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1、电气传动计算机控制电气传动计算机控制第一章第一章 概述概述1.1电气传动技术概要电气传动技术概要1.2电气传动微机控制系统的特点电气传动微机控制系统的特点1.3电气传动微机控制的基本结构电气传动微机控制的基本结构 1.1.1电气传动技术电气传动技术 电气传动技术电气传动技术以运动机械的驱动装置以运动机械的驱动装置电动机电动机为控制对为控制对象，以象，以微电子装置微电子装置为核心，以为核心，以电力电子功率变换装置电力电子功率变换装置为执行机构，为执行机构，在在自动控制理论自动控制理论的指导下组成电气传动自动控制系统，控制电动的指导下组成电气传动自动控制系统，控制电动机的转矩和转速，将电能转换成机
2、械能，实现工作机械的旋转运机的转矩和转速，将电能转换成机械能，实现工作机械的旋转运动或往复运动。动或往复运动。电气传动系统电气传动系统亦即亦即运动控制系统运动控制系统。1.把把转速转速作为被控参数的称为作为被控参数的称为调速系统调速系统。2.把把直线位移直线位移或或角位移角位移作为被控参数称为作为被控参数称为位置随动系统位置随动系统。3.带动工作机械的原动机是直流电动机，则称为带动工作机械的原动机是直流电动机，则称为直流电气传动直流电气传动。4.带动工作机械的原动机是交流电动机，则称为带动工作机械的原动机是交流电动机，则称为交流电气传动交流电气传动。1.1电气传动技术概要电气传动技术概要1.1
3、.1电气传动技术电气传动技术通信、计算机、软件等信息通信、计算机、软件等信息（大脑、神经）（大脑、神经）电气传动技术电气传动技术（肌肉和骨骼）（肌肉和骨骼）机器机器（四肢）（四肢）1.1电气传动技术概要电气传动技术概要1.1.2电气传动系统的特点电气传动系统的特点v适适用用功功率率范范围围极极宽宽。目目前前,单单个个设设备备的的功功率率可可从从几几毫毫瓦瓦到到几几百百兆瓦。兆瓦。v具具有有宽宽广广的的转转速速范范围围。转转速速从从每每小小时时几几转转到到每每分分钟钟几几十十万万转转，调速范围在无变速机构的情况下可达调速范围在无变速机构的情况下可达1 1：1000010000。v电动机的种类繁多
4、，可以很方便地与电动机的种类繁多，可以很方便地与各种各样的负载配合。各种各样的负载配合。v采用不同的电动机，电气传动装置几乎适用于任何工作条件。采用不同的电动机，电气传动装置几乎适用于任何工作条件。v电电气气传传动动装装置置可可以以立立即即启启动动并并在在极极短短的的时时间间内内加加上上全全负负荷荷，既既不不需需要要预预热热，也也不不需需要要中中途途加加油油，与与其其它它原原动动机机相相比比，对对维护的需求也是适度的。维护的需求也是适度的。v可以获得良好的动态特性和极高的稳速精度、定位精度。可以获得良好的动态特性和极高的稳速精度、定位精度。v可实现四象限运行而不需要专门的可逆齿轮装置。可实现四
5、象限运行而不需要专门的可逆齿轮装置。v电电动动机机空空载载损损耗耗小小，效效率率高高，通通常常具具有有相相当当大大的的短短时时过过载载能能力。力。1.1电气传动技术概要电气传动技术概要1.2.1连续控制系统连续控制系统 电气传动经历了从恒速到调速、从低性能到高性电气传动经历了从恒速到调速、从低性能到高性能、从单机独立传动到多机综合协调传动的发展过程，能、从单机独立传动到多机综合协调传动的发展过程，基于基于反馈控制理论反馈控制理论，由，由模拟电子电路模拟电子电路构成，以直流电构成，以直流电气传动为代表的气传动为代表的连续控制系统连续控制系统的发展，改变了电气传的发展，改变了电气传动的面貌。然而，
