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运动控制讲义运动控制讲义第1页，共22页，编辑于2022年，星期三n n先修要求：电机调速及控制技术，电力电子学，微特电机先修要求：电机调速及控制技术，电力电子学，微特电机n n内容简介内容简介1 1、高精度位置伺服系统、高精度位置伺服系统2 2、交流伺服系统的直接转矩控制、矢量控制、交流伺服系统的直接转矩控制、矢量控制3 3、方波与正弦波复合驱动理论、方波与正弦波复合驱动理论4 4、永磁电机的弱磁调速技术、永磁电机的弱磁调速技术5 5、超低速运动控制理论、超低速运动控制理论6 6、无位置传感器的位置检测技术、无位置传感器的位置检测技术7 7、伺服系统的智能控制方法、伺服系统的智能控制方法n n主要参考书：主要参考书：最新文献，自编论文集最新文献，自编论文集第2页，共22页，编辑于2022年，星期三n n运动控制系统运动控制系统 以机械运动的驱动设备以机械运动的驱动设备电动机为控制对象，以控制电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。n n作用作用 控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，使被控机械运动实现精确的位置控制、速度控制、能，使被控机械运动实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制，以及这些被控机械量的加速度控制、转矩或力的控制，以及这些被控机械量的综合控制，以实现运动机械的运动要求。综合控制，以实现运动机械的运动要求。第3页，共22页，编辑于2022年，星期三运动控制系统分类n n按被控物理量按被控物理量n n调速系统调速系统n n位置伺服系统位置伺服系统n n按驱动电机按驱动电机n n直流传动系统直流传动系统n n交流传动系统交流传动系统 n n按控制器按控制器n n模拟控制系统模拟控制系统n n数字控制系统数字控制系统n n按系统结构按系统结构n n开环开环n n闭环：单闭环、双闭环、多闭环闭环：单闭环、双闭环、多闭环第4页，共22页，编辑于2022年，星期三运动控制系统特点n n被控量过渡过程短：秒级毫秒级被控量过渡过程短：秒级毫秒级n n传动功率范围宽：几毫瓦几百兆瓦传动功率范围宽：几毫瓦几百兆瓦n n调速范围宽：调速比调速范围宽：调速比 1 1：1000010000n n稳态精度高：稳速、定位稳态精度高：稳速、定位n n动态性能好：响应快、精度高动态性能好：响应快、精度高n n效率高、过载能力强效率高、过载能力强n n多台协调控制多台协调控制n n应用范围宽应用范围宽第5页，共22页，编辑于2022年，星期三运动控制对系统的性能要求n n稳态跟踪稳态跟踪-精确性精确性n n动态响应动态响应-精确性与快速性精确性与快速性n n对系统参数变化和不确定干扰-鲁棒性 第6页，共22页，编辑于2022年，星期三运动控制技术的发展趋势 n n驱动交流化 n n控制数字化n n应用先进控制理论 n n系统网络化第7页，共22页，编辑于2022年，星期三直流调速系统 n n开环调速：调压、调磁、调电阻开环调速：调压、调磁、调电阻 n n转速单闭环调速转速单闭环调速n n有静差：有静差：P Pn n无静差：无静差：PIPIn n电流截止负反馈：限流保护电流截止负反馈：限流保护 n n转速电流双闭环转速电流双闭环n n起动快、稳定性提高起动快、稳定性提高n n多环调速多环调速n n电流变化率内环：提高起动安全性电流变化率内环：提高起动安全性n n电压内环：加快电压调节电压内环：加快电压调节n n双域调节双域调节n n基速以下：恒转矩，调压调速（磁通恒定）基速以下：恒转矩，调压调速（磁通恒定）n n基速以上：恒功率，弱磁调速（电压恒定）基速以上：恒功率，弱磁调速（电压恒定）第8页，共22页，编辑于2022年，星期三交流调速系统 n n 交流电机：多输入多输出、非线性、强耦合、时变交流电机：多输入多输出、非线性、强耦合、时变 n n 由由 和和 共同产生共同产生n n 与与 是两个相互耦合的变量是两个相互耦合的变量n n 对鼠笼式电机无法测、无法直接控制对鼠笼式电机无法测、无法直接控制n n 转子功率因数角转子功率因数角 是与转速相关的时变量：是与转速相关的时变量：n n 转子绕组的感抗和电阻转子绕组的感抗和电阻n n 电阻随温度变化，转矩也随之变化电阻随温度变化，转矩也随之变化n n 平均转矩公式：由稳态等值电路推导平均转矩公式：由稳态等值电路推导,瞬态更复杂瞬态更复杂n n 转速控制本质上是转矩控制转速控制本质上是转矩控制,转矩控制是难点。