机电传动第一章概论

1、1机电传动控制机电传动控制华中科技大学机械学院数控中心华中科技大学机械学院数控中心谢谢 经经 明明（1-2）课程概要 机电传动控制机电传动控制是集电机、电器、电力电子是集电机、电器、电力电子学、可编程序控制器、自动控制系统于一体的机电学、可编程序控制器、自动控制系统于一体的机电综合性课程。综合性课程。 机电传动控制的基础理论知识；机电传动控制的基础理论知识； 机电传动控制系统的工作原理、特点、分析与设机电传动控制系统的工作原理、特点、分析与设计方法计方法 ； 直流调速、交流调速以及伺服控制等各种开环、直流调速、交流调速以及伺服控制等各种开环、闭环控制系统的工作原理以及应用闭环控制系统的工作原理

2、以及应用 ； 通过实验环节，提高工程实践能力。通过实验环节，提高工程实践能力。（1-3）机电传动系统控制系统调速系统电机机械传动继电器/接触器PLC系统直流电机交流电机直流调速交流调速步进电机课程内容直线电机（1-4）w机电传动：机电传动：机电传动的动力学基础；机电传动的动力学基础；电动机的工作原理及特性；电动机的工作原理及特性；电动机的调速及实现；电动机的调速及实现；步进电机及其控制。步进电机及其控制。w控制：控制：继电器、接触器控制；继电器、接触器控制；PLC控制控制课程内容（1-5）w电动机的工作原理与特性：电动机的工作原理与特性：直流电机的原理与特性；直流电机的原理与特性；交流电机的原

3、理与特性；交流电机的原理与特性；步进电机的原理与特性步进电机的原理与特性w电动机的速度调节：电动机的速度调节：电力电子学基础；电力电子学基础；直流电机调速原理与实现；直流电机调速原理与实现；交流电机的调速原理与实现；交流电机的调速原理与实现；步进电机控制步进电机控制课程内容（1-6）w继电器、接触器控制：继电器、接触器控制：常用的控制电器与执行器件；常用的控制电器与执行器件；基本控制电路；基本控制电路；基本设计方法基本设计方法wPLC控制：控制：PLC原理、组成；原理、组成；PLC的内部等效电路（继电器）；的内部等效电路（继电器）；PLC的指令系统；的指令系统；PLC的应用与设计方法的应用与设

4、计方法课程内容（1-7）教学要求会看：会看：能看懂典型机电传动控制系统的电路原理图，能看懂典型机电传动控制系统的电路原理图， 了解各部分的组成及工作原理；了解各部分的组成及工作原理；会算：会算：对各个环节的工作性能会进行定性或定量对各个环节的工作性能会进行定性或定量 分析、估算；分析、估算；会选：会选：能根据设计要求正确选择有关控制元器件；能根据设计要求正确选择有关控制元器件；会做：会做：能针对机电传动系统的一般性任务，大致能针对机电传动系统的一般性任务，大致 选定实现方案，通过安装调试使其基本实现。选定实现方案，通过安装调试使其基本实现。 在学习过程中，同学们要注意培养在学习过程中，同学们要

5、注意培养“四会四会”能力能力 （1-8）考核方式考试成绩：考试成绩： 80% (闭卷闭卷)平时作业：平时作业： 10% （作业（作业+到课率）到课率）实验课表现：实验课表现： 10% （实验报告（实验报告+动手能力）动手能力）（1-9）任课老师联系方式:办公电话：办公电话： 87557224电子邮件：电子邮件： 其它事项：其它事项： 每小班选课代表一名：负责作业收发和实验课的安每小班选课代表一名：负责作业收发和实验课的安排、以及教师的教学辅导工作。排、以及教师的教学辅导工作。（1-10） 第一章 概 论机电传动控制机电传动控制（1-11）1.1 机电传动控制的目的与任务 一、机电系统的组成一、

6、机电系统的组成 控制电动机控制电动机的系统的系统驱动生产机械的驱动生产机械的电动机及其控制电动机及其控制系统系统机电系统完成生机电系统完成生产任务的基础产任务的基础指的是驱动生产运动部件的原动指的是驱动生产运动部件的原动机（这里指的是机（这里指的是 各各 种种 电电 动动 机）机） 之总称；之总称；（1-12）二、机电传动控制的任务二、机电传动控制的任务将电能转换为机械能；将电能转换为机械能；实现生产机械的启动、停止以及速度的调节；实现生产机械的启动、停止以及速度的调节；完成各种生产工艺过程的要求；完成各种生产工艺过程的要求；保证生产过程的正常进行。保证生产过程的正常进行。三、机电传动控制的目

7、的三、机电传动控制的目的 从广义上讲，机电传动控制的目的就是要使生产设备、生产从广义上讲，机电传动控制的目的就是要使生产设备、生产线、车间乃至整个工厂都实现线、车间乃至整个工厂都实现自动化自动化。 从狭义上讲，则指控制电动机驱动生产机械，实现生产产品从狭义上讲，则指控制电动机驱动生产机械，实现生产产品数数 量的增加量的增加（效率）、（效率）、质量的提高质量的提高（精度）、（精度）、生产成本的降低生产成本的降低、工人工人 劳动条件的改善劳动条件的改善以及以及能量的合理利用能量的合理利用等。等。（1-13） 随着生产工艺的发展，对机电传动控制系统的要求愈来愈高。随着生产工艺的发展，对机电传动控制系

