概说动力学PPT课件

1、1 2 2、掌握继电器、掌握继电器- -接触器控制、接触器控制、PLCPLC控制控制器的基本原理，学会用它们来实现生产过程器的基本原理，学会用它们来实现生产过程的自动控制；的自动控制； 3 3、掌握常用的开环、闭环驱动控制系、掌握常用的开环、闭环驱动控制系统的基本工作原理和特点、了解其性能及其统的基本工作原理和特点、了解其性能及其应用场所；应用场所； 4 4、具有运用标准、规范、手册、图册、具有运用标准、规范、手册、图册等有关技术资料的能力；等有关技术资料的能力； 5 5、掌握机电传动的基本规律，学会分、掌握机电传动的基本规律，学会分析控制系统的基本方法；析控制系统的基本方法； 第1页/共44

2、页2 机电传动与控制课程的内容，包含拖机电传动与控制课程的内容，包含拖动生产机械的电动机，和控制电机的一整动生产机械的电动机，和控制电机的一整套控制系统。套控制系统。教材要求：教材要求：机电传动控制机电传动控制邓星钟，邓星钟， 华中科技大学华中科技大学出版社，出版社，20012001年年3 3版版 学习辅导与习题学习辅导与习题邓星钟，邓星钟， 华中科技大学华中科技大学出版社出版社 学习本课程旨在培养具有创新精神和学习本课程旨在培养具有创新精神和实践能力的实践能力的“机电复合型机电复合型”人才。人才。第2页/共44页3 本课程的特点和学好课程的方法：本课程的特点和学好课程的方法： 学习时首先了解

3、问题是如何提出的，特学习时首先了解问题是如何提出的，特别注意对别注意对基本概念、原理、公式基本概念、原理、公式的理解和掌的理解和掌握，相互联系，了解其应用。做有关的握，相互联系，了解其应用。做有关的习题、习题、思考题及自测练习思考题及自测练习。坚持老师为主导，学生。坚持老师为主导，学生为为主体主体的思想。的思想。 根据学科的发展与其内在规律，以伺服根据学科的发展与其内在规律，以伺服驱动系统为主导，以控制为线索，学习和掌驱动系统为主导，以控制为线索，学习和掌握机电一体化技术所需的强电控制知识。握机电一体化技术所需的强电控制知识。第3页/共44页4第一章第一章 概述概述第二章第二章 机电传动系统的

4、动力学机电传动系统的动力学方程方程第三第三七章七章 电机特性电机特性第八章第八章 继电器继电器- -接触器控制接触器控制第九章第九章 PLCPLC第十章第十章 晶闸管电路（简介）晶闸管电路（简介）第十一、十二章第十一、十二章 直、交流传动控制直、交流传动控制第十三章第十三章 步进电机步进电机 传动传动控制系统控制系统简介简介 实验实验 4 4学时学时1.2 1.2 机电传动控制课程安排机电传动控制课程安排第4页/共44页51.3 1.3 机电传动的目的和任务：机电传动的目的和任务：电动机电动机+ +生产机械生产机械+ +控制系统控制系统机电传动系统机电传动系统 目的：目的：电能转变为机械能，实

5、现生产机械电能转变为机械能，实现生产机械的启动、停止、调速，完成各种生产工艺过的启动、停止、调速，完成各种生产工艺过程的要求，保证生产过程的正常运行。程的要求，保证生产过程的正常运行。 任务：任务：指控制电动机驱动生产机械，实现指控制电动机驱动生产机械，实现生产产品数量的增加，质量的提高，生产成生产产品数量的增加，质量的提高，生产成本的降低，劳动条件的改善以及能量的合理本的降低，劳动条件的改善以及能量的合理利用。利用。第5页/共44页61.4 1.4 机电传动及控制系统的发展概况机电传动及控制系统的发展概况1. 1. 机电传动的发展概况机电传动的发展概况（3 3个阶段）个阶段） 成组拖动成组拖

6、动单电机拖动单电机拖动多电机拖动多电机拖动2. 2. 控制系统的发展概况控制系统的发展概况（4 4个阶段）个阶段） 20C20C初的继电控制；初的继电控制；30-4030-40年代出现的电年代出现的电机放大控制，磁放大控制；机放大控制，磁放大控制；5050年代末出现晶年代末出现晶闸管、功率管控制、采样控制；闸管、功率管控制、采样控制； 7070年代年代CNC CNC 和和 8080年代以来年代以来FMS FMS （柔性制造系统）（柔性制造系统）CIMSCIMS（计算机集成制造系统）（计算机集成制造系统）第6页/共44页7本章基本要求：本章基本要求： 掌握机电传动系统的运行方程式，用它掌握机电传

