和模型化、工程化方法。
本书的基本结构是以学科历史发展过程或者说实际问题为逻辑起点，而一般的理论课程如物理、数学实际上是与科研实际过程相反的，以学习者的知识结构为逻辑起点，从定义、概念、定律再到定理。
这是因为理论的发展意味着概念的创新。
而控制系统是一门技术理论课程，它是从技术角度来总结的。
正因为是技术角度出发的，具有综合性和实践性的特点。
所以对学习者来说，必须具备一定的实践基础和专业理论基础。
而对初学者来说，表现出有一定的难度是不奇怪的，而且，每一部分内容都仅是打下基础，深入的细节方面的知识，需要更进一步地查阅其它书籍和资料，从另一方面来看，这也给大家留下了自学和实践的空间。
从电压平衡方程式，导出调速方法，从反馈控制原理和静态参数的要求导出闭环控制系统；从静态与动态性能的矛盾分析了P调节器和I调节器，发展到PI调节器；从单闭环的调速系统无法控制起、制动动态电流，导出了带饱和非线性的PI调节器构成双闭环的系统结构，而双闭环的结构可以说交直流电动机控制的基本结构；从单向开关的晶闸管不能实现反转和回馈制动导出了可逆系统结构，又从可逆系统引起的环流问题导出有环流和无环流控制策略；再从调压调速的限制和宽调速范围的要求引出带弱磁控制的非独立弱磁控制系统。
问题一步一步深化。
但思考问题的出发点是电压平衡方程式，磁链平衡方程式，转矩平衡方程式，再加半导体开关的特性导致的电力电子电路中的特殊问题（也就是电力电子技术），同时分析时用到了电路和电机中的基本概念如输入功率、输出功率、转差功率、功率因数、效率、损耗等等。
1闭环控制静差率与调速范围重点掌握可控直流电源VM系统的主要问题直流脉宽调速系统的主要问题单闭环稳态分析PI调节器2 双闭环稳态数学模型及动态性能分析非典型系统的典型化弱磁控制实验电路模拟式PI调节器，过电流保护电路3 数字控制（了解）数字测速数字PI调节器及其设计方法4 可逆系统（掌握）5 变压调速及其软起动器（了解）6.1 VVVF 控制方式（掌握）机械特性比较三段式控制6.2 PWM 模式spwm chbpwm svpwm （了解）6.3 变频器的主要类型（了解）6.4 标量控制系统转速开环转速闭环转差频率控制（一般掌握）6.5 矢量控制原理坐标变换转子磁链定向（一般掌握）6.6 矢量控制系统直接矢量控制间接矢量控制转子磁链估计和观测（理解）6.7 直接转矩控制定子磁链的估计和观测（理解）7 串级调速系统（高效率低功率因数）（掌握）双馈调速的5种工况串级调速的工作原理起动停车顺序转子整流电路的特点及对机械特性的影响串级调速系统的功率因数及其改进方案双馈调速系统（了解）8 同步电动机变频调速（了解）特点及其类型他控变频（转速开环，交交变频，气隙磁场定向）自控变频（无刷直流，永磁同步电动机）四复习要点1直流电动机调压可获得恒转矩调速。
运动控制系统总结资料
第1章 绪论
什么是运动控制系统
• 运动控制系统是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装置为执行机构，在 自动控制理论的指导下组成的电气传动自 动控制系统。
运动控制系统及其组成
直流调速系统
直流电动机的数学模型简单，转矩易 于控制。 换向器与电刷的位置保证了电枢电流 与励磁电流的解耦，使转矩与电枢电流成 正比。
交流调速系统
交流电动机（尤其是笼型感应电动机） 结构简单 交流电动机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。
运动控制系统的转矩控制规律
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
d m J Te TL dt d m m dt
• 转矩控制是运动控制的根本问题 d m
• 在高速段，与M法测速的分辨率完全相同。 • 在低速段，M1＝1，M2随转速变化，分辨率与T法 测速完全相同。 • M/T法测速无论是在高速还是在低速都有较强的 分辨能力。
Zn 2 Q 60 f 0 Zn
M/T法测速
• 在M法测速中，随着电动机的转速的降低，计数值 减少，测速装置的分辨能力变差，测速误差增大。 • T法测速正好相反，随着电动机转速的增加，计数 值减小，测速装置的分辨能力越来越差。 • 综合这两种测速方法的特点，产生了M/T测速法， 它无论在高速还是在低速时都具有较高的分辨能力 和检测精度。
• T法测速的分辨率定义为时钟脉冲个数由M2变成 (M2-1)时转速的变化量，
60 f 0 60 f 0 60 f 0 Q Z ( M 2 1) ZM 2 ZM 2 ( M 2 1)
（2-81）
• 综合式（2-80）和式（2-81），可得 (2-82) • T法测速的分辨率与转速高低有关，转速越低，Q 值越小，分辨能力越强。
最新运动控制系统-复习知识点总结
1运动控制系统的任务是通过对电动机电压、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。
