运动控制系统 复习知识点总结讲课稿

1 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，使各种工作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。

（运动控制系统框图）2. 运动控制系统的控制对象为电动机，运动控制的目的是控制电动机的转速和转角，要控制转速和转角，唯一的途径就是控制电动机的电磁转矩，使转速变化率按人们期望的规律变化。

因此，转矩控制是运动控制的根本问题。

第1章可控直流电源-电动机系统内容提要相控整流器-电动机调速系统直流PWM变换器-电动机系统调速系统性能指标1相控整流器-电动机调速系统原理2.晶闸管可控整流器的特点（1）晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上，其门极电流可以直接用电子控制。

（2）晶闸管的控制作用是毫秒级的，系统的动态性能得到了很大的改善。

晶闸管可控整流器的不足之处晶闸管是单向导电的，给电机的可逆运行带来困难。

晶闸管对过电压、过电流和过高的du/dt与di/dt都十分敏感，超过允许值时会损坏晶闸管。

在交流侧会产生较大的谐波电流，引起电网电压的畸变。

需要在电网中增设无功补偿装置和谐波滤波装置。

3.V-M系统机械特4.最大失控时间是两个相邻自然换相点之间的时间，它与交流电源频率和晶闸管整流器的类型有关。

5.（1）直流脉宽变换器根据PWM变换器主电路的形式可分为可逆和不可逆两大类（2）简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统（3）有制动电流通路的不可逆PWM-直流电动机系统（4）桥式可逆PWM变换器（5）双极式控制的桥式可逆PWM变换器的优点双极式控制方式的不足之处（6）直流PWM变换器-电动机系统的能量回馈问题”。

（7）直流PWM调速系统的机械特性6..生产机械要求电动机在额定负载情况下所需的最高转速和最低转速之比称为调速范围，用字母D来表示（D的表达式）当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时电动机转速的变化率，称为静差率s。

运动控制系统（一）复习大纲第一章 绪论1、熟悉运动控制系统的基本组成；2、掌握运动控制系统的转矩控制规律及各种典型负载特性。

第二章 转速反馈控制的直流调速系统1、 直流电动机的调速方法（三种）、直流调速系统用的可控直流电源。

2、 可控直流电源及其特点：（1）晶闸管—电动机系统（V-M 系统）：相位控制、电流脉动、电流连续时的电机机械特性、晶闸管触发电路和整流装置的数学模型。

（2）直流脉宽调制PWM 调速系统：电路形式和波形分析、电压关系、机械特性、数学模型。

3、 转速控制要求和稳态调速性能指标（调速范围和静差率）。

4、 掌握调速范围、静差率和额定速降之间的关系：)s 1(n sn D N N -=∆5、 转速单闭环调速系统的组成、原理及静特性（会画静态结构图及推导静特性）、闭环控制规律及开环调速系统的机械特性与闭环调速系统的静特性的关系。

正确理解为什么闭环系统静特性会变硬？6、 反馈控制规律（比例控制有静差、服从给定抵制扰动、系统精度取决于给定电源和反馈检测的精度）及闭环系统的抗扰作用。

7、 开环系统机械特性和比例控制闭环系统静特性的关系：负载相同情况下：K1n n opcl +=∆∆；理想空载转速相同情况下：K1s s op cl +=在相同的静差率约束下，闭环系统的调速范围为开环系统的（1+K ）倍：op cl D )K 1(D +=8、 闭环直流调速系统的稳态参数计算。

（作业）9、 电流截止负反馈的作用及其系统组成原理（原理图、静态结构图）。

10、 带电流截止负反馈转速闭环控制系统的静态结构图及有关计算。

11、 转速反馈控制直流调速系统的数学模型及闭环系统稳定性分析。

12、 比例积分控制规律以及无静差调速系统的理解和稳态参数计算。

13、 数字控制系统的主要特点（离散化和数字化）；14、 数字测速方法（M ，T, M/T ）原理示意图、计算表达式及适应场合。

15、 模拟PI 调节器的数字化，差分方程，两种实现方法（位置式、增量式）及限幅。

运动控制技术一、什么是运动控制系统，它由什么组成？运动控制系统（Motion Control System）也可称作电力拖动控制系统（Control Systems of Electric Drive）。