7、动系统的运行方程式，用它来分析和判别机电传动系统的运行状态；来分析和判别机电传动系统的运行状态； 为列出多轴拖动系统的运行方程式，必为列出多轴拖动系统的运行方程式，必须将转矩等进行折算，掌握其折算的原则和须将转矩等进行折算，掌握其折算的原则和方法；方法； 了解几种典型的生产机械的机械特性；了解几种典型的生产机械的机械特性；)(LTfn 第7页/共44页8 掌握机电传动系统稳定运行的条件，运掌握机电传动系统稳定运行的条件，运用其来分析和判断系统的稳定平衡点；用其来分析和判断系统的稳定平衡点； 重点：重点： 运用运动方程式分别判别机电传动系运用运动方程式分别判别机电传动系统的运行状态；统的运行状态

8、； 运用稳定运行的条件来判别机电传动运用稳定运行的条件来判别机电传动系统的稳定运行点，系统的稳定运行点，第8页/共44页92.12.1机电传动系统的运动方程式机电传动系统的运动方程式（单轴）（单轴） dtdwJTTLMTM 电机产生的 转矩TL 负载转矩n 转速 角速度J 单轴传动系统中转动惯量t 时间单轴机电传动单轴机电传动运动方程运动方程当d /dt= 0 ，n或 为常数称静态（相对静止）或稳态（稳定运动）第9页/共44页102.12.1机电传动系统的运动方程式机电传动系统的运动方程式（单轴）（单轴）nwgGDDgGmDJ602/414141222dtdnGDTTLM3752dLMTTT用

9、转速n代替，用飞轮惯量（飞轮转矩） GD2代替转动惯量J（J=m2， 、D为惯性半径和惯性直径，重力G=mg,则有运动方程实用形式转矩平衡方程形式转动惯量转动惯量刚体绕轴转动惯性的度量。又称惯性距惯性距、惯性矩惯性矩（俗称惯性力距惯性力距、惯性力矩）惯性力矩）其数值为 J= miri2，式中mi表示刚体的某个质点的质量，ri表示该质点到转轴的垂直距离。惯性半径惯性半径 任一截面对某轴的惯性矩除以该截面面积所得商的平方根值。Td动态转矩第10页/共44页11 设电动机某一转动方设电动机某一转动方向向n n为正，为正，T TMM与与n n一致方一致方向为正；向为正；T TL L与与n n相反的方相

10、反的方向为正。向为正。当当T Td d0 0时，系统加速；时，系统加速；当当T Td d0 0时，系统减速；时，系统减速；当当T Td d=0=0时，系统恒速。时，系统恒速。转矩正方向转矩正方向约定约定：第11页/共44页12 根据上述约定，可以从转矩与转速的符根据上述约定，可以从转矩与转速的符号上来判定号上来判定的性质（拖动转矩或制动的性质（拖动转矩或制动转矩）。转矩）。 若若与与n n符号相同符号相同( (同为正或同为负同为正或同为负) )，则，则表示表示的作用方向与的作用方向与n n相同、相同、 为为拖动转矩拖动转矩；若若与与n n符号相反，则表示符号相反，则表示的作用方向与的作用方向与

11、n n相反，相反， 为为制动转矩制动转矩。第12页/共44页13例子1、启动：电机拖动重物上升， TM与n同向为正，TL 与n反向为正，上升TM TL，则dn/dt为正，系统加速运行；2、制动：仍为提升，制动电磁转矩TM与n反向为负， TL为反向为正，则dn/dt为负，重物减速上升，直至停止。第13页/共44页14 而而若与若与n n符号相同，则表示的作用方符号相同，则表示的作用方向与向与n n相反，为相反，为制动转矩制动转矩；若；若与与n n符号相符号相反，则表示的作用方向与反，则表示的作用方向与n n相同，相同， 为为拖拖动转矩动转矩。 这点很重要，是今后这点很重要，是今后分析系统的运行分

12、析系统的运行状态状态（系统处于加速、减速还是匀速）的（系统处于加速、减速还是匀速）的一个主要依据。也是本章的一个难点。本一个主要依据。也是本章的一个难点。本章的另一个难点在机械特性上判别系统稳章的另一个难点在机械特性上判别系统稳定工作点时，如何找出它们。定工作点时，如何找出它们。第14页/共44页15例 图中为实际方向1）列出运动方程式（要点：TM与n同向为正， TL与n反向为正）A图： TM - TL =(GD2/376) dn/dtB图：- TM - TL =(GD2/376) dn/dtC图： - TM + TL =(GD2/376) dn/dt2） TM、 TL为（要点： T与n同向为

