机电控制基础第12章概述39

1、主要教材（讲义）参考书主要教材（讲义）参考书名名 称称语种语种编著者编著者出版（印刷）单出版（印刷）单位位出版出版时间时间教材教材机电传动控制机电传动控制(第五版第五版)中中冯清秀冯清秀华中科技大学出华中科技大学出版社版社2012.8机电传动控制机电传动控制(第四版第四版)中中邓星钟邓星钟科学出版社科学出版社2007.7参考书参考书机电传动控制机电传动控制中中张海根张海根高等教育出版社高等教育出版社2003.5机电传动控制学习机电传动控制学习辅导与题解辅导与题解中中邓星钟邓星钟华中科技大学出华中科技大学出版社版社2005.3一、机电传动控制的目的一、机电传动控制的目的 将电能转换为机械能；将电

2、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。第一章第一章 概概 述述1.1 机电传动控制的目的与任务机电传动控制的目的与任务 二、机电系统的组成二、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

3、电气系统三、机电传动控制的任务三、机电传动控制的任务 从广义上讲，机电传动控制的目的就是从广义上讲，机电传动控制的目的就是要使生产设备、生产线、车间乃至整个工厂要使生产设备、生产线、车间乃至整个工厂都实现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，实现从狭义上讲，则指控制电动机驱动生产机械，实现生产产品生产产品数量的增加数量的增加（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、工人劳动条件的改善工人劳动条件的改善以及以及能量的合理能量的合理利用利用等。等。 随着生产工艺的发展，对随着生产工艺的发展，对机电传动控制系统的要机电传动控制系

4、统的要求求愈来愈高。一些精密机床要求加工精度百分之几毫愈来愈高。一些精密机床要求加工精度百分之几毫米，甚至几微米；米，甚至几微米； 重型镗床重型镗床为保证加工精度和粗糙度，要求在极慢的稳速下为保证加工精度和粗糙度，要求在极慢的稳速下进给，即要求系统有很宽的调速范围；进给，即要求系统有很宽的调速范围； 轧钢车间轧钢车间的可逆式轧机及其辅助机械，操作频繁，要求在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完成从正转到反转的过程，即要求系统能迅不到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；速启动、制动和反向； 对于冷、热连轧机以及造纸机的各部分，则要求它们的

5、对于冷、热连轧机以及造纸机的各部分，则要求它们的转速保持一定的比例关系，以便进行转速保持一定的比例关系，以便进行协调协调运转；运转； 对于电梯和提升机，则要求启动和制动对于电梯和提升机，则要求启动和制动平稳平稳，并能，并能准确准确地地停止在给定的位置上；停止在给定的位置上； 为了提高效率，由数台或十几台设备组成的生产自动线，要为了提高效率，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。1.2 机电传动及其控制的发展机电传动及其控制的发展 机电传动及其控制系统总是随着社会生

6、产的发展而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发展的。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。 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

7、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；二机电传动控制的发展二机电传动控制的发展 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器件、放大器件的不断更新，

8、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：月异，它主要经历了四个阶段： 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，它的控制速度慢，控制精度差；级调速等控制，它的控制速度慢，控制精度差； 2电机放大机控制电机放大机控制： 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： 4数字控制（数字控制（NC） ：自动化程度、通用性和加工效率。：自动化程度、通用性和加工效率。 柔性制造系统柔性

9、制造系统（FMS） 由数控机床、工业机器人、由数控机床、工业机器人、自动搬运车等组成的统一由自动搬运车等组成的统一由中心计算机中心计算机控制的机械加工自动控制的机械加工自动线，它是实现自动化车间和自动化工厂的重要组成部分。线，它是实现自动化车间和自动化工厂的重要组成部分。 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（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的完整系统，对产品构思和设计直到装配、试验和质量和制造过程的完整系统，对产品构思和设计直到装配、试验

10、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。 为了实现制造过程的高效率、高柔性、高质量，研制为了实现制造过程的高效率、高柔性、高质量，研制计算机集计算机集成制造系统成制造系统（CIMS）是人们现在的任务。）是人们现在的任务。 计算机数字控制计算机数字控制（CNC）系统应用于数控机床和加工系统应用于数控机床和加工中心，这不仅加强了自动化程度，而且提高了机床的通中心，这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，在生产上得到了广泛的应用。用性和加工效率，在生产上得到了广泛的应用。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机电传动系统的动力方程式；机电传

