运动控制系统(第4版)第1章 绪论.ppt

第1章绪论
重点介绍运动控制系统的组成及发展概况,包括4节内容。
运动控制系统及其组成
运动控制系统的历史与发展
运动控制系统的转矩控制规律
生产机械的负载转矩特性
第1章绪论
电力拖动实现了电能与机械能之间的能量变换,而电力拖动自动控制系统——运动控制系统的任务是通过控制电动机电压、电流、频率等输入量,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。
现代运动控制技术以各类电动机为控制对象,以计算机和其他电子装置为控制手段,以电力电子装置为弱电控制强电的纽带,以自动控制理论和信息处理理论为理论基础,以计算机数字仿真和计算机辅助设计(CAD)为研究和开发的工具。
由此可见,现代运动控制技术已成为电机学、电力电子学、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。
第1章绪论
图1-1 运动控制及其相关学科
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运动控制系统及其组成
运动控制系统由电动机、功率放大与变换装置、控制器及相应的传感器等构成,其结构如图1-2所示。
图1-2 运动控制系统及其组成
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电动机
运动控制系统的控制对象为电动机,电动机根据工作原理可分为直流电动机、交流感应电动机(交流异步电动机)和交流同步电动机等,根据用途可分为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。
直流电动机结构复杂,制造成本高,电刷和换向器限制了它的转速与容量。极限容量和速度之积约为, 交流电动机(尤其是笼型感应电动机)结构简单、制造容易,无须机械换向器,因此其允许转速与容量均大于直流电动机。
同步电动机的转速等于同步转速,机械特性硬,功率因数可调。但在恒频电源供电时调速较为困难,变频器的诞生不仅解决了同步电动机的调速,还解决了其起动和失步问题,有效地促进了同步电动机在运动控制系统中的应用。
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功率放大与变换装置
功率放大与变换装置有电机型、电磁型、电力电子型等,现在多用电力电子型的。电力电子器件经历了由半控型向全控型、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。
晶闸管(SCR)是第一代电力电子器件的典型代表,属于半控型器件,通过门极只能使晶闸管开通,而无法使它关断。该类器件可方便地应用于相控整流器(AC→DC)和有源逆变器(DC→AC),但用于无源逆变(DC→AC)或直流PWM(脉宽调制)方式调压(DC→DC)时,必须增加强迫换流回路,使电路结构复杂。
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第二代电力电子器件是全控型器件,通过门极既可以使器件开通,也可以使它关断,例如MOSFET、IGBT、GTO等。此类器件用于无源逆变(DC→AC)和直流调压(DC→DC)时,无须强迫换流回路,主电路结构简单。第二代电力电子器件的另一个特点是可以大大提高开关频率,用PWM技术控制功率器件的开通与关断,可大大提高可控电源的质量。
第三代电力电子器件的特点是由单一的器件发展为具有驱动、保护等功能的复合功率模块,提高了使用的安全性和可靠性。
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控制器
控制器分模拟控制器和数字控制器两类,也有模数混合的控制器,现在已越来越多地采用数字控制器。
模拟控制器常用运算放大器及相应的电气元件实现,具有物理概念清晰、控制信号流向直观等优点,其控制规律体现在硬件电路和所用的器件上,因而线路复杂、通用性差、控制效果受到器件性能、温度等因素的影响。
以微处理器为核心的数字控制器的硬件电路标准程度高、制作成本低,而且没有器件的温度漂移的问题。控制规律体现在软件上,修改起来灵活方便。此外,还拥有信息储存、数据通信和故障诊断等模拟控制器难以实现的功能。
然而,模拟控制器的所有运算能在同一时刻并行运行,控制器的滞后时间很小,可以忽略不计;而一般的微处理器在任
第1章绪论
何时刻只能执行一条指令,属于串行运行方式,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。
信号检测与处理
运动控制系统中常需要电压、电流、转速和位置的反馈信号,为了真实可靠地得到这些信号,并实现功率电路(强电)和控制器(弱电)之间的电气隔离,需要相应的传感器。电压、电流传感器的输出信号多为连续的模拟量,而转速和位置传感器的输出信号因传感器的类型而异,可以是连续的模拟量,也可以是离散的数字量。由于控制系统对反馈通道上的扰动无抑制能力,所以,信号传感器必须有足够高的精度,才能保证控制系统的准确性。
第1章绪论
信号转换和处理包括电压匹配、极性转换、脉冲整形等,对于计算机数字控制系统而言,必须将传感器输出的模拟或数字信号