《运动控制系统》课程授课教案（讲稿，共四章，华北理工大学：梁秀满）

河北联合大学电气工程学院讲稿电力拖动自动控制系统一一运动控制系统1、授课对象：高等学校电气工程与自动化，电气工程及其自动化专业和自动化专业的本科生2、本课程的性质、目的和任务：本课程是电气工程及其自动化专业本科生的主要专业课之一，其目的是使学生应用自动控制理论解决电力拖动控制系统的分析和设计问题。本课程不是单纯罗列各种控制系统，而是以控制规律为主线，论述电力拖动控制系统的动、静态特性。同时在经典控制理论基础上，发展实用价值很高的工程设计方法。为学生今后参加实际工作打下良好基础，3、选用教材：陈伯时主编，《电力拖动自动控制系统一运动控制系统》第三版，北京机械工业出版社。主要参考书目：王兆安，黄俊主编，《电力电子技术》第四版，北京机械工业出版社，吴麒编，《自动控制原理》，清华大学出版社，4．学时安排：课堂讲授48实验学时85．教学手段：课堂讲授

河北联合大学电气工程学院讲稿 电力拖动自动控制系统――运动控制系统 1、授课对象： 高等学校电气工程与自动化，电气工程及其自动化专业和自动化专业的本科生 2、本课程的性质、目的和任务： 本课程是电气工程及其自动化专业本科生的主要专业课之一，其目的是使学生应用自动 控制理论解决电力拖动控制系统的分析和设计问题。本课程不是单纯罗列各种控制系统，而 是以控制规律为主线，论述电力拖动控制系统的动、静态特性。同时在经典控制理论基础上， 发展实用价值很高的工程设计方法。为学生今后参加实际工作打下良好基础。 3、选用教材： 陈伯时主编，《电力拖动自动控制系统－运动控制系统》第三版，北京机械工业出版社。 主要参考书目： 王兆安，黄俊主编，《电力电子技术》第四版，北京机械工业出版社， 吴麒编，《自动控制原理》，清华大学出版社， 4．学时安排：课堂讲授 48 实验学时 8 5．教学手段：课堂讲授

河北联合大学电气工程学院讲稿课程名称：《运动控制系统》第1讲第一章闭环控制的直流调速系统【教学目标和要求】1.从介绍直流电机调速用可控直流电源入手，构成不同类型的调速系统；2.以V一M系统和PWM系统为例，介绍直流调压调速系统的静特性；3.研究反馈控制闭环调速系统，本章以稳态分析和设计为主，并总结反馈控制规律和一些实际问题；4.利用经典控制理论解决调速系统的动态分析和设计：5.简述无静差系统及比例积分控制规律。【重点与难点】1.转速单闭环有静差调速系统的稳态分析和设计；2.调速性能指标与系统参数之间关系；3.本章难点是开、闭环机械特性研究。4.单管共射放大器中频段、低频段、高频段的频率响应的分析和波特图的画法。【本章课时安排】14 学时

河北联合大学电气工程学院讲稿 课程名称：《运动控制系统》 第 1 讲 第一章 闭环控制的直流调速系统 【教学目标和要求】 1. 从介绍直流电机调速用可控直流电源入手，构成不同类型的调速系统； 2. 以 V－M 系统和 PWM 系统为例，介绍直流调压调速系统的静特性； 3. 研究反馈控制闭环调速系统，本章以稳态分析和设计为主，并总结反馈控制规 律和一些实际问题； 4. 利用经典控制理论解决调速系统的动态分析和设计； 5. 简述无静差系统及比例积分控制规律。 【重点与难点】 1. 转速单闭环有静差调速系统的稳态分析和设计； 2. 调速性能指标与系统参数之间关系； 3. 本章难点是开、闭环机械特性研究。 4. 单管共射放大器中频段、低频段、高频段的频率响应的分析和波特图的画法。 【本章课时安排】 14 学时

