先進(jìn)運(yùn)動控制課程報(bào)告

1、先進(jìn)運(yùn)動控制課程報(bào)告摘要：現(xiàn)代運(yùn)動控制已成為電機(jī)學(xué)，電力電子技術(shù)，微電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，控制 理論，信號檢測與處理技術(shù)等多門學(xué)科相互交叉的綜合性學(xué)科。文中簡單介紹了先進(jìn)運(yùn)動控 制及其相關(guān)學(xué)科的關(guān)系，隨著其他相關(guān)學(xué)科的不斷發(fā)展，運(yùn)動控制系統(tǒng)也在不斷發(fā)展，不斷 提高系統(tǒng)的安全性，可靠性。文中最后簡述了其發(fā)展歷程及其未來發(fā)展的展望。 關(guān)鍵字：運(yùn)動控制，電力電子，直流調(diào)速，交流調(diào)速1、運(yùn)動控制運(yùn)動控制系統(tǒng)也叫做電力拖動控制系統(tǒng)。運(yùn)動控制系統(tǒng)的任務(wù)是通過對電動機(jī)電壓，電 流，頻率等輸入電量的控制,來改變工作機(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

2、需要。工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對運(yùn) 動控制系統(tǒng)提出了日益復(fù)雜的要求，同時也為研制和生產(chǎn)各類新型的控制裝置提供了可能先進(jìn)運(yùn)動控制系統(tǒng)內(nèi)容主要包括直流調(diào)速、交流調(diào)速和伺服系統(tǒng)三部分。直流調(diào)速部分 主要介紹單閉環(huán)、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和以全控型功率器件為主的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)等內(nèi) 容；交流調(diào)速部分主要包括基于異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)模型的調(diào)速系統(tǒng)、基于異步電動機(jī)動態(tài)模型 的高性能調(diào)速系統(tǒng)以及串級調(diào)速系統(tǒng)；隨動系統(tǒng)部分介紹直、交流隨動系統(tǒng)的性能分析與動 態(tài)校正等內(nèi)容。1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)首先主要介紹直流調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)節(jié)直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速有三種方法：改變電樞回路電阻調(diào) 速閥，減弱磁通調(diào)速法，調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速法。變壓調(diào)速是

3、是直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方法，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)至少包含了兩部分：能夠調(diào)節(jié) 直流電動機(jī)電樞電壓的直流電源和產(chǎn)生被調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的直流電動機(jī)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā) 展，可控直流電源主要有兩大類，一類是相控整流器，它把交流電源直接轉(zhuǎn)換成可控直流電 源；另一類是直流脈寬變換器，它先把交流電整流成不可控的直流電，然后用PWM方式調(diào) 節(jié)輸出直流電壓。當(dāng)用可控直流電源和直流電動機(jī)組成一個直流調(diào)速系統(tǒng)時，它們所表現(xiàn)車來的性能指標(biāo)和人們的期望值必然存在一個不小的差距，并做出了分析。開環(huán)控制系統(tǒng)無 法滿足人們期望的性能指標(biāo)，本章就閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)展開分析和討論。論述 了轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律， 分析了系統(tǒng)的靜

4、差率， 介紹了 PI 調(diào)節(jié)器和 P 調(diào)節(jié)器的控制作用。轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)能夠提高調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，但動態(tài) 性能仍不理想，轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是靜動態(tài)性能良好，應(yīng)用最廣的直流 調(diào)速系統(tǒng)；還介紹了轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)系統(tǒng)的組成及其靜特性，數(shù)學(xué)模型，并對雙閉 環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)特性進(jìn)行了詳細(xì)分析。 本章對直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了 討論，論述了與調(diào)速系統(tǒng)緊密關(guān)聯(lián)的數(shù)字測速方法和數(shù)字 PI 調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)方法，并 用 MATLAB 仿真軟件對轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。圖 2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)1.2 交流調(diào)速系統(tǒng) 交流調(diào)速系統(tǒng)有異步電動機(jī)和同步電動機(jī)兩大類。異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)分為

