变流技术与运动控制--第 10 课
《流体传动与控制》课件第10章
液压技术源于发现帕斯卡定律的1605年，自那时起，液压传动 装置一直以水作为工作介质，由于其密封问题加之电气传动技术的 竞争，曾一度导致液压技术停滞不前。此种局面直至1906年美国在 海军炮塔仰俯液压装置中首次以油代替水作为工作介质才被打破。 液压工作介质的这一历史性变化、耐油橡胶的出现及制造技术的进 步，逐步解决了早期水压传动装置中包括密封问题在内的一系列技 术难题，从而使液压技术进入了迄今为止主要以矿物型液压油为工 作介质的油压传动时代。然而，油压传动存在着污染环境、易燃烧、 浪费能源的严重问题，在一定程度上限制了其发展与应用。随着科 学技术的进步，人类环保、能源危机意识的提高，促使人们重新认 识和研究以纯水作为工作介质的纯水液压传动技术。近20年来，水 压传动技术在理论研究与应用上都得到了持续稳定的复苏和发展， 并逐渐成为现代液压传动技术中的热点技术和新的发展方向之一。
2.国内研究现状 我国的水压传动技术的研究及应用尚处在起步阶段，在 该领域进行研究的主要有华中科技大学和浙江大学等著名高
浙江大学的流体传动及控制国家重点实验室在研制纯水 液压元件的同时，自行设计(芬兰HytarOy公司制作)了一套 纯水液压试验系统。该系统的纯水液压泵采用端面配流结构， 柱塞数为9，斜盘倾角15°。其主要技术指标是:额定压力为 14MPa，流量为100L／min，功率为32kW，额定转速为 1500r／min，工作介质为自来水，工作温度为3～400°C， 其容积效率约80%。
全球风电在近十年有极快速的进展，预计全世界风力发电 将以30%~50%的速度持续增长。在风能利用的强国中，丹麦、 德国与西班牙的发展最为迅速，风力发电有效地改善了这些国 家的电力结构，减少了大气污染，对保护我们共同的生存家园 起到了重要的作用。1999年10月5日，欧洲风能协会的一项国 际能源研究报告指出，到2020年，风能可提供世界电力需求的 10%，创造170万个就业机会，并在全球范围减少100多亿吨二 氧化碳废气。亚洲的风电事业也蓬勃兴起,到2002年初，装机 总容量达到2220MW，占世界风电装机总容量的9.1%。其中印 度发展最为迅速，在短短几年时间进入世界装机总量前五名。 到2006年年底风电装机容量前六位的国家如图10－3所示，中 国排在第6位。
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
Shanghai university
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
Shanghai university
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
Shanghai university
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）
《电力电子技术》课程教学大纲
电力电子技术课程教学大纲（POWERE1ECTRONIC）总学时数：40其中:实验学时数：0课外学时数：0学分数：2.5适用专业：电气工程与自动化专业一、课程的性质、目的和任务本课程是自动化专业的基础课程，它的任务是使学生掌握各类电力电子器件的工作原理，特性和主要参数及其各类变流装置发生的电磁过程，基本原理，控制方法，设计计算，实验技能以及它们的技术经济指标。
以便学生毕业后具有进一步掌握各种变流装置的能力，并为后续课“电力拖动与运动控制系统”打好基础。
二、课程教学的基本要求（一）掌握电力电子器件（主要为晶闸管，电力晶体管，可关断晶闸管、电力场效应晶体管和绝缘栅双极晶体管）的工作原理，特性和主要参数（含驱动、缓冲和保护电路）。
（二）熟练掌握单相，三相整流电路和有源逆变电路的基本原理，波形分析和各种负载对电路运行的影响，并能对上述电路进行初步的设计计算（包括触发电路与保护环节）。
（三）3.了解无源逆变、直流斩波、交流调压和交-交变频电路的工作原理，了解并掌握PWM控制技术及PW型逆变电路的基本原理和控制方法。