13、拖动转矩， T与n反向为制动转矩）A图： TM为拖动转矩， TL为制动转矩B图： TM为制动转矩， TL为制动转矩C图： TM为制动转矩， TL为拖动转矩3）判断（要点：Td=TM-TL， 0，加速；0为减速；=0为恒速）A图：加速，因TM TL， dn/dt 0B图：匀速， TM =TL dn/dt =0C图：减速， - TM + TL dn/dt 0 TMTMTMTLTLTLnnnTM TLTM =TLTM TL第15页/共44页162.2 2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算 实际运动系统一般常是多轴系统，为了实际运动系统一般常是多轴系统，为了列出这个系统

14、的运动方程，必须把上述各量列出这个系统的运动方程，必须把上述各量折算折算到某一轴上（电机轴），即折算成为单到某一轴上（电机轴），即折算成为单轴系统。轴系统。 折算时的基本原则是折算前的多轴系统折算时的基本原则是折算前的多轴系统同折算后的单轴系统，在同折算后的单轴系统，在能量能量关系或关系或功率功率关关系上保持系上保持不变不变。第16页/共44页172.2 2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算 1、负载转矩的折算、负载转矩的折算 基本原则：基本原则：功率守恒功率守恒原则。即折算前的原则。即折算前的多轴系统同折算后的单轴系统，在功率关系多轴系统同折算后的单轴系统，在

15、功率关系上保持不变。上保持不变。 对于旋转运动，如下图所示，当系统匀对于旋转运动，如下图所示，当系统匀速运动时，生产机械的负载功率是：速运动时，生产机械的负载功率是：LLLTPTL、L 生产机械负载 转矩和角速度第17页/共44页18MLMTP则电动机轴上的负载功率是：则电动机轴上的负载功率是：设设 折算到电动机轴的负载转矩是折算到电动机轴的负载转矩是LT LT2.2 2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算 M 电动机角速度TN.m=9550 Pkw/nr/min第18页/共44页19 考虑到传动机构在传递功率的过程中有损考虑到传动机构在传递功率的过程中有损耗，这

16、个损耗可以用传动效率耗，这个损耗可以用传动效率 来表示，即：来表示，即：cMLLLMLcTTPP输入功率输出功率于是得到折算到电动机轴上的负载转矩于是得到折算到电动机轴上的负载转矩TL：jTTTcLMcLLLLMj传动机构传动机构速比速比2.2 2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算 c电机拖动负载传动效率第19页/共44页20对于对于直线运动直线运动，如下图卷扬机构所示，如下图卷扬机构所示，2.2 2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算 生产机械的负载生产机械的负载功率是：功率是：vFPL第20页/共44页21 反映到电动机轴上的反

17、映到电动机轴上的负载功率是：负载功率是：MLMTP 如电动机拖动生产机械旋转或运动，如电动机拖动生产机械旋转或运动，传动传动机构中的损耗由电动机承担，根据功率平衡关机构中的损耗由电动机承担，根据功率平衡关系，有：系，有：cMLFvTnM602McLnFvT55.92.2 2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算 第21页/共44页222.2 2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算 如果是生产机械拖动电动机旋转，如果是生产机械拖动电动机旋转，传动机构中的损耗由负载承担，根据功传动机构中的损耗由负载承担，根据功率平衡关系，有：率平衡关系，有

18、：McLnFvT55.9c负载拖动电机传动效率第22页/共44页232.2 2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算 1、负载转矩的折算、负载转矩的折算 基本原则：功率守恒原则。即折算前的基本原则：功率守恒原则。即折算前的多轴系统同折算后的单轴系统，在功率关系多轴系统同折算后的单轴系统，在功率关系上保持不变。上保持不变。 对于旋转运动，如下图所示，当系统匀对于旋转运动，如下图所示，当系统匀速运动时，生产机械的负载功率是：速运动时，生产机械的负载功率是：LLLTP第23页/共44页24MLMTP则电动机轴上的负载功率是：则电动机轴上的负载功率是：设设 折算到电动机轴的

19、负载转矩是折算到电动机轴的负载转矩是LT LT2.2 2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算 Tn.m=9550 Pkw/nr/min第24页/共44页25 考虑到传动机构在传递功率的过程中有损考虑到传动机构在传递功率的过程中有损耗，这个损耗可以用传动效率耗，这个损耗可以用传动效率 来表示，即：来表示，即：cMLLLMLcTTPP输入功率输出功率于是得到折算到电动机轴上的负载转矩：于是得到折算到电动机轴上的负载转矩：jTTTcLMcLLLLMj传动机构速比传动机构速比2.2 2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算 第25页/共44页2

20、6对于直线运动，如下图卷扬机构所示，对于直线运动，如下图卷扬机构所示，2.2 2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算 生产机械的生产机械的负载功率是：负载功率是：vFPL第26页/共44页27 反映到电动机轴上的反映到电动机轴上的负载功率是：负载功率是：MLMTP 如电动机拖动生产机械旋转或运动，如电动机拖动生产机械旋转或运动，传动传动机构中的损耗由电动机承担，根据功率平衡关机构中的损耗由电动机承担，根据功率平衡关系，有：系，有：cMLFvTnM602McLnFvT55.92.2 2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算 第27页/共4

