《运动控制系统》课程教学大纲课程名称：运动控制系统
课程代码：
学分/学时：3学分/51学时
开课学期：秋季学期（大四上）
适用专业：机械工程及自动化、核科学与工程、航空航天工程等相关专业的本科生与研究生
先修课程：高等数学（常微分方程，积分变换），模型、分析与系统控制，电工与电子技术，机械测试技术及其应用
后续课程：
开课单位：机械与动力工程学院
一、课程性质和教学目标
运动控制系统包括电机、驱动器、控制器和传感器。
通过这门课程的学习，能够设计和开发所需的运动控制系统，驱动机械机构完成规定的动作。
用于运动控制的电机主要为交流电机，包括感应电机、永磁同步电机、直流无刷电机步进电机。
驱动器将电网固定的电压、频率改变为可控的电压、频率、电流供给电机，控制电机的转矩、速度、位置、加速度。
控制器将特定的工艺要求转变成控制命令，以数字、模拟等信号形式控制驱动器。
传感器将物理量转变成特定要求的电压或电流，供控制器感知系统的状态，修正控制命令。
这门课程的学习应把握基本原理、器件、算法及三者的内在联系。
基本原理包括上述各种电机的基本原理、电机的控制理论。
器件包括常用的传感器、功率器件、微控制器及电子元件。
算法是基本原理和器件的结合，将抽象的理论具体化，零散的器件集成化，程序模块化。
(A4, A5, B1, B2, B4, C3, C4)
二、课程教学内容及学时分配（含实践、自学、作业、讨论等的内容及要求）第1章运动控制系统的构成与控制结构（3学时/课堂教学）(A5.1)
内容：了解运动控制系统由执行器、驱动器、控制器和传感器等部件组成；掌握各组成部件在系统中的作用；了解现有的执行器种类，如气缸、电机、压电陶瓷等，并了解各类执行器的固有特性、适用的应用范围及常用的应用场合；了解传感器的种类及其原理，如光栅尺、码盘、激光干涉仪、电容传感器等，学习各类
传感器的特性及适用范围。
了解适用matlab中的simulink模块搭建运动控制系统的仿真程序。
引出本课程重点讲述电机作为执行器、码盘和光栅尺作为位置传感器的运动系统。
重点：运动控制系统架构、仿真程序搭建、实时反馈
难点：执行器、传感器的固有特性与适用范围的对应
作业：利用matlab中的simulink模块编写运动控制系统
第2章电机基本原理（6学时/课堂教学）(A5.1, A5.2)
内容：电磁场相互作用的基本原理；直流电机结构及原理；步进电机结构及原理；音圈电机结构及原理；异步电机结构及原理；永磁同步电机结构及原理；直线电机结构及原理；各类电机模型。
重点：磁场激励与电流的作用、永磁同步电机结构与模型
难点：运动磁场的激励方式、电机模型
作业：章节习题
第3章驱动技术（9学时/课堂教学）(A5.1, A5.2)
内容：步进电机驱动技术；异步电机驱动技术；同步电机驱动技术；PWM技术；矢量控制原理；直接力矩控制；电机功率模块；电机驱动器
重点：不同种类电机的驱动技术
难点：交流电机的驱动技术
作业：章节习题、阅读一款功率模块说明书
第4章控制技术（6学时/课堂教学）(A5.1, A5.2, A5.4, B4)
内容：控制芯片，如DSP、PLC、单片机等；芯片操作，如编译系统、程序编写与调试、硬件连接线路等；控制算法研究，包括PID控制、DOB控制等。
重点：控制技术的软硬件实现
难点：对芯片的资源合理分配以及程序调试
作业：章节习题，或编写相关控制算法程序
第5章位置与电流传感器（3学时/课堂教学）(A5.1, A5.2, A5.4)
内容：介绍位置传感器的种类；重点了解旋转码盘和光栅尺；掌握码盘和光栅尺的ABZ工作方式；编码器信号的细分；位置传感器的相对式和绝对式的工作原理；位置传感器连接方式；了解电流传感器工作原理；电流传感器的连接方式。
重点：绝对式和相对式编码器的区别、位置传感器的正反向信号解读、位移信息的获取
难点：编码器脉冲方向解读
作业：章节习题
第6章调速系统（9学时/课堂教学）(A5.1, A5.2)
内容：直流调速系统，包括直流有刷、无刷电机，音圈电机等；交流调速系统，包括异步电机、永磁同步电机；弱磁升速原理；交流电机启动
重点：变压与变频调速
难点：弱磁升速
作业：章节习题
第7章永磁同步电机的运动控制（6学时/课堂教学）(A5.1, A5.2, A5.4)
内容：永磁同步电机的运动控制架构；控制系统电流环、速度环、位置环的三环控制结构；速度规划；运动控制系统模型辨识；速度环和位置环的控制参数选择；控制程序编写
重点：运动规划、模型辨识、控制参数选择
难点：控制参数选择
作业：编写运动规划和速度环、位置环控制程序
课程设计—三轴联动运动控制系统设计（9学时/实践教学）(A5.3, A5.4, B4, C3, C4)
内容：分组研究，团队合作设计三轴联动运动控制系统，包括器件连接、运动规划、算法设计、程序编写、程序调试、实验验证等。
作业：完成一篇实验报告。
三、教学方法
本课程教学以课堂教学、课外作业、课程设计等共同实施。
本课程偏向于工程实践，主要概略性地介绍运动控制系统所包含的部件、控制和调试。
课程的讲授从运动系统的各个部件特性开始，到设计运动控制系统并实验验证结束。
借助互联网信息，查找相关元件的说明以及目前先进的运动控制研究。
在授课课程中，依靠研究所的设备进行实验教学，增强学生的具体认知和动手能力。
上课的流程如下：
四、考核及成绩评定方式
考核方式：平时作业+课程设计+期末考试，期末考试为闭卷方式。
成绩评定方式：平时作业20分＋课程设计30分＋期末考试50分。
五、教材与教学参考书
1)Texas Instruments, TMS320LF/LC240XA DSP Controllers Reference Guide, System and Peripherals, Literature number:SPRU357B
2)陈坚，交流电机数学模型及调速系统，国防工业出版社
3)N. Mohan, T.M. Undeland and W.P. Robbins, Power Electronics：Converters, Applications, and Design, John Willey & Sons, INC。