《机电传动控制》教学课件-第1章 绪论

机电传动控制机电传动控制本课程的主要内容机电传动系统的构成与动力学分析驱动用电动机（以三相异步电动机为主）低压电器结构原理及其选用电气控制系统（继电器-接触器控制系统）可编程序控制器及其应用变频器及其应用本课程的技能建设

本课程在简要介绍机电传动系统的构成与动力学分析方法之后，重点阐述和讲授驱动用电动机、低压电器、电气控制系统、可编程控制器、变频器的使用、维护与检修知识。

学好本课程之后，学生能够胜任常见机电传动控制系统的使用与维护工作，掌握初步的机电传动控制系统的设计能力，具备作为机电传动系统现场工程师的基本技能。本课程的主要内容本课程的技能建设第1章

绪论学习目标熟悉机电传动系统的构成熟悉机电传动系统的负载特性

熟练掌握机电传动系统的运动方程式能够从动力学分析的角度提出加快机电传动系统过渡过

程的方法第1章绪论学习目标熟悉机电传动系统的构成1.1机电传动系统1.1.1机电传动系统与机电传动控制1.机电传动系统的组成

机电传动系统一般由电力供应系统、电气控制系统、机电传动机构及生产机械组成（图1-1）。图1-1机电传动系统的组成1.1机电传动系统1.1.1机电传动系统与机电传动控制12.机电传动控制

电气控制系统和机电传动机构是机电传动系统的重要组成部分，也是机电传动控制学科的主要研究内容。

机电传动控制的任务，就是将电能转变为机械能，实现生产机械的起动、停止以及速度调节，满足各种生产工艺过程的要求，确保生产过程得以高效、可靠地进行。

从广义上讲，就是使生产机械、车间、生产线、甚至整个工厂实现自动化和智能化。

从狭义上讲，则专指控制电动机驱动生产机械，实现经济、优质、高效的生产。2.机电传动控制电气控制系统和机电传动机构是1.1.2机电传动系统的发展历程1.机电传动机构的发展

机电传动机构的发展，经历了成组驱动（亦称拖动）、单电机驱动到多电机驱动的演进历程。（1）成组驱动

所谓成组驱动，就是由一台电动机驱动一根天轴运转，再由天轴通过带轮和传动皮带拖动多个生产机械工作。图1-2成组驱动（天轴分动）1.1.2机电传动系统的发展历程1.机电传动机构的发展

成组驱动属于电动机稀缺、昂贵时期的无奈之举，现今已经被淘汰。

成组驱动系统结构复杂、传动效率低、能量损耗大,工作可靠性差，一旦电动机出现故障，将造成成组的生产机械停车。成组驱动属于电动机稀缺、昂贵时期的无奈之举，（2）单电机驱动

单电机驱动是指每一台生产机械，都由一台电动机单独驱动，较成组驱动已有很大进步。

但是，当生产机械的运动部件较多时,则需要设置分动箱、离合器等机构，总体结构仍嫌复杂,无法满足生产工艺的特殊要求。图1-3单电机驱动（立式钻床）（2）单电机驱动单电机驱动是指每一台生产机械，（3）多电机驱动

所谓多电机驱动方案，是指在大型、复杂的生产机械上，同一台设备的每一个运动部件都由一台专门的电动机进行驱动，且电动机的功率、机械特性以及安装位置可以进行有针对性的、个性化的配置，以充分满足生产工艺的实际需求。

随着电动机品种的丰富、价格的降低、机械特性的多样化，在机电传动领域，开始逐步普及多电机驱动方案。摇臂钻床（3）多电机驱动所谓多电机驱动方案，是指在

例如，龙门刨床的工作台、左垂直刀架、右垂直刀架、侧刀架、横梁以及夹紧机构，就是各自由一台电动机驱动的。图1-4龙门刨床例如，龙门刨床的工作台、左垂直刀架、右垂直刀2.电气控制系统的发展（1）继电器—接触器控制系统

继电器—接触器控制系统出现于20世纪初期。该系统通过继电器和接触器等低压控制器件，实现对控制对象的起动、停车以及有级调速等控制。图1-5继电器—接触器控制系统2.电气控制系统的发展（1）继电器—接触器控制系统继

继电器—接触器控制系统采用的是“硬逻辑”控制，在生产工艺要求复杂多变的场合，难以实现控制关系的“随机应变”，因此，现在已经被可编程序控制器控制系统取代。

但在相对简单的电气控制系统中，继电器—接触器仍然占据着主导地位。同时，在可编程序控制器控制系统中，继电器、接触器依然作为控制系统的执行器件在大量使用。（2）可编程序控制器控制系统

