運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(第4版)第1章-緒論課件

1、第1章 緒論重點(diǎn)介紹運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及發(fā)展概況，包括4節(jié)內(nèi)容。1.1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成1.2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展1.3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律1.4 生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性第1章 緒論重點(diǎn)介紹運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及發(fā)展概況，包括4節(jié)第1章 緒論電力拖動(dòng)實(shí)現(xiàn)了電能與機(jī)械能之間的能量變換，而電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)是通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)電壓、電流、頻率等輸入量，來(lái)改變工作機(jī)械的轉(zhuǎn)矩、速度、位移等機(jī)械量，使各種機(jī)械按人們期望的要求運(yùn)行，以滿足生產(chǎn)工藝及其他應(yīng)用的需要?，F(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)以各類電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，以計(jì)算機(jī)和其他電子裝置為控制手段，以電力電子裝置為弱電控制強(qiáng)電的紐帶，以

2、自動(dòng)控制理論和信息處理理論為理論基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）為研究和開(kāi)發(fā)的工具。由此可見(jiàn)，現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)已成為電機(jī)學(xué)、電力電子學(xué)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、控制理論、信號(hào)檢測(cè)與處理技術(shù)等多門學(xué)科相互交叉的綜合性學(xué)科。第1章 緒論電力拖動(dòng)實(shí)現(xiàn)了電能與機(jī)械能之間的能量變換，而電第1章 緒論圖1-1 運(yùn)動(dòng)控制及其相關(guān)學(xué)科第1章 緒論圖1-1 運(yùn)動(dòng)控制及其相關(guān)學(xué)科第1章 緒論1.1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、功率放大與變換裝置、控制器及相應(yīng)的傳感器等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。圖1-2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成第1章 緒論1.1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成圖1-2 運(yùn)動(dòng)第

3、1章 緒論1.1.1 電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制對(duì)象為電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)根據(jù)工作原理可分為直流電動(dòng)機(jī)、交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（交流異步電動(dòng)機(jī)）和交流同步電動(dòng)機(jī)等，根據(jù)用途可分為用于調(diào)速系統(tǒng)的拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)和用于伺服系統(tǒng)的伺服電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，電刷和換向器限制了它的轉(zhuǎn)速與容量。極限容量和速度之積約為 ， 交流電動(dòng)機(jī)（尤其是籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易，無(wú)須機(jī)械換向器，因此其允許轉(zhuǎn)速與容量均大于直流電動(dòng)機(jī)。同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速，機(jī)械特性硬，功率因數(shù)可調(diào)。但在恒頻電源供電時(shí)調(diào)速較為困難，變頻器的誕生不僅解決了同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，還解決了其起動(dòng)和失步問(wèn)題，有效地促進(jìn)了同步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)控

4、制系統(tǒng)中的應(yīng)用。第1章 緒論1.1.1 電動(dòng)機(jī)第1章 緒論1.1.2 功率放大與變換裝置功率放大與變換裝置有電機(jī)型、電磁型、電力電子型等，現(xiàn)在多用電力電子型的。電力電子器件經(jīng)歷了由半控型向全控型、由低頻開(kāi)關(guān)向高頻開(kāi)關(guān)、由分立的器件向具有復(fù)合功能的功率模塊發(fā)展的過(guò)程。電力電子技術(shù)的發(fā)展，使功率放大與變換裝置的結(jié)構(gòu)趨于簡(jiǎn)單、性能趨于完善。晶閘管（SCR）是第一代電力電子器件的典型代表，屬于半控型器件，通過(guò)門極只能使晶閘管開(kāi)通，而無(wú)法使它關(guān)斷。該類器件可方便地應(yīng)用于相控整流器（ACDC）和有源逆變器（DCAC），但用于無(wú)源逆變（DCAC）或直流PWM（脈寬調(diào)制）方式調(diào)壓（DCDC）時(shí)，必須增加強(qiáng)迫換

