电力拖动与控制系统第1章绪论详解
运动控制系统(第4版)第1章 绪论
第1章 绪论
• 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。
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
• 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
电力拖动自动控制系统—运动控制系统第1章绪论
随着环保意识的提高，电力拖动 自动控制系统将更加注重节能减 排和资源循环利用，实现绿色环 保的生产方式。
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提高产品质量
自动化控制能够减少人为误差，提高 产品加工精度和一致性，从而提高产 品质量。
提升工业安全
自动化控制能够减少人工操作，降低 操作风险，提升工业安全。
电力拖动自动控制系统在工业中的应用案例
数控机床
自动化生产线
电力拖动自动控制系统用于数控机床的进 给轴、主轴等部分，实现高精度、高效率 的加工。
重要性
在现代工业生产中，电力拖动自动控制系统已成为不可或缺的重要技术手段， 它能够提高生产效率、降低能耗、保证产品质量和生产安全，对于实现工业自 动化和智能化具有重要意义。
电力拖动自动控制系统的历史与发展
历史
电力拖动自动控制系统的发展可以追溯到20世纪初，随着电力技术和控制理论的 发展，电力拖动自动控制系统经历了从简单到复杂、从手动到自动的演变过程。
重要性
在现代工业自动化生产中，运动控制 系统扮演着至关重要的角色，它能够 提高生产效率、降低能耗、提升产品 质量，是实现自动化生产的关键技术 之一。
运动控制系统的基本组成
控制器
用于接收输入信号，根据控制 算法计算输出信号，并输出到
执行机构。
执行机构
根据控制器输出的信号，驱动 电动机转动，实现运动控制。
特性。
交流电力拖动系统
采用交流电动机作为动力源，具有 结构简单、价格低廉、维护方便等 优点。
伺服电力拖动系统
采用伺服电动机作为动力源，具有 高精度、高响应速度和高稳定性的 特点，常用于精密控制领域。
电力拖动系统的基本特性
调速性能
电力拖动自动控制系统第一章概论
nN n1 n2 n3
Ra R1 R2 R3
IL
I
绪论
结论： 对于要求在一定范围内平滑调速的系统来说， (a)、调压方式最好。 (b)、改变电阻只能有级调速；并且功耗大 ；特性 软。 (c)、弱磁虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往 往只与调压方案配合，在基速（额定转速）以上作 小范围的弱磁升速，以扩大调速系统的调速范围。 因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速 为主。
绪论
二、分类
●
机械调速：人为的改变传动比，有级调速（汽车）。 ● 电气调速：改变电机转速。 直流电机的转速和其它参数的关系可以表示为：
U IR U IR n n0 n Ke Ke Ke
理想空载转速 转速降
n : 电机转速（r/min）；
U：电枢供电电压（V）； I： 电枢电流（A）； R： 电枢回路总电阻（ Ω ）； Φ： 励磁磁通（Wb）； Ke : 由电机结构决定的电动势常数 。
§1-1 可控直流电源
旋转变流机组
旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）
§1-1 可控直流电源
•优点： ①调速平滑； ②实现四个象限的控制； ③整流比较平稳。 •缺点： ①设备多、体积大、费用高； ②噪声大 ③效率低； ④ 响应慢（秒级）； ⑤维护量大。
二、静止可控整流器
最早的静止变流装置是20世纪50年代推出的水 银整流器给直流电动机供电。由于其诸多缺点，尤 其是晶闸管的问世，它只应用了很短的时间。
绪论
第一篇 直流调速系统和随动系统
绪论
一、调速系统
被控对象：电动机 被调量：速度 1. 调速：为了满足生产机械的要求，人为的改变 电机的转速。 2. 稳速：把负载变化、电网波动等因素对电机转 速的影响，通过调节作用降到最低限度，甚至消 除。 调速系统要求调速和稳速相结合。速度要求 可调，但调至到某一速度运行时，要求速度要稳 定。
《电力拖动绪论》课件
03 电力拖动系统的分类
CHAPTER
按电机类型分类
01
直流电机电力 拖动系统
02
交流电机电力 拖动系统
步进电机电力 拖动系统
03
04
伺服电机电力 拖动系统
按电源性质分类
01
直流电源电力拖动系统
02
交流电源电力拖动系统
03
脉冲电源电力拖动系统
04
混合电源电力拖动系统
按控制方式分类
01 02 03 04
系统输出转矩达到设定值所需的时间，反映 系统的转矩控制速度。
最小转矩容量
系统能够稳定运行的最小转矩值，反映系统 的稳定运行范围。
动态响应性能指标
阻尼系数
系统在受到扰动时，自动恢复稳态运 行的能力，与阻尼比相关。
抗干扰能力
系统在受到外部干扰时，保持稳定运 行的能力。
启动电流
系统启动瞬间输入电流的大小，反映 系统的启动性能。
直流电机具有较好的调速性能，常用于需要精确控制速度的场合。交流电机则具有 结构简单、价格便宜、维护方便等优点，广泛应用于工业生产中。
