电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统7/23/20241开课目的开课目的开课目的开课目的掌握基于掌握基于电气传动电气传动电气传动电气传动的运动控制系统的运动控制系统的有关理论和技术基础的有关理论和技术基础课程基础课程基础课程基础课程基础电机学电机学电机学电机学、电力电子技术、电路原理、电力电子技术、电路原理、自动控制理论、微机原理自动控制理论、微机原理课程性质课程性质课程性质课程性质本课程是电气工程及其自动化专业本课程是电气工程及其自动化专业的一门专业必修课。着重研究运动的一门专业必修课。着重研究运动控制系统的基本规律，静、动态特控制系统的基本规律，静、动态特性分析和工程设计方法，应用自动性分析和工程设计方法，应用自动控制理论解决系统的实际问题。控制理论解决系统的实际问题。7/23/20242研究内容研究内容研究内容研究内容直流调速系统直流调速系统直流调速系统直流调速系统转速单闭环系统转速单闭环系统转速电流双闭环系统转速电流双闭环系统可逆调速系统可逆调速系统交流调速系统交流调速系统交流调速系统交流调速系统基于稳态模型的基于稳态模型的VVVF调速调速基于动态模型的矢量控制技术基于动态模型的矢量控制技术伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统END7/23/20243考核方式考核方式考核方式考核方式期末考试期末考试 70分（闭卷）分（闭卷）平时成绩平时成绩 30分（作业、实验、出勤）分（作业、实验、出勤）参考教材参考教材参考教材参考教材电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统（第（第4版）上海大版）上海大学学 阮毅阮毅 陈伯时主编陈伯时主编.机械工业出版社，机械工业出版社，2009年年参参参参考考考考书书书书目目目目1.李华德主编李华德主编电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统机械工业出机械工业出版社，版社，2009.22.汤天浩汤天浩.电力传动控制系统电力传动控制系统运动控制系统运动控制系统.机机械工业出版社械工业出版社.2010.4 3.陈霞陈霞.电力拖动自动控制系统原理与设计方法电力拖动自动控制系统原理与设计方法.中国电力出版社中国电力出版社.2010.7 4.Leonhard W.Control of Electrical Drives.，3rd ed, Springer- Verlag, New York, 2001 7/23/20244电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 运动控制系统运动控制系统第第1章章绪论绪论7/23/20245内内 容容 提提 要要n运动控制系统及其组成运动控制系统及其组成n运动控制系统的历史与发展运动控制系统的历史与发展n运动控制系统转矩控制规律运动控制系统转矩控制规律n生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性7/23/20246电力拖动及其自动控制系统电力拖动及其自动控制系统0-0-7 7电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统:具有自动控制和调节工作机械的具有自动控制和调节工作机械的速度速度或或位移位移的电力拖动系统（或称为的电力拖动系统（或称为运动控制系统运动控制系统）基本任务：基本任务：通过控制电动机的电压通过控制电动机的电压电流电流频频率等，来调节电动机的率等，来调节电动机的旋转速度旋转速度或或转角转角，从而，从而实现工作机械对速度或位移的要求。实现工作机械对速度或位移的要求。电力拖动：电力拖动：实现了电能与机械之间的能量变换实现了电能与机械之间的能量变换7/23/20247现代运动控制技术现代运动控制技术电机学、电力电子电机学、电力电子技术、微电子技技术、微电子技术、计算机控制术、计算机控制技术、控制理论、技术、控制理论、信号检测与处理信号检测与处理技术等技术等多门学科多门学科相互交叉相互交叉的综合的综合性学科性学科 。图图1-1运动控制及其相关学科运动控制及其相关学科控制对象：各类电机；控制手段：计算机和其他电子装置；弱电控制强电的纽带：电力电子装置；理论基础：自动控制理论和信息处理理论；研究和开发工具：计算机数字仿真和计算机辅助设计（CAD）7/23/202481.1 运动控制系统及其组成运动控制系统及其组成 图图1-2 运动控制系统及其组成运动控制系统及其组成7/23/20249运动控制系统的控制对象运动控制系统的控制对象电动机电动机l从类型上分从类型上分直流电动机、交流感应电动机（交流异直流电动机、交流感应电动机（交流异步电动机）和交流同步电动机。步电动机）和交流同步电动机。l从用途上分从用途上分用于调速系统的拖动电动机和用于伺服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。系统的伺服电动机。7/23/202410运动控制系统的功率放大与变运动控制系统的功率放大与变换装置换装置l电力电子型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半控型向全控型发展 低频开关向高频开关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分立的器件向具有复合功能的功率模块发展模块发展7/23/202411运动控制系统的控制器运动控制系统的控制器l模拟控制器模拟控制器物理概念清晰、控制信号流向直观物理概念清晰、控制信号流向直观控制规律体现在硬件电路控制规律体现在硬件电路线路复杂、通用性差线路复杂、通用性差控制效果受到器件性能、温度等因控制效果受到器件性能、温度等因素的影响素的影响7/23/202412运动控制系统的控制器运动控制系统的控制器l以微处理器为核心的数字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硬件电路标准化程度高控制规律体现在软件上，修改灵活控制规律体现在软件上，修改灵活方便方便拥有信息存储、数据通信和故障诊拥有信息存储、数据通信和故障诊断等功能断等功能7/23/202413运动控制系统的控制器运动控制系统的控制器l模拟控制器模拟控制器 并行运行，控制器的滞后时间小。