5、流回路，使電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜。第1章 緒論1.1.2 功率放大與變換裝置第1章 緒論第二代電力電子器件是全控型器件，通過(guò)門極既可以使器件開(kāi)通，也可以使它關(guān)斷，例如MOSFET、IGBT、GTO等。此類器件用于無(wú)源逆變（DCAC）和直流調(diào)壓（DCDC）時(shí)，無(wú)須強(qiáng)迫換流回路，主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。第二代電力電子器件的另一個(gè)特點(diǎn)是可以大大提高開(kāi)關(guān)頻率，用PWM技術(shù)控制功率器件的開(kāi)通與關(guān)斷，可大大提高可控電源的質(zhì)量。第三代電力電子器件的特點(diǎn)是由單一的器件發(fā)展為具有驅(qū)動(dòng)、保護(hù)等功能的復(fù)合功率模塊，提高了使用的安全性和可靠性。第1章 緒論第二代電力電子器件是全控型器件，通過(guò)門極既可以第1章 緒論1.1.3 控制器控制

6、器分模擬控制器和數(shù)字控制器兩類，也有模數(shù)混合的控制器，現(xiàn)在已越來(lái)越多地采用數(shù)字控制器。模擬控制器常用運(yùn)算放大器及相應(yīng)的電氣元件實(shí)現(xiàn)，具有物理概念清晰、控制信號(hào)流向直觀等優(yōu)點(diǎn)，其控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路和所用的器件上，因而線路復(fù)雜、通用性差、控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響。以微處理器為核心的數(shù)字控制器的硬件電路標(biāo)準(zhǔn)程度高、制作成本低，而且沒(méi)有器件的溫度漂移的問(wèn)題?？刂埔?guī)律體現(xiàn)在軟件上，修改起來(lái)靈活方便。此外，還擁有信息儲(chǔ)存、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等模擬控制器難以實(shí)現(xiàn)的功能。然而，模擬控制器的所有運(yùn)算能在同一時(shí)刻并行運(yùn)行，控制器的滯后時(shí)間很小，可以忽略不計(jì)；而一般的微處理器在任第1章 緒論1.1

7、.3 控制器第1章 緒論何時(shí)刻只能執(zhí)行一條指令，屬于串行運(yùn)行方式，其滯后時(shí)間比模擬控制器大得多，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)予以考慮。1.1.4 信號(hào)檢測(cè)與處理運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中常需要電壓、電流、轉(zhuǎn)速和位置的反饋信號(hào)，為了真實(shí)可靠地得到這些信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)功率電路（強(qiáng)電）和控制器（弱電）之間的電氣隔離，需要相應(yīng)的傳感器。電壓、電流傳感器的輸出信號(hào)多為連續(xù)的模擬量，而轉(zhuǎn)速和位置傳感器的輸出信號(hào)因傳感器的類型而異，可以是連續(xù)的模擬量，也可以是離散的數(shù)字量。由于控制系統(tǒng)對(duì)反饋通道上的擾動(dòng)無(wú)抑制能力，所以，信號(hào)傳感器必須有足夠高的精度，才能保證控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。第1章 緒論何時(shí)刻只能執(zhí)行一條指令，屬于串行運(yùn)行方式，其滯第1

8、章 緒論信號(hào)轉(zhuǎn)換和處理包括電壓匹配、極性轉(zhuǎn)換、脈沖整形等，對(duì)于計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)而言，必須將傳感器輸出的模擬或數(shù)字信號(hào)變換為可用于計(jì)算機(jī)運(yùn)算的數(shù)字量。數(shù)據(jù)處理的另一個(gè)重要作用是去偽存真，即從帶有隨機(jī)擾動(dòng)的信號(hào)中篩選出反映被測(cè)量的真實(shí)信號(hào)，去掉隨機(jī)的擾動(dòng)信號(hào)，以滿足控制系統(tǒng)的需要。常用的數(shù)據(jù)處理方法是信號(hào)濾波，模擬控制系統(tǒng)常采用模擬器件構(gòu)成的濾波電路，而計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)往往采用模擬濾波電路和計(jì)算機(jī)軟件數(shù)字濾波相結(jié)合的方法。第1章 緒論信號(hào)轉(zhuǎn)換和處理包括電壓匹配、極性轉(zhuǎn)換、脈沖整形第1章 緒論1.2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展直流電動(dòng)機(jī)電力拖動(dòng)與交流電動(dòng)機(jī)電力拖動(dòng)在19世紀(jì)中葉先后誕生（1866年

