电力拖动与运动控制系统 第二版 课件.ppt.ppt

1、Spring 2012Motion Control Systems电力拖动与运动控制系统电力拖动与运动控制系统 (Electrical Machinery and Motion Control Systems) 授课教师：戴诗陆、稀晓田授课教师：戴诗陆、稀晓田 办公地址：华南理工大学办公地址：华南理工大学3号楼号楼509室室 Email: Tel: 135804964002Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论绪论内容提要绪论内容提要 先谈谈运动控制在机器人领域应用例子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什么是运动控制系统 ？ 为什么要

2、学习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运动控制系统的发展过程与趋势 本课程的特点本课程的特点3Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论致谢致谢 运动控制在机器人领域应用例子运动控制在机器人领域应用例子 该例子是来源于该例子是来源于RoboCupJuniorRoboCupJunior 中国委员会李实博士的中国委员会李实博士的“电电机与运动控制专题讲座机与运动控制专题讲座（一）（一）” 详见网址：详见网址：http:/ 2012Motion Control Systems第0章 绪论1.1 先说说：运动先说说：运动v地面常见

3、的运动形式地面常见的运动形式 轮式，履带式，腿式轮式，履带式，腿式运动：双足行走，多运动：双足行走，多足行走足行走v一些常见的特殊运动一些常见的特殊运动方式：自平衡车，蛇方式：自平衡车，蛇形机器人，滑冰，飞形机器人，滑冰，飞行，水里游动行，水里游动5Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论1.2 几种地面运动形式的比较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：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：路面适应性：多足运动多足运动 双足运动双足运动 履带运动履带运动 轮式运动轮式运动结构复杂性：结构复

4、杂性：多足运动多足运动 双足运动双足运动 履带运动履带运动 轮式运动轮式运动控制难度：控制难度：双足运动双足运动 多足运动多足运动 履带运动履带运动 轮式运动轮式运动问题：为什么自然界的生物，不能进化出轮子？都是腿式运动？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：几点结论：v人类双足行走，是目前已知能量消耗最小的双足运行方式人类双足行走，是目前已知能量消耗最小的双足运行方式v自然界的进化，就是能量最优的进化自然界的进化，就是能量最优的进化v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轮式运动，结构简单，控制容易，虽然对路面要求高，不过

5、还是我们制作初级机器人的最好选择选择6Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论1.3 轮式运动分析轮式运动分析v双轮差速控制方式双轮差速控制方式v速度方向独立控制方式速度方向独立控制方式v万向运动方式万向运动方式7Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论1.4 双轮差速双轮差速v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机器人的速度与方

6、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。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。v运动特点：可以实现回转半径为零运动特点：可以实现回转半径为零8Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论1.5 速度方向独立控制速度方向独立控制v轮子，与方向，分别控轮子，与方向，分别控制，常见的例子包括：汽制，常见的例子包括：汽车，三轮车车，三轮车v结构稳定，驱动力大。结构稳定，驱动力大。v缺点：回转半径缺点：回转半径 零零9Spring 2012Motion Con

7、trol Systems第0章 绪论1.6 万向运动万向运动v运动控制复杂；运动控制复杂；v可以在水平移动的同时，进行旋转；可以在水平移动的同时，进行旋转；v任何方向的移动与转动，都需要合成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；三个轮子的运动来实现；v有三轮方式，以及四轮方式。不过最有三轮方式，以及四轮方式。不过最少也需要三轮，四轮方式是冗余配置；少也需要三轮，四轮方式是冗余配置；10Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论1.7 万向特色万向特色v由于旋转与平移的独立控制，可以实现机器人一边由于旋转与平移的独立控制，可以实现机器人一边运动

8、一边旋转。机器人到任意两点间的运动，都是直运动一边旋转。机器人到任意两点间的运动，都是直线；线；v机器人可以在曲线运动中，正方向始终面向一个方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；盯着球的方向；11Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论1.8 电机与运动电机与运动v机器人的运动，就是通过控制电机的转速与转向，来实现；机器人的运动，就是通过控制电机的转速与转向，来实现；v机器人运动问题，本质上就是电机控制问题；机器人运动问题，本质上就是电机控制问

9、题；电机控制的三个层面：电机控制的三个层面：v速度控制：通过控制速度，使机器人的运动速度恒定；速度控制：通过控制速度，使机器人的运动速度恒定；v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）；位移（应用于万向运动）；v电流控制：通过控制电机的电流，来实现电机输出恒定扭矩电流控制：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）；（应用于精密加工领域）12Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论1.9 机器人常用的直流电机机器人常用的直流电机v直流减速电机；直流

