运动控制系统课程总结

运动控制系统课程总结

摘要：本文通过对《运动控制系统》课程的总结，使我对运动控制系统有了更深刻的理解。现代运动控制已成为电机学，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。文中简单介绍了运动控制及其相关学科的关系，随着其他相关学科的不断发展，运动控制系统也在不断发展，不断提高系统的安全性，可靠性。文中最后简述了其发展历程及其未来发展的展望。

关键字：运动控制，电力电子，直流调速，交流调速

1.引言

运动控制系统也叫做电力拖动控制系统。运动控制系统的任务是通过对电动机电压，电流，频率等输入电量的控制,来改变工作机械的转矩，速度，位移等机械量，使各种机械按人们期望的要求运行,以满足生产工艺及其他应用的需要。工业生产和科学技术的发展对运动控制系统提出了日益复杂的要求，同时也为研制和生产各类新型的控制装置提供了可能。在前期课程控制理论、计算机技术、数据处理、电力电子等课程的基础上，学习以电动机为被控对象的控制系统，培养学生的系统观念、运动控制系统的基本理论和方法、初步的工程设计能力和研发同类系统的能力。

1.课程总结

本书《运动控制系统》全面、系统、深入地介绍了运动控制系统的基本控制原理、系统组成和结构特点、分析和设计方法。

《运动控制系统》内容主要包括直流调速、交流调速和伺服系统三部分。直流调速部分主要介绍单闭环、双闭环直流调速系统和以全控型功率器件为主的直流脉宽调速系统等内容；交流调速部分主要包括基于异步电动机稳态模型的调速系统、基于异步电动机动态模型的高性能调速系统以及串级调速系统；随动系统部分介绍直、交流随动系统的性能分析与动态校正等内容。此外，书中还介绍了近几年发展起来的多电平逆变技术和数字控制技术等内容。《运动控制系统》既注重理论基础，又注重工程应用，体现了理论性与实用性相统一的特点。书中结合大量的工程实例，给出了其仿真分析、图形或实验数据，具有形象直观、简明易懂的特点。

1.1直流调速系统

第一部分中主要介绍直流调速系统，调节直流电动机的转速有三种方法：改变电枢回路电阻调速阀，减弱磁通调速法，调节电枢电压调速法。

变压调速是是直流调速系统的主要方法，系统的硬件结构至少包含了两部分：能够调节直流电动机电枢电压的直流电源和产生被调节转速的直流电动机。随着电力电子技术的发展，可控直流电源主要有两大类，一类是相控整流器，它把交流电源直接转换成可控直流电源；另一类是直流脉宽变换器，它先把交流电整流成不可控的直流电，然后用PWM方式调节输出直流电压。

图为相控整流器-直流电动机调速系统（V-M系统）

本章说明了两类直流电源的特性和数学模型。当用可控直流电源和直流电动机组成一个直流调速系统时，它们所表现车来的性能指标和人们的期望值必然存在一个不小的差距，并做出了分析。开环控制系统无法满足人们期望的性能指标，本章就闭环控制的直流调速系统展开分析和讨论。论述哦了转速单闭环直流调速系统的控制规律，分析了系统的静差率，介绍了PI调节器和P 调节器的控制作用。转速单闭环直流调速系统能够提高调速系统的稳态性能，但动态性能仍不理想，转速，电流双闭环直流调速系统是静动态性能良好，应用最广的直流调速系统；还介绍了转速，电流双闭环系统的组成及其静特性，数学模型，并对双闭环直流调速系统的动态特性进行了详细分析。本章对直流调速系统的数字实现进行了讨论，论述了与调速系统紧密关联的数字测速方法和数字PI调节器的实现方法，并用MATLAB仿真软件对转速，电流双闭环调速系统进行了仿真。

图为双闭环直流调速系统

1.2交流调速系统

第二部分主要介绍交流调速系统。交流调速系统有异步电动机和同步电动机两大类。

异步电动机调速系统分为3类：转差功率消耗型调速系统，转差功率馈送型调速系统，转差功率不变型调速系统。

同步电动机的转差率恒为零，同步电动机调速只能通过改变同步转速来实现，由于同步电动机极对数是固定的，只能采用变压变频调速。

本章介绍了基于等效电路的异步电动机稳态模型，讨论异步电动机变压变频调速的基本原理和基频以下的电流补偿控制。首先介绍了交流PWM变频器的主电路，然后讨论正选PWM（SPWM），