得益于微电子技术和计算机技术的发展，可编程序控制器采用的是“软逻辑”控制，当生产机械的控制关系发生变化时，只需更改控制程序（即对控制软件重新编程，很容易做到），就可以实现新的控制要求，而不需要对硬件做太多的调整。继电器—接触器控制系统采用的是“硬逻辑”控

因此，在生产工艺要求复杂多变的场合，可编程序控制器可以大显身手，并已经成为机电传动控制系统的主流控制器件。可编程序控制器（ProgrammableLogicController，PLC）因此，在生产工艺要求复杂多变的场合，可编程序图1-6可编程序控制器控制系统图1-6可编程序控制器控制系统（3）数字控制系统

自1952年美国出现第一台数控铣床，1958年出现加工中心之后，计算机数字控制（ComputerizedNumericalControl

，CNC）技术开始逐渐普及。

数字控制系统在机床行业的大量应用，使工业生产的灵活性、适应性和自动化水平大为提高。同时，也为柔性制造系统的出现奠定了基础。图1-7德国恩格哈（Engelhardt）公司的数字控制系统（3）数字控制系统自1952年美国出现第一台（4）柔性制造系统和计算机集成制造系统

柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem，FMS）由信息控制系统、物料储运系统和数字控制加工设备组成，能够适应加工对象变换的自动化机械制造系统。

柔性制造系统FMS与计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，CAD）、计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing，CAM）相融合，又促使工业生产向计算机集成制造系统（Computer/contemporaryIntegratedManufacturingSystems，CIMS）迈进。

电气控制系统的发展除了与现代控制理论、计算机技术的发展息息相关之外，功率器件的发展也功不可没。正是由于晶闸管（Thyristor，亦称SiliconControlledRectifier，略作SCR）、门极可关断晶体管（Gate-Turn-OffThyristor，GTO）、电力晶体管（GiantTransistor，GTR）、电力（4）柔性制造系统和计算机集成制造系统柔性制造系统场效应晶体管（Power-MetalOxideSemiconductorFET，P-MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（Insulated-Gate-BipolarTransistor，IGBT）等大功率电力电子器件（PowerElectronicDevice，亦称功率半导体器件）的快速发展，为机电传动系统提供了可靠的半导体变流设备，才使得上述各种控制系统的应用成为可能。场效应晶体管（Power-MetalOxideSemic1.2机电传动系统的动力学分析1.2.1机电传动系统的运动方程式

机电传动系统是一个由电动机驱动、通过传动机构带动生产机械运转的整体。尽管电动机种类繁多，性能各异，生产机械的负载特性多种多样，但从动力学的角度去分析，它们都应服从动力学的统一规律。1.单轴驱动系统运动方程式a）系统组成b）转矩方向

图1-8单轴驱动系统1.2机电传动系统的动力学分析1.2.1机电传动系统的运动

当电动机的输出转矩

与负载转矩

平衡时，转速

或角速度

不变；加速度

或角加速度

等于零，即

这种运动状态称为静态（相对静止状态）或稳态（稳定运转状态）。

当

时，转速或角速度就要发生变化，产生角加速度，速度变化的大小与传动系统的转动惯量

有关。图1-8单轴驱动系统当电动机的输出转矩与负载转矩把上述各种参量的关系用方程式表示出来，则有：（式1-1）

——电动机的输出转矩（亦称驱动转矩，N·m）；

——生产机械的负载转矩（N·m）；

——机电传动系统的转动惯量（kg·m2）；

——机电传动系统的角速度（rad/s）；

——时间（s）

就是机电传动系统的运动方程式。把上述各种参量的关系用方程式表示出来，则有：（式1-1）

在工程计算中，常用转速

代替角速度

，用飞轮惯量（亦称飞轮转矩）

代替转动惯量

来进行系统的动力学分析。

由于（式1-2）

（式1-3）——机电传动系统的重力（N）；——机电传动系统的质量（kg）；——重力加速度（m/s2）；——机电传动系统转动部分的转动惯性半径（m）；——机电传动系统转动部分的转动惯性直径（m）。在工程计算中，常用转速代替角速度

据此，机电传动系统的运动方程式可以转化为更为常用的工程形式

（式1-4）

式1-4中，常数375包含着

，因此，常数375具有加速度的量纲；而

是个整体物理量。

工程形式的系统运动方程式是研究机电传动系统的最基本的方程式，它决定着机电传动系统的动力学特征。记住它！！！据此，机电传动系统的运动方程式可以转化为更为常（1）静态当