控制器
控制器是电力拖动系统的指挥中心，用于控制电机的启动、停止、正反转和调速 等操作。
控制器一般由控制电路和主电路两部分组成。控制电路负责接收输入信号，并根 据输入信号产生控制指令，控制主电路的工作状态。主电路则直接与电机相连接 ，负责电机的驱动和控制。
传动装置
传动装置是将电机输出的机械能传递到生产机械上去的中间 装置。
根据传动方式的不同，传动装置可以分为链传动、带传动、 齿轮传动和蜗杆传动等类型。选择合适的传动装置需要根据 实际工作需求进行选择，以保证电力拖动系统的性能和稳定 性。
电源
电力拖动自动控制系统--动控制系统(1)-
1.2 晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题
on
• ton不变，变 T —脉冲频率调制（PFM）； • t 和 T 都可调，改变占空比—混合型。
on
40
• PWM系统的优点
1 主电路线路简单，需用的功率器件少； 2 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热
都较小； 3 低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左
右； 4 若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快
可调的直流电压。 • 直流斩波器或脉宽调制变换器——用恒定直流电源或不
控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉 宽调制，以产生可变的平均电压。
28
1.1.1 旋转变流机组（ G-M系统， Ward-Leonard系统）
图1-1旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）
29
• G-M系统特性
15
4. 电枢绕组的反电势
E是电枢旋转时，绕组切割主磁通Φ的结果，故和Φ与转速n的乘积
成正比。
式中：Ke—电动势结构系数，Ce —恒磁通电动势结构系数；
n—电动机转速，在此转速下，电动机的电磁转矩
Te正好与负
载转矩Tl相平衡，系统处于稳定运行状态。
16
5. 直流电动机的机械特性方程
1 理想空载转速n0 当Te=0时，n=n0；
34
35
➢ 晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/dt与di/dt 都十分敏感，若超过允许 值会在很短的时间内损坏器件。 ➢ 当系统处在深调速状态，即在较低速运行时，晶闸管的导通角很小，使得 系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流，引起电网电压波形畸变，殃 及附近的用电设备。由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的 用电设备，造成“电力公害”。
电力拖动自动控制系统各章节介绍
电力拖动自动控制系统虽然主要介绍电机的控制，并且以转速控制为主要对象，但其应用并不局限于此。
在数控机床等伺服控制范畴的应用更为广泛，这类控制与调速控制上的控制学原理是一致的，因此老师增加了位置控制、张力控制等章节，扩大了传动控制的范围，增加了知识点。
电机的控制与温度、流量、压力等控制也有共性，老师在教学过程中适当的引导，有利于拓展我们的思路，有利于我们应用知识能力的培养。
突破自动化就是调速的局限，而把自动化的主要专业课电力拖动自动控制系统作为控制理论和计算机应用的典型示例来讲并扩大其复盖范围，对促进自动化专业的建设和改造有重要意义。
实验在电力拖动自动控制系统课中始终占重要的地位，也是系统课程教改的重点。
目前，学校已经开发了大型综合性的实验，并和课程设计相结合单独设课，对我们实践能力的培养起了重要的作用。
理论教学、实验教学以及课程设计的结合为我们自动化学生工程能力培养创造了良好的机制，也已经发挥了积极作用。
但是在运行中目前的教学形式和手段在激发学生的创造性方面尚显不足。
实验的条件是有限的，一组多人且受时间限制，训练往往不充分，我们要充分利用现有的实验设备，完成任务，达到学习的目标。
主要内容及学习要点：第一章绪论1、电力拖动控制系统的基本类型（1) 直流电机拖动控制系统的基本类型（2）交流电机拖动控制系统的基本类型2、现代电力拖动控制系统的物质基础第二章闭环控制得直流调速系统1、转速控制得要求和调速指标（1）调速范围D（2）静差率S（3）调速范围、静差率和额定速降之间的关系2、闭环调速系统的组成，静特性的含义，转速负反馈闭环调速系统的稳态结构图3、开环系统机械特性与闭环系统静特性的比较4、闭环系统能够减少稳态速降得实质5、反馈控制规律（转速反馈闭环调速系统的三个基本特性）6、反馈控制闭环直流调速系统的稳态参数计算7、截流反馈的概念，电流截止负反馈环节的特点，以及带电流截止负反馈的闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性8、反馈控制闭环调速系统的动态数学模型的建立、动态结构图、传递函数以及稳定条件9、PI调节器的设计10、无静差调速系统的含义，积分控制