电流跟踪PWM（CFPWM）和电压空间矢量PWM(SVPWM)三种控制方式，讨论了电压矢量与定子磁链的关系，最后介绍了PWM变频器在异步电动机调速系统中应用的特殊问题。并讨论了转速开环电压频率协调控制的变压变频调速系统和通用变频器。详细讨论了转速闭环转差频率控制系统的工作原理和控制规律，并介绍了变频调速在恒压供水系统中的应用实例。

矢量控制和直接转矩控制是两种基于动态模型的高性能的交流电动机调速系统，矢量控制系统通过矢量变换和按转子磁链定向，得到等效直流电机模型，然后按照直流电动机模型设计控制系统；直接转矩控制系统利用转矩偏差和定子磁链幅值偏差的符号，根据当前定子磁链矢量所在的位置，直接选取合适的定子电压矢量，实施电磁转矩和定子磁链的控制。两种交流电动机调速系统都能实现优良的静，动态性能，各有所长，也各有不足之处。

2. 运动控制及其相关学科

现代运动控制已成为电机学，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。运动控制系统是以电动机为控制对象,以控制器为核心, 以电力电子、功率变换装置为执行机构,在控制理论指导下组成的电气传动控制系统。运动控制系统多种多样, 但从基本结构上看, 一个典型的现代运动控制系统的硬件主要由上位计算机、运动控制器、功率驱动装盆电动机和传感器反馈检测装置和被控对象等几部分组成。电动机及其功率驱动装置作为执行器主要为被控对象提供动力。

图为运动控制系统及其组成

2.1.电机学

电机学是运动控制系统的执行机构，电动机的结构和原理决定了运动控制的设计方法和运行性能，新型电机的发明就会带出新的运动控制系统。

2.2.电力电子技术

以电力电子器件为基础的功率放大与变换装置是弱电控制强电的媒介，在运动控制系统中作为电动机的可控电源，其输出电源质量直接影响到运动控制系统的运行状态喝性能。新型电力电子器件的诞生必将产生新型的功率放大器与变换装置，对改善电动机供电电源质量，提高系统运行性能，起到积极地推进作用。目前功率放大与变换装置多用电力电子型。电力电子器件经历了有半空型向全控型，由低频开关向高频开关，由分立的器件向具有复合功能的功率器件模块发展的过程，电力电子技术的发展，使功率放大与变换装置的结构趋于简单，性能趋于完善。

2.3.微电子技术

微电子技术的快速发展，导致各种高性能的大规模或超大规模的集成电路层出不穷，方便和简化了运动控制系统的硬件设计及调试工作，提高了运动控制系统的可靠性。高速，大内存容量，多功能的微处理器或单片微机的问世，使各种复杂的控制算法在运动控制系统中的应用成为可能，并大大提高了控制精度。

2.4.计算机控制技术

计算机具有强大的逻辑判断、数据计算和处理、信息传输等能力，能进行各种复杂的运算，可以实现不同于一般线性调节的控制规律，达到模拟控制系统难以实现的控制功能和效果。计算机控制技术的应用使对象参数辨识、控制系统的参数自整定和自学习、智能控制、故障诊断等成为可能，大大提高了运动控制系统的智能化和系统的可靠性。

在工程实际中，对于一些难以求得其精确解析解的问题，可以通过计算机求得其数值解，这就是计算机数字仿真。计算机数字仿真具有成本低，结构灵活，结果直观，便于贮存和进行数据分析等优点。计算机辅助设计(CAD)是在数字仿真的基础上发展起来的，在系统数学模型基础上进行仿真，按给定指标寻优进行计算机辅助设计，已成为运动控制系统常用的分析和设计工具。

2.5.信号检测与处理技术－－控制系统的“眼睛”

运动控制系统的本质是反馈控制，即根据给定和输出的偏差实施控制，最终缩小或消除偏差，运动控制系统需通过传感器实时检测系统的运行状态，构成反馈控制，并进行故障分析和故障保护。

由于实际检测信号往往带有随机的扰动，这些扰动信号对控制系统的正常运行产生不利的影响，严重时甚至会破坏系统的稳定性。为了保证系统安全可靠的运行，必须对实际检测的信号进行滤波等处理，提高系统的抗干扰能力。此外，传感器输出信号的电压、极性和信号类型往往与控制器的需求不相吻合。所以，传感器输出信号一般不能直接用于控制，需要进行信号转换和数据处理。

2.6.控制理论－－系统分析和设计的依据

控制理论是运动控制系统的理论基础，是指导系统分析和设计的依据。控制系统实际问题的解决常常能推动理论的发展，而新的控制理论的诞生，诸如非线性控制、自适应控制、智能控制等，又为研究和设计各种新型的运动控制系统提供了理论依据。