9、德國(guó)人西門子制成了自激式的直流發(fā)電機(jī)；1890年美國(guó)西屋電氣公司利用尼古拉特斯拉的專利研制出第一臺(tái)交流同步電機(jī)；1898年第一臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)誕生），在20世紀(jì)前半葉，約占整個(gè)電力拖動(dòng)容量80%的不可調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)采用交流電動(dòng)機(jī)，只有20%的高性能可調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)采用直流電動(dòng)機(jī)。20世紀(jì)后半葉，電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)帶動(dòng)了帶動(dòng)了新一代的交流調(diào)速系統(tǒng)的興起與發(fā)展，逐步打破了直流調(diào)速系統(tǒng)一統(tǒng)高性能拖動(dòng)天下的格局。進(jìn)入21世紀(jì)后，用交流調(diào)速系統(tǒng)取代直流調(diào)速系統(tǒng)已成為不爭(zhēng)的事實(shí)。直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩易于控制。其換向器與電刷第1章 緒論1.2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展第1章 緒論的位置保證了電樞電流

10、與勵(lì)磁電流的解耦。1960年以來(lái)，晶閘管整流器的應(yīng)用，使得直流拖動(dòng)控制技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，對(duì)直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)也有了一套實(shí)用的工程設(shè)計(jì)方法。交流電動(dòng)機(jī)（尤其是籠型異步電動(dòng)機(jī)）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，但其動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型具有非線性多變量強(qiáng)耦合的性質(zhì)，比直流電動(dòng)機(jī)復(fù)雜得多。早期交流調(diào)速系統(tǒng)的控制方法是基于交流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的，其動(dòng)態(tài)性能無(wú)法與直流調(diào)速系統(tǒng)相比。20世紀(jì)70年代德國(guó)工程師FBlaschke和WFlter等人提出“感應(yīng)電機(jī)磁場(chǎng)定向控制原理”，P.C.Custman和A.A.Clark提出“定子電壓坐標(biāo)變換控制”，這都是矢量控制的基本設(shè)想。1980年日本難波江章教授等人提出轉(zhuǎn)

11、差型矢量控制，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。1980年，德國(guó)W.Leonhard教授等用微機(jī)第1章 緒論的位置保證了電樞電流與勵(lì)磁電流的解耦。1960第1章 緒論實(shí)現(xiàn)矢量控制系統(tǒng)的數(shù)字化，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)和完善，形成現(xiàn)在通用的高性能矢量控制系統(tǒng)。1985年，德國(guó)魯爾大學(xué)Depenbrock教授提出直接轉(zhuǎn)矩控制，1987年把它推廣到弱磁調(diào)速范圍，其控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是一種高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的交流迢速系統(tǒng)。同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率嚴(yán)格保持同步，機(jī)械特性硬。電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)還有一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)，就是可以控制勵(lì)磁來(lái)調(diào)節(jié)它的功率因數(shù)，使功率因數(shù)達(dá)到1.0，甚至產(chǎn)生超前的功率因數(shù)角。但同步電動(dòng)機(jī)由電網(wǎng)