时，系统的加速度

，

为常数。此时，机电传动系统以恒速

运转，机电传动系统系统处于静态（亦称稳态）。（2）动态当

时，系统的加速度

，

不为常数。此时，机电传动系统加速运转，处于加速状态；当

时，系统的加速度

，

不为常数。此时，机电传动系统减速运转，处于减速状态。

机电传动系统处于加速状态或减速状态时，称系统处于动态（亦称非稳态）。系统处于动态时，系统中必然存在一个动态转矩

。（1）静态当时，系统的加速度（式1-5）

正是因为动态转矩

的存在，才使得机电传动系统的运动状态发生了变化。因此，机电传动系统的运动方程式1-1和1-4还可以转化为系统的转矩平衡方程式或者（式1-6）

电动机所输出的驱动转矩

总是被生产机械的负载转矩（即静态转矩）

和系统动态转矩

之和所平衡。

当

时，

。此时，系统没有动态转矩，系统恒速运转，即系统处于稳态。系统处于稳态时，电动机输出转矩的大小，仅由电动机所驱动的负载转矩决定。（式1-5）正是因为动态转矩的存2.转矩方向的确定

由于传动系统有多种运动状态，相应的运动方程式中的转速和转矩的方向就不同，因此需要约定方向的表达规则。

因为电动机和生产机械以共同的转速旋转，所以，一般以

（或

）的转动方向为参考来确定转矩的正负。（1）

的符号与性质

当

的实际作用方向与

的方向相同时（符号相同），取与

相同的符号，

为驱动转矩；

当

的实际作用方向与

的方向相反时，取与

相反的符号，

为制动转矩。驱动转矩促进运动；制动转矩阻碍运动。2.转矩方向的确定由于传动系统有多种运动状态，（2）

的符号与性质

当

的实际作用方向与

的方向相同时，取与

相反的符号（符号相反），

为驱动转矩；

当

的实际作用方向与

的方向相反时，取与

相同的符号（符号相同），

为制动转矩。

a）系统起动时b）系统制动时b）重物下降时（2）的符号与性质当

当重物上升时：

为正，

也为正。

、

、

的方向如图1-9a）所示。此时，系统的运动方程式为：因此，重物上升时，

为驱动转矩，

为制动转矩。图1-9a当重物上升时当重物上升时：为正，也为正。

当重物在上升过程中制动（图1-9b）时，

为负，

为正。此时，系统的运动方程式为：图1-9b系统制动时

此时，动态转矩和加速度都是负的，它们使重物减速上升，直到停止为止，系统中由动能产生的动态转矩被电机的制动转矩和负载转矩所平衡。当重物在上升过程中制动（图1-9b）时，

当重物下降时，

为正，

也为正。

、

、

的方向如图1-9c）所示。此时，系统的运动方程式为：

因此，重物下降时，

为制动转矩，

为驱动转矩。图1-9c）

重物下降时当重物下降时，为正，也为正。3.多轴驱动系统的等效折算

为了便于对多轴驱动系统进行运行状态的分析，一般是将多轴驱动系统等效折算为单轴驱动系统，即将多轴驱动系统中各转动部分的转矩和转动惯量或直线运动部分的质量折算到某一根轴（一般折算到电动机的输出轴）上，将其转化为等效的单轴驱动系统之后，再进行系统动力学分析。

负载转矩、转动惯量和飞轮转矩等效折算的基本原则是：折算前的多轴系统和折算后的单轴系统在能量关系或功率关系上保持不变，即遵循能量守恒原则或功率守恒原则。

在机电传动领域，绝大多数驱动系统实际上都是多轴驱动系统。3.多轴驱动系统的等效折算为了便于对多轴驱动1.2.2机电传动系统的负载特性

前面讨论的机电传动系统运动方程中，负载转矩

可能是常数，也可能是转速的函数。我们把同一轴上负载转矩

与转速之间的函数关系称为机电传动系统的负载特性。

机电传动系统的负载特性就是生产机械的负载特性，有时也称之为生产机械的机械特性。

如无特别说明，在本书中，机电传动系统的负载特性均指折算到电动机输出轴上的负载特性。

不同类型的生产机械在运动中受阻的性质是不同的，其负载特性曲线的形状也有所不同，大致可分为恒转矩型负载特性、离心式通风机型负载特性、直线型负载特性、恒功率型负载特性等几种。1.2.2机电传动系统的负载特性前面讨论的机1.恒转矩型负载特性