（运动控制系统框图）2.运动控制系统的控制对象为电动机，运动控制的目的是控制电动机的转速和转角，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，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。
第1章可控直流电源-电动机系统内容提要相控整流器-电动机调速系统直流PWM变换器-电动机系统调速系统性能指标1相控整流器-电动机调速系统原理2•晶闸管可控整流器的特点（1 ）晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上，其门极电流可以直接用电子控制。
（2 ）晶闸管的控制作用是毫秒级的，系统的动态性能得到了很大的改善。
晶闸管可控整流器的不足之处晶闸管是单向导电的，给电机的可逆运行带来困难。
晶闸管对过电压、过电流和过高的du/dt与di/dt都十分敏感，超过允许值时会损坏晶闸管。
在交流侧会产生较大的谐波电流，引起电网电压的畸变。
需要在电网中增设无功补偿装置和谐波滤波装置。
3.V-M系统机械特4•最大失控时间是两个相邻自然换相点之间的时间，它与交流电源频率和晶闸管整流器的类型有关。
5.（1）直流脉宽变换器根据PWM变换器主电路的形式可分为可逆和不可逆两大类（2）简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统（3 ）有制动电流通路的不可逆PWM-直流电动机系统（4 ）桥式可逆PWM变换器（5）双极式控制的桥式可逆PWM变换器的优点双极式控制方式的不足之处（6）直流PWM变换器-电动机系统的能量回馈问题”。
（7）直流PWM调速系统的机械特性6..生产机械要求电动机在额定负载情况下所需的最高转速和最低转速之比称为调速范围，用字母D来表示（D的表达式）当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时电动机转速的变化率，称为静差率SoD与s的相互约束关系对系统的调速精度要求越高，即要求s越小，则可达到的D必定越小。
运动控制讲义
能量
传动
解决方案与思路
动力部件
Fidea、Videa （Tidea、nidea）
F、V （T、n）
传动部件
伺服系统
控制部件
？ 弱化甚 至消除
最终执行部件 Fidea、Videa
（Tidea、nidea）
能量流动方向：
信息流动方向：
位置控制不可靠， 带式传动：精度不高，须经
常维护
齿类传动：齿其间位隙置的控存制精在度让
传动部件
Fidea、Videa （Tidea、nidea）
最终执行部件
控制部件
能量流动方向：
信息流动方向：
运动控制讲义
机械加工系统分析
能量
动力部件
F、V （T、n）
传动部件
伺服系统
Fidea、Videa （Tidea、nidea）
最终执行部件
控制部件
能量流动方向：
信息流动方向：
传动
？ 位置控制不可靠，
国内现状与发展趋势
定义
以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统称之为伺服系统。它通过 控制电动机等能换器将电能或其它形式的能量转换成具有机械运动设备所需 转矩、转速或转角所对应的机械能。其最终目的是使能换器输出机械设备所 需的转矩、转速或转角。它是机械运动的驱动设备，以电动机为控制对象， 以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的 指导下组成的电气传动伺服控制系统。
1、步进驱动系统 2、直流驱动系统 3、交流驱动系统
运动控制讲义
1、开环驱动系统 2、半闭环驱动系统 3、全闭环驱动系统
第一章 概述
一、伺服系统的产生和发展 二、伺服系统的功用和要求 三、伺服系统的分类
运动控制系统考试复习重点
在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机 TG ，从而引 出与被调量转速成正比的负反馈电压 Un ，与给定电压 U*n 相比较后，得到转速偏差电压 Un ，经过放大器 A，产生电力电子变换器 UPE 的控制电压 Uc ，用以控制电动机转速 n。 25. 转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下: 电压比较环节 : U n U n U n ;