规律的含义、结构，积分调节器与比例调节器的区别，比例控制、积分控制和比例积分控制规律的区别11、无静差直流调速系统的分析及稳态参数计算第三章多环控制的直流调速系统与调节器的工程设计方法1、转速、电流双闭环直流调速系统的组成，主要包括双闭环直流调速系统的原理框图和稳态结构图2、双闭环直流调速系统PI调节器在稳态时的特性：（1）饱和——输出达到限幅值（2）不饱和——输出未达到限幅值3、双闭环直流调速系统的静特性4、双闭环直流调速系统在稳态工作时各变量间的关系、稳态工作点和稳态参数的计算5、双闭环直流调速系统启动过程中电流和转速的三个阶段：（1）电流上升阶段（2）恒流升速阶段（3）转速调节阶段6、双闭环直流调速系统的动态性能（1）动态跟随性能（2）动态抗绕性能：抗负载扰动和抗电网电压扰动7、转速、电流两个调节器的作用8、调节器的工程设计方法的基本思路，以及典型Ⅰ、Ⅱ型系统的系统结构、参数和动态性能指标的关系9、按工程设计方法设计转速、电流双闭环直流调速系统的调节器（1）电流调节器的设计①电流环的动态结构图②电流调节器的结构选择③电流调节器参数的选择（2）转速调节器的设计①转速环的动态结构图②转速调节器的结构选择③转速调节器参数的选择（3）电流调节器和转速调节器的实现10、双闭环直流调速系统中外环和内环的作用11、带电流变化率内环的三环直流调速系统的主要作用、特点第四章可逆控制和弱磁控制得直流调速系统1、晶闸管——电动机系统可逆线路的种类2、晶闸管——电动机系统回馈制动3、环流的概念、种类4、直流平均环流，α=β工作制配合控制得结构、特点、实现和作用5、产生脉动环流的原因，抑制的方法6、有环流可逆调速系统的基本结构，工作状态，以及正向制动过程的三个主要阶段（本组逆变阶段、它组反节制动阶段和它组回馈制动阶段）的特点7、逻辑控制得无环流可逆调速系统的组成、原理框图、工作状态特点，以及无环流逻辑控制器的功能、组成和工作状况8、错位控制得无环流可逆调速系统的结构特点、工作状态，消除环流的原理，以及带电压内环的错位无环流系统的结构，内环的作用第五章基于稳态模型的异步电动机调速系统1、脉宽调制（PWM）变换器的作用、种类2、简单不可逆PWM变换器电路的特点、工作原理（二级管的虚流作用）3、有制动作用的不可逆PWM变换器电路的特点、工作原理（制动情况）、电压和电流波形分析4、双极式H型可逆PWM变换器的原理图、工作原理、特点5、脉宽调速系统的稳态分析6、双闭环直流脉宽调速系统的主要结构组成及各环节的功能，常用的脉宽调节器的种类第六章基于动态模型的异步电机调速系统1、交流异步电机变压调速系统（1）异步电机在不同电压下的机械特性（2）闭环控制得变压调速系统及其静特性2、电磁转差离合器调速系统的特点第七章绕线转子异步电机双馈调速系统1、异步电机串级调速原理及其基本类型2、串级调速时异步电机的机械特性3、转速、电流双闭环串级调速系统的组成、动态数学模型等4、串级调速系统的功率流程第八章同步电动机变压变频调速系统1、同步电动机的稳态模型与调速方法2、他控变频同步电动机调速系统3、自控变频同步电动机调速系统4、同步电动机矢量控制系统5、同步电动机直接转距控制系统。
电力拖动与控制系统第1章 绪论ppt课件
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。
01.03.2021
精品课件
18
1.2 运动控制系统的历史与发展
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。
01.03.2021
电力电子技术和微电子技术带动了 新一代交流调速系统的兴起与发展， 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。
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精品课件
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1.2 运动控制系统的历史与发展
直流调速系统
直流电动机的数学模型简单，转 矩易于控制。
dt
Te
TL
Dm
Km
dm
dt
m
01.03.2021
精品课件
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1.3 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
J
d m
dt
Te
TL
d m
dt
m
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精品课件
24
1.3 运动控制系统的，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。
01.03e.2d02, 1Springer- Verlag, N精e品w课Y件ork, 2001
4
电力拖动自动控制系统 —运动控制系统
第1章
绪论
01.03.2021
精品课件
5
内容提要
运动控制系统及其组成
运动控制系统的历史与发展
绪论1
lg lc Fm Φ Φ ΦRmc Rmg μSc μ0 Sc
（1-10）