10、减速电机；v步进电机；步进电机；v无刷电机；无刷电机；13Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论1.10 直流减速电机直流减速电机 两个重要结论：两个重要结论：v 电机转速，与施加给电机的电压，成正比；电机转速，与施加给电机的电压，成正比；v 电机的输出扭矩，与通过电机转子线圈的电流，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：减速箱的作用：v 电机的转速，通过减速箱，除以减速比，降低转速；电机的转速，通过减速箱，除以减速比，降低转速；v 电机的输出扭矩，通过减速箱，乘以减速比，提高输出扭矩；电机的输出扭矩，通过减速箱，乘以

11、减速比，提高输出扭矩； 电机控制方法：电机控制方法：v 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；与转向；v 控制器，与驱动器的概念。控制方式：控制器，与驱动器的概念。控制方式：PWM，驱动方式：，驱动方式：H桥桥v 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；，然后来调节控制信号，就是闭环控制；14Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论1.11 直流

12、减速电机的控制器直流减速电机的控制器v 控制方式：脉宽调制信号控制方式：脉宽调制信号(Pulse Width Moderm, PWM)；控制器；控制器：只要是可以输出：只要是可以输出PWM信号的设信号的设备，可以包括：单片机，备，可以包括：单片机，DSP，FPGA，PLC，等等，等等 电机电机PWM控制：控制：v 电机控制的难题：电机的转速与电机控制的难题：电机的转速与转向，与电压大小与极性有关。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，而所方向。而电压是模拟信号，而所有的

13、控制器，都是数字式的，也有的控制器，都是数字式的，也就是只能输出脉冲。就是只能输出脉冲。v 解决办法：通过调节脉冲的占空解决办法：通过调节脉冲的占空比，也就是脉冲宽度，来调节施比，也就是脉冲宽度，来调节施加给电机的等效电压。加给电机的等效电压。v 前提：电机是时滞器件，而且是前提：电机是时滞器件，而且是大延时响应大延时响应v 详细原理，如下图所示；详细原理，如下图所示；15Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论1.12 电机驱动器电机驱动器v 驱动方式：驱动方式：H桥桥v 驱动器：各种驱动器：各种H桥电路，根据桥电路，根据PWM信信号，来实现电机电压大小

14、与方向的变号，来实现电机电压大小与方向的变化；化；v 原理如下。参考：原理如下。参考：http:/ 2012Motion Control Systems第0章 绪论1.13 直流减速电机的闭环控制直流减速电机的闭环控制 闭环控制可以达到的三个层面：闭环控制可以达到的三个层面：v 速度闭环：电机可以在任何外界环境速度闭环：电机可以在任何外界环境下，保持恒定的转速；下，保持恒定的转速；v 位移闭环：电机可以在允许的最大速位移闭环：电机可以在允许的最大速度情况下，转过恒定的角度，然后停度情况下，转过恒定的角度，然后停止；止；v 电流闭环：电机可以在不同负载情况电流闭环：电机可以在不同负载情况下，保持

15、恒定的扭矩输出；下，保持恒定的扭矩输出； 电机反馈信号检测用传感器：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，编码器：检测电机轴转动的角速度，以及转过的角度以及转过的角度 说明：编码器应该与电机同轴，并且说明：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，安装在减速前端，而不是在减速后，否则精度否则精度 大大降低；大大降低； 编码器有光电式，或者霍尔式，不同编码器有光电式，或者霍尔式，不同原理。单位：线原理。单位：线/分钟分钟(PPM)17Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论1.14 闭环控制原理闭环控制原理 v 控制器通

16、过编码器，实时检测当前电机运动信息，如果电机运动状态，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输出，直到电机运动与期望值一致为止。为止。v 经典控制方法：比例微分积分控制（经典控制方法：比例微分积分控制（PID）v 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。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。18Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论1.15 PID控制控制19Spring 2012Motion Co

17、ntrol Systems第0章 绪论内容提要内容提要 先谈谈运动控制在机器人领域应用例子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什么是运动控制系统 ？ 为什么要学习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运动控制系统的发展过程与趋势 本课程的特点本课程的特点20Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论 2、什么、什么是运动控制系统？是运动控制系统？ 控制系统控制系统 自动控制系统自动控制系统 运动控制系统运动控制系统21Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论 2.1 2.

