运动控制系统

绪论. 1

0.1 运动控制系统 1

0.2 运动控制系统的基本组成 1

0.3 运动控制系统的发展过程及应用 4

0.4 运动控制系统的发展趋势 7

0.5 课程的目的和主要内容 8

第1章 直流电机原理及单闭环调速系统 10

1.1 基本电磁定律 10

1.1.1 全电流定律 11

1.1.2 电磁感应定律 11

1.1.3 电路定律 12

1.1.4 安培定律 12

1.2 直流电机的工作原理及类型 12

1.2.1 直流电机工作原理 12

1.2.2 直流电机的种类 13

1.3 直流电机的模型 14

1.3.1 直流电机的转矩和反电势 15

1.3.2 直流电机的启动 16

1.4 他励直流电机的调速方法 17

1.4.1 改变电枢回路电阻调速 18

.1.4.2 减弱电机励磁磁通调速 18

1.4.3 改变电枢电压调速 19

1.4.4 调速系统的静态及动态指标 19

1.5 开环调压调速系统 21

1.5.1 旋转变流机组 22

1.5.2 晶闸管相控静止整流 23

1.5.3 直流脉宽调制 24

1.6 转速单闭环调速系统 24

1.6.1 系统组成 25

1.6.2 转速单闭环调速系统的稳态特性 25

1.6.3 开环系统与转速单闭环调速系统稳态特性比较 26

1.6.4 转速单闭环调速系统动态模型 27

1.6.5 稳定性分析 29

1.7 无静差调速系统和基本调节电路 30

1.7.1 基本调节电路 30

1.7.2 单闭环无静差调速系统 33

1.8 其它反馈环节的直流调速系统 34

1.8.1 电压负反馈直流调速系统 34

1.8.2 电动势反馈直流调速系统 35

1.9 单闭环调速系统电流截止负反馈 37

1.9.1 问题的提出 37

1.9.2 电流截止负反馈环节 37

1.9.3 带电流截止负反馈的单闭环转速负反馈调速系统 38

习题与思考题 39

第2章 电流转速双闭环直流调速系统 40

2.1 最佳过渡过程的基本概念 40

2.2 电流转速双闭环调速系统 41

2.2.1 电流转速双闭环调速系统的组成及静特性 41

2.2.2 电流转速双闭环调速系统的动态分析 44

2.2.3 电流转速双闭环调速系统的动态抗干扰性能 47

2.3 电流转速双闭环调速系统的工程设计方法 48

2.3.1 工程设计方法的基本思路 48

2.3.2 典型ⅰ型系统 49

2.3.3 典型ⅱ型系统 54

2.3.4 传递函数的近似处理 58

2.3.5 系统的类型和调节器的选择 60

2.4 电流转速双闭环调速系统的工程设计 62

2.4.1 电流调节器的设计 62

2.4.2 转速调节器的设计 65

2.4.3 转速退饱和超调量的计算 68

2.4.4 退饱和超调的抑制 71

2.5 弱磁控制的直流调速系统 74

习题与思考题 75

第3章 晶闸管-电动机可逆调速系统 77

3.1 晶闸管直流调速系统可逆运行方案 77

3.1.1 问题的提出 77

3.1.2 可逆直流调速系统电路实现方式 77

3.1.3 反接电枢和反接磁场可逆系统的比较 80

3.2 两组晶闸管可逆线路中的环流及其处理原则 80

3.2.1 晶闸管装置的逆变状态与直流电动机的回馈制动 80

3.2.2 可逆系统中的环流分析 82

3.3 有环流控制的可逆v-m系统 86

3.3.1 α=β配合控制的有环流可逆调速系统 86

3.3.2 制动过程分析 88

3.3.3 给定环流和可控环流的v-m可逆调速系统 91

3.4 无环流控制的可逆v-m系统 96

3.4.1 错位控制的无环流可逆调速系统 97

3.4.2 逻辑控制的无环流可逆调速系统 102

习题与思考题 105

第4章 直流脉宽调速系统 106

4.1 脉宽调制变换器 106

4.1.1 不可逆调速系统 107

4.1.2 电流反向的不可逆pwm调速系统 107

4.1.3 四象限可逆pwm变换器 110

4.2 脉宽调制系统的开环机械特性 116

4.3 pwm变换器的控制电路 118

4.3.1 门极驱动器 119

4.3.2 缓冲与吸收电路 120