上式说明，磁路的磁动势Fm等于磁通与铁心磁阻Rmc和气隙 磁阻Rmg串联值的乘积，这与串联电路的分析相似。由于铁心的导 磁率远远大于气隙的导磁率，即0，RmcRmg，因此，由磁动 势Fm产生的磁通 或磁通强度B主要就取决于气隙的性质，即
统，以进一步提高生产效率。
12
三、本课程的性质、任务和要求 本课程是自动化专业、电气工程及其自动化等相关专业的一
门专业基础课，其任务是使学生掌握电机的基本结构、工作原理
和性能参数，电力拖动系统的各种运行方式、动静态性能分析以 及电机的选择和实验方法，为进一步学习“电力电子技术”、 “电力拖动控制系统”、“PLC控制系统”等课程准备必要的基 础知识。学习本课程必须具备“电路原理”或“电工基础”课程
状复杂的磁路分段处理，简化成若干个几何形状规则的简单磁 路的组合。
25
三、电磁感应定律 1. 电磁感应定律 1831年，法拉第通过实验发现了电磁学中最重要的 规律——电磁感应定律，揭示了磁通与电压之间存在如 下关系： 1）如果在闭合磁路中磁通随时间而变化，那么将 在线圈中感应出电动势； 2）感应电动势的大小与磁通的变化率成正比，即
图1-1 载电导体产生的磁场
如果载流导体是匝数为 N的线圈（如图 1-2 ），则上式可表 示为
Ni H l
（1-2）
16
2. 磁通密度 通常把穿过某一截面S 的磁力线根数被称为磁感应强度， 用磁通 来表示。在均匀磁场中，把单位面积内的磁通量称为 磁通密度B，且有
Φ B S
（1-3）
3. B-H 曲线 磁场强度H与磁通密度B存在一定的关系，在真空中它们成 正比关系，即
绪论(电力拖动自动控制系统)
目前，电力拖动自动控制系统已经广泛应用于各个领域，如工业生产、交通运输、航空航天等。随着 人工智能、物联网等技术的不断发展，电力拖动自动控制系统正朝着智能化、网络化、集成化的方向 发展。
研究目的和意义
研究目的
研究电力拖动自动控制系统的目的是为了更好地满足生产工艺要求，提高生产效率和产品质量，降低能源消耗和 环境污染。
电力拖动自动控制系统在汽车制造流水线上实现精准定位和高效传 输，提高生产效率和产品质量。
食品加工行业
通过电力拖动自动控制系统对食品加工生产线进行自动化改造，实 现生产过程的自动化和智能化，提高生产效率和食品安全水平。
机械制造行业
电力拖动自动控制系统在机械制造行业广泛应用于数控机床、自动化 生产线等领域，提高加工精度和生产效率。
单设备调试
分别测试传感器、执行器等设备的性能，确保正 常工作。
系统联调
将所有设备连接起来进行系统测试，检查系统整 体性能是否满足要求。
故障排查与处理
针对调试过程中出现的问题进行排查和处理，确 保系统稳定运行。
PART 06
电力拖动自动控制系统应 用领域及前景展望
工业生产线自动化改造案例分享
汽车制造行业
https://
2023 WORK SUMMARY
绪论(电力拖动自动控 制系统)
REPORTING
https://
目录
• 绪论 • 电力拖动自动控制系统基本原理 • 电力拖动自动控制系统类型与特点 • 电力拖动自动控制系统性能指标评价方法 • 电力拖动自动控制系统设计与实现方法 • 电力拖动自动控制系统应用领域及前景展望
智能家居领域应用前景探讨
家庭自动化设备
电力拖动自动控制系统可用于智能家居设备，如智能窗帘、智能 照明等，实现家庭环境的自动化和智能化。
电力拖动与控制
第一章 电力拖动系统的动力学基础1-1 什么是电力拖动系统?它包括那几部分？都起什么作用？举例说明．答：由原动机带动生产机械运转称为拖动。
用各种电动机作为原动机带动生产机械运动，以完成一定的生产任务的拖动方式，称为电力拖动。
电力拖动系统，一般由电动机、机械传动机构、生产机械的工作机构、控制设备和电源五部分组成。
其中，电动机作为原动机，通过传动机构带动生产机械的工作机构执行某一生产任务；机械传动机构用来传递机械能；控制设备则用来控制电动机的运动；电源的作用是向电动机和其他电气设备供电。
1-2 电力拖动系统运动方式中T ，T n 及n 的正方向是如何规定的？如何表示它的实际方向？ 答：设转速n 对观察者而言逆时针为正，则转矩T 与n 的正方向相同为正；负载转矩T L 与n 的正方向相反为正。
与正方向相同取正，否则取反。
1-3 试说明GD ２的概念 答：J=gGD 42即工程中常用表示转动惯量的飞轮惯量。
1-4 从运动方程式中如何看出系统是处于加速、减速、稳速或静止等运动状态？ 答: 当L T T >时，0>dt dn ，系统加速；当L T T <时，0<dt dn ，系统减速。
当L T T = 时，0=dt dn ，转速不变，系统以恒定的转速运行，或者静止不动。
1-5 多轴电力拖动系统为什么要折算为等效单轴系统？答: 多轴电力拖动系统，不同轴上有不同的转动惯量和转速，也有相应的反映电动机拖动的转矩及反映工作机构工作的阻转矩，这种系统比单轴拖动系统复杂，计算较为困难，为了简化计算，一般采用折算的办法，把多轴电力拖动系统折算为等小的单轴系统。
1-6 把多轴电力拖动系统折算为等效单轴系统时负载转矩按什么原则折算？各轴的飞轮力 矩按什么原则折算？答:功率相等原则;能量守恒原则.1-7 什么是动态转矩？它与电动机负载转矩有什么区别？答:动态转矩是指转矩是时间的函数.而负载转矩通常是转速的函数.1-8 负载的机械特性有那几种类性？各有什么特点？答：恒转矩负载特性：与n 无关，总是恒值；恒功率负载特性：与n 成反比例变化；通风机负载特性：与n 2成正比例变化。