关系图分析：负载电流Id 增大时，开环系统的转速会降低，而闭环系统则会通过自动调 节来保持转速稳定， 从图上来看， 闭环系统的静特性就是这样在许多开环机械特性上各取一 个相应的工作点，如图 1-26 中的 A、B、C、D、„，再由这些工作点连接而成。 过程分析：在开环系统中，当负载电流增大时，电枢压降也增大，转速只能降下来；闭 环系统装有反馈装置，转速稍有降落，反馈电压就会降低，通过比较和放大提高电力电子装 置的输出电压Ud0 ，使系统工作在新的机械特性上，因而转速又有所回升。 结论： 闭环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。 只用比例调节器的反馈控制系统，其被调量仍是有静差的。 从静特性分析中可以看出，闭环系统的开环放大系数 K 值越大，系统的稳态性能越好。 直流电动机全电压起动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流。 为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题， 系统中必须有自动限制电 枢电流的环节，即电流截止负反馈环节。 33. 电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻 Kp Ks R s ，因而稳态速降极大，特 性急剧下垂。 34. 反馈控制系统闭环直流调速系统动态结构框图各环节的物理意义： ①比例放大器； ②IGBT 脉宽控制与变换转置； ③直流电动机； ④测速反馈环节。
运动控制系统专题讲座
运动控制系统专题讲座
• 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。
运动控制系统专题讲座
• 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。
GD2 4gJ ;
n——转子的机械转速（r/min），
60 m n . 2
运动控制系统专题讲座
• 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。
《运动控制系统》教案
《运动控制系统》教案一、教学目标1. 了解运动控制系统的概念、组成和作用。
2. 掌握运动控制系统的分类及其特点。
3. 熟悉运动控制系统的主要组成部分及其功能。
4. 理解运动控制系统在实际应用中的重要性。
二、教学内容1. 运动控制系统的概念与组成1.1 运动控制系统的定义1.2 运动控制系统的组成要素2. 运动控制系统的分类与特点2.1 模拟运动控制系统2.2 数字运动控制系统2.3 现代运动控制系统3. 运动控制系统的主要组成部分及其功能3.1 控制器3.2 执行器3.3 传感器3.4 反馈环节4. 运动控制系统在实际应用中的重要性4.1 运动控制系统在工业生产中的应用4.2 运动控制系统在交通运输中的应用4.3 运动控制系统在生物医学中的应用三、教学方法1. 讲授法：讲解运动控制系统的概念、组成、分类、特点及应用。
2. 案例分析法：分析实际应用中的运动控制系统案例，加深学生对运动控制系统的理解。
3. 讨论法：组织学生就运动控制系统相关问题进行讨论，提高学生的思考能力。
四、教学准备1. 教材：《运动控制系统》相关章节。
2. 课件：制作涵盖教学内容的课件。
3. 案例材料：收集运动控制系统在实际应用中的案例。
五、教学过程1. 导入：简要介绍运动控制系统的基本概念，激发学生兴趣。
2. 讲解：详细讲解运动控制系统的组成、分类、特点及应用。
3. 案例分析：分析实际应用中的运动控制系统案例，让学生理解运动控制系统的作用。
4. 讨论：组织学生就运动控制系统相关问题进行讨论，提高学生的思考能力。
6. 作业布置：布置相关练习题，巩固所学知识。
六、教学评估1. 课堂问答：通过提问方式检查学生对运动控制系统概念、组成、分类和应用的理解。
2. 练习题：布置课后练习题，评估学生对运动控制系统知识的掌握程度。
3. 案例分析报告：评估学生在案例分析环节的思考深度和分析能力。
七、教学拓展1. 介绍运动控制系统领域的最新研究成果和技术发展动态。
《运动控制系统》期末复习资料
第1章绪论1.什么是运动控制? 电力传动又称电力拖动，是以电动机作为原动机驱动生产机械的系统的总称。
运动控制系统是将电能转变为机械能的装置，用以实现生产机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其它应用的要求。
2.运动控制系统的组成：现代运动控制技术是以电动机为控制对象，以计算机和其它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，以计算机数字仿真或计算机辅助设计为研究和开发的工具。
3.运动控制系统的基本运动方程式：第2章转速反馈控制的直流调速系统1.晶闸管-电动机（V-M ）系统的组成：纯滞后环节，一阶惯性环节。
2.V-M 系统的主要问题：由于电流波形的脉动，可能出现电流连续和断续两种情况。
3.稳态性能指标：调速范围D 和静差率s 。
D =??(1-??)，额定速降??，D =????，s =????04.闭环控制系统的动态特性；静态特性、结构图？5.反馈控制规律和闭环调速系统的几个实际问题，积分控制规律和比例积分控制规律。
积分控制规律：t 0n cd 1tU U 比例积分控制规律：稳态精度高，动态响应快6.有静差、无静差的主要区别：比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状；而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。