4.4 pwm调速系统的电流脉动和转矩脉动分析 121

4.4.1 电流脉动 121

4.4.2 转矩脉动 123

习题与思考题 125

第5章 交流调速系统基础 126

5.1 概述 126

5.1.1 交流调速系统的发展历史 127

5.1.2 交流调速与直流调速的比较 128

5.2 交流异步电机基础 129

5.2.1 交流异步电机工作原理 129

5.2.2 交流异步电机组成 129

5.2.3 旋转磁场 132

5.2.4 旋转磁场对定子绕组的作用 135

5.2.5 旋转磁场对转子绕组的作用 136

5.2.6 转子和定子电路之间的关系 137

5.2.7 异步电机的功率及转矩表达式 138

5.3 交流调速的基本方法 139

5.3.1 变极对数调速方法 139

5.3.2 变频调速方法 140

5.3.3 变转差率调速的主要方法 140

5.4 逆变器的分类及指标 143

5.4.1 直接变换 143

5.4.2 间接变换 145

5.4.3 逆变器波形指标 146

习题与思考题 147

第6章 基于异步电机稳态模型的调速系统 148

6.1 变压变频调速的基本控制方式 148

6.1.1 基频以下调速 148

6.1.2 基频以上调速 149

6.2 异步电动机电压-频率协调控制时的机械特性 149

6.2.1 恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性 149

6.2.2 基频以下电压-频率协调控制时的机械特性.. 150

6.2.3 基频以上恒压变频时的机械特性 153

6.2.4 恒流正弦波供电时的机械特性 154

6.3 交流脉冲宽度调制(pwm)技术 155

6.3.1 pwm波形生成原理 156

6.3.2 正弦pwm控制技术 157

6.3.3 选择谐波消除pwm控制技术 159

6.3.4 电流滞环pwm控制技术 160

6.3.5 电压空间矢量pwm控制技术 162

6.4 转速开环恒压频比控制调速系统 168

6.4.1 系统结构 168

6.4.2 系统实现 169

6.4.3 动态特性与静态特性 170

6.5 转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统 171

6.5.1 转差频率控制的基本概念 171

6.5.2 基于异步电动机稳态模型的转差频率控制规律 172

6.5.3 转差频率控制的变压变频调速系统 173

6.6 pwm变频调速系统的几个问题 173

6.6.1 转动脉动 174

6.6.2 直流电压利用率 175

6.6.3 能量回馈与泵升电压 176

6.6.4 对电网的污染 177

6.6.5 桥臂器件开关死区对pwm变压变频器的影晌 177

习题与思考题 179

第7章 基于异步电动机动态数学模型的调速系统 181

7.1 交流异步电动机动态数学模型和坐标变换 181

7.1.1 三相异步电动机数学模型 181

7.1.2 坐标变换 186

7.1.3 异步电动机在两相坐标系上的数学模型 189

7.1.4 异步电动机在两相坐标系上的状态方程 192

7.1.5 异步电动机动态数学模型的控制特性 196

7.2 按转子磁链定向的矢量控制系统 196

7.2.1 同步旋转坐标系中的数学模型 196

7.2.2 按转子磁链定向矢量控制的基本原理 197

7.2.3 按转子磁链定向的矢量控制系统 199

7.2.4 按转子磁链定向矢量控制系统的转矩控制方式 200

7.2.5 转子磁链计算 202

7.2.6 磁链开环转差型矢量控制系统——间接定向 205

7.3 无速度传感器矢量控制系统 207

7.3.1 速度推算与矢量控制分别独立进行 207

7.3.2 速度推算与矢量控制同时进行 208

7.3.3 无电压、 速度传感器矢量控制系统 209

7.4 直接转矩控制系统 210

7.4.1 直接转矩控制系统的基本原理 210

7.4.2 基于定子磁链控制的直接转矩控制系统 216

7.4.3 定子磁链和转矩计算模型 218