18、1 控制系统控制系统人工控制人工控制22Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论23Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论自动控制系统自动控制系统自动控制定义自动控制定义 所谓自动控制，是指在所谓自动控制，是指在没有人直接参与没有人直接参与的情况下，利的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或用外加的设备或装置（称控制装置或控制器控制器），使机器、），使机器、设备或生产过程（统称设备或生产过程（统称被控对象被控对象）的某个工作状态或参数）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。（即被控量）自动地按

19、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恒定；无人飞机按照预定反应炉的温度或压力自动地维持恒定；无人飞机按照预定航迹自动升降和飞行等等航迹自动升降和飞行等等. .24Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论工业自动化工业自动化过程控制：针对六大参数控制，时间常数较大过程控制：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：针对机械运动过程，时间常数小运动控制的研究内容：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

20、这些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准确的定位或遵循特定的轨迹等诸如此类的问题在复杂条件下，将预定的控在复杂条件下，将预定的控制方案、规划指令转变成期制方案、规划指令转变成期望的机械运动望的机械运动25Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论2.2 运动控制系统定义运动控制系统定义 以以电动机及其拖动电动机及其拖动的机械设备为的机械设备为控制对象控制对象，以，以控制器控制器为为核心核心，以，以电力电子功率转换

21、装置电力电子功率转换装置为为执行机构执行机构，在控制理在控制理论等指导论等指导下可实现下可实现电气传动功能电气传动功能的的自动控制系统自动控制系统, 称为称为运动控制系统运动控制系统(Motion Control Systems), 也为称电力拖也为称电力拖动控制系统（动控制系统（Control Systems of Electric Drive）; 电机电机控制系统（控制系统（Motor Control Systems）26Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论(交流交流)电源电源控制器控制器电力电子变化器电力电子变化器电动机电动机机械系统机械系统反馈

22、装置反馈装置PID调节器调节器数字控制器（数字控制器（PC、PLC、DSP）晶闸管晶闸管PWM控制电路控制电路（弱电）（弱电）(他励他励)直流电动机直流电动机 (异步异步 )交流电动机交流电动机（笼型、绕线型）（笼型、绕线型）测速发电机（测速发电机（TG）电流互感器（电流互感器（TA）电压互感器（电压互感器（TU）编码器（数控）编码器（数控）传动装置传动装置定位平台定位平台旋转平台旋转平台给定给定27Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论电动机电动机直流电动机直流电动机交流电动机交流电动机异步电动机异步电动机同步电动机同步电动机28Spring 2012

23、Motion Control Systems第0章 绪论直流电机系列直流电机系列29Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论步进电机系列步进电机系列接收数字控制信号，把电脉冲接收数字控制信号，把电脉冲信号转换成角位移信号转换成角位移30Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论交流电机系列交流电机系列31Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论直流电机直流电机 直流电机直流电机( (电动机电动机) )是以直流电作为电源，使线圈通过电流，线圈是以直流电作为电源，使线圈通过电流，线圈旁有

24、永久磁铁，以电磁感应感应出转距使其旋转。旁有永久磁铁，以电磁感应感应出转距使其旋转。 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。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, ,电枢会电枢会磨损

25、。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。整转速的地方。32Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论交流电机交流电机 交流电机是用途最广的电动机，其优点：价格低廉、构造简单、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。速。 交流

26、电机的优点：结构简单生产容易，无接触零件较不用保养使交流电机的优点：结构简单生产容易，无接触零件较不用保养使用期限长。用期限长。 缺点：是转速受电源频率固定缺点：是转速受电源频率固定,使用一般交流频率无法使电机高使用一般交流频率无法使电机高速运转速运转,最高仅达最高仅达3600rpm高速电机必需用变频器来产生需要的工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。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。用途：冷气机、吹风机、电风扇、抽水泵等。33Spring 2012Motion Control Syste

27、ms第0章 绪论直流和交流电机区别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。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。生磁场相位。34Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论运动控制系统结构运动控制系统结构电源电源主控制器主控制器运动控制器运动控制器驱动器驱动器电动机电动机机械系统机械系统反馈装置反馈装置 主控制器主控制器/运动控制器：运动控制器：PC/PLC 电动机电动机 控制设备：电力电子变流装置控制设备：电力电子变流装

28、置 传感器传感器 开环控制、闭环控制开环控制、闭环控制电动机分类电动机分类传感器分类传感器分类35Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论转矩、速度、位置由内向外的三闭环系统转矩、速度、位置由内向外的三闭环系统位位置置控控制制器器速速度度控控制制器器转转矩矩控控制制器器电电流流 控控 制制 功功 能能 电电动动机机转转矩矩检检测测器器机机械械负负载载s*rr*rrr*eTeT*ii36Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论 位置控制位置控制 将某负载从某一确定的空间位置按某种轨迹移动到将某负载从某一确定的空间位置按某