6、连续控制系统中由模拟电路组成的动的面貌。然而，连续控制系统中由模拟电路组成的PIDPID调节器，由于校正参数不便调整，且一经确定后便调节器，由于校正参数不便调整，且一经确定后便不易改变，因而对控制对象的适应能力差，难于实现不易改变，因而对控制对象的适应能力差，难于实现各种新的控制策略和控制方法。用模拟控制装置对交各种新的控制策略和控制方法。用模拟控制装置对交流电动机进行控制，就更难满足要求。此外，模拟电流电动机进行控制，就更难满足要求。此外，模拟电路对状态量的检测精度不高，使连续控制系统的控制路对状态量的检测精度不高，使连续控制系统的控制性能不易提高；模拟式元器件集成度不高，也使硬件性能不易提
7、高；模拟式元器件集成度不高，也使硬件结构复杂，影响到控制装置的可靠性。由于上述原因，结构复杂，影响到控制装置的可靠性。由于上述原因，连续控制系统制约了电气传动特别是交流电气传动的连续控制系统制约了电气传动特别是交流电气传动的发展。发展。1.2电气传动微机控制系统的特点电气传动微机控制系统的特点1.2.2数字控制系统数字控制系统 随着微电子技术的发展，微型机功能的不断随着微电子技术的发展，微型机功能的不断提高以及电力电子技术、计算机控制技术的发展，提高以及电力电子技术、计算机控制技术的发展，电气传动领域出现了以电气传动领域出现了以微型机为核心微型机为核心的的数字控制系数字控制系统统，微型机的采用
8、不仅极大地推动了作为研究热点，微型机的采用不仅极大地推动了作为研究热点的交流电气传动的迅猛发展，也给直流电气传动的的交流电气传动的迅猛发展，也给直流电气传动的发展注入了新的活力，使电气传动进入了更新的发发展注入了新的活力，使电气传动进入了更新的发展阶段。展阶段。1.2电气传动微机控制系统的特点电气传动微机控制系统的特点1.2.2.1微机控制的电气传动优点微机控制的电气传动优点v对对被被控控对对象象电电动动机机的的各各种种状状态态量量可可实实现现快快速速、宽宽范范围围、高高分分辨辨率率、高高精精度度的的检检测测，为为高高性性能能传传动动系系统统的的实实现现提提供供了了基基本条件。本条件。v由由微
9、微机机控控制制的的各各类类电电力力电电子子功功率率变变换换装装置置可可以以使使电电动动机机有有接接近理想的可控供电电源，为提高传动系统的性能提供了保证。近理想的可控供电电源，为提高传动系统的性能提供了保证。v以以微微机机为为核核心心的的控控制制装装置置可可以以完完成成包包括括复复杂杂计计算算和和判判断断在在内内的的高高精精度度的的运运算算、变变换换和和控控制制。软软件件的的模模块块化化结结构构可可以以方方便便地地对对应应用用程程序序实实时时增增加加、更更改改、删删减减，当当实实际际系系统统变变化化时时也也可可彻彻底底更更新新。软软件件控控制制的的这这种种灵灵活活性性大大大大增增强强了了控控制制
10、器器对对被被控控对对象象的的适适应应能能力力，使使各各种种新新的的控控制制策策略略和和控控制制方方法法得得以以实实现。现。v和和模模拟拟电电路路不不一一样样，数数字字电电路路完完全全不不存存在在漂漂移移问问题题，也也不不存存在在参参数数变变化化的的影影响响，采采用用适适当当的的定定标标可可以以避避免免溢溢出出问问题题(上上溢溢出和下溢出出和下溢出)。1.2电气传动微机控制系统的特点电气传动微机控制系统的特点1.2.2.1微机控制的电气传动优点微机控制的电气传动优点v使使用用微微机机可可显显著著改改善善和和提提高高控控制制装装置置的的可可靠靠性性。集集成成电电路路和和大大规规模模集集成成电电路路
11、的的平平均均无无故故障障时时间间大大大大长长于于分分立立元元件件电电子子电电路路。当当然然，要要保保证证微微机机的的硬硬件件设设计计正正确确，使使它它的的所所有有额额定定值值(例例如如温温升升)都都保保持持在在安安全全限限制制之之内内。如如有有必必要要，可可选选用用具具有有较较大大温温度度适适用用范范围围的的高高级级别别的的元元器器件件。此此外外，还还需需采采用用必必要要的抗干扰措施。的抗干扰措施。v精精心心设设计计的的微微机机控控制制装装置置能能降降低低硬硬件件成成本本。速速度度更更快快、功功能能更更完完善善的的新新一一代代微微机机的的不不断断涌涌现现，此此优优点点将将变变得得越越来来越越明
