ch1绪论加动力学基础

1、机电传动控制机电传动控制邓星钟邓星钟 主编主编 主主 讲讲：机械系机械系 雷雷 波波联系方式：联系方式-Mail: 参考书目参考书目1.赵君有，张爱军赵君有，张爱军 王东瑞编王东瑞编. 电机与拖动基础电机与拖动基础.北京北京:中国水力水电出版社中国水力水电出版社,2007.2.汤天浩汤天浩 编编.电机与拖动基础电机与拖动基础.北京北京:机械工业出版机械工业出版社社,2011.3.吴红星编吴红星编.电机驱动与控制专用集成电路及应电机驱动与控制专用集成电路及应用用 .北京北京:中国电力出版社中国电力出版社,2006.4.齐占庆，王振臣齐占庆，王振臣 编编.机床电气控制技术

2、机床电气控制技术.北京北京:机机械工业出版社械工业出版社,20085.满永奎，韩安荣满永奎，韩安荣 编编.通用变频器及其应用通用变频器及其应用.北京北京:机械工业出版社机械工业出版社,2012 第一章第一章 概述概述1.1 1.1 机电传动的目的和任务机电传动的目的和任务1.2 1.2 机电传动及其控制系统的发展概况机电传动及其控制系统的发展概况1.3 1.3 课程的性质和任务课程的性质和任务1.4 1.4 课程的内容安排课程的内容安排1.5 1.5 对本课程学习的基本要求对本课程学习的基本要求1.1 1.1 机电传动的目的和任务机电传动的目的和任务 机电传动机电传动: : 以电动机为原动机驱

3、动生产机械的以电动机为原动机驱动生产机械的 系统之总称系统之总称 机电传动控制机电传动控制中国地质大学机电学院中国地质大学机电学院 4:49一、机电系统的组成一、机电系统的组成 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驱动运动部件的原动机驱动运动部件的原动机（这里指的是各种电动机）（这里指的是各种电动机）之总称之总称控制电动机的系统控制电动机的系统 驱动生产机械的电动驱动生产机械的电动机和控制电动机的一机和控制电动机的一整套电气系统整套电气系统机电传动控制机电传动控制中国地质大学机电学院中国地质大学机电学院 4:49机电传动系统实例车床系统CA6140,CK6150与CH6132宽

4、的调速范围机电传动控制机电传动控制中国地质大学机电学院中国地质大学机电学院 4:49可逆式轧机频繁起制动或正反转机电传动控制机电传动控制中国地质大学机电学院中国地质大学机电学院 4:49卷扬机和电梯起制动平稳，准确定点停车机电传动控制机电传动控制中国地质大学机电学院中国地质大学机电学院 4:49雷达天线控制系统雷达天线控制系统雷达天线控制系统雷达天线控制系统方位驱动 仰角驱动n雷达天线自动控制系统原理框图雷达天线自动控制系统原理框图机电传动控制机电传动控制中国地质大学机电学院中国地质大学机电学院 4:49二、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

5、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

6、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。 1.2 机电传动控制的发展机电传动控制的发展 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生产机械。由天轴（或地轴）通过皮带轮和皮带分别拖动多台生产机械。

7、机电传动控制机电传动控制中国地质大学机电学院中国地质大学机电学院 机电传动控制机电传动控制中国地质大学机电学院中国地质大学机电学院 1.2 机电传动控制的发展机电传动控制的发展 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生产机械。由天轴（或地轴）通过皮

8、带轮和皮带分别拖动多台生产机械。 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运动部件。一台电动机拖动一台生产机械的各运动部件。 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。动机来拖动。 特点是生产效率低、劳动条件差、一旦电动机出现故障，将造特点是生产效率低、劳动条件差、一旦电动机出现故障，将造成成组的生产机械停车；成成组的生产机械停车； 这种拖动方式较成组拖动前进了一步，但当一台生产机械的运这种拖动方式较成组拖动前进了一步，但当一台生产机械的运动部件较多时，其传动机构仍十分复杂；动部件较多时，其传动机构仍十分复杂；二、

9、机电传动控制系统的发展二、机电传动控制系统的发展 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，它主要放大器件的不断更新，机电传动控制系统的发展日新月异，它主要经历了四个阶段：经历了四个阶段： 1继电器继电器接触器控制接触器控制：出现在：出现在20世纪初，它仅借助于简单世纪初，它仅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，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电机放

10、大机控制电机放大机控制：（：（30年代）从断续控制到连续控制年代）从断续控制到连续控制 3磁放大器控制和大功率晶闸管控制磁放大器控制和大功率晶闸管控制：(40-60年代年代) 4计算机数字控制（计算机数字控制（CNC） ：提高机床的自动化程度、通：提高机床的自动化程度、通用性和加工效率。（用性和加工效率。（70年代年代-至今）至今）机电传动控制机电传动控制中国地质大学机电学院中国地质大学机电学院 4:49柔性制造系统（柔性制造系统（FMS） 由数控机床、工业机器人、自动搬由数控机床、工业机器人、自动搬运车等组运车等组成的统一由中心计算机控制的机械加工自动线成的统一由中心计算机控制的机械加工自动

