电力拖动与运动控制系统 第二版 ppt课件.ppt

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1、电力拖动与运动控制系统(Electrical Machinery and Motion Control Systems)授课教师：戴诗陆、稀晓田 办公地址：华南理工大学3号楼509室 Email:Tel:13580496400,绪论内容提要,先谈谈运动控制在机器人领域应用例子什么是运动控制系统？为什么要学习运动控制系统？运动控制系统的发展过程与趋势 本课程的特点,致谢,运动控制在机器人领域应用例子 该例子是来源于RoboCupJunior 中国委员会李实博士的“电机与运动控制专题讲座（一）”详见网址：http:/,1.1 先说说：运动,地面常见的运动形式 轮式，履带式，腿式运动：双足行走，多足

2、行走一些常见的特殊运动方式：自平衡车，蛇形机器人，滑冰，飞行，水里游动,1.2 几种地面运动形式的比较,主要从路面适应性，结构复杂性，以及控制要求角度来比较：路面适应性：多足运动 双足运动 履带运动 轮式运动结构复杂性：多足运动 双足运动 履带运动 轮式运动控制难度：双足运动 多足运动 履带运动 轮式运动问题：为什么自然界的生物，不能进化出轮子？都是腿式运动？几点结论：人类双足行走，是目前已知能量消耗最小的双足运行方式自然界的进化，就是能量最优的进化轮式运动，结构简单，控制容易，虽然对路面要求高，不过还是我们制作初级机器人的最好选择,1.3 轮式运动分析,双轮差速控制方式速度方向独立控制方式万

3、向运动方式,1.4 双轮差速,双轮差速：特点：两个电机分别控制两个不同的轮子，通过控制轮子转速的差别，来实现机器人的速度与方向控制。两个轮子布置在机器人轴线上，穿过机器人相应方向的几何中心。要求机器人的重心必须与机器人的几何中心在水平面投影重合。运动特点：可以实现回转半径为零,1.5 速度方向独立控制,轮子，与方向，分别控制，常见的例子包括：汽车，三轮车结构稳定，驱动力大。缺点：回转半径 零,1.6 万向运动,运动控制复杂；可以在水平移动的同时，进行旋转；任何方向的移动与转动，都需要合成三个轮子的运动来实现；有三轮方式，以及四轮方式。不过最少也需要三轮，四轮方式是冗余配置；,1.7 万向特色,

4、由于旋转与平移的独立控制，可以实现机器人一边运动一边旋转。机器人到任意两点间的运动，都是直线；机器人可以在曲线运动中，正方向始终面向一个方向。应用：机器人守门员，无论如何移动，可以永远盯着球的方向；,1.8 电机与运动,机器人的运动，就是通过控制电机的转速与转向，来实现；机器人运动问题，本质上就是电机控制问题；电机控制的三个层面：速度控制：通过控制速度，使机器人的运动速度恒定；位移控制：通过控制电机速度与转过的角度，来实现机器人位移（应用于万向运动）；电流控制：通过控制电机的电流，来实现电机输出恒定扭矩；（应用于精密加工领域）,1.9 机器人常用的直流电机,直流减速电机；步进电机；无刷电机；,

5、1.10 直流减速电机,两个重要结论：电机转速，与施加给电机的电压，成正比；电机的输出扭矩，与通过电机转子线圈的电流，成正比；减速箱的作用：电机的转速，通过减速箱，除以减速比，降低转速；电机的输出扭矩，通过减速箱，乘以减速比，提高输出扭矩；电机控制方法：通过控制施加给电机的电压，以及正负极性的改变，来控制电机的转速与转向；控制器，与驱动器的概念。控制方式：PWM，驱动方式：H桥开环控制，与闭环控制；通过检测电机的当前运转情况，反馈给控制器，然后来调节控制信号，就是闭环控制；,1.11 直流减速电机的控制器,控制方式：脉宽调制信号(Pulse Width Moderm,PWM)；控制器：只要是可

6、以输出PWM信号的设备，可以包括：单片机，DSP，FPGA，PLC，等等电机PWM控制：电机控制的难题：电机的转速与转向，与电压大小与极性有关。所以要控制电机转速与转向，就必须控制电机两端的电压大小与方向。而电压是模拟信号，而所有的控制器，都是数字式的，也就是只能输出脉冲。解决办法：通过调节脉冲的占空比，也就是脉冲宽度，来调节施加给电机的等效电压。前提：电机是时滞器件，而且是大延时响应详细原理，如下图所示；,1.12 电机驱动器,驱动方式：H桥驱动器：各种H桥电路，根据PWM信号，来实现电机电压大小与方向的变化；原理如下。参考：http:/,1.13 直流减速电机的闭环控制,闭环控制可以达到的

