1、運動控制系統課程總結摘要：本文通過對運動控制系統課程的總結，使我對運動控制系統有了更深刻的理解。現代運動控制已成為電機學，電力電子技術，微電子技術，計算機控制技術，控制理論，信號檢測與處理技術等多門學科相互交叉的綜合性學科。文中簡單介紹了運動控制及其相關學科的關系，隨著其他相關學科的不斷發展，運動控制系統也在不斷發展，不斷提高系統的安全性，可靠性。文中最后簡述了其發展歷程及其未來發展的展望。關鍵字：運動控制，電力電子，直流調速，交流調速1.引言運動控制系統也叫做電力拖動控制系統。運動控制系統的任務是通過對電動機電壓，電流，頻率等輸入電量的控制,來改變工作機械的轉矩，速度，位移等機械量，使各種機

2、械按人們期望的要求運行,以滿足生產工藝及其他應用的需要。工業生產和科學技術的發展對運動控制系統提出了日益復雜的要求，同時也為研制和生產各類新型的控制裝置提供了可能。在前期課程控制理論、計算機技術、數據處理、電力電子等課程的基礎上，學習以電動機為被控對象的控制系統，培養學生的系統觀念、運動控制系統的基本理論和方法、初步的工程設計能力和研發同類系統的能力。1. 課程總結本書運動控制系統全面、系統、深入地介紹了運動控制系統的基本控制原理、系統組成和結構特點、分析和設計方法。 運動控制系統內容主要包括直流調速、交流調速和伺服系統三部分。直流調速部分主要介紹單閉環、雙閉環直流調速系統和以全控型功率器件為

3、主的直流脈寬調速系統等內容；交流調速部分主要包括基于異步電動機穩態模型的調速系統、基于異步電動機動態模型的高性能調速系統以及串級調速系統；隨動系統部分介紹直、交流隨動系統的性能分析與動態校正等內容。此外，書中還介紹了近幾年發展起來的多電平逆變技術和數字控制技術等內容。運動控制系統既注重理論基礎，又注重工程應用，體現了理論性與實用性相統一的特點。書中結合大量的工程實例，給出了其仿真分析、圖形或實驗數據，具有形象直觀、簡明易懂的特點。1.1直流調速系統第一部分中主要介紹直流調速系統，調節直流電動機的轉速有三種方法：改變電樞回路電阻調速閥，減弱磁通調速法，調節電樞電壓調速法。變壓調速是是直流調速系統

4、的主要方法，系統的硬件結構至少包含了兩部分：能夠調節直流電動機電樞電壓的直流電源和產生被調節轉速的直流電動機。隨著電力電子技術的發展，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方式調節輸出直流電壓。圖為相控整流器-直流電動機調速系統（V-M系統）本章說明了兩類直流電源的特性和數學模型。當用可控直流電源和直流電動機組成一個直流調速系統時，它們所表現車來的性能指標和人們的期望值必然存在一個不小的差距，并做出了分析。開環控制系統無法滿足人們期望的性能指標，本章就閉環控制的直流調速系統展開分析和

5、討論。論述哦了轉速單閉環直流調速系統的控制規律，分析了系統的靜差率，介紹了PI調節器和P調節器的控制作用。轉速單閉環直流調速系統能夠提高調速系統的穩態性能，但動態性能仍不理想，轉速，電流雙閉環直流調速系統是靜動態性能良好，應用最廣的直流調速系統；還介紹了轉速，電流雙閉環系統的組成及其靜特性，數學模型，并對雙閉環直流調速系統的動態特性進行了詳細分析。本章對直流調速系統的數字實現進行了討論，論述了與調速系統緊密關聯的數字測速方法和數字PI調節器的實現方法，并用MATLAB仿真軟件對轉速，電流雙閉環調速系統進行了仿真。 圖為雙閉環直流調速系統1.2交流調速系統第二部分主要介紹交流調速系統。交流調速系

6、統有異步電動機和同步電動機兩大類。異步電動機調速系統分為3類：轉差功率消耗型調速系統，轉差功率饋送型調速系統，轉差功率不變型調速系統。同步電動機的轉差率恒為零，同步電動機調速只能通過改變同步轉速來實現，由于同步電動機極對數是固定的，只能采用變壓變頻調速。本章介紹了基于等效電路的異步電動機穩態模型，討論異步電動機變壓變頻調速的基本原理和基頻以下的電流補償控制。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系，最后介紹了PWM變頻器在異步電動機調速系統中應用的特殊問題。并討