这一类型负载特性的特点是负载转矩为常数。如图1-10和图1-11所示。

依据负载转矩与运动方向的关系不同，恒转矩型负载特性可分为反抗性转矩和位能性转矩两种。图1-10反抗转矩的负载特性图1-11位能性转矩的负载特性1.恒转矩型负载特性这一类型负载特性的特点是负（1）反抗性转矩

由摩擦、非弹性体的压缩、拉伸与扭转等作用所产生的负载转矩称为反抗性转矩，又称摩擦性转矩。

反抗性转矩的方向恒与运动方向相反，阻碍运动；反抗性转矩的大小恒常不变。图1-10反抗转矩的负载特性

根据转矩正方向的约定可知，反抗性转矩恒与转速

的方向相反时取正号，即

为正方向时，

为正，特性在第一象限；

为负方向时，

为负，特性在第三象限。（1）反抗性转矩由摩擦、非弹性体的压缩、拉伸（2）位能性转矩

位能性转矩是由物体的重力或弹性体的压缩、拉伸、扭转等作用所引起的负载转矩。

位能性转矩的大小恒常不变，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。图1-11位能性转矩的负载特性（2）位能性转矩位能性转矩是由物体的重力或弹

卷扬机起吊重物（图1-12）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方向。当电动机驱动重物上升时，

与

的方向相反；当重物下降时，

和

的方向相同（图1-11）。图1-12卷扬机起吊重物卷扬机起吊重物（图1-12）时，由于重物的作2.离心式通风机型负载特性

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，它们的负载转矩

的大小与转速

的平方成正比，即：——摩擦阻力矩;——为常数

离心式通风机型机械的负载特性曲线（最初是沿着虚线变化的）如图1-13所示。图1-13离心式通风机型负载特性2.离心式通风机型负载特性离心式通风型机械特3.直线型负载特性

直线型负载的负载转矩

的大小与转速

的大小成正比，即：其中：

为常数。直线型负载的特性曲线如图1-14所示。图1-14直线型负载特性3.直线型负载特性直线型负载的负载转矩4.恒功率型负载特性

恒功率型负载的负载转矩

的大小与转速

的大小成反比，即其中：

为常数。图1-15恒功率型负载的特性曲线

例如，机床在进行金属切削加工过程中，粗加工时，切削量大，吃刀量大，负载转矩大

，机床主轴低速运转，转速低；精加工时，切削量小，吃刀量小，负载转矩

小，机床主轴高速运转，转速高。但不管是粗加工还是精加工，负载转矩与转速的乘积为常数，即功率恒定不变。4.恒功率型负载特性恒功率型负载的负载转矩1.2.3机电传动系统的稳定运行

机电传动系统中，电动机与生产机械连成一体，为了使整个系统运行合理，就要使电动机的机械特性与生产机械的负载特性尽量相匹配。1.机电系统稳定运行的含义1）系统应能以一定速度匀速运行；2）系统受某种外部干扰作用（如电压波动、负载转矩波动等）而使运行速度发生变化，应保证系统在干扰消除后能恢复到原来的运行速度。特性配合好坏的基本要求是系统能稳定运行。1.2.3机电传动系统的稳定运行机电传动系统2.机电系统稳定运行的条件（1）必要条件

电动机的机械特性曲线

和生产机械的机械特性曲线

必须有交点，交点被称为平衡点。图1-16稳定工作点的判别2.机电系统稳定运行的条件（1）必要条件电（2）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。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。图1-16稳定工作点的判别（2）充分条件系统受到干扰后，要具有恢复到原平机电传动系统稳定运行的充分必要条件也可表述为：①电动机的机械特性曲线

和生产机械的机械特性曲线

有交点；②

。机电传动系统稳定运行的充分必要条件也可表述为：①电动机的机械下面分析

、

两点是否为稳定平衡点。图1-16稳定工作点的判别a点为稳定平衡点；b点为非稳定平衡点。下面分析、两点是否为稳定平衡点。图1-11.2.4机电传动系统的过渡过程

在实际工作中，机电传动系统具有两种运行状态，即静态（稳态）和动态（暂态）。

当机电传动系统中电动机的驱动转矩或负载转矩发生变化时，系统就要由一种稳定运行状态变化到另外一个稳定运行状态，这个变化过程称为过渡过程。

在过渡过程中，电动机的转速、转矩和电流都要按照一定的规律变化，都是时间的函数。

处于静态时，系统的动态转矩为0，电动机以恒速运转；处于动态时，系统的动态转矩非0，电动机速度处于变化中。1.2.4机电传动系统的过渡过程在实际工作1.机电传动系统过渡过程的实际意义

