ch1緒論加動力學基礎

1、機電傳動控制機電傳動控制鄧星鐘鄧星鐘 主編主編 主主 講講：機械系機械系 雷雷 波波聯(lián)系方式：聯(lián)系方式-Mail: 參考書目參考書目1.趙君有，張愛軍趙君有，張愛軍 王東瑞編王東瑞編. 電機與拖動基礎電機與拖動基礎.北京北京:中國水力水電出版社中國水力水電出版社,2007.2.湯天浩湯天浩 編編.電機與拖動基礎電機與拖動基礎.北京北京:機械工業(yè)出版機械工業(yè)出版社社,2011.3.吳紅星編吳紅星編.電機驅動與控制專用集成電路及應電機驅動與控制專用集成電路及應用用 .北京北京:中國電力出版社中國電力出版社,2006.4.齊占慶，王振臣齊占慶，王振臣 編編.機床電氣控制技術

2、機床電氣控制技術.北京北京:機機械工業(yè)出版社械工業(yè)出版社,20085.滿永奎，韓安榮滿永奎，韓安榮 編編.通用變頻器及其應用通用變頻器及其應用.北京北京:機械工業(yè)出版社機械工業(yè)出版社,2012 第一章第一章 概述概述1.1 1.1 機電傳動的目的和任務機電傳動的目的和任務1.2 1.2 機電傳動及其控制系統(tǒng)的發(fā)展概況機電傳動及其控制系統(tǒng)的發(fā)展概況1.3 1.3 課程的性質和任務課程的性質和任務1.4 1.4 課程的內容安排課程的內容安排1.5 1.5 對本課程學習的基本要求對本課程學習的基本要求1.1 1.1 機電傳動的目的和任務機電傳動的目的和任務 機電傳動機電傳動: : 以電動機為原動機驅

3、動生產機械的以電動機為原動機驅動生產機械的 系統(tǒng)之總稱系統(tǒng)之總稱 機電傳動控制機電傳動控制中國地質大學機電學院中國地質大學機電學院 *一、機電系統(tǒng)的組成一、機電系統(tǒng)的組成 機電系統(tǒng)完成生機電系統(tǒng)完成生產任務的基礎產任務的基礎驅動運動部件的原動機驅動運動部件的原動機（這里指的是各種電動機）（這里指的是各種電動機）之總稱之總稱控制電動機的系統(tǒng)控制電動機的系統(tǒng) 驅動生產機械的電動驅動生產機械的電動機和控制電動機的一機和控制電動機的一整套電氣系統(tǒng)整套電氣系統(tǒng)機電傳動控制機電傳動控制中國地質大學機電學院中國地質大學機電學院 *機電傳動系統(tǒng)實例車床系統(tǒng)CA6140,CK6150與CH6132寬的調速范圍機

4、電傳動控制機電傳動控制中國地質大學機電學院中國地質大學機電學院 *可逆式軋機頻繁起制動或正反轉機電傳動控制機電傳動控制中國地質大學機電學院中國地質大學機電學院 *卷揚機和電梯起制動平穩(wěn)，準確定點停車機電傳動控制機電傳動控制中國地質大學機電學院中國地質大學機電學院 *雷達天線控制系統(tǒng)雷達天線控制系統(tǒng)雷達天線控制系統(tǒng)雷達天線控制系統(tǒng)方位驅動 仰角驅動n雷達天線自動控制系統(tǒng)原理框圖雷達天線自動控制系統(tǒng)原理框圖機電傳動控制機電傳動控制中國地質大學機電學院中國地質大學機電學院 *二、機電傳動控制的任務二、機電傳動控制的任務 將電能轉換為機械能；將電能轉換為機械能； 實現(xiàn)生產機械的啟動、停止以及速度的調節(jié)

5、；實現(xiàn)生產機械的啟動、停止以及速度的調節(jié)； 完成各種生產工藝過程的要求；完成各種生產工藝過程的要求； 保證生產過程的正常進行。保證生產過程的正常進行。三、機電傳動控制的目的三、機電傳動控制的目的 從廣義上講，機電傳動控制的目的就是要使生產設備、生產從廣義上講，機電傳動控制的目的就是要使生產設備、生產線、車間乃至整個工廠都實現(xiàn)線、車間乃至整個工廠都實現(xiàn)自動化自動化。 從狹義上講，則指控制電動機驅動生產機械，實現(xiàn)生產產品從狹義上講，則指控制電動機驅動生產機械，實現(xiàn)生產產品數(shù)數(shù)量的增加量的增加（效率）、（效率）、質量的提高質量的提高（精度）、（精度）、生產成本的降低生產成本的降低、工人工人勞動條件的