11、动系统的动力方程式；多轴传动系统中转矩折算的基本原则和方法；多轴传动系统中转矩折算的基本原则和方法； 了解几种典型生产机械的负载特性；了解几种典型生产机械的负载特性； 了解机电传动系统稳定运行的条件以及学会分析实际了解机电传动系统稳定运行的条件以及学会分析实际系统的稳定性。系统的稳定性。 2.1 单轴拖动系统的动力方程式单轴拖动系统的动力方程式 一、单轴拖动系统的组成一、单轴拖动系统的组成 电动机电动机M通过连接件直接与生产机械相连，由电动机通过连接件直接与生产机械相连，由电动机M产生输产生输出转矩出转矩TM，用来克服负载转矩，用来克服负载转矩TL ，带动生产机械以角速度，带动生产机械以角速度

12、（或速（或速度度n）进行运动。）进行运动。电动机电动机电动机的驱动对象电动机的驱动对象连接件连接件系统结构图系统结构图转距方向转距方向 二、动力方程式二、动力方程式 在机电系统中，在机电系统中，TM、TL、 （或（或n)之间的函数之间的函数关系称为关系称为动力方程式动力方程式。根据动力学原理，它们之间。根据动力学原理，它们之间的函数关系为的函数关系为tnJtJTTdd602ddLM 动力方程式动力方程式dLMTTT 转矩平衡方程式转矩平衡方程式 TM 电动机的输出转矩（电动机的输出转矩（N.m）;TL 负载转矩（负载转矩（N.m）;J 转动惯量（转动惯量（kg.m2）; 角速度（角速度（rad

13、/s）；）；n 速度（速度（r/min）；）；t 时间（时间（s ）; tnJtJTdd602ddd 动态转矩（动态转矩（N.m）。）。 三、传动系统的状态三、传动系统的状态 根据动力方程式可知：运动系统有两种不同的运动状态根据动力方程式可知：运动系统有两种不同的运动状态:. 1LM时）时）稳态（稳态（TT 0ddd tJT 即即 0dd t，为常数，传动系统以恒速运动。为常数，传动系统以恒速运动。 TM =TL时时传动系统处于恒速运动的这种状态被称为稳态。传动系统处于恒速运动的这种状态被称为稳态。 时时）：动动态态（LM. 2TT 时时：LMTT 0ddd tJT 即即 ,0dd t 传动系

14、统加速运动。传动系统加速运动。时时：LMTT ,0ddd tJT 即即,0dd t 传动系统减速运动。传动系统减速运动。 TM TL 时时传动系统处于加速或减速运动的这种状态传动系统处于加速或减速运动的这种状态被称为被称为动态。动态。四、四、TM、TL 、n的参考方向的参考方向 因为电动机和生产机械以共同的转速旋转，所以一因为电动机和生产机械以共同的转速旋转，所以一般以般以（或（或n）的转动方向为参考来确定转矩的正负。）的转动方向为参考来确定转矩的正负。 当当TM的实际作用方向与的实际作用方向与n的方向相同时的方向相同时，取与取与n相同的符号；相同的符号； 1. TM的符号与性质的符号与性质

15、当当TM的实际作用方向与的实际作用方向与n的方向相反时的方向相反时，取与取与n相反的符号；相反的符号； 当当TM的实际作用方向与的实际作用方向与n的方向的方向相同相同（符号相同）（符号相同）时时， TM为拖动转距，否则为制动转距。为拖动转距，否则为制动转距。 拖动转距促进运动；制动转距阻碍运动。拖动转距促进运动；制动转距阻碍运动。 当当TL的实际作用方向与的实际作用方向与n的方向相同时的方向相同时，取与取与n相反的符号；相反的符号； 2. TL的符号与性质的符号与性质 当当TL的实际作用方向与的实际作用方向与n的方向相反时的方向相反时，取与取与n相同的符号；相同的符号； 当当TL的实际作用方向

16、与的实际作用方向与n的方向的方向相同相同（符号相反）（符号相反）时时， TL为拖为拖动转距，否则为制动转距。动转距，否则为制动转距。举例：如图所示电动机拖动重物上升和下降。举例：如图所示电动机拖动重物上升和下降。 设重物设重物上升上升时速时速度度n的符号为的符号为正正，下下降降时时n的符号为的符号为负负。 当重物上升时（当重物上升时（n为正）为正）tnJTTdd602LM 因此重物上升时，因此重物上升时，TM为拖动转矩，为拖动转矩，TL为制动转矩。为制动转矩。当重物下降时当重物下降时（n为负）为负）tnJTTdd602LM 即：即： tnJTTdd602ML 因此重物下降时，因此重物下降时，T

17、M为制动转矩，为制动转矩，TL为拖动转矩。为拖动转矩。TM为正，为正， TL为正。为正。TM为正，为正， TL为正。为正。2.2 多轴拖动系统的简化多轴拖动系统的简化 为了对多轴拖动系统进行运行状态的分析，一般是将多轴拖动为了对多轴拖动系统进行运行状态的分析，一般是将多轴拖动系统等效折算为单轴系统。系统等效折算为单轴系统。 一、多轴拖动系统的组成一、多轴拖动系统的组成 电动机通过减速机构（如减速齿轮箱、蜗轮蜗杆等）与生产机电动机通过减速机构（如减速齿轮箱、蜗轮蜗杆等）与生产机械相连，如图所示：械相连，如图所示： 折算的原则是：静态时，折算的原则是：静态时，折算前后系统总的传输功率不变。折算前后