5、 3 類：轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)， 轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng)， 轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)。同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率恒為零，同步電動機(jī)調(diào)速只能通過改變同步轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)， 由于同步電動機(jī)極對數(shù)是固定的，只能采用變壓變頻調(diào)速。本章介紹了基于等效電路的異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)模型，討論異步電動機(jī)變壓變頻調(diào) 速的基本原理和基頻以下的電流補(bǔ)償控制。首先介紹了交流 PWM 變頻器的主電路， 然 后 討 論 正 選 PWM （ SPWM ） ， 電 流 跟 蹤 PWM （ CFPWM ） 和 電 壓 空 間 矢 量 PWM（SVPWM） 三種控制方式， 討論了電壓矢量與定子磁鏈的關(guān)系， 最后介紹了 PWM 變頻器在異步電動機(jī)調(diào)速系

6、統(tǒng)中應(yīng)用的特殊問題。 并討論了轉(zhuǎn)速開環(huán)電壓頻率協(xié)調(diào)控 制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)和通用變頻器。 詳細(xì)討論了轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)的工作 原理和控制規(guī)律，并介紹了變頻調(diào)速在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例。矢量控制 和直接轉(zhuǎn)矩控制是兩種 基于動態(tài)模型的高性能 的交流電動機(jī)調(diào)速系 統(tǒng)，矢量控制系統(tǒng)通過矢量變換和按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，得到等效直流電機(jī)模型，然后按 照直流電動機(jī)模型設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)； 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)利用轉(zhuǎn)矩偏差和定子磁鏈幅值偏 差的符號，根據(jù)當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶克诘奈恢?，直接選取合適的定子電壓矢量，實(shí)施 電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的控制。 兩種交流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的靜， 動態(tài)性能， 各有所長，也各有不足之

7、處。2、運(yùn)動控制及其相關(guān)學(xué)科 現(xiàn)代運(yùn)動控制已成為電機(jī)學(xué)，電力電子技術(shù)，微電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，控制理論， 信號檢測與處理技術(shù)等多門學(xué)科相互交叉的綜合性學(xué)科。運(yùn)動控制系統(tǒng)是以電動機(jī)為控制對 象,以控制器為核心, 以電力電子、功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu),在控制理論指導(dǎo)下組成的電氣 傳動控制系統(tǒng)。運(yùn)動控制系統(tǒng)多種多樣, 但從基本結(jié)構(gòu)上看, 一個典型的現(xiàn)代運(yùn)動控制系統(tǒng) 的硬件主要由上位計(jì)算機(jī)、運(yùn)動控制器、功率驅(qū)動裝盆電動機(jī)和傳感器反饋檢測裝置和被控 對象等幾部分組成。電動機(jī)及其功率驅(qū)動裝置作為執(zhí)行器主要為被控對象提供動力。忌fi知識領(lǐng)域：ii借號檢測與數(shù)據(jù)處埋技金!忌fi知識領(lǐng)域：ii借號檢測與數(shù)據(jù)處

8、埋技金!知識領(lǐng)域；控制理論!知識領(lǐng)域：! 電機(jī)原理萬模型；rlRW：i電力電了勺犧動技術(shù):功率散大與 變換裝置電動機(jī)被負(fù)載傳感器信號處理控制器圖3 運(yùn)動控制系統(tǒng)及其組成2.1 電機(jī)學(xué) 電機(jī)學(xué)是運(yùn)動控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理決定了運(yùn)動控制的設(shè)計(jì)方法和 運(yùn)行性能，新型電機(jī)的發(fā)明就會帶出新的運(yùn)動控制系統(tǒng)。2.2 電力電子技術(shù) 以電力電子器件為基礎(chǔ)的功率放大與變換裝置是弱電控制強(qiáng)電的媒介，在運(yùn)動控制系統(tǒng) 中作為電動機(jī)的可控電源，其輸出電源質(zhì)量直接影響到運(yùn)動控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)喝性能。新 型電力電子器件的誕生必將產(chǎn)生新型的功率放大器與變換裝置，對改善電動機(jī)供電電源質(zhì) 量，提高系統(tǒng)運(yùn)行性能，起到