电力拖动自动控制系统(陈伯时)ppt1-2-3直流拖动控制系统
n
2U 2
cos[sin(
6
)
sin(
6
)ectg
]
Ce (1 ectg )
(1-10)
Id
3 2U2
2R
[cos(
6
) cos(
6
)
Ce n]
2U 2
式中 arctg L ； — 一个电流脉波的导通角。
R
89电电力力拖传动动自控动制控系制统系统
21
（3）电流断续机械特性计算
当阻抗角 值已知时，对于不同的控制 角 ，可用数值解法求出一族电流断续时的
1
LP
VT
T
c1
2
c2
L
b1 a1
b2 M
a2
并联多重联结的12脉波整流电路
89电电力力拖传动动自控动制控系制统系统
17
1.2.4 晶闸管-电动机系统的机械特性
当电流连续时，V-M系统的机械特性方程式为
n
1 Ce
(U d0
Id R)
1 Ce
m ( π Um
sin
π m
cos
Id R)
（1-9）
式中 Ce = KeN —电机在额定磁通下的电动势系数。 式（1-9）等号右边 Ud0 表达式的适用范围如第1.2.1节
R— 主电路等效电阻；
且有 R = Rrec + Ra + RL；
89电电力力拖传动动自控动制控系制统系统
8
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 控制整流电压的平 均值Ud0是晶闸管整流器的特点。
Ud0与触发脉冲相位角 的关系因整流电
路的形式而异，对于一般的全控整流电路，
电力拖动自动控制系统第一章课件
n n0 n3 n2 n1 nN
N 1 2 3
O
TL
调压调速特性曲线
Te
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（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。
1.1.1 旋转变流机组
图1-1 旋转变流机组和由它供电的直流调速系统（G-M系统）原理图
• G-M系统工作原理
由原动机（柴油机、交流异步或同步 电动机）拖动直流发电机 G 实现变流， 由 G 给需要调速的直流电动机 M 供电， 调节G 的励磁电流 if 即可改变其输出电 压 U，从而调节电动机的转速 n 。 这样的调速系统简称G-M系统，国际 上通称Ward-Leonard系统。
PWM系统的优点（续）
（5）功率开关器件工作在开关状态，导通
损耗小，当开关频率适当时，开关损
耗也不大，因而装置效率较高。
（6）直流电源采用不控整流时，电网功率
因数比相控整流器高。
小
结
三种可控直流电源，V-M系统在20 世纪60~70年代得到广泛应用，目前主要 用于大容量系统。 直流PWM调速系统作为一种新技术， 发展迅速，应用日益广泛，特别在中、 小容量的系统中，已取代V-M系统成为 主要的直流调速方式。
•V-M系统主电路的输出
ud
ua ub uc ud Ud E
电力拖动与运动控制系统第一章课后答案
1-2有一V-M 调速系统，电动机参数为：PN=2.5kW ，UN=220V ，IN=15A ，nN=1500r/min,电枢电阻Ra=2Ω,整流装置内阻Rrec=1Ω，触发整流环节的放大倍数Ks=30。
要求系统满足调速范围D=20，静差率s ≤10%。
（1）计算开环系统的静态速降Δnop 和调速要求所允许的闭环静态速降Δncl 。
（2）采用转速负反馈组成闭环系统，试画出系统的原理图和静态结构框图。
（3）计算放大器所需的放大倍数。
解：（1）（2）r V n I R U C N N a N e min/127.01500152220•=⨯-=-=()()min /33.354127.01512r C I R R ne N rec a op =+=+=∆ ()()m in /33.81.01201.015001r S D s n n N cl =-⨯=-=∆（3）1-7 某直流调速系统，其额定数据如下：60kW ，220V ，305A ，1000r/min ，Ra=0.05，电枢回路总电阻R=0.18 ，如果要求调速范围 D = 20，静差率s<= 5%，问开环系统能否满足要求？解：如果要求D=20，S<=5%， 所以，开环不能满足要求。
54.41133.833.3431=-=-∆∆=cl op n n K 79.802.030127.054.41=⨯⨯==αs e p K KC K 205.0100005.0305220=⨯-=-=∴-=N a N a N N n R I U Ce CeR I U n min /8.267205.018.0305r Ce R I n N N =⨯==∆m in /63.2)05.01(2005.01000)1(r D s s n n N N =-⨯≤-=∆1-8 带电流截止负反馈的转速负反馈单闭环有静差调速系统，已知：最大给定电压Unm=15v 。
直流电机额定数据如下：30kW ，220V ，160A ，1000r/min ，Ra=0.1，电枢回路总电阻R=0.4 ，Ks=40。
电力拖动自动控制系统—运动控制系统第1章绪论
03 电力拖动系统基础知识