21、4页282、转动惯量和飞轮转矩的折算、转动惯量和飞轮转矩的折算 基本原则：基本原则：动能守恒动能守恒原则。原则。2211LLMZjJjJJJ11Mj LMLj22212122LLMZjGDjGDGDGD2.2 2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算 JM、J1、JL电机轴、中间轴、生产机械轴上的转动惯量J1 电机轴与中间轴间长度比jL 电机轴与生产机械间传动比GDM2、GD12 、 GDL2电机轴、中间轴、生产机械轴上诶论转矩GDZ2、折算到电机轴上总诶论转矩第28页/共44页29222211MLLMZvmjJjJJJ对于直线运对于直线运动时电机轴动时电机轴上总转

22、动惯上总转动惯量：量：总飞轮转矩总飞轮转矩2222212122365MLLMZnGvjGDjGDGDGD2.2 2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算 M 直线运动部件质量 M电机角速度第29页/共44页30dtdnGDTTzLM3752 最后将折算后的负载转矩、飞轮最后将折算后的负载转矩、飞轮转矩代入单轴系统的方程式，可得到转矩代入单轴系统的方程式，可得到多轴系统方程式多轴系统方程式。2.2 2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算 第30页/共44页31例题有一机电传动系统如图所示，已知：重物G=10000N，上升速度v=0.6m/

23、s，卷筒直径d=0.9m，每对齿轮转速比j1=j2=6，每对齿轮效率1= 2=0.94 ，卷筒效率=0.95 ，滑轮效率=0.96 。试求：（1） 电动机轴上的转速；（2）负载重物折算到电机轴上的转矩MGj1j2FVD解（1）卷筒转速 nL=60（2V）/D =6020.6/(3.140.9)=25.5r/min电机轴转速nM= nLj1j2=25.566=918r/min（2）卷筒上转矩TL=Fr/34=(G/2)(D/2)/(0.950.96)=2470.1Nm转算到电机周上转矩TLM= TL/j1j2 12 =2470.1/660.940.94 =77.56Nm第31页/共44页32 同

24、一轴上的负载转矩和转速之间的函数同一轴上的负载转矩和转速之间的函数关系，称为生产机械的机械特性。关系，称为生产机械的机械特性。)(LTfn 恒转矩型机械特性恒转矩型机械特性常数LT常见机械：提升机构、提升机行走机构、皮带输送机、技术切削机床反抗转矩：摩擦.非弹性压缩.拉伸扭转等负载转矩.切削力矩等，阻碍运动方向，与n同向，一四象限；位能转矩：重力和弹性压缩、拉伸、扭转产生，作用方向恒定，与n方向无关，因此有+有-，一二象限；。第32页/共44页33离心式通风机、水泵型机离心式通风机、水泵型机械特性械特性2CnTL直线型机械特性直线型机械特性CnTL第33页/共44页34恒功率型机械特性：恒功率

25、型机械特性：负载转矩负载转矩TL与转速成与转速成反比反比nKTL如车床：粗加工切削量大，负载大，选择低速；精加工切削力小，选择高速。如此：切削功率基本不变。曲柄连杆机构负载转矩TL随转角变化，破碎机、球磨机负载变化无规律。第34页/共44页35机电传动系统的稳机电传动系统的稳定运行包含定运行包含两重含两重含义：义：一是一是系统应能以一系统应能以一定的速度匀速运转。定的速度匀速运转。曲线曲线1代表电动机机代表电动机机械特性，曲线械特性，曲线2代表代表负载机械特性。负载机械特性。第35页/共44页36二是二是系统受到系统受到某种外部干扰某种外部干扰而使运行速度而使运行速度稍有变化，应稍有变化，应保

26、证在干扰消保证在干扰消除后系统能恢除后系统能恢复到原来的运复到原来的运行速度。行速度。第36页/共44页37充分而必要条件是：充分而必要条件是：1、电动机机械特性曲电动机机械特性曲线线 和生产和生产机械的机械特性曲线机械的机械特性曲线 有有交点交点（平衡点（平衡点A B）。）。)(MTfn )(LTfn LMTT第37页/共44页382、当转速大于平衡当转速大于平衡点所对应的转速时，点所对应的转速时，必须有必须有 当转速小于平衡当转速小于平衡点所对应的转速时，点所对应的转速时，必须有必须有LMTTLMTT 第38页/共44页39 只有满足只有满足上述两个条件上述两个条件的平衡点，才的平衡点，才是具有恢复到是具有恢复到原平衡状态能原平衡状态能力而进入稳定力而进入稳定运行。运行。第39页/共44页40所以：所以：a点是