9、積極地推進(jìn)作用。目前功率放大與變換裝置多用電力電子型。 電力電子器件經(jīng)歷了有半空型向全控型，由低頻開關(guān)向高頻開關(guān)，由分立的器件向具有復(fù)合 功能的功率器件模塊發(fā)展的過程，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 簡單，性能趨于完善。2.3 微電子技術(shù) 微電子技術(shù)的快速發(fā)展，導(dǎo)致各種高性能的大規(guī)?；虺笠?guī)模的集成電路層出不窮，方 便和簡化了運(yùn)動控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及調(diào)試工作，提高了運(yùn)動控制系統(tǒng)的可靠性。高速，大 內(nèi)存容量，多功能的微處理器或單片微機(jī)的問世，使各種復(fù)雜的控制算法在運(yùn)動控制系統(tǒng)中 的應(yīng)用成為可能，并大大提高了控制精度。2.4 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 計(jì)算機(jī)具有強(qiáng)大的邏輯判斷、數(shù)據(jù)計(jì)算和

10、處理、信息傳輸?shù)饶芰?，能進(jìn)行各種復(fù)雜的運(yùn) 算，可以實(shí)現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的控制規(guī)律，達(dá)到模擬控制系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)的控制功能和效 果。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用使對象參數(shù)辨識、控制系統(tǒng)的參數(shù)自整定和自學(xué)習(xí)、智能控制、 故障診斷等成為可能，大大提高了運(yùn)動控制系統(tǒng)的智能化和系統(tǒng)的可靠性。在工程實(shí)際中，對于一些難以求得其精確解析解的問題，可以通過計(jì)算機(jī)求得其數(shù)值解， 這就是計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真。計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真具有成本低，結(jié)構(gòu)靈活，結(jié)果直觀，便于貯存和進(jìn) 行數(shù)據(jù)分析等優(yōu)點(diǎn)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)是在數(shù)字仿真的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，在系統(tǒng)數(shù)學(xué) 模型基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真，按給定指標(biāo)尋優(yōu)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，已成為運(yùn)動控制系統(tǒng)常用的分

11、 析和設(shè)計(jì)工具。2.5 信號檢測與處理技術(shù) 運(yùn)動控制系統(tǒng)的本質(zhì)是反饋控制，即根據(jù)給定和輸出的偏差實(shí)施控制，最終縮小或消除 偏差，運(yùn)動控制系統(tǒng)需通過傳感器實(shí)時檢測系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，構(gòu)成反饋控制，并進(jìn)行故障分 析和故障保護(hù)。由于實(shí)際檢測信號往往帶有隨機(jī)的擾動，這些擾動信號對控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生不利 的影響，嚴(yán)重時甚至?xí)茐南到y(tǒng)的穩(wěn)定性。為了保證系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行，必須對實(shí)際檢測 的信號進(jìn)行濾波等處理，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。此外，傳感器輸出信號的電壓、極性和信 號類型往往與控制器的需求不相吻合。所以，傳感器輸出信號一般不能直接用于控制，需要 進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理。2.6 控制理論 控制理論是運(yùn)動控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，是指導(dǎo)系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的依據(jù)。控制系統(tǒng)實(shí)際問 題的解決常常能推動理論的發(fā)展，而新的控制理論的誕生，諸如非線性控制、自適應(yīng)控制、 智能控制等，又為研究和設(shè)計(jì)各種新型的運(yùn)動控制系統(tǒng)提供了理論依據(jù)。同樣，運(yùn)動控制系統(tǒng)在我們所學(xué)過的許多專業(yè)課程中也有重要的應(yīng)用。例如我們在這個 學(xué)期所學(xué)習(xí)的DSP其中就有用DSP控制直流電機(jī)調(diào)速的。這用到運(yùn)動控制系統(tǒng)中的直流調(diào)速 系統(tǒng)的相關(guān)知識。3、總結(jié) 本文概述了運(yùn)動控制系統(tǒng)內(nèi)容總結(jié)，以及相關(guān)學(xué)科的關(guān)系，包括各個方面的發(fā)展。從中 可以看出, 現(xiàn)代的運(yùn)動控制系統(tǒng)已經(jīng)不同于原有的電氣傳動控制系統(tǒng)的概念, 它是綜合電力