运动控制系统第4版绪论
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
• 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。
第1章 绪论
• 1.1.3 控制器
• 控制器分模拟控制器和数字控制器两类，也有模数混合的控 制器，现在已越来越多地采用数字控制器。
• 模拟控制器常用运算放大器及相应的电气元件实现，具有物 理概念清晰、控制信号流向直观等优点，其控制规律体现在 硬件电路和所用的器件上，因而线路复杂、通用性差、控制 效果受到器件性能、温度等因素的影响。
第1章 绪论
• 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。
• 以微处理器为核心的数字控制器的硬件电路标准程度高、制 作成本低，而且没有器件的温度漂移的问题。控制规律体现 在软件上，修改起来灵活方便。此外，还拥有信息储存、数 据通信和故障诊断等模拟控制器难以实现的功能。
• 然而，模拟控制器的所有运算能在同一时刻并行运行，控制 器的滞后时间很小，可以忽略不计；而一般的微处理器在任
第1章 绪论
• 重点介绍运动控制系统的组成及发展概况， 包括4节内容。
• 1.1 运动控制系统及其组成 • 1.2 运动控制系统的历史与发展 • 1.3 运动控制系统的转矩控制规律 • 1.4 生产机械的负载转矩特性
第1章 绪论
• 电力拖动实现了电能与机械能之间的能量变换，而电力拖动 自动控制系统——运动控制系统的任务是通过控制电动机电 压、电流、频率等输入量，来改变工作机械的转矩、速度、 位移等机械量，使各种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。
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。
• 现代运动控制技术以各类电动机为控制对象，以计算机和其 他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 机数字仿真和计算机辅助设计（CAD）为研究和开发的工具。
• 由此可见，现代运动控制技术已成为电机学、电力电子学、 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。
• 晶闸管（SCR）是第一代电力电子器件的典型代表，属于半 控型器件，通过门极只能使晶闸管开通，而无法使它关断。 该类器件可方便地应用于相控整流器（AC→DC）和有源逆变 器（DC→AC），但用于无源逆变（DC→AC）或直流PWM （脉宽调制）方式调压（DC→DC）时，必须增加强迫换流回 路，使电路结构复杂。
第1章 绪论
• 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1章 绪论
• 1.1.2 功率放大与变换装置
• 功率放大与变换装置有电机型、电磁型、电力电子型等，现 在多用电力电子型的。电力电子器件经历了由半控型向全控 型、由低频开关向高频开关、由分立的器件向具有复合功能 的功率模块发展的过程。电力电子技术的发展，使功率放大 与变换装置的结构趋于简单、性能趋于完善。
• 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。
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Baidu Nhomakorabea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。
第1章 绪论
• 图1-1 运动控制及其相关学科
第1章 绪论
• 1.1 运动控制系统及其组成 • 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，其结构如图1-2所示。
图1-2 运动控制系统及其组成
第1章 绪论
• 1.1.1 电动机
• 运动控制系统的控制对象为电动机，电动机根据工作原理可分 为直流电动机、交流感应电动机（交流异步电动机）和交流同 步电动机等，根据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。
• 直流电动机结构复杂，制造成本高，电刷和换向器限制了它的 转速与容量。极限容量和速度之积约为 PN nmax 3.0 10 6 ， 交流电动机（尤其是笼型感应电动机）结构简单、制造容易， 无须机械换向器，因此其允许转速与容量均大于直流电动机。
• 同步电动机的转速等于同步转速，机械特性硬，功率因数可调。 但在恒频电源供电时调速较为困难，变频器的诞生不仅解决了 同步电动机的调速，还解决了其起动和失步问题，有效地促进 了同步电动机在运动控制系统中的应用。
第1章 绪论
• 1.1.3 控制器
• 控制器分模拟控制器和数字控制器两类，也有模数混合的控 制器，现在已越来越多地采用数字控制器。
• 模拟控制器常用运算放大器及相应的电气元件实现，具有物 理概念清晰、控制信号流向直观等优点，其控制规律体现在 硬件电路和所用的器件上，因而线路复杂、通用性差、控制 效果受到器件性能、温度等因素的影响。
第1章 绪论
• 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。
• 以微处理器为核心的数字控制器的硬件电路标准程度高、制 作成本低，而且没有器件的温度漂移的问题。控制规律体现 在软件上，修改起来灵活方便。此外，还拥有信息储存、数 据通信和故障诊断等模拟控制器难以实现的功能。
• 然而，模拟控制器的所有运算能在同一时刻并行运行，控制 器的滞后时间很小，可以忽略不计；而一般的微处理器在任
第1章 绪论
• 重点介绍运动控制系统的组成及发展概况， 包括4节内容。
• 1.1 运动控制系统及其组成 • 1.2 运动控制系统的历史与发展 • 1.3 运动控制系统的转矩控制规律 • 1.4 生产机械的负载转矩特性
第1章 绪论
• 电力拖动实现了电能与机械能之间的能量变换，而电力拖动 自动控制系统——运动控制系统的任务是通过控制电动机电 压、电流、频率等输入量，来改变工作机械的转矩、速度、 位移等机械量，使各种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。
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。
• 现代运动控制技术以各类电动机为控制对象，以计算机和其 他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 机数字仿真和计算机辅助设计（CAD）为研究和开发的工具。
• 由此可见，现代运动控制技术已成为电机学、电力电子学、 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。
• 晶闸管（SCR）是第一代电力电子器件的典型代表，属于半 控型器件，通过门极只能使晶闸管开通，而无法使它关断。 该类器件可方便地应用于相控整流器（AC→DC）和有源逆变 器（DC→AC），但用于无源逆变（DC→AC）或直流PWM （脉宽调制）方式调压（DC→DC）时，必须增加强迫换流回 路，使电路结构复杂。
第1章 绪论
• 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1章 绪论
• 1.1.2 功率放大与变换装置
• 功率放大与变换装置有电机型、电磁型、电力电子型等，现 在多用电力电子型的。电力电子器件经历了由半控型向全控 型、由低频开关向高频开关、由分立的器件向具有复合功能 的功率模块发展的过程。电力电子技术的发展，使功率放大 与变换装置的结构趋于简单、性能趋于完善。
• 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。
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Baidu Nhomakorabea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。
第1章 绪论
• 图1-1 运动控制及其相关学科
第1章 绪论
• 1.1 运动控制系统及其组成 • 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，其结构如图1-2所示。
图1-2 运动控制系统及其组成
第1章 绪论
• 1.1.1 电动机
• 运动控制系统的控制对象为电动机，电动机根据工作原理可分 为直流电动机、交流感应电动机（交流异步电动机）和交流同 步电动机等，根据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。
• 直流电动机结构复杂，制造成本高，电刷和换向器限制了它的 转速与容量。极限容量和速度之积约为 PN nmax 3.0 10 6 ， 交流电动机（尤其是笼型感应电动机）结构简单、制造容易， 无须机械换向器，因此其允许转速与容量均大于直流电动机。
• 同步电动机的转速等于同步转速，机械特性硬，功率因数可调。 但在恒频电源供电时调速较为困难，变频器的诞生不仅解决了 同步电动机的调速，还解决了其起动和失步问题，有效地促进 了同步电动机在运动控制系统中的应用。