7、論了轉速開環電壓頻率協調控制的變壓變頻調速系統和通用變頻器。詳細討論了轉速閉環轉差頻率控制系統的工作原理和控制規律，并介紹了變頻調速在恒壓供水系統中的應用實例。矢量控制和直接轉矩控制是兩種基于動態模型的高性能的交流電動機調速系統，矢量控制系統通過矢量變換和按轉子磁鏈定向，得到等效直流電機模型，然后按照直流電動機模型設計控制系統；直接轉矩控制系統利用轉矩偏差和定子磁鏈幅值偏差的符號，根據當前定子磁鏈矢量所在的位置，直接選取合適的定子電壓矢量，實施電磁轉矩和定子磁鏈的控制。兩種交流電動機調速系統都能實現優良的靜，動態性能，各有所長，也各有不足之處。2. 運動控制及其相關學科現代運動控制已成為電機學

8、，電力電子技術，微電子技術，計算機控制技術，控制理論，信號檢測與處理技術等多門學科相互交叉的綜合性學科。運動控制系統是以電動機為控制對象,以控制器為核心, 以電力電子、功率變換裝置為執行機構,在控制理論指導下組成的電氣傳動控制系統。運動控制系統多種多樣, 但從基本結構上看, 一個典型的現代運動控制系統的硬件主要由上位計算機、運動控制器、功率驅動裝盆電動機和傳感器反饋檢測裝置和被控對象等幾部分組成。電動機及其功率驅動裝置作為執行器主要為被控對象提供動力。圖為運動控制系統及其組成2.1.電機學電機學是運動控制系統的執行機構，電動機的結構和原理決定了運動控制的設計方法和運行性能，新型電機的發明就會帶

9、出新的運動控制系統。2.2.電力電子技術以電力電子器件為基礎的功率放大與變換裝置是弱電控制強電的媒介，在運動控制系統中作為電動機的可控電源，其輸出電源質量直接影響到運動控制系統的運行狀態喝性能。新型電力電子器件的誕生必將產生新型的功率放大器與變換裝置，對改善電動機供電電源質量，提高系統運行性能，起到積極地推進作用。目前功率放大與變換裝置多用電力電子型。電力電子器件經歷了有半空型向全控型，由低頻開關向高頻開關，由分立的器件向具有復合功能的功率器件模塊發展的過程，電力電子技術的發展，使功率放大與變換裝置的結構趨于簡單，性能趨于完善。2.3.微電子技術微電子技術的快速發展，導致各種高性能的大規模或超

10、大規模的集成電路層出不窮，方便和簡化了運動控制系統的硬件設計及調試工作，提高了運動控制系統的可靠性。高速，大內存容量，多功能的微處理器或單片微機的問世，使各種復雜的控制算法在運動控制系統中的應用成為可能，并大大提高了控制精度。2.4.計算機控制技術計算機具有強大的邏輯判斷、數據計算和處理、信息傳輸等能力，能進行各種復雜的運算，可以實現不同于一般線性調節的控制規律，達到模擬控制系統難以實現的控制功能和效果。計算機控制技術的應用使對象參數辨識、控制系統的參數自整定和自學習、智能控制、故障診斷等成為可能，大大提高了運動控制系統的智能化和系統的可靠性。在工程實際中，對于一些難以求得其精確解析解的問題，

11、可以通過計算機求得其數值解，這就是計算機數字仿真。計算機數字仿真具有成本低，結構靈活，結果直觀，便于貯存和進行數據分析等優點。計算機輔助設計(CAD)是在數字仿真的基礎上發展起來的，在系統數學模型基礎上進行仿真，按給定指標尋優進行計算機輔助設計，已成為運動控制系統常用的分析和設計工具。 2.5.信號檢測與處理技術控制系統的“眼睛”運動控制系統的本質是反饋控制，即根據給定和輸出的偏差實施控制，最終縮小或消除偏差，運動控制系統需通過傳感器實時檢測系統的運行狀態，構成反饋控制，并進行故障分析和故障保護。由于實際檢測信號往往帶有隨機的擾動，這些擾動信號對控制系統的正常運行產生不利的影響，嚴重時甚至會破

