1_simotion运动与驱动基础

驱动与控制基础2010/01版MotionControlApplication前言针对运动控制与伺服驱动器的基础应用，西门子（中国）运动控制应用中心编写了全套共3本手册。分别为：•应用基础手册1——驱动与控制基础•应用基础手册2——SINAMICSS120驱动器基础应用•应用基础手册3——SIMOTION运动控制器基础应用该手册为全套手册的第一部分，介绍了运动控制、伺服系统、电机、编码器、变频器、通用控制理论等基础知识。本系列手册仅适用于西门子内部工程师交流学习及相关客户培训之用。由于编者水平有限，手册中难免出现纰漏之处，恳请广大同事能够不吝赐教。SLCIDTMCAPCSolutionTeam2010-01目录1运动控制系统..................................................11.1运动控制系统概念.............................................11.2运动控制及其相关技术领域.....................................11.3运动控制系统及其组成.........................................41.4运动控制系统的转矩控制规律...................................51.5静态性能指标.................................................61.6动态性能指标.................................................81.7PID控制器..................................................102伺服系统.....................................................112.1什么是伺服系统..............................................112.2伺服系统的类型..............................................132.3伺服系统的性能分析及调整....................................132.4伺服系统与变频器的区别......................................153系统的控制对象——电机.......................................173.1电机原理的基本定律..........................................173.2异步电机原理................................................203.3同步电机原理................................................233.4西门子同步伺服电机..........................................273.4.11FK7电机.............................................273.4.21FT6电机.............................................303.4.31FT7电机.............................................333.4.41FW3水冷扭矩电机.....................................363.5西门子异步伺服电机..........................................393.5.11PH7电机.............................................393.5.21PL6电机.............................................423.5.31PH4电机.............................................434系统的“眼睛”——编码器....................................444.1编码器概述..................................................444.2旋转变压器..................................................454.3增量式编码器................................................464.4绝对式编码器................................................505系统的执行器——变频器.......................................525.1变频器概述..................................................525.2开关器件....................................................575.3交-直-交变换器..............................................635.4变频器的主要外围部件........................................645.5变频器的散热问题............................................666变频器的通用控制理论.........................................686.1传动系统的负载特性..........................................686.2V/F控制原理分析............................................706.3矢量控制原理................................................726.4伺服控制原理................................................787西门子SINAMICSS120高性能伺服驱动系统.......................797.1SINAMICSS120驱动器概述....................................797.2SINAMICSS120DC/AC多轴驱动器..............................827.2.1电源模块——基本型电源模块BLM........................847.2.2电源模块——智能型电源模块SLM........................857.2.3电源模块——主动性电源模块ALM........................877.2.4电机模块——书本型....................................887.2.5控制单元CU320........................................907.2.6编码器接口模块........................................917.2.7系统附件..............................................927.3SINAMICSS120AC/AC单轴驱动器..............................937.3.1.模块型功率模块PM340..................................937.3.2.控制单元CU310........................................957.3.3.控制单元适配器CUA31/CUA32............................96附录.............................................................98运动控制培训系列丛书驱动与控制基础___________________________________________________________________________________1运动控制系统1.1运动控制系统概念运动控制系统（MotionControlSystems）——通过对电动机电压、电流、频率等输入电量的控制，来改变工作机械的转矩、速度、位移等机械量，使各种工作机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其他应用的需要。工业生产和科学技术的发展对运动控制系统提出了日益复杂的要求，同时也为研制和生产各类新型的控制装置提供了可能。1.2运动控制及其相关技术领域现代运动控制已成为电机学、电力电子技术、微电子技术、计算机控制技术、控制理论、信号检测与处理技术等多门技术领域相互交叉的综合性控制系统领域。图1.1运动控制相关技术领域MCApplicationCenter-1-运动控制培训系列丛书驱动与控制基础___________________________________________________________________________________1．电机学——电动机是运动控制系统的控制对象电动机的结构和原理决定了运动控制系统的设计方法和运行性能，新型电机的发明就会带出新的运动控制系统。2．电力电子技术——以电力电子器件为基础的功率放大与变换装置是弱电控制强电的媒介，是运动控制系统的执行手段。在运动控制系统中作为电动机的可控电源，其输出电源质量直接影响运动控制系统的运行状态和性能。新型电力电子器件的诞生必将产生新型的功率放大与变换装置，对改善电动机供电电源质量，提高系统运行性能，起到积极的推进作用。3．微电子技术——控制基础微电子技术的快速发展，各种高性能的大规模或超大规模的集成电路层出不穷，方便和简化了运动控制系统的硬件电路设计及调试工作，提高了运动控制系统的可靠性。高速、大内存容量、多功能的微处理器或单片机的问世，使各种复杂的控制算法在运动控制系统中的应用成为可能，并大大提高了控制精度。4．计算机控制技术——系统控制核心(1)计算机控制(2)计算机仿真(3)计算机辅助设计计算机具有强大的逻辑判断、数据计算和处理、信息传输等能力，能进行各种复杂的运算，可以实现不同于一般线性调节的控制规律，达到模拟控制系统难以实现的控制功能和效果。计算机控制技术的应用使对象参数辨识、控制系统的参数自整定和自学习、智能控制、故障诊断等成为可能，大大提高了运动控制系统的智能化和系统的可靠性。在工程实际中，对于一些难以求得其精确解析解的问题，可以通过计算机求得其数值解，这就是计算机数字仿真。计算机数字仿真具有成本低，结构灵活，结果直观，便于贮存和进行数据分析等优点。计算机辅助设计(CAD)是在MCApplicationCenter-2-运动控制培训系列丛书驱动与控制基础___________________________________________________________________________________数字仿真的基础上发展起来的，在系统数学模型基础上进行仿真，按给定指标寻优进行计算机辅助设计，已成为运动控制系统常用的分析和设计工具。5．信号检测与处理技术——控制系统的“眼睛”运动控制系统的本质是反馈控制，即根据给定和输出的偏差实施控制，昀终缩小或消除偏差，运动控制系统需通过传感器实时检测系统的运行状态，构成反馈控制，并进行故障分析和故障保护。由于实际检测信号往往