主講教師

shu課程學(xué)時

72學(xué)時考核方式閉卷考試平時作業(yè)及考勤 20%期末考試80%主講教材電力拖動自動控制系統(tǒng)－運動控制系統(tǒng)（第4版）阮毅陳伯時機械工業(yè)出版社2?電力拖動控制技術(shù)是以電動機為對象，以電力電子技術(shù)功率變換器為弱電控制強電的媒質(zhì)，以自動控制理論為分析和設(shè)計基礎(chǔ)，以電子線路或計算機為控制手段，掌握運動控制系統(tǒng)的控制規(guī)律及設(shè)計方法。

1.1運動控制系統(tǒng)及其組成運動控制系統(tǒng)是多門學(xué)科相互交叉的綜合性學(xué)科知識領(lǐng)域：控制理論知識領(lǐng)域：電力電子與功率變換技術(shù)知識領(lǐng)域：電機學(xué)知識領(lǐng)域：信號檢測與數(shù)據(jù)處理技術(shù)運動控制系統(tǒng)及其組成1.1運動控制系統(tǒng)及其組成弱電強電紐帶運動控制系統(tǒng)的控制對象-電動機:1.1運動控制系統(tǒng)及其組成同步和異步是指定轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場，三相交流電通過一定結(jié)構(gòu)的繞組時,要產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場.在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下,轉(zhuǎn)子隨旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn).如果轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速同旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速完全一致,就是同步電機;如果轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速小于磁場轉(zhuǎn)速,也就是說兩者不同步,就是異步電機.異步電機結(jié)構(gòu)簡單,應(yīng)用廣泛.同步電機要求轉(zhuǎn)子有固定的磁極(永磁或電磁),如交流發(fā)電機和同步交流電動機.簡單來說，伺服系統(tǒng)一般都需要位置控制，調(diào)速系統(tǒng)只是速度控制。硬件上來說，伺服系統(tǒng)為帶編碼器反饋的閉環(huán)控制，調(diào)速系統(tǒng)也有帶編碼器反饋的閉環(huán)控制，也有不帶編碼器反饋的開環(huán)控制。兩種控制方式對應(yīng)的是不同的應(yīng)用場合，伺服控制更多應(yīng)用于需求高精度和高動態(tài)響應(yīng)的場合。電力電子型功率放大與變換裝置的發(fā)展趨勢:半控型向全控型發(fā)展（晶閘管。。。>IGBT）低頻開關(guān)向高頻開關(guān)發(fā)展分立器件向復(fù)合功率模塊發(fā)展1.1運動控制系統(tǒng)及其組成控制器分為模擬控制器和數(shù)字控制器。模擬控制器:物理概念清晰，控制信號流向直觀；控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路當(dāng)中；線路復(fù)雜、通用性差，控制效果受器件性能、溫度等因素影響；并行運行，控制器的滯后時間很小。1.1運動控制系統(tǒng)及其組成以微處理器為核心的數(shù)字控制器:硬件電路標(biāo)準(zhǔn)化程度高；控制規(guī)律體在軟件上，修改起業(yè)靈活、方便；擁有信息存儲、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等功能；串行運行方式，滯后時間比模擬控制器大得多，在設(shè)計中應(yīng)予以考慮。1.1運動控制系統(tǒng)及其組成三級流水線的指令執(zhí)行順序。ARM7TDMI三級流水線結(jié)構(gòu)的指令執(zhí)行順序PC指令1指令2指令3指令4…………程序存儲器PC-4PC-8PC+4周期1周期2周期3周期4周期5周期6取指譯碼執(zhí)行取指譯碼執(zhí)行取指譯碼執(zhí)行取指譯碼執(zhí)行周期2周期1周期3周期4在第1個周期，PC指向指令1，此時指令1進(jìn)入三級流水線的取指階段。1在第2個周期，PC指向指令2，此時指令1進(jìn)入三級流水線的譯碼階段，同時取出指令2。2在第3個周期，PC指向指令3，此時指令1進(jìn)入三級流水線的執(zhí)行階段，指令2進(jìn)入譯碼階段，取出指令3。3處理器執(zhí)行一條指令的三個階段補充知識在第1個周期，PC指向指令1，此時指令1進(jìn)入三級流水線的取指階段。在第2個周期，PC指向指令2，此時指令1進(jìn)入三級流水線的譯碼階段，同時取出指令2。在第3個周期，PC指向指令3，此時指令1進(jìn)入三級流水線的執(zhí)行階段，指令2進(jìn)入譯碼階段，取出指令3。在第4個周期，指令1執(zhí)行完成，指令2和指令3流水線推進(jìn)一級，同時開始指令4的取指處理。ARM7是馮。諾依曼結(jié)構(gòu)，采用三級流水線結(jié)構(gòu)的指令執(zhí)行順序。ARM9是哈弗結(jié)構(gòu)，采用五級流水線（取指、譯碼、執(zhí)行、存儲、回寫），ARM11使用七級流水線結(jié)構(gòu)。PC是程序計數(shù)器。信號檢測:電壓、電流、轉(zhuǎn)速和位置等信號信號轉(zhuǎn)換:電壓匹配、極性轉(zhuǎn)換、脈沖整形等數(shù)據(jù)處理:信號濾波1.1運動控制系統(tǒng)及其組成反饋通道，弱電和強電之間的電氣隔離，需要相應(yīng)的傳感器。15電力傳動系統(tǒng)特點

