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绪论：课程安排与运动控制概述#

0.0 课件页码与考试重点#

0.1 本课知识结构#

运动控制系统研究的不是单台电机，而是由电机、电力电子变换装置、控制器、检测反馈和机械负载组成的自动控制系统。

复习主线：

1. 绪论：系统组成、调速方法、负载特性。
2. 第1章：直流单闭环调速，重点是静差率、闭环静特性、PI无静差。
3. 第2章：直流双闭环调速，重点是ASR/ACR、起动三阶段、工程设计表格。
4. 第5章：交流调速分类和变压调速，重点是转差功率。
5. 第6章：变压变频调速，重点是VVVF、PWM、坐标变换、矢量控制、DTC。

0.2 运动控制系统定义#

运动控制系统是以机械运动的驱动设备—电动机为被控对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下组成的自动控制系统。

主要控制量：

1. 转矩：决定加速度和带载能力。
2. 转速：调速系统的主要被控量。
3. 转角或位移：伺服系统的主要被控量。

抽象成负反馈控制关系：

$$e(t)=r(t)-y_f(t)$$ $$u(t)=C[e(t)]$$ $$y(t)=G[u(t),d(t)]$$

调速系统中：

$$y(t)=n(t)$$

伺服系统中：

$$y(t)=\theta(t)\quad \mathrm{or}\quad x(t)$$

0.3 运动控制系统分类#

考试常问：为什么先讲直流、再讲交流？因为直流电机转矩与电流、磁通关系清楚，便于建立闭环和多环控制思想；交流电机是工程主流，但模型更复杂，需要电力电子和坐标变换等技术支撑。

0.4 直流调速方法#

直流电机基本方程：

$$U=E+IR$$ $$E=K_e\Phi n$$

所以：

$$n=\frac{U-IR}{K_e\Phi}$$

由此推出三种调速方法：

0.5 典型负载特性#

负载特性决定调速系统是否合适，是绪论里最容易和后面章节联系起来的内容。

0.5.1 恒转矩负载#

恒转矩负载满足：

$$T_L=\mathrm{constant}$$

机械功率：

$$P=T_L\omega$$

所以：

$$P\propto n$$

典型对象：起重、轧机、输送带。

0.5.2 风机、泵类负载#

风机、泵类负载常近似满足：

$$T_L\propto n^2$$

因为：

$$P=T_L\omega,\qquad \omega\propto n$$

所以：

$$P\propto n^3$$

这解释了为什么风机、水泵特别适合变频节能：转速稍微降低，功率会按近似三次方下降。

0.5.3 恒功率负载#

恒功率负载满足：

$$P=\mathrm{constant}$$

因此：

$$T_L=\frac{P}{\omega}\propto \frac{1}{n}$$

典型对象：卷绕系统、机床主轴弱磁区。

0.6 直流与交流调速对照#

交流调速兴起的原因：

1. 电力电子器件发展，使可变频、可变压电源成为可能。
2. 微处理器和数字控制使复杂算法可实现。
3. 矢量控制和直接转矩控制改善了交流电机动态性能。
4. 交流电机结构简单、维护少、容量和转速上限高。

0.7 本章复习抓手#

• 会完整说出运动控制系统的定义、组成和功能。
• 会按被控量、电机类型、控制器类型、闭环数分类。
• 会由 $n=(U-IR)/(K_e\Phi)$ 推出三种直流调速方法。
• 会说明调压调速为什么是直流自动调速主方法。
• 会区分恒转矩、风机泵类、恒功率三类负载。
• 会解释为什么交流调速逐渐替代很多直流调速场合。