河北联合大学电气工程学院讲稿【第一讲教学内容组织】介绍直流电动机调速方法，以及在不同调速方式下的机械特性。重点：突出V一M系统的主要问题。第1篇直流拖动控制系统引言直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。因此，为了保持由浅入深的教学顺序，应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。根据直流电动机转速方程U-IRnsK.d式中一转速（r/min)；一电枢电压（V);一电枢电流（A)；一电枢回路总电阻（Q)；一励磁磁通（Wb）；一由电机结构决定的电动势常数。由式（1-1）可以看出，有三种方法调节电动机的转速：（1）调节电枢供电电压U。（2）减弱励磁磁通Φ。（3）改变电枢回路电阻R。ntnonN（1）调压调速UNni工作条件：U1n2保持励磁=dN；U2保持电阻R=Ran调节过程：-U3福改变电压UN→Ut10ILUl→n,no调速特性：国调压调速特性曲线转速下降，机械特性曲线平行下移

河北联合大学电气工程学院讲稿 【第一讲教学内容组织】 介绍直流电动机调速方法，以及在不同调速方式下的机械特性。 重点: 突出 V－M 系统的主要问题。 第 1 篇 直流拖动控制系统 引言 直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和 快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。 由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又 是交流拖动控制系统的基础。因此，为了保持由浅入深的教学顺序，应该首先很好地掌握 直流拖动控制系统。 根据直流电动机转速方程 式中 — 转速（r/min）； — 电枢电压（V）； — 电枢电流（A）； — 电枢回路总电阻（）； — 励磁磁通（Wb）； — 由电机结构决定的电动势常数。 由式（1-1）可以看出，有三种方法调节电动机的转速： （1）调节电枢供电电压 U。 （2）减弱励磁磁通 。 （3）改变电枢回路电阻 R。 （1）调压调速 ◼ 工作条件： 保持励磁  = N ； 保持电阻 R = Ra ◼ 调节过程： 改变电压 UN → U U →n ， n0  ◼ 调速特性： 转速下降，机械特性曲线平行下移。 KeΦ U IR n − =

河北联合大学电气工程学院讲稿（2）调阻调速nt■工作条件：保持励磁Φ=DN；nonN-R.保持电压U=UN；1n2一调节过程：R1113增加电阻Ra→R个R2R个→n, no不变;R3调速特性：图转速下降，机械特性曲线变软。01IL调阻调速特性曲线（3）调磁调速-工作条件：nt保持电压U=UN；113保持电阻R=Ra；nno■调节过程：nNPN减小励磁N→Pi@l→n个, no 个02■调速特性：Φ3转速上升，机械特性曲线变软。+0TeTL三种调速方法的性能与比较调压调速特性曲线对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主

河北联合大学电气工程学院讲稿 （2）调阻调速 ◼ 工作条件： 保持励磁  = N ； 保持电压 U =UN ； ◼ 调节过程： 增加电阻 Ra → R R  →n ，n0 不变； ◼ 调速特性： 转速下降，机械特性曲线变软。 （3）调磁调速 ◼ 工作条件： 保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = R a ； ◼ 调节过程： 减小励磁 N →    → n ， n0  ◼ 调速特性： 转速上升，机械特性曲线变软。 三种调速方法的性能与比较 对于要求在一定范围内无级平滑调速的 系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最 好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配 合调压方案，在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升速。 因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主

河北联合大学电气工程学院讲稿第一章闭环控制的直流调速系统本章着重讨论基本的闭环控制系统及其分析与设计方法。本章提要1.1直流调速系统用的可控直流电源1.2晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题1.3直流脉宽调速系统的主要问题1.4反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计1.5反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计1.6比例积分控制规律和无静差调速系统1.1直流调速系统用的可控直流电源根据前面分析，调压调速是直流调速系统的主要方法，而调节电枢电压需要有专门向电动机供电的可控直流电源。本节介绍几种主要的可控直流电源。常用的可控直流电源有以下三种-旋转变流机组一一用交流电动机和直流发电机组成机组，获得可调的直流电压。国静止式可控整流器一用静止式的可控整流器获得可调的直流电压。国直流斩波器或脉宽调制变换器一一用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，产生可变的平均电压。1.1.1旋转变流机组电源F二机程放大装置图1-1旋转变流机组和由它供电的直流调速系统（G-M系统）原理图G-M系统工作原理由原动机（柴油机、交流异步或同步电动机）拖动直流发电机G实现变流，由G给需要调速的直流电动机M供电，调节G的励磁电流f即可改变其输出电压U，从而