电力拖动系统概述
电力拖动系统的定义
利用电动机将电能转换为机械能，实 现对机械运动过程的控制。
电力拖动系统的组成
电力拖动系统的分类
根据电动机类型、传动方式和控制要 求等不同，可分为直流电力拖动系统 和交流电力拖动系统。
包括电动机、传动机构、控制设备和 电源等部分。
直流电机与交流电机原理及应用
插补功能
根据预设轨迹生成中间点，实 现平滑运动。
输入输出处理
接收外部信号并处理，输出控 制信号给执行器。
传感器与执行器
传感器类型
包括光电编码器、磁编码器、霍尔传感器等。
传感器与执行器的匹配
根据被控对象和控制要求选择合适的传感器 和执行器。
执行器类型
包括直流电机、交流电机、步进电机、伺服 电机等。
性能参数
为了提高跟踪精度和响应速度，常采 用先进的控制算法，如自适应控制、 滑模变结构控制等。
关节控制系统通过接收来自上位控制器的指 令，驱动伺服电机或步进电机等执行机构， 实现关节的精确角速度或角位移跟踪。
包装机械中物料传输线速度调节
包装机械中的物料传输线负责 将待包装物品传输到包装工位， 其速度调节对于保证包装效率 和质量至关重要。
智能化、网络化的发展推动了运 动控制系统的变革和升级，但同 时也需要解决相关的技术难题和
安全问题。
未来研究方向和热点问题探讨
新型传感器和执行器的研发与应用
探索新型传感器和执行器的原理、结构、制造工艺等关键技术，提高 其性能、可靠性和寿命。
先进控制策略的研究与优化
针对复杂非线性系统，研究更为先进的控制策略，提高系统的控制精 度和稳定性。
性能指标定义及分类
32362《电力拖动与控制(第2版)》李岚第一章
电动机与工作机构转速比:
n j m nm
考虑了传动损耗后,功率关系变为:
Tmeq Tm j
多级传动,传动比为各级传动比之积,传动 效率为各级传动效率之积,即:
j j1 j2 j3
123
2.飞轮矩的折算
折算原则：折算前后系统储存的动能不变 设各轴的角速度为: 1 2 m 电动机转子的飞轮矩为GDd2(Jd) ,主轴和工件 的飞轮矩为GDm2(Jm) ,则旋转物体的动能为:
（2）估算系统总的飞轮矩
2 2 GDeq 1.2GDd 120N m 2
T （3）不切削时（ meq 0 ），工作台与工件 反向加速时，系统动态转矩绝对值
T Tmeq GD 2 dn 160N m 375 dt
第三节 生产机械的负载转矩特性
负载转矩特性是指生产机械工作机构的转矩 与转速之间的函数关系，即 n=f(TL) 。 典型的负载转矩特性有恒转矩特性、恒功率 特性和通风机型特性三种。
注意：在使用单轴运动方程式进行分析时, 式中的TL应是折算后的等效负载转矩Tmeq , GD2是折算后系统总的等效飞轮矩 GDeq2。
（a） 传动图 图 1-3
（b） 等效折算图
多轴电力拖动系统示意图
本节重点研究负载转矩和飞轮矩的具体折 算方法。 折算的原则： 按照能量守恒定律，系统在折算前和折 算后应具有相等的机械功率和动能。
图1-7 反抗性恒转矩负载特性
图1-8 位能性恒转矩负载特性
2. 位能性恒转矩负载特性
这种负载转矩是由重力作用产生的。 特点：TL大小不变,而且作用方向也保持不变。 如果以提升作为运动的正方向，则n为正向 时，TL反对运动，也为正值；当下放重物，n 为负向时，TL的方向不变，仍为正，表明这时 TL是帮助运动的，成为拖动转矩。 特性如图1-8。
电力拖动自动控制系统第三版课件第一章
各种扰动作用
控制器参数变化 电网电压波动
Un*
控制器 Uc
电力电子 变换电路
u
Un
负载扰动
电动机 及负载
被调量
n
（输出）
信息处理器
传感器
图1-4 电力拖动自动控制系统的设备组成情况示意图
2021年2月26日9时44分
（2）系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度 如果产生给定电压的电源发生波动，
负载
ΦF
R放
RLF
1C
2C
ΦD
RLD
3C
4C
电能 机械能
图1-6直流发动机-直流电动机系统
2021年2月26日9时44分
2）交流调速系统 交流电动机，特别是鼠笼型异步电动机，具
有结构简单、制造容易、价格便宜、坚固耐用、 转动惯量小、运行可靠、很少维修、使用环境及 结构发展不受限制等优点。在早期只有一些调速 性能差、低效耗能的调速方法，绕线式异步电动 机转子外串电阻调速方法（见图1-8）如下。
在设备层，基于CAN的Device Net网络 （见图1-17）可以不经过I/O模块接口而直 接通过单一缆线将底层设备与控制器连接， 可以在不切断网络电源的条件下自由地接入 或移去设备。
在控制层，Control Net也是现在 CAN的基础上产生和发展起来的，Control Net网络（见图1-18）将I/O网络和对等关 系信息网络的功能结合起来。
2021年2月26日9时44分
TU
LS
TVC
w
I0
MI
MI
MI
（a）利用自耦变压器变压调速
（b）利用饱和电抗器变压调速
（c）利用晶闸管交流调压调速
电力拖动自动控制系统第1课
二 直流调速方式
2、调节电动机转速的三种方法：
（1）调节电枢供电电压 U；
（2）减弱励磁磁通 ； （3）改变电枢回路电阻 R。
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
