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第1章 绪论


电力拖动自动控制系统 —运动控制系统

第 1章

绪论

内 容 提 要
?

运动控制系统及其组成 运动控制系统的历史与发展 运动控制系统转矩控制规律

?

?

?

生产机械的负载转矩特性

现代运动控制技术
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 。
图1-1运动控制及其相关学科

1.1 运动控制系统及其组成

图1-2 运动控制系统及其组成

运动控制系统的控制对象—— 电动机
? 从类型上分

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。 ? 从用途上分 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。

运动控制系统的功率放大与变 换装置
? 电力电子型功率放大与变换装置

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

运动控制系统的控制器
? 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 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

运动控制系统的控制器
? 以微处理器为核心的数字控制器

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

运动控制系统的控制器
? 模拟控制器

并行运行,控制器的滞后时间小。 ? 微处理器数字控制器 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。

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

1.2 运动控制系统的历史与发展
? 电力电子技术和微电子技术带动了

新一代交流调速系统的兴起与发展, 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。

1.2 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。

1.2 运动控制系统的历史与发展
? 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。

交流调速系统
? 基于稳态模型的交流调速系统

转速开环的变压变频调速 转速闭环的转差频率控制系统 ? 动态性能无法与直流调速系统相比

交流调速系统
? 基于动态模型的交流调速系统

矢量控制系统 直接转矩控制系统 ? 动态性能良好,取代直流调速系统

1.2 运动控制系统的历史与发展
? 同步电动机交流调速系统

同步电动机的转速与电源频率严 格保持同步,机械特性硬。 ? 电力电子变频技术的发展,成功地 解决了阻碍同步电动机调速的失步 和启动两大问题。

1.3 运动控制系统的转矩控制规律
? 运动控制系统的基本运动方程式

d? m J ? Te ? TL ? D? m ? K? m dt d? m ? ?m dt

1.3 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

d? m J ? Te ? TL dt d? m ? ?m dt

1.3 运动控制系统的转矩控制规律
? 转矩控制是运动控制的根本问


要控制转速和转角,唯一的途径就 是控制电动机的电磁转矩,使转速 变化率按人们期望的规律变化。

1.3 运动控制系统的转矩控制规律
? 磁链控制同样重要

为了有效地控制电磁转矩,充分利 用电机铁芯,在一定的电流作用下 尽可能产生最大的电磁转矩,必须 在控制转矩的同时也控制磁通(或 磁链)。

1.4 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。 ? 归纳出几种典型的生产机械负载转 矩特性,实际负载可能是多个典型 负载的组合,应根据实际负载的具 体情况加以分析。

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

TL ? 常数

图1-3 恒转矩负载

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

TL ?

?m

PL

?

常数

?m

图1-4 恒功率转矩负载

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

TL ? ? ? n
2 m

2
图1-5 风机、泵类负载


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