河北联合大学电气工程学院讲稿 第一章 闭环控制的直流调速系统 本章着重讨论基本的闭环控制系统及其分析与设计方法。 本章提要 1.1 直流调速系统用的可控直流电源 1.2 晶闸管-电动机系统（V-M 系统）的主要问题 1.3 直流脉宽调速系统的主要问题 1.4 反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计 1.5 反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计 1.6 比例积分控制规律和无静差调速系统 1.1 直流调速系统用的可控直流电源 根据前面分析，调压调速是直流调速系统的主要方法，而调节电枢电压需要有专门向电 动机供电的可控直流电源。 本节介绍几种主要的可控直流电源。 常用的可控直流电源有以下三种 ◼ 旋转变流机组——用交流电动机和直流发电机组成机组，获得可调的直流电压。 ◼ 静止式可控整流器——用静止式的可控整流器获得可调的直流电压。 ◼ 直流斩波器或脉宽调制变换器——用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电 力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，产生可变的平均电压。 1.1.1 旋转变流机组 图 1-1 旋转变流机组和由它供电的直流调速系统（G-M 系统）原理图 G-M 系统工作原理 由原动机（柴油机、交流异步或同步电动机）拖动直流发电机 G 实现变流，由 G 给 需要调速的直流电动机 M 供电，调节 G 的励磁电流 if 即可改变其输出电压 U，从而

河北联合大学电气工程学院讲稿调节电动机的转速n。这样的调速系统简称G-M系统，国际上通称Ward-Leonard系统。G-M系统特性n第I象限第IⅡI象限no111n2T.o第III象限第IV象限图1-2G-M系统的机械特性1.1.2静止式可控整流器图1-3晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）原理图V-M系统工作原理晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统，又称静止的Ward-Leonard系统），图中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。V-M系统的特点与G-M系统相比较：■晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。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晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器

河北联合大学电气工程学院讲稿 调节电动机的转速 n 。 这样的调速系统简称 G-M 系统，国际上通称 Ward-Leonard 系统。 G-M 系统特性 1.1.2 静止式可控整流器 图 1-3 晶闸管-电动机调速系统（V-M 系统）原理图 V-M 系统工作原理 晶闸管-电动机调速系统（简称 V-M 系统，又称静止的 Ward-Leonard 系统），图中 VT 是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置 GT 的控制电压 Uc 来移动触发脉冲的相位， 即可改变整流电压 Ud ，从而实现平滑调速。 V-M 系统的特点 与 G-M 系统相比较： ◼ 晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显 示出较大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在 10 4 以上，其门极电流可以直 接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器

河北联合大学电气工程学院讲稿在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。V-M系统的问题国由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。晶闸管对过电压、过电流和过高的duldt与dildt都十分敏感，若超过允许值会在一很短的时间内损坏器件。服由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。1.1.3直流波器或脉宽调制变换器在干线铁道电力机车、工矿电力机车、城市有轨和无轨电车和地铁电机车等电力牵引设备上，常采用直流串励或复励电动机，由恒压直流电网供电，过去用切换电枢回路电阻来控制电机的起动、制动和调速，在电阻中耗电很大。1．直流波器的基本结构1CUd+U,木VDta）原理图b）电压波形图图1-5直流新波器-电动机系统的原理图和电压波形2.斩波器的基本控制原理在原理图中，VT表示电力电子开关器件，VD表示续流二极管。当VT导通时，直流电源电压Us加到电动机上：当VT关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经VD续流，两端电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形如图1-5b，好像是电源电压Us在ton时间内被接上，又在T-ton时间内被斩断，故称“斩波”。3.输出电压计算这样，电动机得到的平均电压为U.=U,= pU,7(1-2)