29、种轨迹移动到 另一确定的空间位置另一确定的空间位置 速度控制速度控制 以确定的速度曲线使负载产生运动以确定的速度曲线使负载产生运动 转矩控制转矩控制 维持转矩的恒定或遵循某一变化规律维持转矩的恒定或遵循某一变化规律37Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论 转矩控制转矩控制对转矩的控制通常通过控制电流来实现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、动态响应速度性能评价：稳态精度、动态响应速度 速度控制速度控制 开、闭环（交、直流电动机）开、闭环（交、直流电动机） 位置控制位置控制 开环（步进电机）、闭环（伺服电机）开环（步进电机）、闭环（伺

30、服电机）38Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论控制器：控制器： 通用控制方法通用控制方法古典自控原理（古典自控原理（PID控制）、现代控制理论（自适控制）、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、应控制、鲁棒控制）、先进控制方法（智能控制、Neural Networks、 Fuzzy Cotrol）等）等 特定控制策略特定控制策略 针对交流电动机的转矩控制有：针对交流电动机的转矩控制有： 变频控制（变频控制（VVVF）、矢量控制）、矢量控制(VC)、直接转、直接转矩控制矩控制(DTC)39Spring 2012Motion Co

31、ntrol Systems第0章 绪论2.3 运动控制系统的分类运动控制系统的分类按按驱动电机驱动电机分：分： 传动系统用直流电机带动生产机械；传动系统用直流电机带动生产机械； 传动系统用交流电机带动生产机械；传动系统用交流电机带动生产机械；按按被控物理量被控物理量分：分： 调速调速系统以转速为被控量；系统以转速为被控量； 位置随动位置随动系统（伺服系统）系统（伺服系统） 以角位移或直线位移为被控量；以角位移或直线位移为被控量； 按按控制器的类型控制器的类型分：分：模拟模拟控制系统以模拟电路构成控制器；控制系统以模拟电路构成控制器； 数字数字控制系统以数字电路构成控制器（控制系统以数字电路构成

32、控制器（PCPC、PLCPLC、DSPDSP）；）；按按闭环数闭环数分：单环，双环，多环系统分：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：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；如：用单片机实现的数字式双闭环直流调速系统；40Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论伺服系统伺服系统 伺服系统伺服系统(servomechanism)是用来精确地跟随或复现某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

33、系统专指被控制量（系统的输出量）是多情况下，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。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形式的的位移（或转角）。伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。反馈控制系统没有原则上的区别。41Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论内容提要内容提要 先谈谈运动控制在机器人领域应用例子先谈谈运动控制在机器人领域应用例子 什么是运动

34、控制系统什么是运动控制系统 ？ 为什么要学习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运动控制系统的发展过程与趋势 本课程的特点本课程的特点42Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论3 3、为什么、为什么要学习运动控制系统要学习运动控制系统? ?运动控制系统的主要应用领域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、农业天航空、国防工业、家电生产、轻工、农业等领域。等领域。43Spring 2012Motion Control Syste

35、ms第0章 绪论具体应用例子：具体应用例子： 工业领域：工业领域：制造业：钢厂连轧、电炉、加工车间的各种（数控）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、林场机床，起重机、传送带，矿山、油田、林场 等等用电力拖动机械。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；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：国防领域：雷达跟踪，自动武器，飞行器控制等；雷达跟踪，自动武器，飞行器控制等； 家电领域：家电领域：冰箱，空调，洗衣机，电脑光盘驱动器，电风扇等；冰箱，空调，洗衣机，电脑光盘驱动器，电风扇等； 机器人

36、：机器人：机械手、足球机器人、搬运机器人、各种机器人的移动机械手、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；及关节姿态控制等；其他高新技术产业：其他高新技术产业：电梯、电动汽车，高速列车、无轨电车的调电梯、电动汽车，高速列车、无轨电车的调 速系统等速系统等44Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论数控车床数控车床45Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论数控铣床数控铣床46Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论机械手机械手47Spring 2012Motio

37、n Control Systems第0章 绪论六自由度机械手取物六自由度机械手取物六自由度机械手运动六自由度机械手运动48Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论分体式变频空调控制电路原理框图分体式变频空调控制电路原理框图变频空调变频空调49Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论微机数字控制双闭环直流微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图调速系统硬件结构图50Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论51Spring 2012Motion Control Systems第0

38、章 绪论据统计，我国电动机装机容量约为据统计，我国电动机装机容量约为4 4亿多千瓦，其用亿多千瓦，其用电量占当年全国发电量的电量占当年全国发电量的60% 70%60% 70%。当前，能源紧张！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合理、经济、有效的利用电能，是运动控制系统设计者的责任。者的责任。52Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论内容提要内容提要 先谈谈运动控制在机器人领域应用例子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什么是运动控制系统 ？ 为什么要学习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

