1、电力拖动与运动控制系统教学大纲一、课程基本信息课程编号1070002058课程中文名称电力拖动与运动控制系统课程英文名称Electric Drives and Motion Control System课程类别专业与专业方向课适用专业自动化开课学期第六学期总学时56学时，其中课内讲授48学时、实验认识电力拖动运动控制系统的典型应用，能够应用典型的校正思路和改进措施，解决电机调 35学时总学分3.5开课模式必修先修课程自动控制理论、现代控制理论、电力与电子技术、传感器与检测技术课程简介本课程是理论性、实践性、综合性强的一门课程，是自动控制原理在电力拖动运动控制系统中的具体应用。课程力争从工程实践
2、的角度出发，系统地介绍直流电机、异步电机等常用机电设备的基本结构、电磁工作原理及能量传递、机械特性等输入输出关系求解与分析；介绍对应运动控制系统的典型组成，稳态、动态特性分析，调速系统设计及其在相关邻域的应用等，强调工程的设计、调试以及工程实践中实际问题的处理。通过学习使学生掌握电力拖动与运动控制系统的基本理论和基本知识，具备必要的工 程技术基础和专业知识，了解运动控制的前沿发展现状和趋势。建议教材杨耕，罗应立. 电机与运动控制系统（第2版）. 北京：清华大学出版社，2014参考资料1阮毅，陈伯时. 电力拖动自动控制系统：运动控制系统. 北京：机械工 业出版社，20102丁学文，陈增禄. 电力
3、拖动运动控制系统（第2版）. 北京：机械工业出 版社，2017二、课程教学目标1.认识典型交/直流电机结构，能够分析电机电磁工作原理，测量和计算关键参数建立电机等 效电路模型。2.分析求解交/直流电机外特性，重点求解电动机固有机械特性，能够分析不同输入下的人为 机械特性及其变化规律。3.学习典型交/直流电机调速方法，能够选择适合的变压/变频控制方式。4.能够构建典型单/双闭环调速系统，分析闭环系统的动、静态特性。5.学习常用电机调速性能指标，能够依据性能要求设计调速系统的稳态参数。6.理解调速系统动态参数工程设计思路，能够进行非典型系统的典型化，并设计双环系统的调 节器。速系统中的复杂工程问题
4、。三、课程教学目标与毕业要求的对应关系毕业要求指标点课程教学目标内容H/L1. 工程知识：能够将数学、自 然科学、工程基础和专业知识 用于解决自动控制领域复杂工 程问题。1.3掌握控制系统建模、分析和设计的基本方法，具有能够解决复杂工程问 题的基本能力。H教学目标1、2、3、4、72. 问题分析：能够应用数学、 自然科学和工程科学的基本原 理，识别、表达并通过文献研 究分析自动控制领域的复杂工 程问题并获得有效结论。2.2能够根据自动化专业所学基本原理分析自动控制领域的复杂工程问 题，研究求解过程。H教学目标 4、5、6、73. 设计/开发解决方案：能够设计针对自动控制领域复杂工程问题的解决方
5、案，设计满足特定需求的自动控制系统，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化及环境等因素。3.1 能够根据行业的特定需求，清晰 描述自动控制系统的设计任务，识别 任务面临的各项制约条件，完成系统 综合性设计。L教学目标 5、6、73.2 能够综合运用专业理论和技术手段设计针对自动控制领域复杂工程问题的解决方案，并在设计中体现创新 意识。4. 研究：能够基于专业理论知 识，采用科学方法对自动控制 领域的复杂工程问题进行研 究，能够根据问题设计实验， 并对实验结果进行综合分析， 通过信息综合得到有效结论。4.1 能够运用自动化专业理论，采用科学方法对自动控制领域复杂工程问
6、题进行实验方案设计。L教学目标 2、3、44.2能够运用自动化专业理论，对实验过程和实验数据进行分析和解释。L四、理论教学内容与要求知识模块知识点教学要求计划学时支撑教学目标1电力拖 动运动控 制系统的 发展(2学 时)(1) 运动控制系统构成 及其发展历史、现状及 趋势理解运动控制系统基本结构和基本概念；认识运动控制系统发展历史、现状和趋 势。1教学目标7(2) 代表人物及典型应 用实例认识典型应用实例的应用背景，基本原理 和应用思路。0.5(3) 典型电力拖动设备 的负载转矩特性理解恒转矩、恒功率和风机、泵类等常见 负载的转矩特性。0.52 机电能 量转换基(1)电机中的磁路与磁场理解电机