河北联合大学电气工程学院讲稿 ◼ 在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大 提高系统的动态性能。 V-M 系统的问题 ◼ 由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。 ◼ 晶闸管对过电压、过电流和过高的 du/dt 与 di/dt 都十分敏感，若超过允许值会在 很短的时间内损坏器件。 ◼ 由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公 害”。 1.1.3 直流斩波器或脉宽调制变换器 在干线铁道电力机车、工矿电力机车、城市有轨和无轨电车和地铁电机车等电力牵引 设备上，常采用直流串励或复励电动机，由恒压直流电网供电，过去用切换电枢回路电阻 来控制电机的起动、制动和调速，在电阻中耗电很大。 1. 直流斩波器的基本结构 2. 斩波器的基本控制原理 在原理图中，VT 表示电力电子开关器件，VD 表示续流二极管。当 VT 导通时，直流 电源电压 Us 加到电动机上；当 VT 关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经 VD 续 流，两端电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形如图 1-5b ，好像是电源电压 Us 在 ton 时间内被接上，又在 T – ton 时间内被斩断，故称“斩波”。 3. 输出电压计算 这样，电动机得到的平均电压为 (1-2) s s on d U U T t U = = 

河北联合大学电气工程学院讲稿式中T一晶闸管的开关周期：ton一开通时间；p一占空比，p=ton/T=tonf,其中f为开关频率。为了节能并实行无触点控制，现在多用电力电子开关器件，如快速晶闸管、GTO、IGBT等。采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，脉宽调制变换器（PWM-PulseWidthModulation）。4.波电路三种控制方式-根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分，有三种控制方式：+T不变，变ton一脉冲宽度调制（PWM)；-ton不变，变T一脉冲频率调制（PFM)；-ton和T都可调，改变占空比一混合型。PWM系统的优点（1）主电路线路简单，需用的功率器件少。（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右。（4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高。（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。小结三种可控直流电源，V-M系统在20世纪60~70年代得到广泛应用，目前主要用于大容量系统。直流PWM调速系统作为一种新技术，发展迅速，应用日益广泛，特别在中、小容量的系统中，已取代V-M系统成为主要的直流调速方式。1.2晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题本节讨论V-M系统的几个主要问题：（1）触发脉冲相位控制

河北联合大学电气工程学院讲稿 式中 T — 晶闸管的开关周期； ton — 开通时间；  — 占空比，  = ton / T = ton f ,其中 f 为开关频率。 为了节能并实行无触点控制，现在多用电力电子开关器件，如快速晶闸管、GTO、IGBT 等。 采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开 关的电路，脉宽调制变换器（PWM-Pulse Width Modulation）。 4. 斩波电路三种控制方式 ◼ 根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分，有三种控制方式： ◼ T 不变，变 ton —脉冲宽度调制（PWM）； ◼ ton 不变，变 T —脉冲频率调制（PFM）； ◼ ton 和 T 都可调，改变占空比—混合型。 PWM 系统的优点 （1）主电路线路简单，需用的功率器件少。 （2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。 （3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达 1:10000 左右。 （4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。 （5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不 大，因而装置效率较高。 （6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。 小结 三种可控直流电源，V-M 系统在 20 世纪 60~70 年代得到广泛应用，目前主要用于大容 量系统。 直流 PWM 调速系统作为一种新技术，发展迅速，应用日益广泛，特别在中、小容量 的系统中，已取代 V-M 系统成为主要的直流调速方式。 1.2 晶闸管-电动机系统（V-M 系统）的主要问题 本节讨论 V-M 系统的几个主要问题： （1）触发脉冲相位控制

