本書按照《全國高等學校自動化專業(yè)系列教材》編審委員會制定的要求編寫,適用于高等院校自動化專業(yè)以及電氣工程與自動化、電氣工程及其自動化專業(yè)本科“運動控制系統(tǒng)”課程,也可供電力電子與電力傳動研究生和從事運動控制系統(tǒng)的工程技術(shù)人員參考。
本書共3篇7章,內(nèi)容涵蓋: 可控電源電動機系統(tǒng)的特殊問題及機械特性,開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能指標,交、直流調(diào)速系統(tǒng)及伺服系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu),靜態(tài)和動態(tài)性能指標及分析方法,反饋控制的基本特點,調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)及參數(shù)的設(shè)計方法,控制系統(tǒng)的實現(xiàn),計算機仿真軟件在運動控制系統(tǒng)中的應用等。本書以控制規(guī)律為主線,按照從直流到交流、從開環(huán)到閉環(huán)、從調(diào)速到伺服循序漸進的原則編寫。
本書反映了技術(shù)進步與發(fā)展的4個特征: 全控型電力電子器件取代半控型器件,變換技術(shù)由相位控制轉(zhuǎn)變成脈寬調(diào)制; 模擬電子控制基本上讓位于計算機數(shù)字控制; 交流運動控制系統(tǒng)逐步取代直流運動控制系統(tǒng); 計算機仿真與輔助設(shè)計逐步融入運動控制系統(tǒng)的性能分析與設(shè)計中。
本書屬于《全國高等學校自動化專業(yè)系列教材》,按照系列教材編審委員會制定的要求編寫,適用于高等院校自動化專業(yè)以及電氣工程與自動化、電氣工程及其自動化專業(yè)本科“運動控制系統(tǒng)”課程,也可供電力電子與電力傳動碩士研究生和從事運動控制系統(tǒng)的工程技術(shù)人員參考。
“運動控制系統(tǒng)”是電氣工程與自動化專業(yè)、電氣工程及其自動化專業(yè)和自動化專業(yè)的專業(yè)主干課,綜合利用前期課程“自動控制理論”、“電力電子技術(shù)”、“電機與拖動基礎(chǔ)”、“計算機控制系統(tǒng)”的基礎(chǔ)知識,培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的能力,掌握運動控制系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計方法。課程的要點是: 從實際出發(fā),深入地進行理論分析,應用理論解決運動控制系統(tǒng)中的實際問題,以計算機仿真和實驗等手段驗證理論分析結(jié)果,提高學生分析問題和解決問題的能力。因此,“運動控制系統(tǒng)”是培養(yǎng)自動化專業(yè)學生理論聯(lián)系實際的關(guān)鍵課程。
本書反映了技術(shù)進步與發(fā)展的4個特征: 1.全控型電力電子器件取代半控型器件,變換技術(shù)由相位控制轉(zhuǎn)變成脈寬調(diào)制; 2.模擬電子控制基本上讓位于計算機數(shù)字控制; 3.交流運動控制系統(tǒng)逐步取代直流運動控制系統(tǒng); 4.計算機仿真與輔助設(shè)計逐步融入運動控制系統(tǒng)的性能分析與設(shè)計中。
本書的內(nèi)容涵蓋: 可控電源電動機系統(tǒng)的特殊問題及機械特性,開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能指標,交、直流調(diào)速系統(tǒng)及伺服系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu),靜態(tài)和動態(tài)性能指標及分析方法,反饋控制的基本特點,調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)及參數(shù)的設(shè)計方法,控制系統(tǒng)的實現(xiàn),計算機仿真軟件在運動控制系統(tǒng)中的應用等。本書以控制規(guī)律為主線,按照從直流到交流、從開環(huán)到閉環(huán)、從調(diào)速到伺服循序漸進的原則編寫。
在內(nèi)容的安排上,本書避免與前期課程簡單的重復,對前期課程的交叉點、復合面,結(jié)合本課程的需要做必要的論述,引導讀者綜合利用前期基礎(chǔ)知識,分析與解決新的問題。在經(jīng)典或傳統(tǒng)內(nèi)容中融入新的方法或新的特點,如計算機數(shù)字控制,用計算機仿真來分析和設(shè)計系統(tǒng)。
直流控制系統(tǒng),是運動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ),所以本書從直流系統(tǒng)入門,建立了扎實的控制系統(tǒng)分析與設(shè)計的概念和能力以后,再進入交流系統(tǒng)的學習。鑒于篇幅與學時上的限制,刪去轉(zhuǎn)差功率消耗型和轉(zhuǎn)差功率饋送型異步電動機調(diào)速系統(tǒng)等內(nèi)容,著重論述交流電動機的變頻調(diào)速?紤]到高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)已被廣泛應用,根據(jù)實際教學經(jīng)驗,諸如異步電動機的動態(tài)模型、矢量控制系統(tǒng)與直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)等內(nèi)容教學難度較大,在實際教學中應靈活掌握。在掌握調(diào)速系統(tǒng)的基本規(guī)律和設(shè)計方法的基礎(chǔ)上,進一步學習伺服系統(tǒng)的分析與設(shè)計方法。
本書共3篇7章,按照48學時編寫。
運動控制系統(tǒng)前言第1篇直流調(diào)速系統(tǒng),包含第1章可控直流電源-電動機系統(tǒng),第2章閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng),第3章可逆直流調(diào)速系統(tǒng)。
第2篇交流調(diào)速系統(tǒng),包含第4章基于穩(wěn)態(tài)模型的感應電動機調(diào)速,第5章基于動態(tài)模型的感應電動機調(diào)速,第6章同步電動機調(diào)速系統(tǒng)。
第3篇伺服系統(tǒng)包含第7章伺服系統(tǒng)。
根據(jù)編者的教學經(jīng)驗,在48學時內(nèi),難以完成全部7章內(nèi)容的教學?紤]到各個學校相應專業(yè)對課程的要求不同,在實際教學中可選用部分內(nèi)容,對于學時較少的學校,可刪去帶*的選學內(nèi)容。本書每章附有思考題和習題,其中思考題難度較大,供教學參考,讀者不必全部求解。