（四）初步了解软开关技术的基本概念和常用的组合变流电路的主要形式。
（五）初步了解电力电子学科的发展趋势。
（六）掌握基本变流装置的调试实验方法。
三、课程的教学内容、重点和难点绪论基本内容：电力电子技术的基本概念和内涵，电力电子技术发展历程，电力电子技术应用领域，本课程在国民经济中的作用意义，本课程的特点和学习方法。
基本要求：使学生了解电力电子技术的基本概念和内涵，了解本课程的重要性，认识到他所学的内容仅是电力电子学科中的最基本的内容,而本学科还有很多重要的课题有待去学习，去解决。
第一章电力电子器件一、电力电子器件概述基本内容：电力电子器件的概念和特征；电力电子系统的构成；电力电子器件的分类。
基本要求：1、了解电力电子器件的基本概念、主要特征以及主要类型；2、了解应用电力电子器件构成的系统的主要组成部分及各部分功能。
【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》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。
运动控制系统课程教学大纲精选全文
可编辑修改精选全文完整版运动控制系统课程教学大纲一、课程基本信息课程编号：201404110课程中文名称：运动控制系统课程英文名称：Motion Control System课程性质：专业核心课程考核方式：考试开课专业：自动化开课学期：6总学时：48（其中理论40学时，实验8学时）总学分：3二、课程目标目标1:掌握运动控制系统的基本工程原理、工程方法和交直流调速系统的专业知识，通过文献分析研究对自动化工程领域、船舶控制工程领域相关的复杂工程问题提出解决方案，获得有效结论。
（对应指标点2-3）目标2:能够运用直流、交流调速系统的原理及专业知识，针对自动化工程领域、船舶控制工程领域相关的调速系统的复杂工程问题进行研究。
（对应指标点4-1）通过本课程的教学，使学生掌握运动控制的基本理论和交直流调速系统的基本调节规律；具备使用闭环系统分析方法分析调速系统的静、动态特性问题，对交直流调速系统有深入理解及实际工程应用能力；具有应用运动控制理论解决交直流调速系统控制问题的能力，并将其用于解决船舶控制及自动化科学技术领域的交直流调速系统功能及指标等问题。
三、教学基本要求1、通过学习运动控制系统的专业知识，能够将电力电子技术、电机及拖动基础、自动控制理论等专业基础知识较好的融合起来，掌握直流电动机转速单闭环控制系统的原理和控制规律，掌握直流电动机转速、电流双闭环控制系统的原理和控制规律，掌握调速系统静态指标和动态指标的意义，能够应用直流电机和交流电机调速的基础理论和闭环控制的分析手段、方法，对船舶控制及自动化工程领域交直流调速系统中的复杂问题进行分析。
（对应目标1）2、通过所学的专业知识，理解交直流调速设备制造和使用过程中不同控制方法对调速系统性能的影响。
理解PWM、SPWM、SVPWM以及矢量控制等技术手段和控制方法对交直流调速系统提高性能指标的价值和意义，具有对船舶控制及自动化工程领域中涉及调速系统的复杂工程问题进行研究的能力。
运动控制系统ppt课件
ud
ua
ub
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Ud E
t O
id ic O
ia
ib
ic
id
a）电流连续
ic
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ia
ib
ic
b）电流断续
图1-9 V-M系统的电流波形
Ud E
t
t
1.2.3 抑制电流脉动的措施
在V-M系统中，脉动电流会产生脉动的 转矩，对生产机械不利，同时也增加电机 的发热。为了避免或减轻这种影响，须采 用抑制电流脉动的措施，主要是：
• 瞬时电压平衡方程
ud0
E
id R
L
did dt
(1-3)
式中
E — 电动机反电动势；
id — 整流电流瞬时值； L — 主电路总电感；
R — 主电路等效电阻；
且有 R = Rrec + Ra + RL；
对ud0进行积分，即得理想空载整流电压 平均值Ud0 。
用触发脉冲的相位角 控制整流电压的
序言
