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 直流电动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 直流电动机的工作原理及种类 12 1.2.1 直流电动机的工作原理 12 1.2.2 直流电动机的种类 13 1.3 直流电动机的模型 14 1.3.1 直流电动机的转矩和反电动势 15 1.3.2 直流电动机的启动 16 1.4 他励直流电动机的调速方法 17 1.4.1 改变电枢回路电阻调速 18 1.4.2 减弱电动机励磁磁通调速 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 25 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 其他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 41 2.1 *佳过渡过程的基本概念 41 2.2 电流转速双闭环调速系统 42 2.2.1 电流转速双闭环调速系统的组成及静特性 42 2.2.2 电流转速双闭环调速系统的动态分析 45 2.2.3 电流转速双闭环调速系统的动态抗干扰性能 48 2.3 电流转速双闭环调速系统的工程设计方法 49 2.3.1 工程设计方法的基本思路 49 2.3.2 典型Ⅰ型系统 50 2.3.3 典型Ⅱ型系统 55 2.3.4 传递函数的近似处理 59 2.3.5 系统的类型和调节器的选择 61 2.4 电流转速双闭环调速系统的工程设计 63 2.4.1 电流调节器的设计 63 2.4.2 转速调节器的设计 66 2.4.3 转速退饱和超调量的计算 69 2.4.4 退饱和超调的抑制 72 2.5 弱磁控制的直流调速系统 75 习题与思考题 76 第3章 晶闸管-电动机可逆调速系统 78 3.1 晶闸管直流调速系统可逆运行方案 78 3.1.1 问题的提出 78 3.1.2 可逆直流调速系统电路实现方式 78 3.2 两组晶闸管可逆线路中的环流及其处理原则 81 3.2.1 晶闸管装置的逆变状态与直流电动机的回馈制动 81 3.2.2 可逆系统中的环流分析 83 3.3 V-M可逆调速系统 87 3.3.1 α=β配合控制的有环流V-M可逆调速系统 87 3.3.2 无环流控制的V-M可逆调速系统 90 习题与思考题 93 第4章 直流脉宽调速系统 95 4.1 脉宽调制变换器 95 4.1.1 不可逆调速系统 96 4.1.2 电流反向的不可逆PWM调速系统 96 4.1.3 四象限可逆PWM变换器 99 4.2 脉宽调制系统的开环机械特性 105 4.3 PWM变换器的控制电路 107 4.3.1 门极驱动器 108 4.3.2 缓冲与吸收电路 109 4.4 PWM调速系统的电流脉动和转矩脉动分析 110 4.4.1 电流脉动 110 4.4.2 转矩脉动 112 习题与思考题 114 第5章 交流调速系统基础 115 5.1 概述 115 5.1.1 交流调速系统的发展历史 116 5.1.2 交流调速与直流调速的比较 117 5.2 异步电动机基础 118 5.2.1 异步电动机的工作原理 118 5.2.2 异步电动机的组成 119 5.2.3 旋转磁场 121 5.2.4 旋转磁场对定子绕组的作用 124 5.2.5 旋转磁场对转子绕组的作用 126 5.2.6 转子和定子电路之间的关系 126 5.2.7 异步电动机的功率及转矩表达式 128 5.3 交流调速的基本方法 129 5.3.1 变极对数调速方法 129 5.3.2 变频调速方法 129 5.3.3 变转差率调速的主要方法 130 5.4 逆变器的分类及指标 133 5.4.1 直接变换器 133 5.4.2 间接变换器 135 5.4.3 逆变器波形指标 136 习题与思考题 137 第6章 基于异步电动机稳态模型的调速系统 138 6.1 变压变频调速的基本控制方式 138 6.1.1 基频以下调速 138 6.1.2 基频以上调速 139 6.2 异步电动机电压-频率协调控制时的机械特性 139 6.2.1 恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性 139 6.2.2 基频以下电压-频率协调控制时的机械特性 140 6.2.3 基频以上恒压变频时的机械特性 144 6.3 交流脉宽调制（PWM）技术 145 6.3.1 PWM波形生成原理 146 6.3.2 正弦PWM控制技术 147 6.3.3 选择谐波消除PWM控制技术 149 6.3.4 电流滞环PWM控制技术 150 6.3.5 电压空间矢量PWM控制技术 152 6.4 转速开环恒压频比控制调速系统 158 6.4.1 系统结构 158 6.4.2 系统实现 159 6.4.3 动态特性与静态特性 160 6.5 转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统 161 6.5.1 转差频率控制的基本概念 161 6.5.2 基于异步电动机稳态模型的转差频率控制规律 162 6.5.3 转差频率控制的变压变频调速系统 163 6.6 PWM变频调速系统的几个问题 163 6.6.1 转动脉动 164 6.6.2 直流电压利用率 165 6.6.3 能量回馈与泵升电压 166 6.6.4 对电网的污染 167 6.6.5 桥臂器件开关死区对PWM变压变频器的影响 