本課程是一門實踐性很強的課程,實驗是學好本課程必不可少的重要環(huán)節(jié),可以隨課堂教學過程進行,也可以開設(shè)單獨的實驗課,其目的在于培養(yǎng)學生掌握實驗方法和運用理論分析并解決實際問題的能力。
本書由上海大學阮毅教授和上海交通大學陳維鈞副教授主編,第1篇直流調(diào)速系統(tǒng)共3章和直流調(diào)速系統(tǒng)的實驗由上海交通大學陳維鈞副教授編寫,其余各章由阮毅教授編寫,并負責全書的統(tǒng)稿。
為了便于使用本書實施教學,減少板書的時間,緩解學時少、內(nèi)容多的矛盾,我們編制了課堂教學演示軟件,供任課教師和讀者使用。直流調(diào)速系統(tǒng)由陳維鈞副教授編制,交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)由阮毅教授編制。
本書由上海大學陳伯時教授主審,陳伯時教授認真仔細地審閱了書稿,在內(nèi)容編排、概念論述、文字潤飾等方面提出了許多寶貴而中肯的修改意見,在此謹致深切的感謝。
本書編寫工作得到《全國高等學校自動化專業(yè)系列教材》編審委員會,清華大學蕭德云教授,上海交通大學陳敏遜教授,上海大學龔幼民教授、高艷霞副教授和沙立民副教授,清華大學出版社王一玲主任的關(guān)心和支持,在此表示謝意。
我們在編寫過程中雖然花了不少精力,仍難免有錯誤與不足之處,殷切期望廣大讀者批評指正。
編者
2006年6月
常用符號表
緒論
0.1運動控制及其相關(guān)學科
0.2運動控制系統(tǒng)及其組成
0.3運動控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律
第1篇直流調(diào)速系統(tǒng)
第1章可控直流電源電動機系統(tǒng)
1.1相控整流器電動機系統(tǒng)
1.1.1相控整流器
1.1.2相控整流器電動機系統(tǒng)的特殊問題
1.1.3相控整流直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性及數(shù)學
模型
1.2直流PWM變換器電動機系統(tǒng)
1.2.1直流PWM變換器
1.2.2直流PWM變換器電動機系統(tǒng)的能量回饋
問題
1.2.3直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型及機械特性
1.3調(diào)速系統(tǒng)性能指標
1.3.1調(diào)速范圍和靜差率
1.3.2開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機械特性及性能指標
思考題
習題
第2章閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)
2.1轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)
2.1.1轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律
2.1.2轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的限流保護
2.1.3轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型
2.1.4PI控制規(guī)律及調(diào)節(jié)器的設(shè)計
2.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)
2.2.1雙閉環(huán)系統(tǒng)的控制規(guī)律
2.2.2穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算
2.2.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型與性能分析
2.3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字實現(xiàn)
2.3.1微機數(shù)字控制的特點
2.3.2轉(zhuǎn)速檢測的數(shù)字化
2.3.3數(shù)字PI調(diào)節(jié)器
2.4調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法
2.4.1控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標
2.4.2典型系統(tǒng)性能指標與參數(shù)間的關(guān)系
2.4.3調(diào)節(jié)器的設(shè)計
2.4.4設(shè)計舉例
*2.5直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真
思考題
習題
運動控制系統(tǒng)目錄*第3章可逆、弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)
3.1可逆直流調(diào)速系統(tǒng)
3.1.1相控整流器可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的主回路結(jié)構(gòu)
3.1.2可逆VM系統(tǒng)的環(huán)流
3.1.3轉(zhuǎn)速制動過程的分析
3.1.4無環(huán)流控制的可逆晶閘管電動機系統(tǒng)
3.1.5PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)
3.2弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)
3.2.1弱磁與調(diào)壓的配合控制
3.2.2調(diào)壓與弱磁配合控制的調(diào)速系統(tǒng)
思考題
習題
第2篇交流調(diào)速系統(tǒng)
第4章基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動機調(diào)速系統(tǒng)
4.1異步電動機變壓變頻調(diào)速基本原理
4.1.1異步電動機穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型
4.1.2變壓變頻調(diào)速基本原理
4.1.3基頻以下電流補償控制
4.2交流PWM變頻技術(shù)
4.2.1交直交PWM變頻器主回路
4.2.2正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)
4.2.3電流跟蹤PWM(CFPWM)控制技術(shù)
4.2.4電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制技術(shù)
4.2.5交流PWM變頻器異步電動機系統(tǒng)的特殊問題