電力傳動系統(tǒng)由電動機，控制裝置以及被拖動的生產(chǎn)機械所組成。其主要特點是：▲功率范圍極大，單個設(shè)備的功率可以幾毫瓦到幾百兆瓦；▲調(diào)速范圍極寬，轉(zhuǎn)速從每分鐘幾轉(zhuǎn)到每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)；▲適用范圍極廣，可適用于任何工作環(huán)境與各種各樣的負(fù)載。如軋鋼機、起重機、泵、風(fēng)機、精密機床等,還有空調(diào)、冰箱、洗衣機等。16?速度控制系統(tǒng)：即調(diào)速控制系統(tǒng)。例如電動機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，磁帶的速度調(diào)節(jié)等等。調(diào)速控制系統(tǒng)又可分為:

①直流調(diào)速②交流調(diào)速

兩種，又常稱為直流傳動系統(tǒng)和交流傳動系統(tǒng)。各種控制系統(tǒng)往往都是通過控制轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，因此調(diào)速系統(tǒng)是最基本的電力拖動控制系統(tǒng)交直流調(diào)速系統(tǒng)的分類17?位置控制系統(tǒng)：即位置隨動(伺服)系統(tǒng)。例如：液面位置的控制，雷達(dá)方位角的控制，火炮角位置的控制，機械加工小的軌跡控制等等。?張力控制系統(tǒng)：例如在加工各種帶材和線材的過程中，必須保持一定的卷進(jìn)卷出張力，才能使帶材卷得緊而齊，線材拉得粗細(xì)均勻而不斷。一套典型的張力控制系統(tǒng)主要由張力控制器，驅(qū)動器（電機），張力檢測器，制動器和離合器構(gòu)成。181——電機

5——放卷輥

2——磁粉離合器

6——磁粉制動器

3——收卷輥

7——霍爾傳感器

4——物料

8——ZK-2型自動張力控制儀轉(zhuǎn)速傳感器檢出收卷輥和放卷輥直徑的連續(xù)變化，將卷料直徑變化信號反饋給控制器，使

其輸出一個與之相適應(yīng)的控制電流，自動控制磁粉制動器或磁粉離合器的激磁電流，隨之遞增或者遞減，從而改變卷料筒的制

動力矩，達(dá)到卷料恒張力的控制。19

?多電機同步控制系統(tǒng)：即整個系統(tǒng)中有多個傳動點，每個傳動點由一個電動機拖動單元拖動，組成了多單元同步控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)中各單元應(yīng)能同時按規(guī)定的速度比穩(wěn)定運行，并有良好的一致、單調(diào)性。系統(tǒng)對啟、制動要求一般不高，啟動時，一般緩慢均勻協(xié)調(diào)升速，制動時要求停車迅速協(xié)調(diào)。