比例积分放大器的结构：PI 调节器7.数字测速方法：M 法测速、T 法测速、M/T 法测速。
8.电流截止负反馈的原理：采用某种方法，当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。
电流截止负反馈的实现方法：引入比较电压，构成电流截止负反馈环节9.脉宽调制：利用电力电子开关的导通与关断，将直流电压变成连续可变的电压，并通过控制脉冲宽度或周期达到变压变频的目的。
10.直流蓄电池供电的电流可反向的两象限直流斩波调速系统,已知:电源电压Us=300V,斩波器占空比为30%,电动机反电动势E=100V,在电机侧看,回路的总电阻R=1Ω。
运动控制系统重要知识点串讲
（3） 测速方法 ① M法测速
60 M 1 n= ZTc
M法测速只适用于 法测速只适用于 高速段。 高速段。
② T法测速
60 f 0 n= ZM 2
T法测速适用于 法测速适用于 低速段。 低速段。
③ M/T法测速 M/T法测速
60 f 0 M 1 n= ZM 2
高低速段 均可。 均可。
（4）数字PI调节器 数字PI调节器
※思考题： 思考题：
1 在转速负反馈单闭环有静差系统中，突减负载后系统 在转速负反馈单闭环有静差系统中， 又进入稳定运行状态，此时，输出电压Ud是增加，减小 又进入稳定运行状态，此时，输出电压Ud是增加， Ud是增加 还是不变？ 还是不变？
2 在无静差调速系统中，突加负载后进入稳态时转速和 在无静差调速系统中， 输出电压Ud是增加，减少还是不变？ 输出电压Ud是增加，减少还是不变？ Ud是增加
∆u ( k ) = u ( k ) − u ( k − 1) = K P [e( k ) − e( k − 1) ] + K ITsam e( k )
第五： 过电流保护— 第五： 过电流保护—电流截止负反馈
（1）两个原则： ）两个原则：
应小于电机允许的最大电流，一般取： I dbl应小于电机允许的最大电流，一般取： Idbl =（1.5-2） IN =（1.5-2） 从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范围足够大， 从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范围足够大， 截止电流应大于电机的额定电流，一般取： 截止电流应大于电机的额定电流，一般取： Idcr ≥（1.1-1.2）IN （ ）
第二： 第二： 无环流逻辑控制器
（1）组成 ）
（2）DLC动作的充分必要条件 ） 动作的充分必要条件 电流给定信号Ui＊ 电流给定信号 ＊改变极性和零电流检测器发出零电 流信号． 流信号．
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1 运动控制系统的任务是通过对电动机电压、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。
（运动控制系统框图）2. 运动控制系统的控制对象为电动机，运动控制的目的是控制电动机的转速和转角，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，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。
第1章可控直流电源-电动机系统内容提要相控整流器-电动机调速系统直流PWM变换器-电动机系统调速系统性能指标1相控整流器-电动机调速系统原理2.晶闸管可控整流器的特点（1）晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上，其门极电流可以直接用电子控制。
（2）晶闸管的控制作用是毫秒级的，系统的动态性能得到了很大的改善。
晶闸管可控整流器的不足之处晶闸管是单向导电的，给电机的可逆运行带来困难。
晶闸管对过电压、过电流和过高的du/dt与di/dt都十分敏感，超过允许值时会损坏晶闸管。
在交流侧会产生较大的谐波电流，引起电网电压的畸变。
需要在电网中增设无功补偿装置和谐波滤波装置。
3.V-M系统机械特4.最大失控时间是两个相邻自然换相点之间的时间，它与交流电源频率和晶闸管整流器的类型有关。
5.（1）直流脉宽变换器根据PWM变换器主电路的形式可分为可逆和不可逆两大类（2）简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统（3）有制动电流通路的不可逆PWM-直流电动机系统（4）桥式可逆PWM变换器（5）双极式控制的桥式可逆PWM变换器的优点双极式控制方式的不足之处（6）直流PWM变换器-电动机系统的能量回馈问题”。
（7）直流PWM调速系统的机械特性6..生产机械要求电动机在额定负载情况下所需的最高转速和最低转速之比称为调速范围，用字母D来表示（D的表达式）当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时电动机转速的变化率，称为静差率s。