课程的内容、目的
以电动机为控制对象、以实现既定（旋转） 运动规律和特性为目标、以电力能量变换技 术（电力电子应用技术）和自动控制理论及 相关控制技术为手段，探讨如何构成运动控 制系统。
序言
课程的地位、意义
• 自动化学科及自动控制领域背景知识 • 自动化专业的内涵及专业特征 • 本课程的专业地位及重要性
O
TL
2 3
Te
曲线变软。
调磁调速特性曲线
▪ 三种调速方法的性能与比较
对于要求在一定范围内无级平滑调速 的系统来说，以调节电枢供电电压的方式 为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁 通虽然能够平滑调速，但调速范围不大， 往往只是配合调压方案，在基速（即电机 额定转速）以上作小范围的弱磁升速。
运动技能学习与控制PPT课件
12
二、误差测量
1、一维动作目标的误差
x1
x5
x3
x2
x4
93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107
13
14
各种误差的计算方法
Constant Error (CE): CE=Σ（xi-T）/n
Variable Error (VE):
运动（movement）:构成动作或运动技能的肢 体或肢体联合的行为特征。
3
2、高水平技能的特征
成功的可能性最大，准确性高 体能和心理能力的消耗最少 时间最短
4
3、运动技能的三种成份
姿势成份为动作提供支持平台。 身体的移动成份是身体和肢体移动到动作
位置。 操作成份产生动作。
能力是指个体所具有的遗传的、相对持久的、 稳定的特质，存在于各种运动和认知技能之 中。
技能是对特定任务的精通。
70
能力的种类
可能有30多种，例如
多肢体协调 空间定向 手指灵活性 手与手臂稳定性 视敏度
反应时 移动速度 操作灵活性 机械资质 运动感觉
71
参照
比较器
肌肉感觉 运动感觉 环境感觉
44
长时间的、连续的任务 短时的、非连续的任务 动作技能的反射控制模型
45
M1应答： 30-50ms
M2应答： 50-80ms
反应激发： 80-
反应时12应0答ms：
120180ms
46
刺激鉴别 应答选择 应答编程
运动程序
M2
脊髓
M1
肌肉
动作
误差 参照
运动控制基础培训课程
培训内容
✓运动控制系统概论 ✓ 运动控制系统常用部件
✓运动平台零部件 ✓电动机及驱动器 ✓变频器 ✓输入/输出元器件
✓ 运动控制系统设计与应用 ✓ 运动控制系统高级技术
✓ 电磁兼容技术 ✓ 机器视觉应用
✓应用案例
运动控制系统概论
运动控制系统概论
什么是运动控制？ 简单地讲，运动控制就是对机械传动装置的位置、速度 进行实时的控制管理，使运动部件按照预期的轨迹和设 定的运动参数（速度、加速度参数等）完成相应的动作。
运动控制系统的典型构成（续1）
开环控制系统（Open Loop）
应用程序指令
运动指令
反馈元件
上位计算机
运动控制器
驱动器
电机
负载
电机：（直流伺服电机）、交流伺服电机 驱动器：电流放大，位置反馈控制 运动控制器：运动规划，位置脉冲指令 上位计算机：运动代码生成，应用程序，人机界面
运动控制系统的典型构成（续2）
✓ 低成本 ✓ 控制简单，能直接实现数字控制 ✓ 开环控制，位移与脉冲数成正比，速度与 脉冲频率成正比 ✓ 结构简单，无换向器和电刷，坚固耐用 ✓ 抗干扰能力强 ✓ 无累积定位误差
步进电机的缺点
✓单步响应中有较大的超调量和振荡 ✓承受惯性负载能力差，仅适用于负载惯量与电机转子惯量比低的运 行情况 （惯量比小于3） ✓转速不够平稳，粗糙的低速特性 ✓不适合于高速运行 ✓自振效应 ✓ 高速时损耗较大 ✓ 低效率，电机过热（机壳可达90℃） ✓ 噪音大，特别在高速运行时 ✓ 当出现滞后或超前振荡时，几乎无法消除 ✓ 可选择的电机尺寸有限 ，输出功率较小 ✓ 位置精度较低
运动平台零部件
滚动导轨
直线电机
滚动导轨特点：
运动控制系统PPT参考课件
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
运动控制-直流电动机开环调速系统仿真