同样，运动控制系统在我们所学过的许多专业课程中也有重要的应用。例如我们在这个学期所学习的DSP其中就有用DSP控制直流电机调速的。这用到运动控制系统中的直流调速系统的相关知识。

3.运动控制的发展

运动控制系统的发展经历了从直流到交流，从开环到闭环，从模拟到数字，直到基于PC的伺服控制网络系统和基于网络的运动控制的发展过程，每个过程的发展都在很大程度上促进了运动控制系统的发展。

与交流运动系统相比，直流运动系统控制简单、调速性能好，长期以来占统治地位，当前已经发展的相当完善。随着微电子技术的发展，国际上全数字直流运动控制系统已经非常的普及。直流运动控制系统以其优异的性能在近一段时期内不会被完全淘汰，交流运动控制系统代替直流运动控制系统需要经历一个漫长的过程。

直流运动控制系统存在着以下的缺点：

a.直流电动机结构复杂、成本高、故障多、维护困难且工作量大，经常因为火花大而影响生产，同时对其他设备也造成不同程度的电磁干扰。

b.机械换向器的换向能力限制了电动机的容量、电压和速度，接触式的电流传输又限制了直流电动机的应用场合。

c.电枢在转子上，电动机效率低，散热条件差，冷却费用高。为了改善换向能力，减小电枢的漏感，转子变得粗短，影响了系统的动态性能。

由开环到闭环的发展是控制系统发展的必然。直流运动系统的闭环控制作为交流运动控制系统的基础，交流运动控制系统的控制就是模拟了直流运动系统的闭环控制功能。交流运动控制系统在当前的应用领域逐渐扩大。

运动控制系统在要求成本低、控制精度不高的场合大多运行于开环状态。当前的开环控制模式主要有调压(VV)、调频(VF，无闭环)以及变压变频(VVVF)，其中变压变频可以分为交－交变频和交－直－交变频。

传统的电动机的状态只有正转、反转和静止这三种状态，不能产生转速的变化。应用变频器调速后，使电动机的转速变化自如，赋予了运动控制系统新的活力，过去运动控制中的难题由此迎刃而解。随着电力电子技术的进步，新一代全数字通用变频器可以组成恒压频比的开环调速运动控制系统，此系统具有较硬的机械特性和较好的调速性能，可满足很大部分中小型生产机械的一般调速要求，达到节能、提高产品质量和生产效益的目的，由于这部分交流运动系统量大面广，因此，速度开环控制的运动控制系统是运动控制的主要部分。

由于开环控制缺少必要的闭环，因此存在很多的弊端：电流无法控制，无法做到对运动系统的有效的保护；系统的控制精度不高等。为了实现系统的稳定、可靠和高精度，运动控制必须实现系统的闭环控制。对于不同的运动控制系统，闭环的模式也就不一样。为了实现速度的控制，可以采用电流环和速度环两环结构；为了实现位置的跟踪，应采用位置环、速度环和电流环的三环结构。当前，流行的闭环控制模式主要分为矢量控制(或磁场定向控制)和直接转矩控制。

进入20世纪80年代后，因为微电子技术的快速发展，电路的集成度越来越高，对运动控制系统产生了很重要的影响，运动控制系统的控制方式迅速向微机控制方向发展，并由硬件控制转向软件控制，智能化的软件控制将成为运动控制系统的一个发展趋势。基于PC的运动控制卡，在当前具有很大的优势。很多的科研院所所开发的运动控制卡，可以谐调多轴运动控制系统，使得系统具有良好的控制性能。

随着材料技术、电力电子技术、控制理论、计算机技术、微电子技术的快速发展以及电动机制造工艺水平的逐步提高，同时伴随着制造业的不断升级和“柔性制造技术”的快速发展，必将为“柔性加工和制造技术”的核心技术之一的“运动控制系统技术”迎来又一大好的发展时机。

4.总结

本文概述了运动控制系统内容总结，以及相关学科的关系，包括各个方面的发展。从中可以看出, 现代的运动控制系统已经不同于原有的电气传动控制系统的概念, 它是综合电力电子技术和微电子技术、电机原理和自动控制理论、计算机仿真的一门新兴学科, 必须学习许多新的知识才能从事这一学科的研究与开发, 以及产品的更新换代。我国在运动控制系统的许多方面是落后的。产品与研究开发能力落后于发达国家，包括电力电子器件和微电子器件，还有装置生产中工艺和基础设备。作为一名大学生21世纪新型人才，我们必须努力学习先进科学知识，促进我国运动控制系统的发展。

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运动控制系统期末作业

姓名郭茂成

学号 P071613427 学院电气工程学院

专业班级 07级电气工程及其自动化1班

指导教师刁晨

成绩

2010年 12月25日