1、电机与运动控制系统（基础篇）,主讲：朱张青 E-mail:zzq- 电话：025-8359750613814120636 南京大学工程管理学院控制与系统工程系,电机与电力拖动,第一章 绪论,1.1 什么是 “电机与运动控制系统” 1.2 运动控制系统应用及其发展 1.3 课程的特点、要求及教学安排,1.1 什么是电机与运动控制系统,课程体系： 过去： 本科生：电机与拖动+电力电子技术运动控制系统硕士生：现代交流调速系统现在： 本科生： 电机（电力拖动）与运动控制系统硕士生： 现代运动控制技术,注意：考虑到课程的体系性，我们在讲解时仍然抓住运动控制系统的主线，如在讲解绪论时我们还是以运动控制系统
2、来介绍，而不是详细介绍单一知识，这在每一部分里会有说明,自动控制系统 （按应用分）： 运动控制 (Motion control) 过程控制 (Process control),例如：过程控制: 啤酒发酵过程，化工提炼过程，锅炉控制运动控制: 轧钢控制，数控机床控制，高速电钻控制 现阶段的主要区别是被控量及控制目标不同， 运动控制：解决“电能机械能”中的控制问题（但是许多应用同时具有这两种控制，相互融合。）,1 认识 “电机与运动控制系统”,（1）电机（电动机与发电机）：实现电能传输和机电能量变换的主要装置,（2） 认识运动控制系统,各种生产线:轧钢：冷轧，热轧，连轧连铸印刷电路板生产线：表面贴
3、焊,快速打孔,放置器件自动生产线上的运动控制 动画,机器人各个关节：高精度的伺服控制 2005: 越来越广：自行车自主运行2004: 舞蹈机器人：（Sony）ASIMO 2003: 行走速度3.2km /h, 2004: 走跑步自如 空间机器车：旅居者（1997） 视频,军事装备：雷达跟踪，自动武器，飞行器控制 民用：冰箱,空调,洗衣机,电脑(光驱), 现代交通：电气牵引（轻轨），电动汽车, 电动自行车，磁悬浮,Hybrid RX：最大输出功率接近V6发动机的1.5倍，与V8发动机相当，燃耗为1415km/L,Toyota Prius: 燃耗为30km/L 至2002,10, 全球销售100,
4、000辆,混合动力车： HEV: Engine Battery +Capacitor +Invertor,Performances Motor power：24KW (60 KW) FCE power： 30KW Battery ： 50AH Max speed： 110 km/h Grade ability ： 20 Acceleration： 15.9s Range ： 220 km Efficient： 0.98 kg/100km,2 运动控制系统的定义、知识体系和构成,（1）定义 以电机为控制对象， 以控制器为核心， 以功率变换装置为执行机构， 在控制理论指导下组成的自动控制系统。,（
5、2）知识体系 电机与拖动知识， 电力电子技术， 开关控制：交流接触控制与PLC， 在控制理论指导下组成的自动控制系统。,（3）构成：三大部分 电机部分：直流电机，交流电机。 功率变换部分：开关器件、可控整流，直流斩波， 逆变等。 控制器部分：PID控制（单环,多环）,工程设计，自适应控制，模糊控制，智能控制，矢量控制，直接转矩控制等。,3 运动控制系统的分类,按电机分：直流系统，交流系统； 按被控量分：调速系统,位置随动系统,转矩控制系统； 按控制器的类型分：模拟型，数字型； 按控制原理分：PID控制,模糊控制,矢量控制等等； 按闭环数分：单环，双环，多环系统可交叉：如数字式双闭环直流调速系统
6、,4 运动控制系统的特点（性能）,传动功率范围大：几毫瓦到几百兆瓦； 调速范围宽：1：10000，每小时几转到每分钟几十万转；过渡过程快，秒级或毫秒级； 具有较高的动、静态性能； 四相限运行，能量回馈，多机协调； 合理地选择系统方案几乎可以适用任何电气传动场合的要求;,1.2 运动控制系统应用及其发展,1 历史,十九世纪末，交流电机出现，经济实用的鼠笼机，功率因数 高的同步机； 二十世纪中，形成直流调速，交流不调速的格局； 二十世纪八十年代以前，只有直流传动；直流调速的发展：旋转变流机组-晶闸管可控调压-PWM斩波控制系统 二十世纪后期，交流调速兴起，原来格局打破。直流调速20%, 交流调速
7、80%，应用领域空前广泛。,2 运动控制的主要应用领域,工业:机械加工，冶金，造纸，机械手,机械运输等。 军事装备:随动系统（兵器，雷达） 交通工具:电力机车,电动汽车,舰船的电驱动系统 民用:电梯,医疗设备,娱乐,家电 机器人,3 构成系统的器件和理论的发展,微处理器, SOC (System on Chip) 的发展：Z80, 8051, 8098, 80196, TMS320电力电子器件的发展：可控硅(Thyristor), GTR, MOSFET, IGBT, IPM 控制理论的发展： 经典控制方法：反馈控制，PID 现代控制理论：多变量，状态观测 自身的理论（矢量控制等）,4 相关产