12、明显显。体积小、重量轻、耗能少是它们附带的共同优点。体积小、重量轻、耗能少是它们附带的共同优点。v分分散散独独立立的的电电气气传传动动系系统统的的微微机机控控制制有有利利于于和和总总的的工工业业控控制制系统中的主计算机联机。系统中的主计算机联机。v进进行行监监视视、预预警警、故故障障诊诊断断和和数数据据采采集集，有有利利于于对对可可能能发发生生的故障进行分析和处理。的故障进行分析和处理。1.2电气传动微机控制系统的特点电气传动微机控制系统的特点1.2.2.2微机控制的电气传动缺点微机控制的电气传动缺点v尽尽管管微微机机的的计计算算精精度度可可以以很很高高，但但却却受受到到其其位位数数以以及及输
13、输入入、输输出出量量的的分分辨辨率率的的限限制制。例例如如，当当通通过过模模数数转转换换获获得得输输入入量量时时，存存在在着着一一定定的的采采样样和和量量化化误误差差。增增加加位位数数和和提提高高采采样样频频率率可可以以减减小小这这个个误误差差，但但是是如如果果微微机机运运算算、处处理理的的位位数数低低于模数转换器的位数，信号的分辨率仍难以提高。于模数转换器的位数，信号的分辨率仍难以提高。v微微机机对对信信息息的的处处理理是是以以串串行行方方式式进进行行的的。在在完完成成各各种种任任务务时时，时时间间以以分分时时方方式式分分配配，这这就就减减慢慢了了对对信信息息的的处处理理速速度度，影影响响到
14、到系系统统响响应应的的快快速速性性。因因此此，对对一一些些较较复复杂杂的的或或要要求求高高的的传传动动系系统统，为为提提高高系系统统的的响响应应速速度度，则则需需考考虑虑选选用用功功能能强强、运运算速度高的微机或采用多机分散并行控制技术。算速度高的微机或采用多机分散并行控制技术。v对对软软件件实实现现的的控控制制功功能能，调调试试时时不不易易使使用用仪仪器器(如如示示彼彼器器、万万用用表表)检检测测记记录录为为便便于于了了解解控控制制效效果果，对对调调控控周周期期内内的的有有关关参参数数可可采采用用列列表表存存放放、显显示示、打打印印等等方方法法，为为分分析析和和完完善善软软件提供必要的信息。
15、当然，这将会增加系统的调控周期。件提供必要的信息。当然，这将会增加系统的调控周期。1.2电气传动微机控制系统的特点电气传动微机控制系统的特点 由上述可看出，微机的采用为电气传动系统由上述可看出，微机的采用为电气传动系统提供了更为灵活、经济和高性能的控制手段。微提供了更为灵活、经济和高性能的控制手段。微机作为电气传动控制系统的核心，机型的选择直机作为电气传动控制系统的核心，机型的选择直接影响到系统的控制速度、精度和其它控制功能接影响到系统的控制速度、精度和其它控制功能的实现。目前，有多种可供选择的的实现。目前，有多种可供选择的8位、位、16位微位微机及其众多的接口芯片，它们在功能和价格上的机及其
16、众多的接口芯片，它们在功能和价格上的差别较大。因此，在机型选择和硬件设计时，应差别较大。因此，在机型选择和硬件设计时，应根据系统的繁简程度、对动态响应和控制精度的根据系统的繁简程度、对动态响应和控制精度的 要求等诸方面综合加以考虑，或者采用单机结构，要求等诸方面综合加以考虑，或者采用单机结构，或者采用多机并行结构。或者采用多机并行结构。1.2电气传动微机控制系统的特点电气传动微机控制系统的特点1.3电气传动微机控制的基本结构电气传动微机控制的基本结构电气传动微机控制系统的基本结构电气传动微机控制系统的基本结构1.3电气传动微机控制的基本结构电气传动微机控制的基本结构 从系统总体结构看，可以把用
17、微机控从系统总体结构看，可以把用微机控制的电气传动系统看成是由两个分系统制的电气传动系统看成是由两个分系统组成的，如图所示。两个分系统之间通组成的，如图所示。两个分系统之间通过信息交换连为一体。过信息交换连为一体。信息处理分系统信息处理分系统从从能量分系统能量分系统(又可称为对象系统又可称为对象系统)获得获得各种状态量信息，能量分系统接受来自各种状态量信息，能量分系统接受来自信息处理分系统的控制信息，完成由电信息处理分系统的控制信息，完成由电能到机械能的转换，实现对工作机械的能到机械能的转换，实现对工作机械的运动控制。运动控制。1.3电气传动微机控制的基本结构电气传动微机控制的基本结构 能量分