6、改善勞動條件的改善以及以及能量的合理利用能量的合理利用等。等。 1.2 機電傳動控制的發(fā)展機電傳動控制的發(fā)展 機電傳動及其控制系統(tǒng)總是隨著社會生產的發(fā)展而發(fā)展的。機機電傳動及其控制系統(tǒng)總是隨著社會生產的發(fā)展而發(fā)展的。機電傳動控制的發(fā)展可從電傳動控制的發(fā)展可從機電傳動機電傳動和和控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)兩方面來討論。兩方面來討論。一、機電傳動的發(fā)展一、機電傳動的發(fā)展 成組拖動成組拖動一臺電動機拖動一根天軸（或地軸），然后再一臺電動機拖動一根天軸（或地軸），然后再由天軸（或地軸）通過皮帶輪和皮帶分別拖動多臺生產機械。由天軸（或地軸）通過皮帶輪和皮帶分別拖動多臺生產機械。機電傳動控制機電傳動控制中國地質大學

7、機電學院中國地質大學機電學院 機電傳動控制機電傳動控制中國地質大學機電學院中國地質大學機電學院 1.2 機電傳動控制的發(fā)展機電傳動控制的發(fā)展 機電傳動及其控制系統(tǒng)總是隨著社會生產的發(fā)展而發(fā)展的。機機電傳動及其控制系統(tǒng)總是隨著社會生產的發(fā)展而發(fā)展的。機電傳動控制的發(fā)展可從電傳動控制的發(fā)展可從機電傳動機電傳動和和控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)兩方面來討論。兩方面來討論。一、機電傳動的發(fā)展一、機電傳動的發(fā)展 成組拖動成組拖動一臺電動機拖動一根天軸（或地軸），然后再一臺電動機拖動一根天軸（或地軸），然后再由天軸（或地軸）通過皮帶輪和皮帶分別拖動多臺生產機械。由天軸（或地軸）通過皮帶輪和皮帶分別拖動多臺生產機械。 單

8、電機拖動單電機拖動一臺電動機拖動一臺生產機械的各運動部件。一臺電動機拖動一臺生產機械的各運動部件。 多電機拖動多電機拖動一臺生產機械的各個運動部件分別由不同的電一臺生產機械的各個運動部件分別由不同的電動機來拖動。動機來拖動。 特點是生產效率低、勞動條件差、一旦電動機出現(xiàn)故障，將造特點是生產效率低、勞動條件差、一旦電動機出現(xiàn)故障，將造成成組的生產機械停車；成成組的生產機械停車； 這種拖動方式較成組拖動前進了一步，但當一臺生產機械的運這種拖動方式較成組拖動前進了一步，但當一臺生產機械的運動部件較多時，其傳動機構仍十分復雜；動部件較多時，其傳動機構仍十分復雜；二、機電傳動控制系統(tǒng)的發(fā)展二、機電傳動控

9、制系統(tǒng)的發(fā)展 控制系統(tǒng)的發(fā)展伴隨控制器件的發(fā)展而發(fā)展。隨著功率器件、控制系統(tǒng)的發(fā)展伴隨控制器件的發(fā)展而發(fā)展。隨著功率器件、放大器件的不斷更新，機電傳動控制系統(tǒng)的發(fā)展日新月異，它主要放大器件的不斷更新，機電傳動控制系統(tǒng)的發(fā)展日新月異，它主要經(jīng)歷了四個階段：經(jīng)歷了四個階段： 1繼電器繼電器接觸器控制接觸器控制：出現(xiàn)在：出現(xiàn)在20世紀初，它僅借助于簡單世紀初，它僅借助于簡單的接觸器與繼電器，實現(xiàn)對控制對象的啟動、停車以及有級調速等的接觸器與繼電器，實現(xiàn)對控制對象的啟動、停車以及有級調速等控制，它的控制速度慢，控制精度差；控制，它的控制速度慢，控制精度差； 2電機放大機控制電機放大機控制：（：（30年