8、统的要求愈来愈高。一些精密机床要求加工精度百分之几毫米，甚至几微米，光刻机的精度到几十一些精密机床要求加工精度百分之几毫米，甚至几微米，光刻机的精度到几十纳米；纳米；重型镗床为保证加工精度和粗糙度，要求在极慢的稳速下进给重型镗床为保证加工精度和粗糙度，要求在极慢的稳速下进给 ，即要求系统有，即要求系统有很宽的调速范围；很宽的调速范围； 轧钢车间的可逆式轧机及其辅助机械，操作频繁，要求在不到轧钢车间的可逆式轧机及其辅助机械，操作频繁，要求在不到 一秒的时间内一秒的时间内完成从正转到反转的过程，即要求系统能迅速启动、制动和反向；完成从正转到反转的过程，即要求系统能迅速启动、制动和反向； 对于电梯和

9、提升机，则要求启动和制动平稳，并能准确地停止在给定的位置上；对于电梯和提升机，则要求启动和制动平稳，并能准确地停止在给定的位置上；对于冷、热连轧机以及造纸机的各个机架或分部，则要求各机架对于冷、热连轧机以及造纸机的各个机架或分部，则要求各机架 或各分部的转或各分部的转速保持一定的比例关系进行协调运转；速保持一定的比例关系进行协调运转；为了提高效率，由数台或十几台设备组成的生产自动线，要求为了提高效率，由数台或十几台设备组成的生产自动线，要求 统一控制或管理。统一控制或管理。 诸如此类的要求，都要靠电动机及其控制系统来实现。诸如此类的要求，都要靠电动机及其控制系统来实现。 （1-14）1.2 机

10、电传动控制的发展状况 机电传动及其控制系统总是随着社会生产的发展而发展的。机电传动及其控制系统总是随着社会生产的发展而发展的。机电传动控制的发展可从机电传动控制的发展可从机电传动机电传动和和控制系统控制系统两方面来讨论。两方面来讨论。 一、机电传动的发展一、机电传动的发展成组拖动成组拖动一台电动机拖动一根天轴（或地轴），然后再由天轴（或地轴）一台电动机拖动一根天轴（或地轴），然后再由天轴（或地轴）通过皮带轮和皮带分别拖动多台不同的生产机械。通过皮带轮和皮带分别拖动多台不同的生产机械。 特点是生产效率低、劳动条件差、一旦电动机出现故障，将造成成组的生特点是生产效率低、劳动条件差、一旦电动机出现故

11、障，将造成成组的生产机械停车。产机械停车。单电机拖动单电机拖动一台电动机拖动一台生产机械的各个运动部件。一台电动机拖动一台生产机械的各个运动部件。 这种拖动方式较成组拖动方式前进了一步，但当运动部件较多时，其传动这种拖动方式较成组拖动方式前进了一步，但当运动部件较多时，其传动机构仍十分复杂。机构仍十分复杂。多电机拖动多电机拖动一台生产机械的各个运动部件分别由不同的电动机来拖动（无一台生产机械的各个运动部件分别由不同的电动机来拖动（无轴传动）。机械传动结构简单，而且控制灵活，被广泛使用。轴传动）。机械传动结构简单，而且控制灵活，被广泛使用。（1-15）二、机电传动控制系统的发展二、机电传动控制系

12、统的发展 控制系统的发展伴随控制器件的发展而发展。随着功率器件、控制系统的发展伴随控制器件的发展而发展。随着功率器件、放大器件的不断更新，机电传动控制系统的发展日新月异，它主放大器件的不断更新，机电传动控制系统的发展日新月异，它主要经历了以下七个阶段：要经历了以下七个阶段：1 1、继电器继电器接触器控制：接触器控制：出现在出现在2020世纪初，它借助于简单的接触器与继电器实世纪初，它借助于简单的接触器与继电器实现对控制对象的启动、停车以及有级调速等控制。控制速度慢，控制精度差。现对控制对象的启动、停车以及有级调速等控制。控制速度慢，控制精度差。2 2、电机放大机控制、电机放大机控制 ：出现在出

13、现在2020世纪世纪30年代，控制系统从断续控制发展到连续年代，控制系统从断续控制发展到连续控制，连续控制系统可随时检查控制对象的工作状态，并根据输出量与给定量的控制，连续控制系统可随时检查控制对象的工作状态，并根据输出量与给定量的偏差对控制对象进行自动调整。偏差对控制对象进行自动调整。 3 3、磁放大器控制和大功率可控制水银整流器控制：、磁放大器控制和大功率可控制水银整流器控制： 出现在出现在2020世纪世纪40年代年代50年年代代 ，晶闸管控制就取代了水银整流器控制，后又出现了功率晶体管控制晶闸管控制就取代了水银整流器控制，后又出现了功率晶体管控制 。（1-16） 4 4、计算机数字控制（