12、壞系統的穩定性。為了保證系統安全可靠的運行，必須對實際檢測的信號進行濾波等處理，提高系統的抗干擾能力。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，需要進行信號轉換和數據處理。2.6.控制理論系統分析和設計的依據 控制理論是運動控制系統的理論基礎，是指導系統分析和設計的依據。控制系統實際問題的解決常常能推動理論的發展，而新的控制理論的誕生，諸如非線性控制、自適應控制、智能控制等，又為研究和設計各種新型的運動控制系統提供了理論依據。同樣，運動控制系統在我們所學過的許多專業課程中也有重要的應用。例如我們在這個學期所學習的DSP其中就

13、有用DSP控制直流電機調速的。這用到運動控制系統中的直流調速系統的相關知識。3.運動控制的發展運動控制系統的發展經歷了從直流到交流，從開環到閉環，從模擬到數字，直到基于PC的伺服控制網絡系統和基于網絡的運動控制的發展過程，每個過程的發展都在很大程度上促進了運動控制系統的發展。與交流運動系統相比，直流運動系統控制簡單、調速性能好，長期以來占統治地位，當前已經發展的相當完善。隨著微電子技術的發展，國際上全數字直流運動控制系統已經非常的普及。直流運動控制系統以其優異的性能在近一段時期內不會被完全淘汰，交流運動控制系統代替直流運動控制系統需要經歷一個漫長的過程。直流運動控制系統存在著以下的缺點：a.直

14、流電動機結構復雜、成本高、故障多、維護困難且工作量大，經常因為火花大而影響生產，同時對其他設備也造成不同程度的電磁干擾。b.機械換向器的換向能力限制了電動機的容量、電壓和速度，接觸式的電流傳輸又限制了直流電動機的應用場合。c.電樞在轉子上，電動機效率低，散熱條件差，冷卻費用高。為了改善換向能力，減小電樞的漏感，轉子變得粗短，影響了系統的動態性能。由開環到閉環的發展是控制系統發展的必然。直流運動系統的閉環控制作為交流運動控制系統的基礎，交流運動控制系統的控制就是模擬了直流運動系統的閉環控制功能。交流運動控制系統在當前的應用領域逐漸擴大。 運動控制系統在要求成本低、控制精度不高的場合大多運行于開環

15、狀態。當前的開環控制模式主要有調壓(VV)、調頻(VF，無閉環)以及變壓變頻(VVVF)，其中變壓變頻可以分為交交變頻和交直交變頻。傳統的電動機的狀態只有正轉、反轉和靜止這三種狀態，不能產生轉速的變化。應用變頻器調速后，使電動機的轉速變化自如，賦予了運動控制系統新的活力，過去運動控制中的難題由此迎刃而解。隨著電力電子技術的進步，新一代全數字通用變頻器可以組成恒壓頻比的開環調速運動控制系統，此系統具有較硬的機械特性和較好的調速性能，可滿足很大部分中小型生產機械的一般調速要求，達到節能、提高產品質量和生產效益的目的，由于這部分交流運動系統量大面廣，因此，速度開環控制的運動控制系統是運動控制的主要部

16、分。由于開環控制缺少必要的閉環，因此存在很多的弊端：電流無法控制，無法做到對運動系統的有效的保護；系統的控制精度不高等。為了實現系統的穩定、可靠和高精度，運動控制必須實現系統的閉環控制。對于不同的運動控制系統，閉環的模式也就不一樣。為了實現速度的控制，可以采用電流環和速度環兩環結構；為了實現位置的跟蹤，應采用位置環、速度環和電流環的三環結構。當前，流行的閉環控制模式主要分為矢量控制(或磁場定向控制)和直接轉矩控制。進入20世紀80年代后，因為微電子技術的快速發展，電路的集成度越來越高，對運動控制系統產生了很重要的影響，運動控制系統的控制方式迅速向微機控制方向發展，并由硬件控制轉向軟件控制，智能

17、化的軟件控制將成為運動控制系統的一個發展趨勢。基于PC的運動控制卡，在當前具有很大的優勢。很多的科研院所所開發的運動控制卡，可以諧調多軸運動控制系統，使得系統具有良好的控制性能。隨著材料技術、電力電子技術、控制理論、計算機技術、微電子技術的快速發展以及電動機制造工藝水平的逐步提高，同時伴隨著制造業的不斷升級和“柔性制造技術”的快速發展，必將為“柔性加工和制造技術”的核心技術之一的“運動控制系統技術”迎來又一大好的發展時機。4.總結本文概述了運動控制系統內容總結，以及相關學科的關系，包括各個方面的發展。從中可以看出, 現代的運動控制系統已經不同于原有的電氣傳動控制系統的概念, 它是綜合電力電子技術和微電子技