7、磁路、磁场的建立原理；理解铁心的作用和铁心磁路的磁化特性。0.5教学目 标136础(2 学 时)(2)电磁感应定律与电磁转矩认识电机内部电磁感应原理、定律及能量转换过程；掌握感应电动势、电磁力和电磁转矩的概 念。0.5(3)稳态交流磁路和电力变压器理解稳态交流磁路分析建立电力变压器模型13直流电机(6学时)(1) 直流电机工作原理认识直流电机组成结构和电磁工作原理；理解额定值概念，计算额定值。1教学目标1、2、3(2) 直流电机励磁、运行 原理及特性理解直流电机励磁方式；认识直流电机磁路和电枢绕组；计算感应电动势和电磁转矩；分析直流电机的运行原理。1(3) 他励直流电动机的稳态方程和外特性理解
8、直流电机的稳态方程；掌握他励直流电机的机械特性及计算，包括固有机械特性和人为机械特性；认识直流电机能量传递流程。1(4) 他励直流电动机的 运行特性认识他励直流电动机的常见起动方式；掌握三种调速方式，重点掌握变压调速；理解机械特性四个象限几种典型运行方 式。34直流电 机调速系 统(16 学 时)(1)开环直流调速系统认识常用可控直流电源；掌握可控直流电源的数学模型及其推导；掌握常用调速性能指标；理解开环调速存在的问题。1教学目 标4、 5、6、7(2)单闭环直流调速系统稳态分析和设计掌握典型系统组成结构；推导建立系统闭环静特性稳态模型；分析和计算单闭环系统稳态性能；设计单闭环系统稳态参数。3
9、(3) 单闭环直流调速系 统的动态分析和设计推导建立单闭环系统动态模型；分析单闭环系统动态性能；理解单闭环系统的动态校正思路。2(4) 单闭环直流调速系 统的改进理解典型单闭环调速系统存在的问题；理解常用改进思路和方法；改进系统，掌握无静差设计、限流保护、转速微分负反馈等典型措施；分析改进后系统的性能，重点掌握闭环静特性分析和计算2(5) 双闭环直流调速系 统转速、电流双闭环系统闭环静特性建模、分析及稳态参数设计；分析双闭环系统起动和抗扰性能；理解转速、电流PI调节器的作用。3(6) 调速系统工程设计理解工程设计思路；337方法建立典型系统及其参数与性能指标的关系表；典型化非典型系统(7) 按
10、工程设计方法设计双闭环系统的调节器应用工程设计方法进行双闭环调速系统调节器的设计；理解电流、转速环的简化、设计步骤。25 三相交 流电机(6 学时)(1) 三相交流异步电机 工作原理认识异步电机基本结构；学习交流电机的磁动势与电动势，理解旋 转磁场的形成原理。1教学目标1、2(2) 三相异步电动机的 电路模型和运行原理理解三相异步电动机各种运行状态下的 电磁关系；建立异步电机等效电路模型，重点掌握T型等效电路模型；分析功率传递关系和电磁转矩。3(3) 异步电机的机械特 性分析交流电机四象限运行机械特性，重点 分析固有机械特性。26交流异 步电机恒 压频比控 制(8学 时)(1) 交流调速特点认
11、识交、直流调速系统的区别；理解异步电机的调压调速及其存在的问 题1教学目 标2、 3、4(2) PWM变频电源及控 制方法变频电源主电路基本结构；理解正弦波脉宽调制变频技术；空间电压矢量PWM变频技术。4(3) 异步电动机恒压频 比控制理解变压变频调速基本原理；分析比较基频以下电压-频率协调控制技术，基频以上恒压变频控制技术分析闭环系统动静态特性。37 转矩闭 环异步电 机调速系 统(6学 时)(1) 异步电机动态模型理解异步电机动态数学模型的性质；理解坐标变换方法和模型简化思路；建立异步电机在正交静止坐标系上的动态数学模型；建立异步电机在正交旋转坐标系上的动 态数学模型。3教学目标4(2)
12、异步电机按转子磁链定向的矢量控制系统理解基本原理和思路；建立异步电机转子磁链定向条件下简化的动态数学模型；建立并分析转子磁链可测时的矢量控制系统；了解间接型矢量控制系统。2(3) 异步电机的直接转 矩控制系统理解基本原理和思路；认识基本型直接转矩控制系统。18 电力拖 动运动控 制系统的 应用(2学(1) 转速控制应用认识卷绕机械恒张力控制系统等电力拖 动转速控制应用。0.5教学目 标7(2) 位置控制应用认识数控机床伺服控制系统等电力拖动 位置控制应用。0.538时)(3) 现代控制应用认识机器人控制系统、无人机控制系统等 电力拖动综合应用。0.5(4)其他应用认识电力拖动运动控制系统的其他