10、代）從斷續(xù)控制到連續(xù)控制年代）從斷續(xù)控制到連續(xù)控制 3磁放大器控制和大功率晶閘管控制磁放大器控制和大功率晶閘管控制：(40-60年代年代) 4計算機數(shù)字控制（計算機數(shù)字控制（CNC） ：提高機床的自動化程度、通：提高機床的自動化程度、通用性和加工效率。（用性和加工效率。（70年代年代-至今）至今）機電傳動控制機電傳動控制中國地質大學機電學院中國地質大學機電學院 *柔性制造系統(tǒng)（柔性制造系統(tǒng)（FMS） 由數(shù)控機床、工業(yè)機器人、自動搬由數(shù)控機床、工業(yè)機器人、自動搬運車等組運車等組成的統(tǒng)一由中心計算機控制的機械加工自動線成的統(tǒng)一由中心計算機控制的機械加工自動線，它是實現(xiàn)，它是實現(xiàn)自動化車間和自動自動

11、化車間和自動化工化工廠的重要組成部分。廠的重要組成部分。機械制造自動化機械制造自動化高級階段是走向設計、制高級階段是走向設計、制造一體化，即利用計造一體化，即利用計算機輔助設計（算機輔助設計（CAD）與計算機輔助制造（）與計算機輔助制造（CAM）形成產品設計）形成產品設計和制造過程和制造過程的完整系統(tǒng)，對產品構思和設計直到裝配的完整系統(tǒng)，對產品構思和設計直到裝配、試驗和質量、試驗和質量管理這一全過程實現(xiàn)自動化。管理這一全過程實現(xiàn)自動化。為了實為了實現(xiàn)制造過程的高效率、高現(xiàn)制造過程的高效率、高柔性、高質量，研制計算機集柔性、高質量，研制計算機集成制造系統(tǒng)（成制造系統(tǒng)（CIMS）是人們現(xiàn)在的任務。

12、）是人們現(xiàn)在的任務。1.3 1.3 課程的性質和任務課程的性質和任務n性質性質： 機電傳動控制把驅動電機、控制電機電器、機電傳動控制把驅動電機、控制電機電器、電力拖動、繼電器電力拖動、繼電器-接觸器控制、接觸器控制、PLC、電力電、電力電子技術、直（交）流伺服系統(tǒng)、步進電機伺服子技術、直（交）流伺服系統(tǒng)、步進電機伺服系統(tǒng)等系統(tǒng)等強電強電控制的內容，根據(jù)學科的發(fā)展與其控制的內容，根據(jù)學科的發(fā)展與其內在規(guī)律，以伺服驅動為主導，以控制為線索，內在規(guī)律，以伺服驅動為主導，以控制為線索，將元器件與伺服控制系統(tǒng)科學、有機地結合起將元器件與伺服控制系統(tǒng)科學、有機地結合起來。來。機電傳動控制機電傳動控制中國地

13、質大學機電學院中國地質大學機電學院 *n任務任務 學生通過本課程和機電綜合實驗的學習，使學生通過本課程和機電綜合實驗的學習，使學生掌握學生掌握交直流電機交直流電機及控制電機及控制電機的基本結構和工的基本結構和工作原理作原理，以及，以及機電傳動的運行性能、分析計算、機電傳動的運行性能、分析計算、電機與控制系統(tǒng)選擇電機與控制系統(tǒng)選擇、為后繼課程和今后的工作、為后繼課程和今后的工作準備必要的知識準備必要的知識1.4 1.4 課程的內容安排課程的內容安排n第一章 概論 n第二章 機電傳動系統(tǒng)的動力學基礎 n第三章 直流電機的工作原理及特性 第四章 機電傳動系統(tǒng)過渡過程 n第五章 交流電動機的工作原理及