17
3、调压调速
工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电阻 R = Ra 调节过程： 改变电压 UN U U n ， n 0 调速特性： 转速下降，机械特性 曲线平行下移。
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”。
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
35
（3）输出电压计算 这样，电动机得到的平均电压为
电气传动控制系统课程
信息科学与技术学院 孔维健
Email：kongweijian@
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
1
内容提纲：
1、授课与考核 2、绪论 1）基本概念 2）课程地位 3、直流调速系统 1）直流调速方式 2）直流调速电源
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
2
授课与考核
n
n0 n3 n2 n1 nN
N 1 2 3
O
TL
调磁调速特性曲线
Te
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
20
二 直流调速方式
6 调速方式的比较与选择：
调压调速or变阻调速or弱磁调速？
调压调速能够实现无级平滑调速 改变电阻只能有级调速； 减弱磁通能够平滑调速，但调速范围不大， 在基速（即电机额定转速）以上作小范围 的弱磁升速—辅助调速。 直流调速系统往往以调压调速为主。
《电力拖动自动控制系统》复习要点
阮毅、陈伯时《电力拖动自动控制系统（第4版）》复习要点第一章绪论1、运动控制系统的组成2、运动控制系统的基本运动方程式me L d JT T dt ω=-mm d dtθω=3、转矩控制是运动控制的根本问题。
4、负载转矩的大小恒定，称作恒转矩负载。
a ）位能性恒转矩负载b)反抗性恒转矩负载。
5、负载转矩与转速成反比，而功率为常数，称作恒功率负载。
6、负载转矩与转速的平方成正比，称作风机、泵类负载。
直流调速系统第二章转速反馈控制的直流调速系统1、直流电动机的稳态转速：e U IR n K -=Φ2、调节直流电动机转速的方法：（1）调节电枢供电电压；（2）减弱励磁磁通；（3）改变电枢回路电阻。
3、V-M系统原理图4、触发装置GT 的作用就是把控制电压U c 转换成触发脉冲的触发延迟角α。
改变触发延迟角α可得到不同的U d0，相应的机械特性为一族平行的直线。
5、脉宽调制变换器的作用：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电动机转速。
6、调速范围：生产机械要求电动机提供的最高转速n max 和最低转速n min 之比。
7、静差率：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所对应的转速降落Δn N 与理想空载转速n 0之比。
8、调速范围、静差率和额定速降之间的关系：(1)N N n s D n s =∆-N N ND n s n D n ∆=+∆(1)N N n s n D s ∆=-9、转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图10、直流电动机的动态结构11、开环系统机械特性和比例控制闭环系统静特性的关系：（1）闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多；（2）闭环系统的静差率要比开环系统小得多；（3）如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围。
12、当负载转矩增大，闭环调速系统转速自动调节的过程：TL ↑→I d ↑→n ↓→U n ↓→∆U n ↑→U c ↑→U d0↑→n ↑13、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。
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1.3 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
2019/4/8 24
1.3 运动控制系统的转矩控制规律
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，使转速 变化率按人们期望的规律变化。
2019/4/8 12
运动控制系统的控制器
以微处理器为核心的数字控制器
硬件电路标准化程度高 控制规律体现在软件上，修改灵活 方便 拥有信息存储、数据通信和故障诊 断等功能
2019/4/8 13
运动控制系统的控制器
模拟控制器
并行运行，控制器的滞后时间小。 微处理器数字控制器 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。
电力拖动自动控制系统
2019/4/8
1
课程性质