它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，使各种工作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二、什么是机床的数字控制以数字指令方式控制机床各部件的相对运动和动作。

将数字代码输入机床的数字控制装置（即控制机床的专用计算机）中去，经过计算机的计算处理、伺服控制、驱动机床各部件运动，完成上述空间直线段的加工。

用这种控制技术控制的机床就称为“数控机床”或“NC机床”。

（Numerically Controlled Machine Tool）轮廓加工控制：不仅对坐标的移动量进行控制，而且对各坐标的速度及它们之间比率都要行严格控制，以便加工出给定的轨迹。

在允许的误差范围内,从微观上看,用沿直线（精确地说沿逼近函数）的各轴最小单位移动量合成的分段运动来代替曲线运动，从而加工出轮廓。

基本名词术语：1.点位控制：控制点到点的距离；2.轮廓控制：控制轮廓加工，实时控制位移和速度；3. 分辨率：闭环数控机床的最小监测单位，也叫设定单位。

它代表了数控系统和数控机床的精度。

4、脉冲当量：数控系统中，一个指令脉冲代表的位移量(开环)；5、插补:数据密化,用已知线型（已有插补轨迹）代替未知线型。

6、直线插补：数控机床加工时，刀具运动轨迹是直线的，称为直线插补。

7、圆弧插补：数控机床加工时，刀具运动轨迹是圆弧的，称为圆弧插补；三、什么是开放式数控系统？及开放式数控系统的特点是什么？IEEE（国际电气电子工程师协会）是这样定义开放式数控系统的：“符合系统规范的应用系统可以运行在多个销售商的不同平台上，可以与其它系统的应用进行互操作，并且具有一致风格的用户交互界面。

《运动控制系统》知识要点——— PH.D 戴卫力CH1 绪论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。

运动控制系统的基本运动方程:dtdn GD T T L e 3752=-2GD ：转动惯量，为飞轮矩（2Nm ）n ：转子的机械转速（r/min ）πω260mn =转矩控制是运动控制的根本问题。

生产机械的负载转矩特性一般分为恒转矩负载、恒功率负载和风机、泵类负载。

恒转矩负载又分为位能性和反抗性负载两种。

前者有重力产生，具有固定的大小和方向。

反抗性恒转矩负载的大小不变，方向始终与转速反向。

恒功率负载的特征是负载转矩与转速成反比，而功率为常数。

即 mLL P T ω=风机、泵类负载的转矩与转速的平方成正比。

闭环控制的直流调速系统直流调速公式的推想Φ-=e K IRU n Φ=e e K C ① 调节电枢电压U ；② 弱磁（只能弱，升磁会导致磁饱和）； ③ 改变电枢回路电阻R属无级调速的为①和②；有级调速的为③；调速范围小的② 因此，采用的最多的是①。

CH2 转速反馈控制的直流调速系统2.1 加在直流电机电枢绕组上的直流电源类型：旋转变流机组、静止式可控整流器、PWM 控制变换器 抑制电流脉动的措施：1）增加整流电路相数，或采用多重化技术。

2）设置电感量足够大的平波电抗器。

V-M 系统电流工作在断续时，有两个显著的特点：一是机械特性变软；二是理想空载转速高。

晶闸管整流器的失控时间Ts ：整流电路输出电压脉动周期的一半。

不可逆PWM 变换器中，加在电机两端的端电压是_____________桥式可逆PWM 变换器的输出平均电压为(2D-1)Us （D 为占空比，D=ton/T ）调速系统的稳态性能指标：调速范围D ：电动机提供的最高转速max n 和最低转速min n 之比；min max /n n D =注意的是：这里的最高和最低转速是指电动机额定负载时的最高和最低转速。