D与s的相互约束关系对系统的调速精度要求越高，即要求s越小，则可达到的D必定越小。
当要求的D越大时，则所能达到的调速精度就越低，即s越大，所以这是一对矛盾的指标。
第二章闭环控制的直流调速系统内容提要⏹转速单闭环直流调速系统⏹转速、电流双闭环直流调速系统调节器的设计方法1.异步电动机从定子传入转子的电磁功率可分成两部分：一部分是机械轴上输出的机械功率；另一部分是与转差率成正比的转差功率。
.异步电动机按调速性能分类第一类基于稳态模型，动态性能要求不高，例如转速开环的变压变频调速系统和转速闭环的转差频率控制系统。
而另一类则基于动态模型，动态性能要求高，例如矢量控制系统和直接转矩控制系统。
同步电动机的调速：同步电动机的转差率恒为零，从定子传入的电磁功率全部变为机械轴上输出的机械功率，只能是转差功率不变型的调速系统。
同步电动机的调速只能通过改变同步转速来实现，由于同步电动机极对数是固定的，只能采用变压变频调速。
2.反馈控制的基本思想3.开环与闭环调速系统的区别：1差率约束下，闭环系统的调速范围为开环系统的（1+K）倍4.反馈控制规律5..电流截止负反馈。
6.积分控制规律和比例控制规律的区别在于：。
7.在阶跃输入作用之下，比例调节器的输出可以立即响应，而积分调节器的输出只能逐渐地变化，调速系统一般应具有快与准的性能，即系统既是静态无差又具有快速响应的性能。
实现的方法是把比例和积分两种控制结合起来，组成比例积分调节器（PI）。
8..对于经常正、反转运行的调速系统，应尽量缩短起、制动过程的时间，完成时间最优控制。
即在过渡过程中始终保持转矩为允许的最大值，使直流电动机以最大的加速度加、减速。
到达给定转速时，立即让电磁转矩与负载转矩相平衡，从而转入稳态运行。
9.（1）双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波（2）双闭环系统在起、制动过程中，电流闭环起作用，保持电流恒定，缩小系统的过渡过程时间。
一旦到达给定转速，系统自动进入转速控制方式，转速闭环起主导作用，而电流内环则起跟随作用，使实际电流快速跟随给定值（转速调节器的输出），以保持转速恒定。
（3）系统的静特性当转速调节器不饱和时表现出来的静特性是转速双闭环系统的静特性，表现为转速无静差；转速调节器饱和时表现出来的静特性是电流单闭环系统的静特性，表现为电流无静差，电流给定值是转速调节器的限幅值。
（4）转速调节器的作用归纳为电流调节器的作用归纳为10 香农（Shannon）采样定理规定：如果随时间变化的模拟信号的最高频率为fmax ，只要按照f>2fmax采样频率进行采样，则取出的样品序列就可以代表（或恢复）模拟信号11.常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间、超调量和调节时间，12.为了使系统对阶跃给定无稳态误差，不能使用0型系统，至少是Ⅰ型系统；当给定是斜坡输入时，则要求是Ⅱ型系统才能实现无稳态误差。
两种系统的比较⏹典型I型系统和典型Ⅱ型系统在稳态误差上有区别。
⏹典型I型系统在跟随性能上可以做到超调小，但抗扰性能稍差。
⏹典型Ⅱ型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。
⏹这些是设计时选择典型系统的重要依据。
电流调节器的设计(采用I 型系统)设计分为以下几个步骤：1.电流环结构图的简化简化内容⏹忽略反电动势的动态影响⏹等效成单位负反馈系统⏹小惯性环节近似处理2.电流调节器结构的选择3.电流调节器的参数计算4.电流调节器的实现设计举例：1.电流环的设计① 确定时间常数整流装置滞后时间常数T s电流滤波时间常数T oi电流环小时间常数之和T i②选择电流调节器结构⏹ 要保证稳态电流无差，可按典型I 型系统设计电流调节器。
⏹ 电流环控制对象是双惯性型的，用PI 型电流调节器。
③计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数电流环开环增益K IACR 的比例系数Ki④校验近似条件电流环截止频率满足晶闸管整流装置传递函数的近似条件：满足忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：满足电流环小时间常数近似处理条件12. 异步电动机T 型等效电路异步电动机简化等效电路27(A) 异步电动机的机械特性28.变压变频调速是改变同步转速的一种调速方法，同步转速随频率而变化基频以下调速原理：恒压频比控制：基频以上调速28基频以下电流补偿控制：基频以下运行时，采用恒压频比的控制方法具有控制简便的优点，但负载的变化将导致磁通的改变，因此采用定子电流补偿控制，根据定子电流的大小改变定子电压，可保持磁通恒定。