7.4.4 无速度传感器直接转矩控制 220

7.5 直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较 222

7.6 直接转矩控制实例仿真 223

习题与思考题 225

第8章 多电平逆变器变频技术 227

8.1 多电平逆变器技术概述 227

8.1.1 多电平逆变器产生的背景 227

8.1.2 多电平逆变器技术 228

8.1.3 多电平逆变器的特点 231

8.2 多电平逆变器电路结构 231

8.2.1 箝位型逆变器 231

8.2.2 级联型逆变器 236

8.3 多电平pwm调制方法 238

8.3.1 阶梯波调制法 238

8.3.2 spwm法 239

8.3.3 空间矢量pwm法 240

8.3.4 选择谐波消去法 241

8.3.5 开关频率优化法 242

习题与思考题 243

第9章 异步电动机串级调速系统 244

9.1 异步电动机串级调速系统的工作原理 244

9.2 异步电动机串级调速时的机械特性 246

9.2.1 异步电动机串级调速机械特性的特征 246

9.2.2 异步电动机串级调速时的转子整流电路 249

9.2.3 异步电动机串级调速机械特性方程式 250

9.3 双闭环控制串级调速系统 254

9.3.1 双闭环控制串级调速系统的组成 254

9.3.2 串级调速系统的动态数学模型 255

9.3.3 调节器参数的设计 256

9.4 串级调速系统设计的几个特殊问题 257

9.4.1 串级调速系统的功率因数及其改善途径 257

9.4.2 串级调速系统的启动方式 257

习题与思考题 258

第10章 同步电动机调速系统 260

10.1 概述 260

10.2 同步电动机的工作原理 262

10.3 他控变频同步电动机调速系统 266

10.4 自控变频同步电动机调速系统 266

10.4.1 永磁无刷直流电动机工作原理 268

10.4.2 永磁无刷直流电动机的组成 270

10.4.3 永磁无刷直流电动机数学模型 272

10.4.4 正弦波永磁同步电动机 274

习题与思考题 274

第11章 位置随动系统 275

11.1 位置随动系统概述 275

11.1.1 位置随动系统的组成 275

11.1.2 位置随动系统的工作原理 276

11.2 位置随动系统中的检测装置 276

11.2.1 自整角机 276

11.2.2 旋转变压器 279

11.2.3 感应同步器 281

11.2.4 光电编码器 282

11.3 位置随动系统动、 静态分析与设计 283

11.3.1 自整角机位置随动系统的组成和数学模型 283

11.3.2 位置随动系统的稳态分析 286

11.3.3 位置随动系统的动态校正 290

11.4 交流伺服运动控制系统 301

11.4.1 永磁同步电动机交流伺服运动控制系统 301

11.4.2 pmsm伺服系统的数学模型 302

11.4.3 pmsm伺服运动控制系统设计 305

习题与思考题 310

第12章 数字式运动控制系统 312

12.1 运动控制系统数字控制的特点 312

12.2 运动控制系统主要环节的数字化实现 313

12.2.1 系统状态量的数字检测 313

12.2.2 数字滤波 316

12.2.3 函数发生器 317

12.2.4 数字控制器 319

12.3 基于dsp的运动控制系统 324

12.3.1 tms320实现异步电动机矢量控制 324

12.3.2 tms320实现异步电动机直接转矩控制 329

12.4 智能控制在运动控制系统中的应用 334

12.4.1 模糊控制在运动控制系统中的应用 335

12.4.2 神经网络控制在运动控制系统中的应用 345

12.4.3 模糊神经网络在运动控制系统中的应用 350

12.5 运动控制系统的网络控制简介 354

12.5.1 工业控制系统的网络结构 355

12.5.2 基于profibus总线的运动控制系统简介 357

习题与思考题 359

参考文献... 360