《运动控制》课程复习大纲王一开编第一部分：填空题+简答题1、PWM系统的几种工作状态。

（P129）分正向电动，反向制动，轻载电动三种状态■一般电动状态在一般电动状态中，始终为正值（其正方向示于图1-17a中）。

设ton为VT1的导通时间，则一个工作周期有两个工作阶段：在0 ≤t ≤ton期间，Ug1为正，VT1导通，Ug2为负，VT2关断。

此时，电源电压Us加到电枢两端，电流id 沿图中的回路1流通。

在ton ≤t ≤T 期间，Ug1和Ug2都改变极性，VT1关断，但VT2却不能立即导通，因为id沿回路2经二极管VD2续流，在VD2两端产生的压降给VT2施加反压，使它失去导通的可能。

因此，实际上是由VT1和VD2交替导通，虽然电路中多了一个功率开关器件，但并没有被用上。

■制动状态在制动状态中，id为负值，VT2就发挥作用了。

这种情况发生在电动运行过程中需要降速的时候。

这时，先减小控制电压，使Ug1 的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平均电枢电压Ud降低。

但是，由于机电惯性，转速和反电动势E还来不及变化，因而造成E Ud 的局面，很快使电流id反向，VD2截止，VT2开始导通。

制动状态的一个周期分为两个工作阶段：在0 ≤t ≤ton 期间，VT2 关断，－id 沿回路4 经VD1 续流，向电源回馈制动，与此同时，VD1 两端压降钳住VT1 使它不能导通。

在ton ≤t ≤T期间，Ug2 变正，于是VT2导通，反向电流id 沿回路3 流通，产生能耗制动作用。

因此，在制动状态中，VT2和VD1轮流导通，而VT1始终是关断的，此时的电压和电流波形示于图1-17c。

■轻载电动状态有一种特殊情况，即轻载电动状态，这时平均电流较小，以致在关断后经续流时，还没有到达周期T ，电流已经衰减到零，此时，VT2因而两端电压也降为零，便提前导通了，使电流方向变动，产生局部时间的制动作用。

轻载电动状态，一个周期分成四个阶段：第1阶段，VD1续流，电流– id 沿回路4流通；第2阶段，VT1导通，电流id 沿回路1流通；第3阶段，VD2续流，电流id 沿回路2流通；第4阶段，VT2导通，电流– id 沿回路3流通。

三复习纲要直流拖动系统（掌握）控制系统课程贯穿着一个基本方法：理论联系实际来分析问题解决问题。

具体来说就是系统思想和模型化、工程化方法。

本书的基本结构是以学科历史发展过程或者说实际问题为逻辑起点，而一般的理论课程如物理、数学实际上是与科研实际过程相反的，以学习者的知识结构为逻辑起点，从定义、概念、定律再到定理。

这是因为理论的发展意味着概念的创新。

而控制系统是一门技术理论课程，它是从技术角度来总结的。

正因为是技术角度出发的，具有综合性和实践性的特点。

所以对学习者来说，必须具备一定的实践基础和专业理论基础。

而对初学者来说，表现出有一定的难度是不奇怪的，而且，每一部分内容都仅是打下基础，深入的细节方面的知识，需要更进一步地查阅其它书籍和资料，从另一方面来看，这也给大家留下了自学和实践的空间。

从电压平衡方程式，导出调速方法，从反馈控制原理和静态参数的要求导出闭环控制系统；从静态与动态性能的矛盾分析了P调节器和I调节器，发展到PI调节器；从单闭环的调速系统无法控制起、制动动态电流，导出了带饱和非线性的PI调节器构成双闭环的系统结构，而双闭环的结构可以说交直流电动机控制的基本结构；从单向开关的晶闸管不能实现反转和回馈制动导出了可逆系统结构，又从可逆系统引起的环流问题导出有环流和无环流控制策略；再从调压调速的限制和宽调速范围的要求引出带弱磁控制的非独立弱磁控制系统。