18、系统主要包括由电力电子功率变换器构能量分系统主要包括由电力电子功率变换器构成的功率驱动装置，含有或不含有减速器机械传成的功率驱动装置，含有或不含有减速器机械传动机构的电动机，以及系统中各种状态量的检测动机构的电动机，以及系统中各种状态量的检测装置。各种功率变换器在信息处理分系统输出信装置。各种功率变换器在信息处理分系统输出信息息 的控制下，将电网的交流电能变换成电动机的控制下，将电网的交流电能变换成电动机所需要的交流或直流电能。电能变换的品质指标所需要的交流或直流电能。电能变换的品质指标的优劣直接影响到电动机的运行特性和传动系统的优劣直接影响到电动机的运行特性和传动系统的性能，因此，能量分系统
19、是电气传动装置的重的性能，因此，能量分系统是电气传动装置的重要组成部分之一。要组成部分之一。对各种功率变换器的微机控制对各种功率变换器的微机控制是本课程重点讨论内容之一是本课程重点讨论内容之一。1.3电气传动微机控制的基本结构电气传动微机控制的基本结构 信息处理分系统由微机及其接口电路组成，它有两种输入信息处理分系统由微机及其接口电路组成，它有两种输入信息：其一是接受由操作人员手动给出的或者由上级机的自动信息：其一是接受由操作人员手动给出的或者由上级机的自动化功能装置发出的操作量信息，包括给定，启、停操作命令，化功能装置发出的操作量信息，包括给定，启、停操作命令，与上级机的通讯命令，显示或打印
20、命令等等与上级机的通讯命令，显示或打印命令等等(图中的图中的 )，另，另一输入信息是通过各类传感器的变换电路送来的反映能量分系一输入信息是通过各类传感器的变换电路送来的反映能量分系统运行状况的各种状态量信息，这些状态量包括反馈量、监测统运行状况的各种状态量信息，这些状态量包括反馈量、监测及故障诊断量等及故障诊断量等(图中的图中的 ）。这两种输入信息由微机及时地）。这两种输入信息由微机及时地收集收集(测量测量)到之后，按照一定的算法和程序实时地进行数学的到之后，按照一定的算法和程序实时地进行数学的和逻辑的判断、运算、处理，并输出控制信息量和逻辑的判断、运算、处理，并输出控制信息量(图中图中 ），
21、），通过对功率变换器的控制，实现对被控对象通过对功率变换器的控制，实现对被控对象电动机运行状电动机运行状态的及时控制，以达到给定所要求的控制目标。信息处理分系态的及时控制，以达到给定所要求的控制目标。信息处理分系统的另一输出信息统的另一输出信息 包括显示、打印、联锁控制、故障切除包括显示、打印、联锁控制、故障切除以及向上级机传送的有关信息等。以及向上级机传送的有关信息等。1.电气传动系统状态量的微机检测方法及电气传动系统状态量的微机检测方法及相关问题相关问题2.电气传动系统所需各类电力电子功率变电气传动系统所需各类电力电子功率变换器的微机控制问题换器的微机控制问题3.电气传动微机控制系统中的主
22、要控制环电气传动微机控制系统中的主要控制环节节4.典型的直流调速系统、交流调速系统和典型的直流调速系统、交流调速系统和位置随动系统的微机控制的实现位置随动系统的微机控制的实现 本门课程主要介绍的内容：本门课程主要介绍的内容：1.何耀三何耀三电气传动的微机控制电气传动的微机控制重庆大学出版重庆大学出版社社2.李永东李永东 交流电机数字控制系统交流电机数字控制系统机械工业出机械工业出版社版社3.陈伯时陈伯时 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统机械工业出机械工业出版社版社4.顾绳谷顾绳谷 电机及拖动基础电机及拖动基础机械工业出版社机械工业出版社5.秦忆秦忆现代交流伺服系统现代交流伺服系统华中理工大学出版华中理工大学出版社社 主要参考书：主要参考书：