天津城建大学课程设计任务书控制与机械工程 学院 电气工程及其自动化课程设计名称： 运动控制系统课程设计设计题目： 直流电动机开环调速系统仿真完成期限设计依据、要求及主要内容：一、已知条件及控制对象的基本参数：已知直流电动机额定参数为nom =220V U ，nom I =136A ，nom n =1460r/min ，4极，a R =0.21Ω，22=GD 22.5m N 。
励磁电压f =220V U ，励磁电流f =1.5I A 。
采用三相桥式整流电路，整流器内阻rec =1.3R Ω。
平波电抗器p =200L mH 。
n =5V U二、 设计要求（1）分析系统结构、原理（2）利用matlab/simulink 绘制系统的仿真模型并对模块参数进行设置。
（3）对该晶闸管-整流电动机开环调速系统进行仿真，并观察电动机在全压启动和启动后加额定负载时电动机的转速、转矩和电流的变化情况。
三、 参考文献1.王兆安，等.电.力电子技术[M 〕.北京:机械工业出版社，2000.2.张广溢，等.电机学[M]。
重庆:重庆大学出版社，2002.3.王军.自动控制原理[M]。
重庆:重庆大学出版社，2008.4.周渊深.交直流调速系统与Flat 1 ab 仿真[M].俨比京:中国电力出版社，2004.5.陈伯时，电力拖动自动控制系统(第2版)[M].北京:机械工业出版社.20056.陈伯时.电力拖动自动控制系统一一运动控制系统(第3版)机械工业出版社指导教师（签字）：系（教研室）主任（签字）：批准日期： 2015年 1 月19 日目录一、绪论 0二、直流电动机开环调速系统仿真的原理 (1)2.1晶闸管整流器-电动机系统组成及原理 (1)2.2直流电动机开环调速系统仿真的原理 (1)三、数学模型建立与动态结构图 (3)3.1晶闸管传递函数 (4)3.2 直流电动机数学模型 (4)3.3直流开环调速系统稳态结构图 (5)3.4 直流开环调速系统的开环传函 (5)3.5参数的选择 (5)四、系统仿真 (6)4.1仿真原理图 (6)4.2 仿真结果 (6)4.3 仿真结果分析 (8)五、总结 (8)参考文献： (9)一、绪论在20世纪60年代，随着晶闸管的出现，现代电力电子和控制理论、计算机的结合促进了电力传动控制技术研究和应用的繁荣。
运动控制系统-上海交通大学自动化系
《运动控制系统》课程教学大纲课程代码：AU310开课学期：第6学期学分/学时：3/48 （理论学时：40； 实验和课程设计学时：8）课程类别：专业基础必修课先修课程：自动控制原理、计算机控制、电力电子技术后修课程：无开课单位：电子信息与电气工程学院课程团队负责人:赵群飞 责任教授：赵群飞大纲执笔: 赵群飞 教授 审核：周越 教学副主任一、课程学习目标及其与指标点的关系《运动控制系统》是一门讲授交、直流电动机控制理论和控制规律，以提高电能利用效率及运动控制系统性能的一门专业主干课程，是自动化专业的一门必修课。
本课程秉承理论与实际相结合的理念，使学生了解并掌握各类交、直流电动机控制系统的基本结构、工作原理和性能指标，掌握先进的运动控制理论和系统设计方法，具备以下综合分析能力和工程设计能力：1.掌握直流电动机调速系统结构特点、调速原理和数学模型；理解速度反馈控制原理、熟练掌握调速系统静态和动态性能指标。
（支撑毕业要求1-3和5-3）2.掌握闭环系统静特性与开环系统机械特性的关系，理解转速反馈控制作用，掌握数字测速方法和数字PID算法。
掌握转速、电流双闭环反馈控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析，控制系统的动态性能指标和调速系统中调节器的工程设计方法。
（支撑毕业要求2-1和3-2）3.掌握交流异步电动机调速时转差功率变化规律和处理方法，交流异步电动机稳态模型和调速方法；掌握异步电动机变压变频调速基本原理及机械特性，交流异步电动机动态数学模型的基本性质和坐标变换方法，理解掌握矢量控制系统和直接转矩控制系统工作原理和控制系统结构。
理解掌握同步电动机的稳态模型与调速方法，熟悉、了解同步电动机的矩角特性和变压变频调速原理。