并行运行，控制器的滞后时间小。l微处理器数字控制器微处理器数字控制器 串行运行方式，其滞后时间比模拟串行运行方式，其滞后时间比模拟控制器大得多，在设计系统时应予以控制器大得多，在设计系统时应予以考虑。考虑。7/23/202414运动控制系统的信号检测与处理运动控制系统的信号检测与处理l信号检测信号检测 电压、电流、转速和位置等信号电压、电流、转速和位置等信号l信号转换信号转换 电压匹配、极性转换、脉冲整形等电压匹配、极性转换、脉冲整形等l数据处理数据处理 信号滤波信号滤波7/23/2024151.2 运动控制系统的历史与发展运动控制系统的历史与发展l电力电子技术和微电子技术带动了新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，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打破了直流调速系统一统高性能拖动天下的格局。动天下的格局。l进入进入21世纪后，用世纪后，用交流调速系统交流调速系统取取代代直流调速系统直流调速系统已成为不争的事实。已成为不争的事实。7/23/2024171.2 运动控制系统的历史与发展运动控制系统的历史与发展n直流调速系统直流调速系统直流电动机的直流电动机的数学模型简单数学模型简单，转，转矩易于控制。矩易于控制。换向器与电刷的位置保证了电枢换向器与电刷的位置保证了电枢电流与励磁电流的电流与励磁电流的解耦解耦，使转矩与，使转矩与电枢电流成正比。电枢电流成正比。7/23/2024181.2 运动控制系统的历史与发展运动控制系统的历史与发展n交流调速系统交流调速系统交流电动机（尤其是笼型感应电交流电动机（尤其是笼型感应电动机）结构简单动机）结构简单交流电动机交流电动机动态数学模型动态数学模型具有具有非非线性多变量强耦合线性多变量强耦合的性质，比直流电的性质，比直流电动机复杂得多。动机复杂得多。7/23/202419交流调速系统交流调速系统基于稳态模型基于稳态模型的交流调速系统的交流调速系统 转速开环的变压变频调速转速开环的变压变频调速 转速闭环的转差频率控制系统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动态性能无法与直流调速系统相比7/23/202420交流调速系统交流调速系统基于动态模型基于动态模型的交流调速系统的交流调速系统 矢量控制系统矢量控制系统 直接转矩控制系统直接转矩控制系统 动态性能良好，取代直流调速系统动态性能良好，取代直流调速系统7/23/2024211.2 运动控制系统的历史与发展运动控制系统的历史与发展同步电动机同步电动机交流调速系统交流调速系统同同步步电电动动机机的的转转速速与与电电源源频频率率严严格保持同步，机械特性硬。格保持同步，机械特性硬。 电电力力电电子子变变频频技技术术的的发发展展，成成功功地地解解决决了了阻阻碍碍同同步步电电动动机机调调速速的的失失步步和和启动启动两大问题。两大问题。7/23/2024221.3 运动控制系统的转矩控制规律运动控制系统的转矩控制规律 n运动控制系统的运动控制系统的基本运动方程式基本运动方程式7/23/202423l忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩，运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动控制系统的简化运动方程式1.3 运动控制系统的转矩控制规律运动控制系统的转矩控制规律 7/23/202424l转矩控制是运动控制的根本问转矩控制是运动控制的根本问题题要控制要控制转速转速和和转角转角，唯一的途径就，唯一的途径就是是控制电动机的电磁转矩控制电动机的电磁转矩，使转速，使转速变化率按人们期望的规律变化。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运动控制系统的转矩控制规律 7/23/202425l磁链控制同样重要磁链控制同样重要为了有效地控制电磁转矩，充分利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，必须尽可能产生最大的电磁转矩，必须在控制转矩的同时也在控制转矩的同时也控制磁通控制磁通（或（或磁链）。磁链）。1.3 运动控制系统的转矩控制规律运动控制系统的转矩控制规律 7/23/2024261.4 生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性l生生产产机机械械的的负负载载转转矩矩是是一一个个必必然然存存在在的的不可控扰动输入不可控扰动输入。l负负载载转转矩矩特特性性直直接接影影响响运运动动控控制制系系统统控控制方案的选择和系统的动态性能。制方案的选择和系统的动态性能。l归归纳纳出出几几种种典典型型的的生生产产机机械械负负载载转转矩矩特特性性，实实际际负负载载可可能能是是多多个个典典型型负负载载的的组组合合，应应根根据据实实际际负负载载的的具具体体情情况况加加以以分分析。析。7/23/202427n 恒转矩负载恒转矩负载 l负载转矩的大小负载转矩的大小恒定，称作恒转恒定，称作恒转矩负载矩负载a）位能性恒转）位能性恒转矩负载矩负载 b) 反抗性恒转反抗性恒转矩负载矩负载图1-3 恒转矩负载7/23/202428n 恒功率负载恒功率负载l负载转矩与转负载转矩与转速成反比，而速成反比，而功率为常数，功率为常数，称作恒功率负称作恒功率负载载图1-4 恒功率转矩负载 7/23/202429n 风机、泵类负载风机、泵类负载 l负载转矩与转速负载转矩与转速的平方成正比，的平方成正比，称作风机、泵类称作风机、泵类负载负载图1-5 风机、泵类负载7/23/202430