问题一步一步深化。

但思考问题的出发点是电压平衡方程式，磁链平衡方程式，转矩平衡方程式，再加半导体开关的特性导致的电力电子电路中的特殊问题（也就是电力电子技术），同时分析时用到了电路和电机中的基本概念如输入功率、输出功率、转差功率、功率因数、效率、损耗等等。

1闭环控制静差率与调速范围重点掌握可控直流电源VM系统的主要问题直流脉宽调速系统的主要问题单闭环稳态分析PI调节器2 双闭环稳态数学模型及动态性能分析非典型系统的典型化弱磁控制实验电路模拟式PI调节器，过电流保护电路3 数字控制（了解）数字测速数字PI调节器及其设计方法4 可逆系统（掌握）5 变压调速及其软起动器（了解）6.1 VVVF 控制方式（掌握）机械特性比较三段式控制6.2 PWM 模式spwm chbpwm svpwm （了解）6.3 变频器的主要类型（了解）6.4 标量控制系统转速开环转速闭环转差频率控制（一般掌握）6.5 矢量控制原理坐标变换转子磁链定向（一般掌握）6.6 矢量控制系统直接矢量控制间接矢量控制转子磁链估计和观测（理解）6.7 直接转矩控制定子磁链的估计和观测（理解）7 串级调速系统（高效率低功率因数）（掌握）双馈调速的5种工况串级调速的工作原理起动停车顺序转子整流电路的特点及对机械特性的影响串级调速系统的功率因数及其改进方案双馈调速系统（了解）8 同步电动机变频调速（了解）特点及其类型他控变频（转速开环，交交变频，气隙磁场定向）自控变频（无刷直流，永磁同步电动机）四复习要点1直流电动机调压可获得恒转矩调速。

1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，使各种工作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。

（运动控制系统框图）2.运动控制系统的控制对象为电动机，运动控制的目的是控制电动机的转速和转角，要控制转速和转角，唯一的途径就是控制电动机的电磁转矩，使转速变化率按人们期望的规律变化。

因此，转矩控制是运动控制的根本问题。

第1章可控直流电源-电动机系统内容提要相控整流器-电动机调速系统直流PWM变换器-电动机系统调速系统性能指标1相控整流器-电动机调速系统原理2•晶闸管可控整流器的特点（1 ）晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上，其门极电流可以直接用电子控制。

（2 ）晶闸管的控制作用是毫秒级的，系统的动态性能得到了很大的改善。

晶闸管可控整流器的不足之处晶闸管是单向导电的，给电机的可逆运行带来困难。

晶闸管对过电压、过电流和过高的du/dt与di/dt都十分敏感，超过允许值时会损坏晶闸管。

在交流侧会产生较大的谐波电流，引起电网电压的畸变。

需要在电网中增设无功补偿装置和谐波滤波装置。

3.V-M系统机械特4•最大失控时间是两个相邻自然换相点之间的时间，它与交流电源频率和晶闸管整流器的类型有关。

5.（1）直流脉宽变换器根据PWM变换器主电路的形式可分为可逆和不可逆两大类（2）简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统（3 ）有制动电流通路的不可逆PWM-直流电动机系统（4 ）桥式可逆PWM变换器（5）双极式控制的桥式可逆PWM变换器的优点双极式控制方式的不足之处（6）直流PWM变换器-电动机系统的能量回馈问题”。

（7）直流PWM调速系统的机械特性6..生产机械要求电动机在额定负载情况下所需的最高转速和最低转速之比称为调速范围，用字母D来表示（D的表达式）当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时电动机转速的变化率，称为静差率SoD与s的相互约束关系对系统的调速精度要求越高，即要求s越小，则可达到的D必定越小。