（支撑毕业要求2-1）4.掌握调速系统、伺服系统控制器的数字化和嵌入式实现，熟练利用MatLab、LabView等工具进行系统仿真和验证。
（支撑毕业要求5-3）5.通过分组进行的直流双闭环调速系统实验、交流电动机矢量控制和变频控制实验以及课程设计，进一步了解系统的负载特性和抗干扰能力，控制器各参数对静态特性、动态特性、稳态指标、动态指标的影响和工程设计方法。
单闭环直流调速系统(10)
N 1 2 3
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三种调速方法的性能与比较
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统 来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。
改变电阻只能有级调速； 减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不 大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机 额定转速）以上作小范围的弱磁升速。 因此，自动控制的直流调速系统往往以调压 调速为主。
版社 陈国呈《新型电力电子变换技术》中国电力出版社 孙汉林、林煜慧：《电力电子器件应用》机械工业出
版社 张燕宾：《变频调速460问》机械工业出版社 张燕宾：《变频的安装、使用与维修340问》中国电
力出版社 龚仲华：《变频器从原理到完全应用—三菱、安川》
人民邮电出版社
电力拖动自动控制系统
、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动 机械的运动要求
电力拖动系统的分类
按被控物理量分：以转速为被控量的系统叫调速系统；以角位 移或直线位移为被控量的系统叫位置随动系统或伺服系统
按驱动电动机的类型分：用直流电动机带动生产机械的为直流 传动系统；用交流电动机带动生产机械的为交流传动系统
按控制器的类型：以模拟电路构成控制器的系统成为模拟控制 系统；以数字电路构成控制的系统成为数字控制系统
绪论
电力拖动实现：电能与机械能间变换 电力拖动自动控制系统—运动控制系统 运动控制系统任务：通过控制电动机：电
压、电流、频率等输入量→改变工作机械： 转矩、速度、位移，按要求运行
现代运动控制技术： 控制对象—各类电动机； 控制手段—计算机和其它电子装置； 弱电控制强电纽带—电力电子装置； 理论基础—自动控制理论和信息处理理论； 研究和开发工具—计算机数字仿真和计算机辅助
这样的调速系统简称G-M系统，国际上通称 Ward-Leonard系统。
《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。
电力传动控制系统_运动控制系统[习题解答]
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电力传动控制系统——运动控制系统（习题解答）第1章电力传动控制系统的基本结构与组成 (1)第2章电力传动系统的模型 (13)第3章直流传动控制系统 (18)第4章交流传动控制系统 (30)第5章电力传动控制系统的分析与设计* (38)第1章电力传动控制系统的基本结构与组成1. 根据电力传动控制系统的基本结构，简述电力传动控制系统的基本原理和共性问题。
答：电力传动是以电动机作为原动机拖动生产机械运动的一种传动方式，由于电力传输和变换的便利，使电力传动成为现代生产机械的主要动力装置。
电力传动控制系统的基本结构如图1-1所示，一般由电源、变流器、电动机、控制器、传感器和生产机械（负载）组成。
图1-1 电力传动控制系统的基本结构电力传动控制系统的基本工作原理是，根据输入的控制指令（比如：速度或位置指令），与传感器采集的系统检测信号（速度、位置、电流和电压等），经过一定的处理给出相应的反馈控制信号，控制器按一定的控制算法或策略输出相应的控制信号，控制变流器改变输入到电动机的电源电压、频率等，使电动机改变转速或位置，再由电动机驱动生产机械按照相应的控制要求运动，故又称为运动控制系统。