河北联合大学电气工程学院讲稿（2）电流脉动及其波形的连续与断续。（3）抑制电流脉动的措施。（4）晶闸管-电动机系统的机械特性。（5）晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数。触发脉冲相位控制1.2.1在如图可控整流电路中，调节触发装置GT输出脉冲的相位，即可很方便地改变可控整流器VT输出瞬时电压ud的波形，以及输出平均电压Ud的数值。等效电路分析如果把整流装置内阻移到装置R外边，看成是其负载电路电阻的一部分，那么，整流电压便可以用其Ia理想空载瞬时值udo和平均值UaoUdO来表示，相当于用图示的等效电路代替实际的整流电路。图1-7V-M系统主电路的等效电路图

河北联合大学电气工程学院讲稿 （2）电流脉动及其波形的连续与断续。 （3）抑制电流脉动的措施。 （4）晶闸管-电动机系统的机械特性。 （5）晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数。 1.2.1 触发脉冲相位控制 在如图可控整流电路中，调节触发装置 GT 输出脉冲的相位，即可很方便地改变可控 整流器 VT 输出瞬时电压 ud 的波形，以及输出平均电压 Ud 的数值。 等效电路分析 如果把整流装置内阻移到装置 外边，看成是其负载电路电阻的一 部分，那么，整流电压便可以用其 理想空载瞬时值 ud0 和平均值 Ud0 来表示，相当于用图示的等 效电路代替实际的整流电路

河北联合大学电气工程学院讲稿瞬时电压平衡方程(1- 4)Uao=E+iR+Ldidt式中一电动机反电动势（V)；一整流电流瞬时值（A）；一主电路总电感（H)：一主电路等效电阻（Q)，R=Rrec + Ra + RL.对udo进行积分，即得理想空载整流电压平均值UdO。用触发脉冲的相位角α控制整流电压的平均值UdO是晶闸管整流器的特点。UdO与触发脉冲相位角α的关系因整流电路的形式而异，对于一般的全控整流电路，当电流波形连续时，UdO=f（α）可用下式表示整流电压的平均值计算"U.sn"Uao="cosα(1-5)元m式中一从自然换相点算起的触发脉冲控制角：一α=0时的整流电压波形峰值（V)：一交流电源一周内的整流电压脉波数。对于不同的整流电路，它们的数值见表1-1。表1-1不同整流电路的整流电压波形峰值、脉波数及平均整流电压整流电路单相全波三相半波三相全波六相半波2U,oU,2UV2U, *Um3626m0.9U2cosa2.34U2cosa135U2cosaUan1.17U,cosa*U2是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。整流与逆变状态-当00，晶闸管装置处于整流状态，电功率从交流侧输送到直流侧；

河北联合大学电气工程学院讲稿 瞬时电压平衡方程 (1- 4) 式中 — 电动机反电动势（V）； — 整流电流瞬时值（A）； — 主电路总电感（H）； — 主电路等效电阻（）， R = Rrec + Ra + RL。 对 ud0 进行积分，即得理想空载整流电压平均值 Ud0 。 用触发脉冲的相位角  控制整流电压的平均值 Ud0 是晶闸管整流器的特点。 Ud0 与触发脉冲相位角  的关系因整流电路的形式而异，对于一般的全控整流电路， 当电流波形连续时，Ud0 = f () 可用下式表示 整流电压的平均值计算 (1-5) 式中 —从自然换相点算起的触发脉冲控制角； —  = 0 时的整流电压波形峰值（V）； —交流电源一周内的整流电压脉波数。 对于不同的整流电路，它们的数值见表 1-1。 表 1-1 不同整流电路的整流电压波形峰值、脉波数及平均整流电压 * U2 是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。 整流与逆变状态 ◼ 当 0 0 ，晶闸管装置处于整流状态，电功率从交流侧输送到 直流侧； t i u E i R L d d d d0 = + d + cos π sin π d0 m m U m U =