转矩控制是难点。第9页，共22页，编辑于2022年，星期三交流调速基本方法 n n 异步电机：异步电机：第10页，共22页，编辑于2022年，星期三变频控制基本方法 n n标量控制标量控制n n矢量控制（矢量控制（19711971年）年）n n直接转矩控制（直接转矩控制（19851985年）年）第11页，共22页，编辑于2022年，星期三标量控制n n三项异步电机每相定子电势n n基频以下：恒定压频比控制方式n n基频以上：电压保持，频率增大n n标量控制：只控制变量的幅值，不控制其相位第12页，共22页，编辑于2022年，星期三矢量控制（磁场定向控制）n n基本思想：基本思想：通过坐标变换，将交流异步电机模型等效为直流电机，仿照直流机的控通过坐标变换，将交流异步电机模型等效为直流电机，仿照直流机的控制方法，求得直流电机的控制制方法，求得直流电机的控制,再经过相应的反变换，实现电机转矩和磁通再经过相应的反变换，实现电机转矩和磁通的解耦，达到对瞬时转矩的控制。的解耦，达到对瞬时转矩的控制。n n直流电动机：直流电动机：n n三相异步电机：三相异步电机：n n解耦：解耦：第13页，共22页，编辑于2022年，星期三矢量控制（磁场定向控制）n n基本公式：基本公式：定子电流被分解为相互垂直的两个分量：定子电流被分解为相互垂直的两个分量：n n磁链分量：控制转子磁链磁链分量：控制转子磁链n n转矩分量：调节电机转矩转矩分量：调节电机转矩n n解耦控制：解耦控制：实现在动态过程中对电磁转矩进行精细控制，大大提高调速的动态性能。实现在动态过程中对电磁转矩进行精细控制，大大提高调速的动态性能。n n缺点：缺点：对参数的变化十分敏感，转子磁链难于观测，矢量变换复杂对参数的变化十分敏感，转子磁链难于观测，矢量变换复杂n n研究方向：研究方向：跟踪参数变化，提高控制的鲁棒性跟踪参数变化，提高控制的鲁棒性第14页，共22页，编辑于2022年，星期三直接转矩控制n n特点：特点：n n在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，直接控制磁链和转矩，免去了复杂解在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，直接控制磁链和转矩，免去了复杂解耦、变换计算，计算简便。耦、变换计算，计算简便。n n只需定子磁链参数，不需转子参数，减少参数变化对系统性能的影响。只需定子磁链参数，不需转子参数，减少参数变化对系统性能的影响。n n采用电压矢量和六边形磁链轨迹，直接控制转矩。控制结构简单，便于实现数字化。采用电压矢量和六边形磁链轨迹，直接控制转矩。控制结构简单，便于实现数字化。n n转矩和磁链都采用带滞环的转矩和磁链都采用带滞环的band-bandband-band控制，把误差限制在容许的范围内，控制直接又简化。控制，把误差限制在容许的范围内，控制直接又简化。n n转矩响应迅速，无超调，动静态性能好。转矩响应迅速，无超调，动静态性能好。