39、发展过程与趋势运动控制系统的发展过程与趋势 本课程的特点本课程的特点53Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论运动控制系统的发展历史运动控制系统的发展历史1919世纪世纪8080年代年代以前以前仅有仅有直流电气直流电气传动传动1919世纪末世纪末，出现交流电机出现交流电机（鼠笼式异步交流电机）（鼠笼式异步交流电机）开始逐步使用开始逐步使用交流电交流电气气传动传动2020世纪世纪3030年代起年代起，形成形成直流直流调速调速，交流不调速的格局，交流不调速的格局2020世纪后期世纪后期，交流调速交流调速兴起兴起54Spring 2012Motion Cont

40、rol Systems第0章 绪论运动控制系统的发展趋势运动控制系统的发展趋势高频化、集成化高频化、集成化交流化交流化数字化、智能化和网络化数字化、智能化和网络化55Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论运动控制发展趋势运动控制发展趋势 驱动的交流化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；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。交流调速系统。 驱

41、动系统的超高速化和超小化、超大型化驱动系统的超高速化和超小化、超大型化 系统实现的集成化系统实现的集成化 控制的数字化、智能化和网络化控制的数字化、智能化和网络化56Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论内容提要内容提要 先谈谈运动控制在机器人领域应用例子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什么是运动控制系统 ？ 为什么要学习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运动控制系统的发展过程与趋势 本课程的特点本课程的特点57Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论u 综合

42、性强，多个学科交叉综合性强，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）（电机与拖动、电力电子技术、自动控制、电路、微机技术等）u 本课程强调本课程强调-控制系统的组成、工作原理、机械性能、稳态性控制系统的组成、工作原理、机械性能、稳态性 能、动态分析与设计能、动态分析与设计u 工程化理论与实践相结合。工程化理论与实践相结合。u 涉及的知识：涉及的知识：电机学电机学、电力电子技术、自动控制理论、电力电子技术、自动控制理论、 模拟与数字电路原理、微机原理模拟与数字电路原理、微机原理u 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重视能力培养，学会如何将学到的知识

43、具体应用到实际的工程 设计中。设计中。4 4、本课程有、本课程有什么特点什么特点58Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论1 1罗飞，稀晓田，文小玲，许玉格罗飞，稀晓田，文小玲，许玉格. . 电力拖动与运动控制系统电力拖动与运动控制系统 （第（第2 2版），化学工业出版社版），化学工业出版社. .2 2陈伯时，陈伯时，电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统-运动控制系统运动控制系统（第（第3 3版），版）， 机械工业出版社，机械工业出版社，2003200359Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论60Spring

44、 2012Motion Control Systems第0章 绪论其他参考书其他参考书61Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论1. 单项选择题单项选择题（约（约15%，1015小题）小题）范围广，注意细节区分范围广，注意细节区分2. 多项选择题多项选择题（约（约20%，510小题，少选扣分，错选小题，少选扣分，错选0分）分）范范 围广，内容深，注意细节区分围广，内容深，注意细节区分3. 填空题填空题（约（约15%，510小题）小题）范围广，基本概念范围广，基本概念4. 作图与简述题作图与简述题（约（约40%，46小题），小题），课程重点内容课程重点内容

45、5. 分析计算题分析计算题（10%，12题），题），课程重点内容课程重点内容6. 判断题？（待定）判断题？（待定）62Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论第一部分第一部分 直流调速系统直流调速系统 （约（约2424学时）学时）1.1.第一章（第一章（转速负反馈转速负反馈）单闭环直流调速系统）单闭环直流调速系统2.2.第二章第二章 双闭环（速度环双闭环（速度环+ +电流环）直流调速系统电流环）直流调速系统 3.3.第三章第三章 直流可逆（晶闸管反并联）调速系统直流可逆（晶闸管反并联）调速系统4.4.第四章第四章 直流脉宽调速系统（直流脉宽调速系统（PWMPWM）5.5.第五章第五章 数字控制的直流调速系统与数字控制的直流调速系统与MATLABMATLAB仿真仿真第二部分第二部分 交流调速系统交流调速系统 （约（约2424学时）学时）1.1.第六章第六章 交流调速系统（调压调速、串级调速）交流调速系统（调压调速、串级调速） 2.2.第七章第七章 交流异步电动机变频调速系统；交流异步电动机变频调速系统；共共48学时学时63Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论