4.3轉(zhuǎn)速開環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)
4.3.1轉(zhuǎn)速開環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
4.3.2系統(tǒng)實現(xiàn)
4.4轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)
4.4.1轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念及特點
4.4.2轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及性能分析
4.4.3最大轉(zhuǎn)差頻率ωsmax的計算
4.4.4轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)的特點
*4.5變頻調(diào)速在恒壓供水系統(tǒng)中的應用
思考題
習題
第5章基于動態(tài)模型的異步電動機調(diào)速系統(tǒng)
5.1異步電動機動態(tài)數(shù)學模型
5.1.1異步電動機動態(tài)數(shù)學模型的性質(zhì)
5.1.2異步電動機三相原始數(shù)學模型
5.1.3坐標變換
5.1.4異步電動機在兩相坐標系上的動態(tài)數(shù)學模型
5.1.5異步電動機在兩相坐標系上的狀態(tài)方程
5.2異步電動機按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)
5.2.1按轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)坐標系mt中的狀態(tài)方程
5.2.2按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制的基本思想
5.2.3按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)的實現(xiàn)
5.2.4按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制方式
5.2.5轉(zhuǎn)子磁鏈計算
5.2.6磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)——間接定向
5.3異步電動機按定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)
5.3.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用
5.3.2基于定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)
5.3.3定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩計算模型
5.4直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)與矢量控制系統(tǒng)的比較
*5.5矢量控制系統(tǒng)在塑料擠出機主傳動中的應用
思考題
習題
第6章同步電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)
6.1同步電動機的基本特征與調(diào)速方法
6.1.1同步電動機的特點
6.1.2同步電動機的分類
6.1.3同步電動機的矩角特性
6.1.4同步電動機的穩(wěn)定運行
6.1.5同步電動機的啟動
6.1.6同步電動機的調(diào)速
6.2他控變頻同步電動機調(diào)速系統(tǒng)
6.2.1轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的同步電動機群調(diào)速系統(tǒng)
6.2.2大功率同步電動機調(diào)速系統(tǒng)
*6.3自控變頻同步電動機調(diào)速系統(tǒng)
6.3.1自控變頻同步電動機
6.3.2梯形波永磁同步電動機(無刷直流電動機)的自控變頻
調(diào)速系統(tǒng)
*6.4同步電動機矢量控制系統(tǒng)
6.4.1可控勵磁同步電動機動態(tài)數(shù)學模型
6.4.2可控勵磁同步電動機按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)
6.4.3正弦波永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)
思考題
習題
*第3篇伺服系統(tǒng)
*第7章伺服系統(tǒng)
7.1伺服系統(tǒng)的特征及組成
7.1.1伺服系統(tǒng)的基本要求及特征
7.1.2伺服系統(tǒng)的組成
7.1.3位置傳感器
7.2伺服系統(tǒng)的跟隨性能
7.3伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學模型
7.3.1直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學模型
7.3.2交流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學模型
7.4伺服系統(tǒng)的設(shè)計
7.4.1單環(huán)位置伺服系統(tǒng)
7.4.2雙環(huán)伺服系統(tǒng)
7.4.3三環(huán)伺服系統(tǒng)
7.4.4復合控制的伺服系統(tǒng)
思考題
習題
附錄
附錄1三相/兩相坐標變換
附錄1.1不同坐標系中的電功率
附錄1.2三相到兩相坐標系的變換
附錄1.3功率不變時的坐標變換陣
附錄1.4匝數(shù)不變時的坐標變換陣
附錄1.5兩種坐標變換的比較
附錄2由三相靜止坐標系到兩相任意旋轉(zhuǎn)坐標系上的變換
(3s/2r變換)
附錄2.13s/2r旋轉(zhuǎn)變換陣
附錄2.2電壓方程的變換
附錄2.3磁鏈方程的變換
附錄2.4轉(zhuǎn)矩方程的變換
教學實驗參考
實驗1帶電流截止負反饋的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)
實驗2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)
實驗3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)
實驗4異步電動機轉(zhuǎn)速開環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)
實驗5永磁同步電動機轉(zhuǎn)速開環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)
參考文獻