第15页，共22页，编辑于2022年，星期三方波与正弦波复合控制 n n方波控制：出力大、控制简单、低速脉动大方波控制：出力大、控制简单、低速脉动大n n正弦波控制：低速脉动小、控制复杂正弦波控制：低速脉动小、控制复杂n n复合控制：不同速度段用不同的控制模式复合控制：不同速度段用不同的控制模式n n特点：硬件相同、控制策略改变特点：硬件相同、控制策略改变 第16页，共22页，编辑于2022年，星期三无位置传感器的位置检测技术 n n电机结构简单电机结构简单 n n适合轻载起动场合适合轻载起动场合 n n转子磁场位置检测方法转子磁场位置检测方法n n永磁同步电动机最近热点研究：利用交直轴磁阻变化永磁同步电动机最近热点研究：利用交直轴磁阻变化第17页，共22页，编辑于2022年，星期三软开关驱动技术n n硬开关逆变器的系统整体效率较低，开关器件的电压、电流应力大，硬开关逆变器的系统整体效率较低，开关器件的电压、电流应力大，散热器的体积和重量较大，产生严重的电磁干扰散热器的体积和重量较大，产生严重的电磁干扰(EMI)(EMI)并影响电机的并影响电机的绝缘寿命，功率开关器件开通和关断瞬间的电压和电流尖峰可能使绝缘寿命，功率开关器件开通和关断瞬间的电压和电流尖峰可能使功率器件的运行轨迹超出安全工作区功率器件的运行轨迹超出安全工作区(SOA)(SOA)，从而导致功率开关器件，从而导致功率开关器件的损坏。的损坏。n n软开关逆变器中的功率开关器件在零电压软开关逆变器中的功率开关器件在零电压(ZVS)(ZVS)或零电流或零电流(ZCS)(ZCS)条件下切换，理论上而言开关损耗为零。条件下切换，理论上而言开关损耗为零。n n软开关技术可以改善功率器件的运行环境，提高器件运行的可软开关技术可以改善功率器件的运行环境，提高器件运行的可靠性，降低系统的功率损耗，提高装置的效率，减小散热器体靠性，降低系统的功率损耗，提高装置的效率，减小散热器体积增加逆变器的功率密度，抑制过高的和降低电磁干扰，降低积增加逆变器的功率密度，抑制过高的和降低电磁干扰，降低系统音频噪声。系统音频噪声。第18页，共22页，编辑于2022年，星期三基于网络的运动控制 n n运动控制系统的网络化主要指运动控制系统与外部的其他控制系运动控制系统的网络化主要指运动控制系统与外部的其他控制系统或上位计算机进行网络联接和网络控制。统或上位计算机进行网络联接和网络控制。n n随着信息化技术的大量采用，越来越多的国内用户在进口数控随着信息化技术的大量采用，越来越多的国内用户在进口数控机床时要求具有远程通信服务等功能。机床时要求具有远程通信服务等功能。n n使运动控制技术与网络技术有机结合，即基于因特网的运动控使运动控制技术与网络技术有机结合，即基于因特网的运动控制技术研究，在国内外尚处于起步阶段。制技术研究，在国内外尚处于起步阶段。第19页，共22页，编辑于2022年，星期三 快速原型法在运动控制系统设计中的应用n n应用程序模块框图建立模型平台，构思解决方案，在硬件布置、编写产应用程序模块框图建立模型平台，构思解决方案，在硬件布置、编写产品控制软件或交付固定设计方案之前，及早了解系统性能的过程。品控制软件或交付固定设计方案之前，及早了解系统性能的过程。n n应用快速成型过程，可以通过连续重复建模优化实时系统；应用应用快速成型过程，可以通过连续重复建模优化实时系统；应用Simulink Simulink 作为实时模型的前台在运行过程中调节参数作为实时模型的前台在运行过程中调节参数 。n n与传统开发方法相比，周期短、费用低、效率高。与传统开发方法相比，周期短、费用低、效率高。n n快速成型过程是算法、软件、硬件设计阶段的结合，允许开发人员在昂快速成型过程是算法、软件、硬件设计阶段的结合，允许开发人员在昂贵的硬件开发之前查看结果和快速重复设计。贵的硬件开发之前查看结果和快速重复设计。第20页，共22页，编辑于2022年，星期三先进控制策略在运动控制系统中的应用 n n最优控制n n自适应控制n n非线性控制n n滑模变结构控制n n模糊控制n n专家系统n n神经网络控制 第21页，共22页，编辑于2022年，星期三研究热点n n超低速运行超低速运行力矩脉动力矩脉动n n超高速运行超高速运行磁浮、气浮磁浮、气浮n n宽调速运行（宽调速运行（1 1：1000010000）n n高速度稳定度运行（高速度稳定度运行（1010-6-6）n n高定位精度（秒级）高定位精度（秒级）n n快速响应特性（宽频带）快速响应特性（宽频带）n n鲁棒性鲁棒性n n高可靠性运行（余度控制）高可靠性运行（余度控制）n n高精度检测技术高精度检测技术第22页，共22页，编辑于2022年，星期三