18、系统总的传输功率不变。二、负载转矩的折算二、负载转矩的折算 假设电动机以假设电动机以M角速度旋转，负载转矩角速度旋转，负载转矩TL折算到电折算到电动机轴上的负载转矩为动机轴上的负载转矩为Teq，而生产机械的转动速度为，而生产机械的转动速度为L 。则电动机输出功率则电动机输出功率PM和负载所需功率和负载所需功率PL分别为：分别为：MMeqPTLLLPT 考虑传动机构在传输功率的过程中有损耗，这个损耗可用效率考虑传动机构在传输功率的过程中有损耗，这个损耗可用效率c来表示，且来表示，且MeqLLC TT 减速机构的输入功率减速机构的输入功率减速机构的输出功率减速机构的输出功率 则生产机械上的负载转矩

19、折算到电动机轴上的等效转矩为：则生产机械上的负载转矩折算到电动机轴上的等效转矩为： jTTTcLMcLLeq 式中：式中：c电动机拖动生产机械运动时的传动效率；电动机拖动生产机械运动时的传动效率； LM j传动机构的总传动比传动机构的总传动比转动惯量的折算2.3 生产机械的机械特性生产机械的机械特性 在同一轴上，在同一轴上，负载转矩和转速负载转矩和转速之间的函数关系，之间的函数关系，称为生产机械的机械特性。称为生产机械的机械特性。 一、恒转矩型机械特性一、恒转矩型机械特性 恒转矩型机械特性根据其特点可分为反抗转矩和位恒转矩型机械特性根据其特点可分为反抗转矩和位能转矩两种。分别如图所示：能转矩两

20、种。分别如图所示：1反抗转矩：又称摩擦性转矩，其特点如下：反抗转矩：又称摩擦性转矩，其特点如下： 作用方向始终与速度作用方向始终与速度n的方向的方向相反相反，当，当n的方向发生变化的方向发生变化时，它的作用方向也随之发生变化，恒与运动方向相反，即时，它的作用方向也随之发生变化，恒与运动方向相反，即总是阻碍运动的。总是阻碍运动的。转矩大小恒定不变；转矩大小恒定不变； 按关于转矩正方向的约定可知，反抗转矩恒与转速按关于转矩正方向的约定可知，反抗转矩恒与转速n取相同的符号，即取相同的符号，即n为正方向时为正方向时TL为正，特性在第一象限；为正，特性在第一象限；n为负方向时为负方向时TL为负，特性在第

21、三象限。为负，特性在第三象限。2位能转矩位能转矩 , 其特点为：其特点为：转矩大小恒定不变；转矩大小恒定不变；作用方向不变，与运动方向无关，即在某一方向阻作用方向不变，与运动方向无关，即在某一方向阻碍运动而在另一方向促进运动。碍运动而在另一方向促进运动。 卷扬机起吊重物时，由于重物的作用方向永远向着地卷扬机起吊重物时，由于重物的作用方向永远向着地心，所以，由它产生的负载转矩永远作用在使重物下降的心，所以，由它产生的负载转矩永远作用在使重物下降的方向，当电动机拖动重物上升时，方向，当电动机拖动重物上升时，TL与与n的方向相反；当重的方向相反；当重物下降时，物下降时，TL和和n的方向相同。的方向相

22、同。 假设假设n为正时为正时TL阻碍运动，则阻碍运动，则n为负时为负时TL一定促进一定促进运动，特性在第一、四象限。运动，特性在第一、四象限。 不难理解，在动力方程式中，反抗转矩不难理解，在动力方程式中，反抗转矩TL的符号总是与的符号总是与 n 相相同；位能转矩同；位能转矩TL的符号则有时与的符号则有时与n 相同，有时与相同，有时与n相反。相反。二、离心式通风型机械特性二、离心式通风型机械特性 离心式通风型机械特性是按离心力离心式通风型机械特性是按离心力原理工作的，如离心式鼓风机、水泵等，原理工作的，如离心式鼓风机、水泵等，它们的负载转矩它们的负载转矩TL的大小与速度的大小与速度n的平的平方成