14、特性 第六章 控制電機第七章 機電傳動控制系統(tǒng)中常用的檢測元件n第八章 繼電器接觸器控制系統(tǒng) 第九章 可編程序控制器 第十章 電力電子學晶閘管及其基本電路 n第十一章 直流傳動控制系統(tǒng)n第十二章 交流傳動控制系統(tǒng) 第十三章 步進電動機傳動控制系統(tǒng)n第十四章 機電傳動控制系統(tǒng)中電動機的選擇1.5 1.5 對本課程學習的基本要求對本課程學習的基本要求n了解機電傳動控制系統(tǒng)的了解機電傳動控制系統(tǒng)的組成和基本規(guī)律組成和基本規(guī)律；n掌握常用掌握常用電機、電器的工作原理電機、電器的工作原理主要主要特性特性，了解其應用與選用；了解其應用與選用；n掌握掌握繼電器接觸器工作原理繼電器接觸器工作原理，學會用其來，

15、學會用其來實現(xiàn)生產過程的自動控制；實現(xiàn)生產過程的自動控制；n掌握常用的掌握常用的開環(huán)、閉環(huán)驅動控制系統(tǒng)的基本開環(huán)、閉環(huán)驅動控制系統(tǒng)的基本工作原理和特點工作原理和特點，了解性能和應用場所。，了解性能和應用場所。n學會學會分析分析機電傳動控制系統(tǒng)的機電傳動控制系統(tǒng)的基本方法基本方法。機電傳動控制機電傳動控制中國地質大學機電學院中國地質大學機電學院 *第二章第二章 機電傳動系統(tǒng)的動力學基礎機電傳動系統(tǒng)的動力學基礎n2.1 2.1 機電傳動系統(tǒng)的運動方程式機電傳動系統(tǒng)的運動方程式n2.2 2.2 轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩的折算轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩的折算n2.3 2.3 機電傳動系統(tǒng)的負載特性機電傳

16、動系統(tǒng)的負載特性n2.4 2.4 機電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件機電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件2.1 2.1 機電傳動系統(tǒng)的運動方程式機電傳動系統(tǒng)的運動方程式0/tLMddcnTT0/tLMddcnTT圖2.1 單軸拖動系統(tǒng)電動機（M）生產機械TMM+TLTL機電傳動控制機電傳動控制中國地質大學機電學院中國地質大學機電學院 *n單軸機電傳動系統(tǒng)的運動方程式單軸機電傳動系統(tǒng)的運動方程式) 1 . 2(dtdJTTLM)4.2(375)3.2(602)2.2(44/2222dtdnGDTTngGDJmgGmDmJLMTM-電動機轉矩TL-負載轉矩GD2-飛輪矩n-轉速t-時間機電傳動控制機電傳動控制中國地

17、質大學機電學院中國地質大學機電學院 *n動態(tài)轉矩)6 . 2()5 . 2(3752dLMdTTTdtdnGDTdLMdLMdLMTTTTTTTTT0 恒速（靜態(tài)轉矩）正值 加速（動態(tài)轉矩）負值 減速（動態(tài)轉矩）nTM與n同向為正向 TL與n相反為正向dtdnGDTTdtdnGDTTLMLM37537522拖動矩拖動矩（TM、n同向）制動矩制動矩（TM、n反向）n例2-11.列出系統(tǒng)的運動方程式；2.說明系統(tǒng)運行的狀態(tài)。dtdnGDTTdtdnGDTTdtdnGDTTLMLMLM375375375222加速運行狀態(tài) 減速 減速拖動轉矩制動矩拖動轉矩制動矩2.2 2.2 轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩

18、的折算轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩的折算2.2.1 負載轉矩的折算負載轉矩是靜態(tài)轉矩負載轉矩是靜態(tài)轉矩,根據(jù)功率守恒原則折算根據(jù)功率守恒原則折算n1.多軸旋轉運動系統(tǒng))7 . 2(cLLMLLLMLcMLMLLLjTTTTPpTPTp321321)(/cLMjjjj速比傳動效率多軸旋轉拖動系統(tǒng)多軸直線運動系統(tǒng)2.多軸直線運動系統(tǒng)）（ 8 . 255. 9602McLMcLMLMLnFvTnFvTTPFvP)9 . 2(55. 9cMLnFvT（下放重物）cccc122.2.2轉動慣量和飛輪轉矩的折算轉動慣量和飛輪轉矩的折算 1.旋轉型n依據(jù)動能守恒原則，折算到電機軸上的總轉動慣量為、式中：LMLM

