运动控制系统第1讲

TL n
2 m
2
看图说话
思考：直流调速的特殊结构组成是什么？
1.1 直流调速系统用的可控电源 1.1.1 直流电动机调速方法分析
1 直流电动机的转速特性方程（复习）
n = ( U - IaR ) / K eΦ
请说明式中各量的物理意义！
U：电枢电压
Ia ：电枢电流
R：电枢回路总电阻
Φ ：磁通
运动控制系统主要教学内容
开环系统
晶闸管+PID控制器
单闭环系统 多环系统
电 动 机 调 速 系 统
直流电动机 调速系统
（相控）
GTO/IGBT+PID控制器构成的系统
（斩控）
交流调压调速系统 交流电动机 调速系统 变频变压调速系统 同步电动机调速系统系统 串极调速系统
可 逆 系 统
运动控制系统涉及的知识范围
三 、教学时间
2学时
四 、教学思路流程
讨论分析课程的设置目的、明确学习方法及教学要求 运动控制系统的组成部分如何? 运动控制系统的技术发展演变的原因何在? 运动控制系统转矩控制规律是否学过? 生产机械的负载转矩特性分几类? 直流电动机有几种调速方法？
直流电动机调压调速有几种方法？
运动学方程Fra Baidu bibliotek调速的关系如何？
五、 教学过程
教学目的与要求
课程的设置目的: 融合多门课程知识,训练综合分析及解决问题的能力! 教学要求: 1 按时出勤、提高课堂效率; 2 独立完成实验及课外作业; 3 成绩构成:平时15%、实验15%、期末考试70%
学习方法
勤于思考,善于总结， “温故知新”的认知系统结 构组成、定性分析工作原理；运用自控原理的方 法定量分析系统的稳态、动态过程。
电力拖动自动控制系统 —运动控制系统
一 、教学目的与教学要求
1 了解运动控制系统课程设置的目的、教学要求及学习方法 2 掌握运动控制系统的基本概念及其相关知识 3 掌握直流电动机调速系统的发展历程 4 掌握PWM调速系统的优势所在 5 掌握晶闸管电动机系统的特殊问题
二、 教学内容
1.0 运动控制组成及其分析 1.1直流调速系统用的可控电源 1.2闸管电动机系统的特殊问题
电力电子型功率器 件的发展状况如何？
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
1.0.3运动控制系统的控制器

控制器如 何分类？
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，并行运行、控制器的滞后时间小。 线路复杂、通用性差、制效果受到器件性能、温度 等因素的影响。 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。 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、恒转矩负载
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

2、恒功率负载

负载转矩与转速 成反比，而功率 为常数，称作恒 功率负载
恒功率转矩负载
TL
m
PL

常数
m
3、风机、泵类负载

负载转矩与转速的 平方成正比，称作 风机、泵类负载
风机、泵类负载
电路 + 电子电路 + 电力电子电路 + 自动控制理论 + 控制原理 主、控电路
运 动 控 制 系 统
模拟
运动控制系统
数字
运动控制系统
电机与拖动
控制对象
现代运动控制技术涉及 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 。
第一章 闭环控制的直流调速系统
GD2 dn 375 dt
要产生加速度!!
要产生加速度!! 加速度=0
电动机加速 电动机减速 电动机恒速
调速
调速定义：调速是指在一定负载作用下，通过 改变电动机或电源的参数使机械特性发生相应改 变，从而使电动机转速变化或保持不变。
4、直流电动机的电磁转矩方程
Km
直流电机转矩的结构常数
直流电动机定子磁通 直流电机电枢电流
K e：电动势常数
3、直流电动机的调速方法
n = ( U - IaR ) / K eΦ （1）调节电枢电压 n
Ud1<Ud2<Ud3<Un
om
当磁通Φ 和电阻 nnom R一定时，改变电 n1 枢电压U，可以平 n2 滑地调节转速n，机 n3 械特性将上下平移， 如图所示。
1.0 运动控制系统及其组成分析(复习补充)
看图说话
1.0.1电动机是运动控制系统的控制对象
电动机的类型 如何分类? 电动机按类型可分为：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。
电动机按用途可分为：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。
1.0.2运动控制系统的功率放大与变换装置

1.0.4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

1.0.5 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。
T e = Km Φ I a
说明：
Φ Ia
电枢电流与定子磁通相互作用产生电磁力与电磁转矩
电枢电流与定子磁通是相互独立控制的（ T e是线性可 控的）
1.0.7 生产机械的负载转矩特性
生产机械的负载转矩是一个必然存在的不
可控扰动输入。
三种典型生产机械负载转矩特性，实际负
载可能是多个典型负载的组合。
2、电气传动系统的运动学方程
一般工程上采用飞轮惯量GD2代替J，二者关系：
GD2 = 4gJ
其中，G为转动惯量、D为旋转部分直径、g为重力加速度 由于：ω = 2π n/60 所以
电气传动运动方程为：
Te - TL =
GD2 dn 375 dt
3、运动方程与调速的关系
Te - TL = Te - TL > 0 Te - TL ＜ 0 Te - TL = 0

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。
目前，以直流控制为基础的现代交流调速系 统发展日趋完善！
1.0.6 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 程式为： 1、旋转运动系统的牛顿第二定律 dω J Te - TL = dt dω 其中， J 为惯性转矩 dt