11、线，它是实现，它是实现自动化车间和自动自动化车间和自动化工化工厂的重要组成部分。厂的重要组成部分。机械制造自动化机械制造自动化高级阶段是走向设计、制高级阶段是走向设计、制造一体化，即利用计造一体化，即利用计算机辅助设计（算机辅助设计（CAD）与计算机辅助制造（）与计算机辅助制造（CAM）形成产品设计）形成产品设计和制造过程和制造过程的完整系统，对产品构思和设计直到装配的完整系统，对产品构思和设计直到装配、试验和质量、试验和质量管理这一全过程实现自动化。管理这一全过程实现自动化。为了实为了实现制造过程的高效率、高现制造过程的高效率、高柔性、高质量，研制计算机集柔性、高质量，研制计算机集成制造系统

12、（成制造系统（CIMS）是人们现在的任务。）是人们现在的任务。1.3 1.3 课程的性质和任务课程的性质和任务n性质性质： 机电传动控制把驱动电机、控制电机电器、机电传动控制把驱动电机、控制电机电器、电力拖动、继电器电力拖动、继电器-接触器控制、接触器控制、PLC、电力电、电力电子技术、直（交）流伺服系统、步进电机伺服子技术、直（交）流伺服系统、步进电机伺服系统等系统等强电强电控制的内容，根据学科的发展与其控制的内容，根据学科的发展与其内在规律，以伺服驱动为主导，以控制为线索，内在规律，以伺服驱动为主导，以控制为线索，将元器件与伺服控制系统科学、有机地结合起将元器件与伺服控制系统科学、有机地结

13、合起来。来。机电传动控制机电传动控制中国地质大学机电学院中国地质大学机电学院 4:49n任务任务 学生通过本课程和机电综合实验的学习，使学生通过本课程和机电综合实验的学习，使学生掌握学生掌握交直流电机交直流电机及控制电机及控制电机的基本结构和工的基本结构和工作原理作原理，以及，以及机电传动的运行性能、分析计算、机电传动的运行性能、分析计算、电机与控制系统选择电机与控制系统选择、为后继课程和今后的工作、为后继课程和今后的工作准备必要的知识准备必要的知识1.4 1.4 课程的内容安排课程的内容安排n第一章 概论 n第二章 机电传动系统的动力学基础 n第三章 直流电机的工作原理及特性 第四章 机电传

14、动系统过渡过程 n第五章 交流电动机的工作原理及特性 第六章 控制电机第七章 机电传动控制系统中常用的检测元件n第八章 继电器接触器控制系统 第九章 可编程序控制器 第十章 电力电子学晶闸管及其基本电路 n第十一章 直流传动控制系统n第十二章 交流传动控制系统 第十三章 步进电动机传动控制系统n第十四章 机电传动控制系统中电动机的选择1.5 1.5 对本课程学习的基本要求对本课程学习的基本要求1.了解机电传动控制系统的了解机电传动控制系统的组成和基本规律组成和基本规律；2.掌握常用掌握常用电机、电器的工作原理电机、电器的工作原理主要主要特性特性，了解其应用与选用；了解其应用与选用；3.掌握掌握

15、继电器接触器工作原理继电器接触器工作原理，学会用其来，学会用其来实现生产过程的自动控制；实现生产过程的自动控制；4.掌握常用的掌握常用的开环、闭环驱动控制系统的基本开环、闭环驱动控制系统的基本工作原理和特点工作原理和特点，了解性能和应用场所。，了解性能和应用场所。5.学会学会分析分析机电传动控制系统的机电传动控制系统的基本方法基本方法。机电传动控制机电传动控制中国地质大学机电学院中国地质大学机电学院 4:49第二章第二章 机电传动系统的动力学基础机电传动系统的动力学基础n2.1 2.1 机电传动系统的运动方程式机电传动系统的运动方程式n2.2 2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算转矩、转动惯

16、量和飞轮转矩的折算n2.3 2.3 机电传动系统的负载特性机电传动系统的负载特性n2.4 2.4 机电传动系统稳定运行的条件机电传动系统稳定运行的条件2.1 2.1 机电传动系统的运动方程式机电传动系统的运动方程式0/tLMddcnTT0/tLMddcnTT图2.1 单轴拖动系统电动机（M）生产机械TMM+TLTL机电传动控制机电传动控制中国地质大学机电学院中国地质大学机电学院 4:49n单轴机电传动系统的运动方程式单轴机电传动系统的运动方程式) 1 . 2(dtdJTTLM)4.2(375)3.2(602)2.2(44/2222dtdnGDTTngGDJmgGmDmJLMTM-电动机转矩TL