19、LMLMLLMZjjJJJjJjJJJ1111221)10. 2(1電機軸、中間軸、負載軸上的轉動慣量；電動機軸與中間傳動軸之間的速比；電機軸與負載軸之間的速度比；電機軸、中間軸、負載軸上的角速度n2.2.2轉動慣量和飛輪轉矩的折算轉動慣量和飛輪轉矩的折算n依據(jù)動能守恒原則，折算到電機軸上的總飛輪矩為、221222212122)11. 2(LMLLMZGDGDGDjGDjGDGDGD25. 11 . 1)13. 2()12. 2(22222LLMZLLMZjGDGDGDjJJJ電機軸、中間軸、生產機械軸上的飛輪轉矩。2.直線運動型n折算到電機軸上的總轉動慣量、飛輪矩為)15. 2(365)14

20、. 2(2222212122222211MLLMZMLLMZnGvjGDjGDGDGDvmjJjJJJ)16. 2(3752dtdnGDTTMZLM多軸系統(tǒng)的運動方程式多軸系統(tǒng)的運動方程式22222423222214 .4708 .450294196494 .784 .2992. 0mNTGDGDmNGDGDGDmNGDLLMc5/Z Z3/ZZ3412解（1）mNjTTTcLMcLLL1 .345392. 04 .470例2-2 折算到電動機軸折算到電動機軸上的負載轉矩上的負載轉矩T TL L 折算到電動機軸折算到電動機軸上的飛輪慣量上的飛輪慣量GDGDZ Z2222222421232221

21、22340)53(1)8 .450196(31)494 .78()4 .29294(1)(1)()(mNjGDGDjGDGDGDGDGDLLMZ2222221 .340)53(8 .45029415. 1 mNJGDGDGDLLMz(2)(近似)2.3 2.3 機電傳動系統(tǒng)的負載特性機電傳動系統(tǒng)的負載特性 生產機械的負載特性: n2.3.1 恒轉矩型機械特性n（a）反抗轉矩（b）位能轉矩)(LTfn TLT-TLnTTLLTCTL （ 摩擦轉矩） （因重力產生的轉矩) （T與n的方向恒為相反） （T的方向恒定與運動方向無關）機電傳動控制機電傳動控制中國地質大學機電學院中國地質大學機電學院 *n

22、2.3.2 離心式通風機型機械特性n2.3.3 直線型機械特性n2.3.4 恒功率型機械特性Tn0 T0Tn0直線型機械特性離心式通風機型機械特性恒功率型機械特性Tn020CnTTLCnTLnKTL/2.4 2.4 機電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件機電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件機電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的含義機電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的含義:1.系統(tǒng)以一定的速度勻速運轉;2.系統(tǒng)在受某種外部干擾作用(如電壓波動、負載轉矩波動等）而使速度稍有變化時，應保證在干擾消除后系統(tǒng)能恢復到原來的運行速度。機電傳動控制機電傳動控制中國地質大學機電學院中國地質大學機電學院 *m系統(tǒng)穩(wěn)定運行的必要充分系統(tǒng)穩(wěn)定運行的必要充分條件條件

23、（1）兩機械特性有交叉點 （2）在平衡點處有一速度 n時，TMTL TM-TLTL TM-TL0 a點是穩(wěn)定平衡點，b點不是。bb a n例2-3 判斷下圖b點是否是系統(tǒng)的穩(wěn)定平衡點？注意：1.兩機械特性曲線的區(qū)別 2.同時滿足二穩(wěn)定平衡條件 解 1. 系統(tǒng)中有交叉點; 2. 當時ML TM-TL0 b點是平衡穩(wěn)定點機電傳動控制機電傳動控制中國地質大學機電學院中國地質大學機電學院 *TCnTTTLTCnTTTL bb C機電傳動控制機電傳動控制中國地質大學機電學院中國地質大學機電學院 *本章基本要求本章基本要求1.1.掌握機電傳動系統(tǒng)的掌握機電傳動系統(tǒng)的運行方程式運行方程式，并學會用它來，并學會用它來分析分析與判別與判別機電傳動系統(tǒng)的機電傳動系統(tǒng)的運行狀態(tài)運