虽然电力传动控制系统种类繁多，但根据图1-1所示的系统基本结构，可以归纳出研发或应用电力传动控制系统所需解决的共性问题：1）电动机的选择。
电力传动系统能否经济可靠地运行，正确选择驱动生产机械运动的电动机至关重要。
应根据生产工艺和设备对驱动的要求，选择合适的电动机的种类及额定参数、绝缘等级等，然后通过分析电动机的发热和冷却、工作制、过载能力等进行电动机容量的校验。
2）变流技术研究。
电动机的控制是通过改变其供电电源来实现的，如直流电动机的正反转控制需要改变其电枢电压或励磁电压的方向，而调速需要改变电枢电压或励磁电流的大小；交流电动机的调速需要改变其电源的电压和频率等，因此，变流技术是实现电力传动系统的核心技术之一。
3）系统的状态检测方法。
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此后，在ACR的调节作用下，力图维持 接近最大的反向电流 –Idm 。
因而：
L dId 0 dt
E Ud0f Ud0r
电机在恒减 Uc
速条件下回馈制
动，把动能转换 成电能，其中大 部分通过 VR 逆
O
I II
III
IV
t
本组逆变过程系统状态
TM
+ KF
U*n
U*i +
ASR
Uc GTF
ACR
VF
+0+ -
KR -
Un -
+- - Ui +
+-
+-
Lc1
Id
Lc3
TA +
Ld
-M-
AR Uc GTR
Lc2
-1
+-
Lc4 +-
VR
-TG-
Ⅱ.它组制动阶段（包含：Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ子阶段）
当主电路电流下降过零时，本组逆变终止， 第 I 阶段结束，转到反组 VR 工作，开始通过反 组制动。从这时起，直到制动过程结束，统称 “它组制动阶段”。
ACR
+0+ -
KR -
Un -
+- - Ui +-
+-
+-
Lc1
TA +
-M-
VF
Lc3 Ld
AR Uc GTR
Lc2
-1
Id
Lc4
+--
-+-
VR
-TG-
③ 反向减流子阶段(Ⅳ子阶段)
在这一阶段，转速下降得很低，并略 有反转，ASR开始退饱和，无法再维持-Idm， 于是电流立即衰减。
在电流衰减过程中，电感L上的感应电压
正转时，Ui =“+”； 反转时，Ui =“-”。
注意： 由于电流反馈应能反
映极性，因此图中的电流 互感器需采用直流电流互 感器或霍尔变换器，以满 足这一要求。
△Un
U*i +
ASR -
△Ui
Ui
TA -M-
（4）控制电路 控制电路采用典型的转速、电流双闭环
系统，其中：
① 转速调节器ASR控制转速，设置双向 输出限幅电路，以限制最大起制动电流；
的过程就会延续下去，直到反向转速稳定时为 止。
由于正转制动和反转起动的过程完全衔接起 来，没有间断或死区，这是有环流可逆调速系 统的优点，适用于要求快速正反转的系统。
反向起动过程系统状态
TM
+
KF
U*n
U*i +
ASR
Uc GTF
ACR
VF
+0-+ -
- KR
Un 0+-
+- - Ui
+-
+-
AR Uc GTR
② DLC的输出要求
正向运行：VF整流，开放VF，封锁VR； 反向制动：VF逆变，开放VF，封锁VR； 反向运行：VR整流，开放VR，封锁VF； 正向制动：VR逆变，开放VR，封锁VF；
O -Ucm
Id IdL
t
变回馈电网，过 O
t
渡过程波形为图 3-11中的第 III 阶 n E
-Idm
段，称作“它组
回馈制动阶段”
或“它组逆变阶
段”。
O
I II
III
IV
t
由图可见，这个阶段所占的时间最长，是制动过 程中的主要阶段。
它组逆变过程系统状态
TM
+ KF
U*n
U*i +
ASR
Uc GTF
因此，应选择转矩信号作为DLC的输入信 号。
由于ASR的输出信号正好代表了转矩方向，即有： 正向运行和反向制动时，U*i 为正； 反向运行和正向制动时，U*i 为负。
U*i Ui0
DLC
因为U*i 极性的变化只表明系统转矩反向的意图， 转矩极性的真正变换还要滞后一段时间。
只有在实际电流过零时，才开始反向，因此，需 要检测零电流信号作为DLC的另一个输入信号。
-1
+-Lc1
Id