17、-负载转矩GD2-飞轮矩n-转速t-时间机电传动控制机电传动控制中国地质大学机电学院中国地质大学机电学院 4:49n动态转矩)6 . 2()5 . 2(3752dLMdTTTdtdnGDTdLMdLMdLMTTTTTTTTT0 恒速（静态转矩）正值 加速（动态转矩）负值 减速（动态转矩）nTM与n同向为正向 TL与n相反为正向dtdnGDTTdtdnGDTTLMLM37537522拖动矩拖动矩（TM、n同向）制动矩制动矩（TM、n反向）n例2-11.列出系统的运动方程式；2.说明系统运行的状态。dtdnGDTTdtdnGDTTdtdnGDTTLMLMLM375375375222加速运行状态 减

18、速 减速拖动转矩制动矩拖动转矩制动矩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2.2.1 负载转矩的折算负载转矩是静态转矩负载转矩是静态转矩,根据功率守恒原则折算根据功率守恒原则折算n1.多轴旋转运动系统)7 . 2(cLLMLLLMLcMLMLLLjTTTTPpTPTp321321)(/cLMjjjj速比传动效率多轴旋转拖动系统多轴直线运动系统2.多轴直线运动系统）（ 8 . 255. 9602McLMcLMLMLnFvTnFvTTPFvP)9 . 2(55. 9cMLnFvT（下放重物）cccc122.2.2转动惯量和飞轮转矩的折算转动惯量和飞轮转矩的折算

19、 1.旋转型n依据动能守恒原则，折算到电机轴上的总转动惯量为、式中：LMLMLMLMLLMZjjJJJjJjJJJ1111221)10. 2(1电机轴、中间轴、负载轴上的转动惯量；电动机轴与中间传动轴之间的速比；电机轴与负载轴之间的速度比；电机轴、中间轴、负载轴上的角速度n2.2.2转动惯量和飞轮转矩的折算转动惯量和飞轮转矩的折算n依据动能守恒原则，折算到电机轴上的总飞轮矩为、221222212122)11. 2(LMLLMZGDGDGDjGDjGDGDGD25. 11 . 1)13. 2()12. 2(22222LLMZLLMZjGDGDGDjJJJ电机轴、中间轴、生产机械轴上的飞轮转矩。2

20、.直线运动型n折算到电机轴上的总转动惯量、飞轮矩为)15. 2(365)14. 2(2222212122222211MLLMZMLLMZnGvjGDjGDGDGDvmjJjJJJ)16. 2(3752dtdnGDTTMZLM多轴系统的运动方程式多轴系统的运动方程式22222423222214 .4708 .450294196494 .784 .2992. 0mNTGDGDmNGDGDGDmNGDLLMc5/Z Z3/ZZ3412解（1）mNjTTTcLMcLLL1 .345392. 04 .470例2-2 (1)(1)折算到电动机轴折算到电动机轴上的负载转矩上的负载转矩T TL L(2)(2)

21、折算到电动机轴折算到电动机轴上的飞轮惯量上的飞轮惯量GDGDZ Z222222242123222122340)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 机电传动系统的负载特性机电传动系统的负载特性 生产机械的负载特性: n2.3.1 恒转矩型机械特性n（a）反抗转矩（b）位能转矩)(LTfn TLT-TLnTTLLTCTL （ 摩擦转矩） （因重力产生的转矩) （T与n的方向恒为相反） （

22、T的方向恒定与运动方向无关）机电传动控制机电传动控制中国地质大学机电学院中国地质大学机电学院 4:49n2.3.2 离心式通风机型机械特性n2.3.3 直线型机械特性n2.3.4 恒功率型机械特性Tn0 T0Tn0直线型机械特性离心式通风机型机械特性恒功率型机械特性Tn020CnTTLCnTLnKTL/2.4 2.4 机电传动系统稳定运行的条件机电传动系统稳定运行的条件机电传动系统稳定运行的含义机电传动系统稳定运行的含义:1.系统以一定的速度匀速运转;2.系统在受某种外部干扰作用(如电压波动、负载转矩波动等）而使速度稍有变化时，应保证在干扰消除后系统能恢复到原来的运行速度。机电传动控制机电传动

23、控制中国地质大学机电学院中国地质大学机电学院 4:49m系统稳定运行的必要充分系统稳定运行的必要充分条件条件 （1）两机械特性有交叉点 （2）在平衡点处有一速度 n时，TMTL TM-TLTL TM-TL0 a点是稳定平衡点，b点不是。bb a n例2-3 判断下图b点是否是系统的稳定平衡点？注意：1.两机械特性曲线的区别 2.同时满足二稳定平衡条件 解 1. 系统中有交叉点; 2. 当时ML TM-TL0 b点是平衡稳定点机电传动控制机电传动控制中国地质大学机电学院中国地质大学机电学院 4:49TCnTTTLTCnTTTL bb C机电传动控制机电传动控制中国地质大学机电学院中国地质大学机电学院 4:49本章基本要求本章基本要求1.1.掌握机电传动系统的掌握机电传动系统的运行方程式运行方程式，并学会用它来，并学会用它来分析分析与判别与判别机电传动系统的机电传动系统的运行