7、三个层面：速度闭环：电机可以在任何外界环境下，保持恒定的转速；位移闭环：电机可以在允许的最大速度情况下，转过恒定的角度，然后停止；电流闭环：电机可以在不同负载情况下，保持恒定的扭矩输出；电机反馈信号检测用传感器：编码器：检测电机轴转动的角速度，以及转过的角度 说明：编码器应该与电机同轴，并且安装在减速前端，而不是在减速后，否则精度 大大降低；编码器有光电式，或者霍尔式，不同原理。单位：线/分钟(PPM),1.14 闭环控制原理,控制器通过编码器，实时检测当前电机运动信息，如果电机运动状态，和期望值不一致，那么就调整PWM输出，直到电机运动与期望值一致为止。经典控制方法：比例微分积分控制（PID

8、）先进控制方法：模糊控制，神经元网络控制，模糊神经元控制，等等。,1.15 PID控制,内容提要,先谈谈运动控制在机器人领域应用例子什么是运动控制系统？为什么要学习运动控制系统？运动控制系统的发展过程与趋势 本课程的特点,2、什么是运动控制系统？,控制系统,自动控制系统,运动控制系统,2.1 控制系统,人工控制,自动控制系统,自动控制定义 所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。例如：数控车床按照预定程序自动地切削工件；化学反应炉的温度或压力自动地维持

9、恒定；无人飞机按照预定航迹自动升降和飞行等等.,工业自动化,过程控制：针对六大参数控制，时间常数较大运动控制：针对机械运动过程，时间常数小,运动控制的研究内容：处理机械系统中一个或多个坐标上的运动以及这些运动之间的协调，涉及各轴上运动速度的调节以及形成准确的定位或遵循特定的轨迹等诸如此类的问题,运动控制系统按照被控物理量可划分为：调速系统(以转速为被控量)；伺服系统(以位移为被控量),2.2 运动控制系统定义,以电动机及其拖动的机械设备为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率转换装置为执行机构，在控制理论等指导下可实现电气传动功能的自动控制系统,称为运动控制系统(Motion Control

10、 Systems),也为称电力拖动控制系统（Control Systems of Electric Drive）;电机控制系统（Motor Control Systems）,典型运动控制系统结构,PID调节器数字控制器（PC、PLC、DSP）,晶闸管PWM,(他励)直流电动机(异步)交流电动机（笼型、绕线型）,测速发电机（TG）电流互感器（TA）电压互感器（TU）编码器（数控）,传动装置定位平台旋转平台,给定,直流电机系列,步进电机系列,接收数字控制信号，把电脉冲信号转换成角位移,交流电机系列,直流电机,直流电机(电动机)是以直流电作为电源，使线圈通过电流，线圈旁有永久磁铁，以电磁感应感应出转

11、距使其旋转。直流电机基本上有三种永磁式电机、串激式电机、并激式电机。直流电机的优点：一般而言同样的体积直流电机可以输出较大功率，直流电机转速不受电源频率限制可以制做出高速电机，速度控制只要控制电压较简单容易。缺点：电机上的碳刷使用一段时间会磨损消耗掉须更换,电枢会磨损。用途：造纸机械、车床、起重机、升降机、电气铁道车等需要调整转速的地方。,交流电机,交流电机是用途最广的电动机，其优点：价格低廉、构造简单、维修容易、速率变动小。它的转速与频率成正比，频率愈高转速愈快，常见输送带上的交流电机旁边有变频器，用来控制传动转速。交流电机的优点：结构简单生产容易，无接触零件较不用保养使用期限长。缺点：是转

12、速受电源频率固定,使用一般交流频率无法使电机高速运转,最高仅达3600rpm高速电机必需用变频器来产生需要的工作频率，速度控制须改变频率或加装其它回授器较麻烦。用途：冷气机、吹风机、电风扇、抽水泵等。,直流和交流电机区别,最大的区别在于有没有碳刷，转动轴有没有线圈。直流电机一定要有碳刷来将电流导入转轴线圈并切换产生磁场相位。,闭环控制策略,位置控制 将某负载从某一确定的空间位置按某种轨迹移动到 另一确定的空间位置速度控制 以确定的速度曲线使负载产生运动转矩控制 维持转矩的恒定或遵循某一变化规律,闭环控制策略,并非所有控制系统都需要三个闭环，伺服系统一般是三闭环结构，调速系统一般是双闭环结构,转

13、矩控制对转矩的控制通常通过控制电流来实现 性能评价：稳态精度、动态响应速度速度控制 开、闭环（交、直流电动机）位置控制 开环（步进电机）、闭环（伺服电机）,闭环控制策略,控制器：通用控制方法古典自控原理（PID控制）、现代控制理论（自适应控制、鲁棒控制）、先进控制方法（智能控制、Neural Networks、Fuzzy Cotrol）等特定控制策略 针对交流电动机的转矩控制有：变频控制（VVVF）、矢量控制(VC)、直接转矩控制(DTC),闭环控制策略,2.3 运动控制系统的分类,按驱动电机分：直流传动系统用直流电机带动生产机械；交流传动系统用交流电机带动生产机械；按被控物理量分：调速系统以