13、应用。0.5五、实验教学内容与要求实验项目实验原理教学要求实验设备 及材料实验类型计划学时支撑教学目标必做/ 选做1. 直流调 速系统参 数和环节 特性的测 定本实验通过调整整 流装置触发器的移 相控制电压改变控 制角，从而获得可 调的直流电压源， 加入电枢回路上测 量多组电压电流信 号，可计算电枢电 阻、电枢电感等参 数。记忆典型直流调 速系统的组成及 其基本结构。测 量典型直流调速 系统参数及反馈 环节参数。MCL 系 列教学实 验平台， 双踪示波 器，万用 表验证 型2教学目 标1选做2. 他励直 流电动机 机械特性 及单闭环 调速系统 静特性的 测定本实验分别在调速 系统开环、闭环采
14、用比例调节和闭环 采用比例积分调节 三种情况下，电枢 回路加同样的直流 电压，增大电机负 载，逐点测量转 速，从而得到开环 机械特性及闭环静 特性，并进行比 较。验证晶闸管直流 电动机调速系统 在反馈控制下的 工作特性；分析 直流调速系统中 转速调节器 ASR 的工作特 性对系统静特性 的影响，设计实 验方案并根据实 验数据进行验证 ；认识反馈控制 系统触发相位等 的调试技术同实验1综合 型4教学目 标2、 3、4、7必做3. 双闭环 直流调速 系统本实验双闭环直流 调速系统由电流内 环和转速外环组 成，改变给定电压 的大小即可改变电 机转速。转速调节器ASR的输出作为 电流调节器ACR的 给
15、定。ASR的输出认识双闭环不可 逆直流调速系统 的工作原理、组 成及各主要单元 部件；按步骤调 试双闭环直流调 速系统的；分析 系统闭环静特性 ，设计实验方案同实验1验证 型2教学目 标2、 3、4选做39限幅可限制起动电 流。ACR的输出作 为移相触发电路的 控制电压。ASR、 ACR都采用比例积 分调节器，协调作 用得到闭环静特 性。并根据实验数据 进行验证。4. 三相异 步电机调 压调速系 统本实验同直流调速 采用转速、电流两 个反馈控制环，作 用基本相同，电流 环对电网振动有较 大的抗扰作用。当 加入的定子相电压 幅值下降时，理论 上异步电机带载能 力按照电压的平方 速率下降，转速也
16、下降，可以实现调 速。认识相位控制交 流调压调速系统 的组成与工作原 理。分析绕线式 异步电动机转子 串电阻时，通过 调节定子电压调 速时的机械特性 ，利用实验数据 进行验证。理解 交流调压系统闭 环静特性及其中 电流环、转速环 的作用。同实验1综合 型2教学目标2、3、4必做5. 三相异 步电机变 频调速系 统在定子相电压下降 的同时，定子电流 频率也下降，二者 协调变化可以改善 异步电机带载能 力，尤其针对低速 情况。认识异步电机 SPWM 变频调 速系统的组成和 工作原理；分析 异步电动机通过 调节定子电压、 频率调速时的机 械特性，利用实 验数据进行验证 。理解交流恒压 频比系统闭环静
17、 特性。同实验1综合 型2教学目 标2、 3、4选做6. 三相异 步电机的 空间矢量 控制变频 调速系统以圆形旋转磁场的 形成为逆变器工作 目标，通过设计空 间电压矢量末端的 圆形旋转轨迹来控 制逆变器的工作。认识异步电机 SVPWM变频调 速系统的组成和 工作原理；分析 异步电动机空间 电压矢量控制时 的机械特性变化 规律，利用实验 数据进行验证。同实验1验证 型2教学目标2、3选做六、考核要求及考核方式401. 考核要求(1)课程考核内容应能够切实考核是否达成各项课程目标；(2)考核内容至少覆盖本课程知识点的60%；(3)同一学期试卷中(A、B)试题重复率不超过20%，近三个学年试卷试题重复率不超过20%；(4)考核难度：基本难度题约60%，中等难度题约30%，高等难度题约10%。2、考核方式考核环节权重 (%)备注期末考试70闭卷考试平时表现5课堂纪律、表现、出勤、课下答疑等平时考核15作业、课堂测验等实验操作10实验态度、操作技能和报告成绩41