23、正比，即：方成正比，即：2LCnT 其中：其中：C为常数。为常数。三、直线型机械特性三、直线型机械特性 直线型机械特性的负载转矩直线型机械特性的负载转矩TL的的大小与速度大小与速度n的大小成正比，即的大小成正比，即 ：CnT L其中：其中：C为常数。为常数。 如；他励直流电机如；他励直流电机 恒功率型机械特性的负载转矩恒功率型机械特性的负载转矩TL的大小与速度的大小与速度n的的大小成反比，即大小成反比，即 nCT L其中：其中：C为常数。如图所示。为常数。如图所示。四、恒功率型机械特性四、恒功率型机械特性 如在车床加工过程中，粗加工时，如在车床加工过程中，粗加工时，切削量大，负载阻力大，开低速

24、；精切削量大，负载阻力大，开低速；精加工时，切削量小，负载阻力小，开加工时，切削量小，负载阻力小，开高速。但在不同转速下，切削功率基高速。但在不同转速下，切削功率基本不变。即呈现恒功率型机械特性。本不变。即呈现恒功率型机械特性。 2.4 机电系统稳定运行的条件机电系统稳定运行的条件 机电传动系统中，电动机与生产机械连成一体，为了使系统运机电传动系统中，电动机与生产机械连成一体，为了使系统运行合理，就要使电动机的机械特性与生产机械的机械特性尽量相配行合理，就要使电动机的机械特性与生产机械的机械特性尽量相配合。特性配合好的一个起码要求是合。特性配合好的一个起码要求是系统能稳定运行系统能稳定运行。

25、一、机电系统稳定运行的含义一、机电系统稳定运行的含义 1. 系统应能一定速度匀速运行；系统应能一定速度匀速运行； 2. 系统受某种外部干扰（如电压波动、负载转矩波动等）系统受某种外部干扰（如电压波动、负载转矩波动等）使运行速度发生变化时，应保证在干扰消除后系统能恢复到使运行速度发生变化时，应保证在干扰消除后系统能恢复到原来的运行速度。原来的运行速度。 二、机电系统稳定运行的条件二、机电系统稳定运行的条件 从从Tn坐标上来看，就是电动机的机械特性曲线坐标上来看，就是电动机的机械特性曲线 n=f(TM)和生和生产机械的机械特性曲线产机械的机械特性曲线 n=f(TL)必须有交点，交点被称为必须有交点

26、，交点被称为平衡点平衡点。 2. 充分条件充分条件 系统受到干扰后，要具有恢复到原平衡状态的能力，即：系统受到干扰后，要具有恢复到原平衡状态的能力，即：当干扰使速度上升时，有当干扰使速度上升时，有 TMTL 。这是稳定运行的充分条件。这是稳定运行的充分条件。 符合稳定运行条件的平衡点称为稳定平衡点。符合稳定运行条件的平衡点称为稳定平衡点。 1. 必要条件必要条件 电动机的输出转矩电动机的输出转矩TM和负载转矩和负载转矩TL大小相等，方向相反。大小相等，方向相反。 分析举例分析举例 a、b两点是否为稳两点是否为稳定平衡点？定平衡点？a点点： 当当n突然下降后突然下降后 n上升上升ML0TTML0

27、TT 故故a点为系统的稳定平衡点。点为系统的稳定平衡点。 同理同理b点不是稳定平衡点。点不是稳定平衡点。 异步电动机异步电动机的机械特性的机械特性生产机械生产机械的机械特的机械特性性交点交点a交点交点b 当当n突然下降后突然下降后 n下降下降b点点： 如图所示，曲线如图所示，曲线1为异步电动机的机械特性，为异步电动机的机械特性，曲线曲线2为异步电动机拖动的生产机械的机械特性。为异步电动机拖动的生产机械的机械特性。两曲线有交点两曲线有交点b，即拖动系统有一个平衡点。，即拖动系统有一个平衡点。 b点符合稳定运行的条件，点符合稳定运行的条件，因此因此b点为是稳定平衡点。此系点为是稳定平衡点。此系统能

28、在统能在b点稳定运行。点稳定运行。平衡点上电机在左平衡点上电机在左平衡点下电机在右平衡点下电机在右基本要求：基本要求： 掌握机电传动系统的运行方程式，并学会用它来分析与判别机电传动系掌握机电传动系统的运行方程式，并学会用它来分析与判别机电传动系统的运行状态；统的运行状态； 了解在多轴拖动系统中为了列出系统的动力方程式，必须将转矩等进行了解在多轴拖动系统中为了列出系统的动力方程式，必须将转矩等进行折算，掌握其折算的基本原则和方法；折算，掌握其折算的基本原则和方法； 了解几种典型生产机械的机械特性了解几种典型生产机械的机械特性n=f (TL)； 掌握机电传动系统稳定运行的条件，并学会用它来分析与判别系统的稳掌握机电传动系统稳定运行的条件，并学会用它来分析与判别系统的稳定平衡点。定平衡点。重点与难点：重点与难点： 1. 重点重点 运用动力方程式分别判