本课程是电气工程及其自动化专业 的一门专业必修课。着重研究运动 控制系统的基本规律，静、动态特 性分析和工程设计方法，应用自动 控制理论解决系统的实际问题。 掌握基于电气传动的运动控制系统 的有关理论和技术基础
电机学、电力电子技术、电路原理、 自动控制理论、微机原理
运动控制系统的功率放大与变 换装置
电力电子型功率放大与变换装置
半控型向全控型发展 低频开关向高频开关发展 分立的器件向具有复合功能的功率 模块发展
2019/4/8 11
运动控制系统的控制器
模拟控制器
物理概念清晰、控制信号流向直观 控制规律体现在硬件电路 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
2019/4/8
0-7
7
现代运动控制技术
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 。
2019/4/8
控制对象：各类电机；控制 手段：计算机和其他电子装 置；弱电控制强电的纽带： 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设 计（CAD）
2019/4/8
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1.2 运动控制系统的历史与发展
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。
2019/4/8 18
1.2 运动控制系统的历史与发展
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。
图1-1运动控制及其相关学科
8
1.1 运动控制系统及其组成
2019/4/8
图1-2 运动控制系统及其组成
9
运动控制系统的控制对象—— 电动机
从类型上分
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。 从用途上分 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。
2019/4/8 10
2019/4/8 14
运动控制系统的信号检测与处理
信号检测
电压、电流、转速和位置等信号 信号转换 电压匹配、极性转换、脉冲整形等 数据处理 信号滤波
2019/4/8 15
1.2 运动控制系统的历史与发展
电力电子技术和微电子技术带动了
新一代交流调速系统的兴起与发展， 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。
2
开课目的 课程基础
2019/4/8
研究内容
直流调速系统 转速单闭环系统
转速电流双闭环系统 可逆调速系统 交流调速系统 基于稳态模型的VVVF调速 基于动态模型的矢量控制技术 伺服系统
END
2019/4/8
3
考核方式
期末考试 —70分（闭卷） 平时成绩 —30分（作业、实验、出勤） 《电力拖动自动控制系统》（第4版）上海大 学 阮毅 陈伯时主编.机械工业出版社，2009年
2019/4/8
25
1.3 运动控制系统的转矩控制规律
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）。
电力拖动自动控制系统 —运动控制系统
第 1章
绪论
2019/4/8 5
内 容 提 要
运动控制系统及其组成 运动控制系统的历史与发展
运动控制系统转矩控制规律 生产机械的负载转矩特性
2019/4/8 6
电力拖动及其自动控制系统
电力拖动：实现了电能与机械之间的能量变换 电力拖动自动控制系统: 具有自动控制和调节工作机械的速度或位移 的电力拖动系统（或称为运动控制系统） 基本任务：通过控制电动机的电压﹑电流﹑频 率等，来调节电动机的旋转速度或转角，从而 实现工作机械对速度或位移的要求。
2019/4/8 19来自交流调速系统 基于稳态模型的交流调速系统
转速开环的变压变频调速 转速闭环的转差频率控制系统 动态性能无法与直流调速系统相比
2019/4/8
20
交流调速系统
基于动态模型的交流调速系统
矢量控制系统 直接转矩控制系统 动态性能良好，取代直流调速系统
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21
1.2 运动控制系统的历史与发展
参考教材
参 考 书 目
1.李华德主编《电力拖动自动控制系统》机械工业出 版社，2009.2 2.汤天浩.《电力传动控制系统—运动控制系统》.机械 工业出版社.2010.4 3.陈霞.《电力拖动自动控制系统原理与设计方法》.中 国电力出版社.2010.7 4.Leonhard W.《Control of Electrical Drives.》，3rd 2019/4/8 4 ed, Springer- Verlag, New York, 2001
同步电动机交流调速系统
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的失步 和启动两大问题。
2019/4/8 22
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
d m J Te TL D m K m dt d m m dt