e T s 1n 1em T m s 0小结：A.恒压频比控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，低速时需适当提高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降B.恒定子磁通、恒气隙磁通和恒转子磁通的控制方式均需要定子电流补偿，控制要复杂一些。
C.恒定子磁通和恒气隙磁通的控制方式虽然改善了低速性能。
但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。
D.恒转子磁通的控制方式，可以得到和直流他励电动机一样的线性机械特性，性能最佳。
29.异步电动机变频调速需要电压与频率均可调的交流电源，常用的交流可调电源是由电力电子器件构成的静止式功率变换器，一般称为变频器。
间接变频:先将恒压恒频的交流电整成直流电，再将直流电逆变成电压与频率均可调的交流，直接变频;将恒压恒频的交流电直接变换为电压与频率均可调的交流电，无需中间直流环节30.交-直-交变频器主回路结构图~、宽度按一定规律变化的脉冲序列，用这样的高频脉冲序列代替期望的输出电压31.以频率与期望的输出电压波相同的正弦波作为调制波（Modulation wave），以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrier wave），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得高度相等、宽度按正弦规律变化的脉冲序列，这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse Width Modulation，简称SPWM）32.三相PWM逆变器双极性SPWM波形34 电流跟踪PWM （CFPWM ，Current Follow PWM ）的控制方法是：在原来主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值，在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波形，这就能比电压控制的SPWM 获得更好的性能。
它是以正弦波电流为控制目标的4-13电流滞环跟踪控制的A 相原理-12d +2dU --*A i A i h 2A 1VD 4VD 1VT 4VT HBC图4-14 电流滞环跟踪控制时的三相电流波形与相电压PWM波形电流跟踪控制的精度与滞环的宽度有关，同时还受到功率开关器件允许开关频率的制约。
当环宽选得较大时，开关频率低，但电流波形失真较多，谐波分量高；如果环宽小，电流跟踪性能好，但开关频率却增大了。
实际使用中，应在器件开关频率允许的前提下，尽可能选择小的环宽35.把逆变器和交流电动机视为一体，以圆形旋转磁场为目标来控制逆变器的工作，这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实现的，所以又称“电压空间矢量PWM（SVPWM，Space Vector PWM）控制”。
图4-17 旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹图4-18 电压矢量圆轨迹（2）零矢量的插入有效地解决了定子磁链矢量幅值与旋转速度的矛盾。
（3）.按空间矢量的平行四边形合成法则，用相邻的两个有效工作矢量合成期望的输出矢量，这就是电压空间矢量PWM（SVPWM）的基本思想。
所谓等效是指在一个开关周期内，产生的定子磁链的增量近似相等。
通常以开关损耗较小和谐波分量较小为原则，安排基本矢量和零矢量的作用顺序，一般在减少开关次数的同时，尽量使PWM输出波型对称，以减少谐波分量。
（4）零矢量集中的实现方法按照对称原则，将两个基本电压矢量的作用时间、平分为二后，安放在开关周期的首端和末端，把零矢量的作用时间放在开关周期的中间，并按开关次数最少的原则选择零矢量。
（5）零矢量分布的实现方法将零矢量平均分为4份，在开关周期的首、尾各放1份，在中间放两份，将两个基本电压矢量的作用时间、平分为二后，插在零矢量间。
按开关损耗较小的原则，选取零矢量（6）会根据要求判别期望定子磁链的轨迹P161（8）SVPWM的实现（7）SVPWM控制模式的特点36.转差频率控制的基本思想若能够保持气隙磁通不变，且在s值较小的稳态运行范围内，异步电动机的转矩就近似与转差角频率成正比。
也就是说，在保持气隙磁通不变的前提下，可以通过转差角频率来控制转矩，这就是转差频率控制的基本思想。
第5章内容提要⏹异步电动机动态数学模型⏹异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统⏹异步电动机按定子磁链控制的直接转矩控制系统⏹直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较1.异步电动机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。