12、直接供電時(shí)，存在起動(dòng)困難與失步問(wèn)題。電力電子變頻技術(shù)的發(fā)展，成功地解決了阻礙同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速發(fā)展的這兩大問(wèn)題，而永磁同步電動(dòng)機(jī)和直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)等新型同步電動(dòng)機(jī)的問(wèn)世，猶如猛虎添翼，使同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速得到飛速的發(fā)展。第1章 緒論實(shí)現(xiàn)矢量控制系統(tǒng)的數(shù)字化，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件第1章 緒論高性能的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)需要轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，但速度傳感器的機(jī)械安裝要求高，調(diào)試工作量大，有時(shí)由于場(chǎng)地及空間的限制，根本不允許安裝速度傳感器，無(wú)速度傳感器控制的調(diào)速系統(tǒng)正好能彌補(bǔ)這些不足。無(wú)速度傳感器控制的基本方法是實(shí)時(shí)檢測(cè)定子電壓和電流，再依據(jù)電動(dòng)機(jī)模型或合適的算法對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行估算，用估算的值進(jìn)行反饋控制。但這種方法受電機(jī)參數(shù)

13、影響大，對(duì)測(cè)量噪聲敏感。如何提高轉(zhuǎn)速估算精度，是進(jìn)一步發(fā)展無(wú)速度傳感器控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。近年來(lái)，模糊控制、專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，使運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)向智能化的方向發(fā)展。在現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，常使智能控制與傳統(tǒng)PI控制互相結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，既保證了系統(tǒng)的控制精度，又增加了系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)、自調(diào)整及決策能力，提高了系統(tǒng)的魯棒性。第1章 緒論高性能的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)需要轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，但速度傳第1章 緒論1.3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本運(yùn)動(dòng)方程式為：式中 J機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ； m 轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度（rad/s)； m 轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)角（rad）； Te 電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩（Nm）； TL 負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N

14、m）； D阻轉(zhuǎn)矩阻尼系數(shù)； K扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩系數(shù)。 第1章 緒論1.3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律第1章 緒論若忽略阻尼轉(zhuǎn)矩和扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩，則運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本運(yùn)動(dòng)方程式可簡(jiǎn)化為：若采用工程單位制，則式（1-2）的第1行應(yīng)改寫(xiě)為：式中 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，習(xí)慣稱飛輪力矩 n轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)速（r/min），第1章 緒論若忽略阻尼轉(zhuǎn)矩和扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩，則運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的第1章 緒論運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)就是控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，對(duì)于直線電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)就是控制速度和位移。由式（1-1）和式（1-2）可知，要控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，唯一的途徑就是控制電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te，使轉(zhuǎn)速變化率按人們期望的規(guī)律變化。因此，轉(zhuǎn)矩控制是運(yùn)動(dòng)控制的根

15、本問(wèn)題。為了有效地控制電磁轉(zhuǎn)矩，充分利用電機(jī)鐵心，在一定的電流作用下進(jìn)可能產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩，以加快系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程，必須在控制轉(zhuǎn)矩的同時(shí)也控制磁通（或磁鏈）。因?yàn)楫?dāng)磁通（或磁鏈）很小時(shí)，即使電樞電流（或交流電機(jī)定子電流的轉(zhuǎn)矩分量）很大，實(shí)際轉(zhuǎn)矩仍然很小。何況由于物理?xiàng)l件限制，電樞電流（或定子電流）總是有限的。因此，磁鏈控制與轉(zhuǎn)矩控制同樣重要，不可偏廢。通常在基速（額定轉(zhuǎn)速）以下采用恒磁通（或磁鏈）控制，而在基速以上采用弱磁控制。第1章 緒論運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)就是控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，第1章 緒論1.4 生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)而言，生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩是一個(gè)必然存在的不可控?cái)_動(dòng)輸入

16、，生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性直接影響運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)控制方案的選擇和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。為了對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)作全面的了解，便于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試，常歸納出幾種典型的生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性。1.4.1 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL的大小恒定，與m或n無(wú)關(guān)，稱做恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載， TL = 常數(shù) （1-4）恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載有位能性和反抗性兩種。位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載由重力產(chǎn)生，具有固定的大小和方向，如圖1-3a所示。反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的大小不變，方向則始終與轉(zhuǎn)速反向，如圖1-3b。第1章 緒論1.4 生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性第1章 緒論圖1-3 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性a) 位能性恒轉(zhuǎn)矩 b）反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載第1章 緒論圖1-3 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性第1章 緒論1.4.2 恒功率負(fù)載恒功率負(fù)載的特征是負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，而