167 习题与思考题 169 第7章 基于异步电动机动态数学模型的调速系统 171 7.1 交流异步电动机动态数学模型和坐标变换 171 7.1.1 三相异步电动机动态数学模型 171 7.1.2 坐标变换 176 7.1.3 异步电动机在两相坐标系上的数学模型 179 7.1.4 异步电动机在两相坐标系上的状态方程 182 7.1.5 异步电动机动态数学模型的控制特性 186 7.2 按转子磁链定向的矢量控制系统 186 7.2.1 同步旋转坐标系中的数学模型 186 7.2.2 按转子磁链定向矢量控制的基本原理 188 7.2.3 按转子磁链定向的矢量控制系统 189 7.2.4 按转子磁链定向矢量控制系统的转矩控制方式 190 7.2.5 转子磁链计算 192 7.2.6 磁链开环转差型矢量控制系统——间接定向 195 7.3 无速度传感器矢量控制系统 197 7.3.1 速度推算与矢量控制分别独立进行 197 7.3.2 速度推算与矢量控制同时进行 198 7.3.3 无电压、速度传感器矢量控制系统 199 7.4 直接转矩控制系统 200 7.4.1 直接转矩控制系统的基本原理 200 7.4.2 基于定子磁链控制的直接转矩控制系统 206 7.4.3 定子磁链和转矩计算模型 208 7.4.4 无速度传感器直接转矩控制 210 7.5 直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较 212 7.6 直接转矩控制实例仿真 213 习题与思考题 215 第8章 异步电动机串级调速系统 217 8.1 异步电动机串级调速系统的工作原理 217 8.2 异步电动机串级调速时的机械特性 219 8.2.1 异步电动机串级调速机械特性的特征 219 8.2.2 异步电动机串级调速时的转子整流电路 222 8.2.3 异步电动机串级调速机械特性方程 223 8.3 双闭环控制串级调速系统 227 8.3.1 双闭环控制串级调速系统的组成 227 8.3.2 串级调速系统的动态数学模型 228 8.3.3 调节器参数的设计 229 8.3.4 串级调速系统的功率因数及其改善途径 230 习题与思考题 230 第9章 同步电动机调速与交流伺服系统 232 9.1 概述 232 9.1.1 可控励磁同步电动机 233 9.1.2 永磁同步电动机 238 9.1.3 同步电动机的调速 240 9.2 他控变频同步电动机调速系统 241 9.2.1 转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统 241 9.2.2 大功率同步电动机调速系统 241 9.3 自控变频同步电动机调速系统 242 9.3.1 自控变频同步电动机 242 9.3.2 永磁无刷直流电动机的自控变压变频调速系统 244 9.4 可控励磁同步电动机高性能调速控制系统 247 9.4.1 可控励磁同步电动机的多变量动态数学模型 248 9.4.2 可控励磁同步电动机按气隙磁链定向矢量控制系统 251 9.4.3 可控励磁同步电动机直接转矩控制系统 254 9.5 正弦波永磁同步电动机高性能调速控制系统 256 9.5.1 PMSM的dq坐标系数学模型 257 9.5.2 PMSM按转子磁链定向的矢量控制系统 258 9.5.3 PMSM直接转矩控制系统 260 9.6 交流伺服系统 262 9.6.1 伺服系统的组成 262 9.6.2 PMSM伺服系统 264 9.6.3 PMSM伺服系统的设计 265 习题与思考题 269 第10章 多电平逆变器调速技术 270 10.1 多电平逆变器技术概述 270 10.1.1 多电平逆变器产生的背景 270 10.1.2 多电平逆变器技术 271 10.1.3 多电平逆变器的特点 274 10.2 多电平逆变器电路结构 274 10.2.1 钳位型逆变器 274 10.2.2 级联型逆变器 279 10.3 多电平PWM调制方法 281 10.3.1 阶梯波调制法 281 10.3.2 SPWM法 282 10.3.3 空间矢量PWM法 283 10.3.4 选择谐波消去法 284 10.3.5 开关频率优化法 285 10.4 三电平逆变器异步电动机直接转矩控制系统 286 10.4.1 三电平逆变器直接转矩控制基本原理 287 10.4.2 电压空间矢量优化选择原理 287 10.4.3 仿真结果 288 习题与思考题 289 第11章 数字运动控制系统与工程实现 290 11.1 运动控制系统数字控制的特点 290 11.2 运动控制系统主要环节的数字化实现 291 11.2.1 系统状态量的数字检测 291 11.2.2 数字滤波器 295 11.2.3 函数发生器 296 11.2.4 数字控制器 298 11.3 基于DSP的运动控制系统 303 11.3.1 TMS320F28XX实现异步电动机矢量控制 303 11.3.2 TMS320实现异步电动机直接转矩控制 306 11.4 基于矢量控制系统的增量调试 310 习题与思考题 313 第12章 智能运动控制系统 314 12.1 交流电动机的非线性与智能控制方法 314 12.2 基于速度观测器的异步电动机模糊自适应反演控制 316 12.3 智能控制在运动控制系统中的应用 322 12.3.1 模糊控制在运动控制系统中的应用 323 12.3.2 神经网络控制在运动控制系统中的应用 332 12.3.3 模糊神经网络在运动控制系统中的应用 337 习题与思考题 342 参考文献 343