8、业、相关公司、学会和杂志,相关产业： 制造业，军事装备，交通工具的电驱动系统，民用，娱乐，机器人 产值：上千亿。以制造业的低压变频器为例:,In China: 2003: 3.2 Billion CNY 2005: 5.0 Billion CNY,相关国外学会及杂志： USA： IEEE-IAS, IEEE-IE, IEEE-PE, IEEE-CSEU： IEE, EPE 相关国内学会及杂志：中国电机工程学会，中国电工技术学会，自动化学会，中国电源技术学会，电力电子学会,相关公司（以低压变频器为例）国际:美国:GE, Rockwell, Emerson, Ansolder,欧洲:Siemens
9、, ABB, CT (Emerson), 日本: Toshiba, Mitsubishi, Hitachi, Fuji, 国内: 安圣，ABB中国，西门子, 金自天正，小企业，,5 运动控制系统的发展趋势,驱动的交流化和超高速、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,（1）驱动的交流化和超高速、超大型化,以节能环保为目的：交流不调速交流调速 以减少维护为目的：直流调速交流调速 以提高系统性能为目的: 变频空调 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,直流机 交流机电机容量： 十几MW （双电枢） 数倍电枢电压： 1 KV 610KV 转速： 1000多
10、RPM 几万RPM功率密度比 ：小 大维护量： 大 小,(3) 控制的数字化、智能化和网络化,数字化: 新型控制理论和智能控制方法的应用: 鲁棒控制,非线性控制理论混合控制应用于各种拖动系统模糊控制方法,自学习. 网络化: 适应自动化系统发展的需要：大型化,复杂化,全集成Rockwell实验室网络结构,1.3 课程的特点、要求及教学计划,1 课程的特点和要求,(1) 性质:核心专业课；以解决工程实际问题为目的：机电能量的变换及相关物理量的控制（速度、位置、电压）设计系统时的共性问题：建模、分析、与实现相关的技术,以前是一门课程：电机与运动控制基础-很不够 从今年开始改为两门课程： 电机与运动控
11、制（基础篇）-电机与电力拖动：主要包含“电机理论、拖动系统、电力电子，交流接触控制” 电机与运动控制（应用篇）：主要包含“PLC控制、普通电机 的控制、控制电机的控制”,涉及到的知识:,为什么要学习这门课程呢？,（1）从控制系统的角度：运动控制系统具有系统的典型性和应用的广泛性由上一节对运动控制系统的介绍可知该系统在国民经济中应用广泛、作用重大。而大部分的控制系统都具有与图1.1实线部分所示系统相似的结构，只是控制目标、执行机构和被控对象因系统不同而不同。,（2）从知识体系的角度：该知识体系和内容具有较好的代表性和综合性对于自动化专业的同学而言，具有系统控制及工程方面的知识和能力十分重要。图1
12、.1中的点划线虚框说明了设计和构成一个运动控制系统时、所涉及的知识领域以及所需要的知识单元，每个单元都有相关课程。经过本课程把以前所学的知识综合起来，实用起来，才能明白所学过的知识到底有什么用处、是怎样应用的。经过这样综合和应用，所学的知识才是完整的；,（2)课程的核心内容： 一个主题：运动控制系统； 两条主线：能量变换机器和运动控制系统。,从能量变换的角度主要关注： 直流、交流电机原理； 从使用角度考察的电机的变换效率、外特性； 作为某一控制系统的被控对象时，电机的数学模型的建立。,研究控制系统时要关注： 稳定性，动静态特性； 系统的分析方法、控制方法和设计方法； 与系统的实现相关的电力电子
13、技术、控制理论、计算机技术、信号处理等相关理论与技术。,特点:综合性,工程性,理论与实践相结合.,所以，内容繁杂，似乎不成体系；加之学时少（64） 难学,前期课程:控制理论, 电子学, 电磁学，系统仿真,（3)教学方法:解剖典型系统: 以单输入单输出、线性系统为特征的直流电机转速、电流双闭环系统； 以多输入单输出、非线性系统为特征的交流电机控制系统； 试图将经典内容与最新成果结合起来.,（4)要求: 注意课程的特点;掌握重点内容; 注意分析和解决问题的思路,方法; 积极参与课堂讨论； 认真完成实验和作业。 几个问题：考勤、听课答疑、复习前的集中答疑？,2 教学安排,（1） 内容安排:第2章 机电能量变换基础第3章 直流电机分析第4 章 交流电机分析第5章 电力电子基础（讲义）第6章 交流接触控制系统（讲义）,（2） 时间安排:讲课：48学时；实验：16学时“5.1”放假4学时.,3 评分方法及比例,作业 +实验+平时考勤 40%考试（闭卷） 60%,