1.2運動控制系統(tǒng)歷史與發(fā)展直流調(diào)速系統(tǒng):直流電動機的數(shù)據(jù)模型簡單，轉(zhuǎn)矩易于控制。其換向器與電刷的位置保證了電樞電流與勵磁電流的解耦，使轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。直流電動機模型直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生:電樞繞組中有電樞電流流過時,在磁場內(nèi)受電磁力的作用,該力與電樞鐵心半徑之積稱為電磁轉(zhuǎn)矩。大小:制造好的直流電機其電磁轉(zhuǎn)矩與氣隙磁通及電樞電流成正比。為電機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，有其中補充知識交流調(diào)速系統(tǒng):交流電動機（成尤其是籠型感應(yīng)電動機）具有結(jié)構(gòu)簡單等諸多優(yōu)點。但其動態(tài)數(shù)學(xué)模型具有非線性、多變量、強耦合的性質(zhì)，比直流電機復(fù)雜得多；基于穩(wěn)成模型的交流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)性能無法與直流調(diào)速系統(tǒng)相比；基于動態(tài)模型的高動態(tài)響應(yīng)交流調(diào)速系統(tǒng)：矢量控制系統(tǒng)、直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。1.2運動控制系統(tǒng)歷史與發(fā)展同步電動機交流調(diào)速系統(tǒng):同步電動機的轉(zhuǎn)速與電源頻率嚴(yán)格保持同步，機械特性硬；電力電子變頻技術(shù)的發(fā)展，可以方便的改變電源的頻率。1.2運動控制系統(tǒng)歷史與發(fā)展轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相同的交流電機，同步電動機的轉(zhuǎn)速完全決定于電源頻率。頻率一定時，電動機的轉(zhuǎn)速也就一定，它不隨負(fù)載而變。這一特點在某些傳動系統(tǒng)，特別是多機同步傳動系統(tǒng)和精密調(diào)速穩(wěn)速系統(tǒng)中具有重要意義。同步電動機的運行穩(wěn)定性也比較高。同步電動機一般是在過勵狀態(tài)下運行，其過載能力比相應(yīng)的異步電動機大。異步電動機的轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，而同步電動機的轉(zhuǎn)矩決定于電壓和電機勵磁電流所產(chǎn)生的內(nèi)電動勢的乘積，即僅與電壓的一次方成比例。當(dāng)電網(wǎng)電壓突然下降到額定值的80%左右時，異步電動機轉(zhuǎn)矩往往下降為64%左右，并因帶不動負(fù)載而停止運轉(zhuǎn)；而同步電動機的轉(zhuǎn)矩卻下降不多，還可以通過強行勵磁來保證電動機的穩(wěn)定運行。補充知識運動控制系統(tǒng)的基本運動方程:忽略阻尼轉(zhuǎn)矩和扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩:1.3運動控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律要控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，唯一的途徑就是控制電動機的電磁轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩(e)和負(fù)載轉(zhuǎn)矩(L)J機械轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)矩控制是運動控制的根本問題:要控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，唯一的途徑就是控制電動機的電磁轉(zhuǎn)矩。磁鏈控制同樣重要:為了有效地控制電磁轉(zhuǎn)矩，充分利用電機的鐵芯，在一定電流作用下盡可能產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩，必須在控制轉(zhuǎn)矩的同時也控制磁通（或磁鏈）。1.3運動控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律1.4生產(chǎn)機械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載:負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小恒定。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載:負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小恒定。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載由重力產(chǎn)生，具有固定的大小和方向。反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的大小不變，方向始終與轉(zhuǎn)速反向。恒功率負(fù)載:負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，而功率為常數(shù)。1.4生產(chǎn)機械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載通俗地說就是阻力大小不變的負(fù)載，比如摩擦力負(fù)載。你在路上拉一輛車，忽略空氣阻力的話，拉得快和拉的快慢用的力都一樣，這就是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。還有壓縮機，指的是活塞式壓縮機，不管你轉(zhuǎn)速快還是慢，活塞受到的阻力都是一樣的，這也是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。除非壓縮機的壓力變了。恒功率負(fù)載就是消耗的功率不變的負(fù)載，這樣的負(fù)載在自然界中不是經(jīng)常見到