Lc3
TA +0- -M-
Ld
Lc2
Id
Lc4
+-+-
-+-
VR
T-G-
有环流系统可逆运行曲线
n I
II
III
IV
V
VI n*
O Id O
t1
t2
t3
t4
t
-n*
Idm IdL
t -IdL -Idm t5 t6
3.5 无环流控制的可逆晶闸管-电动机系统
1、概述
有环流可逆系统虽然具有反向快、过渡 平滑等优点，但设置几个环流电抗器终究 是个累赘。
- Ublf
+Ui
2
+ Ucr
Ublr
ACR +GTR
T-G-
TA VF
Ld
M--
+
VR
5．无环流逻辑控制环节
（1）逻辑控制环节的设计要求 ① DLC的输入要求：
分析V-M系统四象限运行的特性，有如下 共同特征：
正向运行和反向制动时，电动机转矩方向 为正，即电流为正；
反向运行和正向制动时，电动机转矩方向 为负，即电流为负。
因此，当工艺过程对系统正反转的平滑 过渡特性要求不很高时，特别是对于大容 量的系统，常采用既没有直流平均环流又 没有瞬时脉动环流的无环流控制可逆系统。
2、系统分类 按照实现无环流控制原理的不同，无
环流可逆系统又有两大类：
（1）逻辑控制无环流系统；
（2）错位控制无环流系统。
3、控制原理
（1）逻辑控制的无环流可逆系统
发出停车（或反向）指令后，转速给定电压 U*n突变为零（或负值）；
ASR输出跃变到正限幅值 +U*im ； ACR输出跃变成负限幅值 -Ucm ； VF由整流状态很快变成逆变状态，同时反 组VR由待逆变状态转变成待整流状态。
在VF-M回路中，由于VF变成逆变状态，极性变
负，而电机反电动势 E 极性未变，迫使电流迅速下
TM
由GTF控制触发，
Uc GTF
——正转时，VF整流；
VF
——反转时，VF逆变。
反组晶闸管VR，
由GTR控制触发， ——反转时，VR整流； Uc GTR ——正转时，VR逆变。
Lc1 TA
-M-
Lc2
Lc3 Ld
Lc4
VR
（2）给定与检测电路（转速）
根据可逆系统正反向运行的需要，给定电压、转速反 馈电压、电流反馈电压都应该能够反映正和负的极性。这 里：
L×dId /dt 支持着反向电流，并释放出存储的 磁能，与电动机断续释放出的动能一起通过 VR逆变回馈电网。
如果电机随即停止，整个制动过程到此结 束。
反向பைடு நூலகம்流过程系统状态
TM
+ KF
U*n
U*i +
ASR
Uc GTF
ACR
+0+ -
- KR
Un 0-
+0- - Ui +-0
+-0
+-
Lc1
TA +0 -M-
给定电压： 正转时，KF闭合，U*n=“+”； 反转时，KR闭合，U*n=“-”。
转速反馈： 正转时， Un=“-”； 反转时， Un=“+”。
+ KF
U+*n - △Un
KR -
Un
转速反馈
（3）给定与检测电路（电流）
电流给定电压：
正转时，U*i =“-”； 反转时，U*i =“+”。
电流反馈电压：
VF
Lc3 Ld
AR Uc GTR
Lc2
-1
Id
Lc4
+--
-+0-
VR
0
T-G-
制动过程系统响应曲线
Uc
O
-Ucm
t
Id IdL
O t
-Idm
nE
O
I II
III
IV
t
图3-11 配合控制有环流可逆直流调速系统正向制动过渡过程波形
(3) 反向起动
如果需要在制动后紧接着反转，Id = -Idm
fmin
Uc1 Ucm Uc
（1）停转时：Uc=0，r = f=90°， Ud0f=Ud0r=0
（2）正转时： Uc > 0， f < 90°，VF整流： Ud0f =“+”； Uc < 0， r < 90°，VR逆变： Ud0r =“-”。
（3）反转时： Uc > 0， r< 90°，VR整流： Ud0r =“+”； Uc < 0， f < 90°，VF逆变： Ud0f =“-”。
3. 工作过程 （1）正向运行过程： KF闭合：U*n=“+” U*i=“-” Uc
=“+”
————————VF整流
电动机正向运行
ARUc =“-”VR逆变
正向运行过程系统状态
TM
+
KF
U*n+
U*i +
ASR
Uc GTF
ACR
VF
+-
KR -
Un -
- - Ui +
+
+