《运动控制系统》教案一、教学目标1. 了解运动控制系统的概念、组成和作用。

2. 掌握运动控制系统的分类及其特点。

3. 熟悉运动控制系统的主要组成部分及其功能。

4. 理解运动控制系统在实际应用中的重要性。

二、教学内容1. 运动控制系统的概念与组成1.1 运动控制系统的定义1.2 运动控制系统的组成要素2. 运动控制系统的分类与特点2.1 模拟运动控制系统2.2 数字运动控制系统2.3 现代运动控制系统3. 运动控制系统的主要组成部分及其功能3.1 控制器3.2 执行器3.3 传感器3.4 反馈环节4. 运动控制系统在实际应用中的重要性4.1 运动控制系统在工业生产中的应用4.2 运动控制系统在交通运输中的应用4.3 运动控制系统在生物医学中的应用三、教学方法1. 讲授法：讲解运动控制系统的概念、组成、分类、特点及应用。

2. 案例分析法：分析实际应用中的运动控制系统案例，加深学生对运动控制系统的理解。

3. 讨论法：组织学生就运动控制系统相关问题进行讨论，提高学生的思考能力。

四、教学准备1. 教材：《运动控制系统》相关章节。

2. 课件：制作涵盖教学内容的课件。

3. 案例材料：收集运动控制系统在实际应用中的案例。

五、教学过程1. 导入：简要介绍运动控制系统的基本概念，激发学生兴趣。

2. 讲解：详细讲解运动控制系统的组成、分类、特点及应用。

3. 案例分析：分析实际应用中的运动控制系统案例，让学生理解运动控制系统的作用。

4. 讨论：组织学生就运动控制系统相关问题进行讨论，提高学生的思考能力。

6. 作业布置：布置相关练习题，巩固所学知识。

六、教学评估1. 课堂问答：通过提问方式检查学生对运动控制系统概念、组成、分类和应用的理解。

2. 练习题：布置课后练习题，评估学生对运动控制系统知识的掌握程度。

3. 案例分析报告：评估学生在案例分析环节的思考深度和分析能力。

七、教学拓展1. 介绍运动控制系统领域的最新研究成果和技术发展动态。

第1章绪论1.什么是运动控制? 电力传动又称电力拖动，是以电动机作为原动机驱动生产机械的系统的总称。

运动控制系统是将电能转变为机械能的装置，用以实现生产机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其它应用的要求。

2.运动控制系统的组成：现代运动控制技术是以电动机为控制对象，以计算机和其它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，以计算机数字仿真或计算机辅助设计为研究和开发的工具。

3.运动控制系统的基本运动方程式：第2章转速反馈控制的直流调速系统1.晶闸管-电动机（V-M ）系统的组成：纯滞后环节，一阶惯性环节。

2.V-M 系统的主要问题：由于电流波形的脉动，可能出现电流连续和断续两种情况。

3.稳态性能指标：调速范围D 和静差率s 。

D =??(1-??)，额定速降??，D =????，s =????04.闭环控制系统的动态特性；静态特性、结构图？5.反馈控制规律和闭环调速系统的几个实际问题，积分控制规律和比例积分控制规律。

积分控制规律：t 0n cd 1tU U 比例积分控制规律：稳态精度高，动态响应快6.有静差、无静差的主要区别：比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状；而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。

比例积分放大器的结构：PI 调节器7.数字测速方法：M 法测速、T 法测速、M/T 法测速。

8.电流截止负反馈的原理：采用某种方法，当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。

电流截止负反馈的实现方法：引入比较电压，构成电流截止负反馈环节9.脉宽调制：利用电力电子开关的导通与关断，将直流电压变成连续可变的电压，并通过控制脉冲宽度或周期达到变压变频的目的。

10.直流蓄电池供电的电流可反向的两象限直流斩波调速系统,已知:电源电压Us=300V,斩波器占空比为30%,电动机反电动势E=100V,在电机侧看,回路的总电阻R=1Ω。