14、转速为被控量；位置随动系统（伺服系统）以角位移或直线位移为被控量；按控制器的类型分：模拟控制系统以模拟电路构成控制器；数字控制系统以数字电路构成控制器（PC、PLC、DSP）；按闭环数分：单环，双环，多环系统对某一实际运动控制系统可能是这些分类的交叉：如：用单片机实现的数字式双闭环直流调速系统；,伺服系统,伺服系统(servomechanism)是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。又称（位置）随动系统。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统。其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。伺服系统的结构组成和其他

15、形式的反馈控制系统没有原则上的区别。,内容提要,先谈谈运动控制在机器人领域应用例子什么是运动控制系统？为什么要学习运动控制系统？运动控制系统的发展过程与趋势 本课程的特点,3、为什么要学习运动控制系统?,运动控制系统的主要应用领域,机械加工，冶金，交通运输，石油加工，航天航空、国防工业、家电生产、轻工、农业等领域。,具体应用例子：,工业领域：制造业：钢厂连轧、电炉、加工车间的各种（数控）机床，起重机、传送带，矿山、油田、林场 等等用电力拖动机械。印刷电路板生产线：表面贴焊，快速打孔，机械手放置器件；国防领域：雷达跟踪，自动武器，飞行器控制等；家电领域：冰箱，空调，洗衣机，电脑光盘驱动器，电风扇

16、等；机器人：机械手、足球机器人、搬运机器人、各种机器人的移动 及关节姿态控制等；其他高新技术产业：电梯、电动汽车，高速列车、无轨电车的调 速系统等,数控车床,数控铣床,机械手,六自由度机械手取物,六自由度机械手运动,分体式变频空调控制电路原理框图,变频空调,微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图,据统计，我国电动机装机容量约为4亿多千瓦，其用电量占当年全国发电量的60%70%。,当前，能源紧张！合理、经济、有效的利用电能，是运动控制系统设计者的责任。,内容提要,先谈谈运动控制在机器人领域应用例子什么是运动控制系统？为什么要学习运动控制系统？运动控制系统的发展过程与趋势 本课程的特点,运

17、动控制系统的发展历史,19世纪80年代以前仅有直流电气传动,19世纪末，出现交流电机（鼠笼式异步交流电机）开始逐步使用交流电气传动,20世纪30年代起，形成直流调速，交流不调速的格局,20世纪后期，交流调速兴起,运动控制系统的发展趋势,高频化、集成化,交流化,数字化、智能化和网络化,运动控制发展趋势,驱动的交流化以省电为目的：改原来交流不调速为交流调速；以减少维护为目的：改直流调速为交流调速；原直流调速达不到的领域：大功率、高压、高速场合应用 交流调速系统。驱动系统的超高速化和超小化、超大型化系统实现的集成化控制的数字化、智能化和网络化,内容提要,先谈谈运动控制在机器人领域应用例子什么是运动控

18、制系统？为什么要学习运动控制系统？运动控制系统的发展过程与趋势 本课程的特点,综合性强，多个学科交叉（电机与拖动、电力电子技术、自动控制、电路、微机技术等）本课程强调-控制系统的组成、工作原理、机械性能、稳态性 能、动态分析与设计 工程化理论与实践相结合。涉及的知识：电机学、电力电子技术、自动控制理论、模拟与数字电路原理、微机原理 重视能力培养，学会如何将学到的知识具体应用到实际的工程 设计中。,4、本课程有什么特点,参考书目,1罗飞，稀晓田，文小玲，许玉格.电力拖动与运动控制系统（第2版），化学工业出版社.2陈伯时，电力拖动自动控制系统-运动控制系统（第3版），机械工业出版社，2003,考核

19、方式,平时成绩 30分（作业、出勤）期末考试 70分（闭卷）,其他参考书,单项选择题（约15%，1015小题）范围广，注意细节区分多项选择题（约20%，510小题，少选扣分，错选0分）范 围广，内容深，注意细节区分填空题（约15%，510小题）范围广，基本概念作图与简述题（约40%，46小题），课程重点内容分析计算题（10%，12题），课程重点内容判断题？（待定）,考试题型及分数分配,第一部分 直流调速系统（约24学时）第一章（转速负反馈）单闭环直流调速系统第二章 双闭环（速度环+电流环）直流调速系统 第三章 直流可逆（晶闸管反并联）调速系统第四章 直流脉宽调速系统（PWM）第五章 数字控制的直流调速系统与MATLAB仿真第二部分 交流调速系统（约24学时）第六章 交流调速系统（调压调速、串级调速）第七章 交流异步电动机变频调速系统；,本课程目录及时间安排,-重点内容,共48学时,Thank You!,Q&A?,