14、、计算机数字控制（CNCCNC）系统系统 ： 出现在出现在2020世纪世纪70年代初年代初 ，不不仅加强了自动化程度，而且提高了机床的通用性和加工效率，在生仅加强了自动化程度，而且提高了机床的通用性和加工效率，在生产上得到了广泛的应用。产上得到了广泛的应用。 美国美国MIT研制出第一台数控机床研制出第一台数控机床(1952)西门子公司的西门子公司的CNC系统系统华中数控公司的华中数控公司的CNC系统系统（1-17） 5 5、柔性制造系统、柔性制造系统( (FMS)FMS)和计算机集成制造系统和计算机集成制造系统: :由数控机床、工由数控机床、工业机器人、自动搬运车等组成的统一由中心计算机控制的

15、机械加工业机器人、自动搬运车等组成的统一由中心计算机控制的机械加工自动线自动线，它是实现自动化车间和自动化工厂的重要组成部分。它是实现自动化车间和自动化工厂的重要组成部分。 日本日本Fanuc公司在公司在1976年研制出由加工中心和年研制出由加工中心和工业机器人组成的柔性工业机器人组成的柔性制造单元制造单元（1-18） 6 6、计算机集成制造系统、计算机集成制造系统( (CIMS):CIMS): 机械制造自动化高级阶段是走机械制造自动化高级阶段是走向设计、制造一体化，即利用计算机辅助设计（向设计、制造一体化，即利用计算机辅助设计（CAD）与计算机辅与计算机辅助制造（助制造（CAM）形成产品设计

16、和制造过程的完整系统，对产品构形成产品设计和制造过程的完整系统，对产品构思和设计直到装配、试验和质量管理这一全过程实现自动化。思和设计直到装配、试验和质量管理这一全过程实现自动化。 为了实现制造过程的高效率、高柔性、高质量，研制计算机集为了实现制造过程的高效率、高柔性、高质量，研制计算机集成制造系统（成制造系统（CIMS）是人们今后的任务。是人们今后的任务。（1-19） 7 7、网络化运动控制系统、网络化运动控制系统 ： 当前的主流控制系统结构，控制器当前的主流控制系统结构，控制器( (PLCPLC、工控机或专用运动控制器工控机或专用运动控制器) )通过控制网络通过控制网络( (现场总线或工业

17、以现场总线或工业以太网等太网等) )与变频器或伺服驱动器相连，实现多轴运动控制。与变频器或伺服驱动器相连，实现多轴运动控制。 伺服电机伺服电机伺服驱动器伺服驱动器SPS控制器控制器分布式分布式IO（1-20）（1-21）基于现场总线的分布式制造控制系统体系结构基于现场总线的分布式制造控制系统体系结构C C N N C CI/OICMI/O信号 传感器C C N N C CI/OICMI/O信号F F M M S S传感器Infranet(F ieldbus)Infranet(F ieldbus)Intranet(E thernet)Internet(TC P /IP )Web服务器管理工作站管

18、理工作站C A D管理层管理层设计与远程设计与远程监控层监控层现场控制层现场控制层远程监控伺服驱动伺服驱动伺服驱动伺服驱动P P C C网 关C A PP22基于现场总线飞剪同步控制基于现场总线飞剪同步控制Typical technology for continous running machinesElectronic shaftRS485RS232-Touch-Web able（1-23） 7 7、制造装备数字化制造装备数字化 ：制造业的全球化，对制造装备的要求制造业的全球化，对制造装备的要求（高速、高精、高可靠性）越来越高，并随着计算机技术的发（高速、高精、高可靠性）越来越高，并随着计

19、算机技术的发展，出现了数字制造的概念。展，出现了数字制造的概念。（1-24）调速技术的发展调速技术的发展w直流调速：直流调速：有级调速（串电阻，继电器、接触器控有级调速（串电阻，继电器、接触器控制）制）;无级调速（调压调速、调磁调速，发电机无级调速（调压调速、调磁调速，发电机-电动机方式，晶闸管方式，电动机方式，晶闸管方式，PWM方式）。方式）。w交流调速：交流调速：有级调速（调压，变极）有级调速（调压，变极）;无级调速（变频调速）。无级调速（变频调速）。（1-25）控制理论与技术的发展控制理论与技术的发展w开环控制（步进电机、变频调速等）开环控制（步进电机、变频调速等）w闭环控制：经典控制理论、现代控制理论、闭环控制：经典控制理论、现代控制理论、非线性控制、自适应控制、智能控制非线性控制、自适应控制、智能控制w计算机控制技术和网络化控制技术计算机控制技术和网络化控制技术（1-26）电动机的分类电动机的分类 （供电方式）（供电方式）w直流电机：直流电机：采用直流电源，调速特性好，采用直流电源，调速特性好，但换相电刷影响其容量、使用范围和寿命。但换相电刷影响其容量、使用范围和寿命。w交流电机：交流电机：采用交流电源，克服了直流电采用交流电源，克服了直流电机