大多数的生产机械对机电传动系统的过渡过程都提出各自、多样的要求。

如龙门刨床的工作台、可逆式轧钢机、轧钢机的辅助机械等，它们在工作中需要经常进行起动、制动、反转和调速。因此，都要求过渡过程尽量快，以缩短非生产时间，提高生产率。

升降机、载人电梯、地铁、铁路机车、有轨电车等生产机械和运输设备，则要求起动、制动过程平缓、顺滑，加减速度变化不能过大，以保证安全生产和乘坐舒适性。

而造纸机、印刷机等生产机械，则必须限制其加速度的大小，以确保产品质量。如果加速度超过允许值，则可能损坏机器部件或造成产品质量下降。1.机电传动系统过渡过程的实际意义大多数的生

在过渡过程中，能量损耗的大小，系统的准确停车与各部分协调运转等要求，都对机电传动系统的过渡过程提出了不同的要求。

为满足上述要求，必须研究过渡过程的基本规律，研究系统各参量对时间的变化规律，如转速、转矩、电流等对时间的变化规律。

这样，才能正确地设计、选择机电传动系统，为机电传动系统的自动控制提出控制原则，设计出完善的起动、制动等自动控制线路，以求改善产品质量，提高生产率和减轻劳动强度。

这就是研究机电传动系统过渡过程的目的和意义所在。在过渡过程中，能量损耗的大小，系统的准确停车与2.机电传动系统过渡过程的分析机电传动系统之所以存在过渡过程，是因为存在以下惯性：(1)机械惯性

机械惯性反映在转动惯量

或飞轮转矩

，使转速

不能发生突变。(2)电磁惯性

电磁惯性反映在电枢回路电感和励磁绕组电感上，电枢回路电流

和励磁磁通

不能突变。(3)热惯性

热惯性反映在温度上，使温度不能突变。

研究过渡过程的方法，一般是先列出反映变化规律的基本方程式，在此基础上使用数学解析法，或者使用图解法及实验方法来求得过渡过程的解答。2.机电传动系统过渡过程的分析机电传动系统之所以存在过渡过程3.机电时间常数

深入的理论研究和数学分析表明，机电传动系统过渡过程的时间，与系统的飞轮转矩

和速度改变量成正比，而与动态转矩成反比。

在这里，要引入一个反映机电传动系统机械惯性的物理量——机电传动系统的机电时间常数

。是反映机电传动系统机械惯性的物理量，通常称为机电传动系统的机电时间常数。是系统转速达到稳态值的63.2%所经历的时间。3.机电时间常数深入的理论研究和数学分析表明

——机电时间常数（s）；

——理想空载转速（r/min）；

——系统的起动转矩（N·m）；

——系统的飞轮转矩（N·m2）。

对于既定的机电传动系统而言，其

和

值为常数。——机电时间常数（s）；对于既定的机电传动系统而机电时间常数

直接影响机电传动系统过渡过程的快慢。

大，则过渡过程进行的缓慢，过渡过程历时间长；

反之，

小，则过渡过程进行的快捷，过渡过程历时短。

所以，

是机电传动系统中非常重要的动态参数。4.加快机电传动系统过渡过程的方法机电时间常数直接影响机电传动系统过渡过程的快慢（1）降低系统的

值

在系统结构和条件允许的条件下，采用两台电动机同轴拖动系统，或者直接采用小惯量电动机，均可有效降低机电传动系统的

值。①两台电动机同轴拖动。②采用小惯量电动机。

小惯量电动机的电枢轴做得细长，转动惯量小，且起动转矩大，起动快，从而加速了过渡过程，提高系统的快速响应性能。例如，龙门刨床的工作台采用两台电动机同轴驱动，其目的之一就在于此。采用两台直流电动机同轴驱动，与采用一台电动机相比，系统的

值减小了15%，使过渡过程显著加快。（1）降低系统的值在系统结（2）提高动态转矩

为了有效提系统的高动态转矩

，可以从电动机的选择和控制系统的设计两方面采取措施。①合理选择电动机。

目前，大惯量直流电动机(亦称宽调速直流力矩电动机)已在很多场合下取代小惯量直流电动机。大惯量直流电动机的电枢做得短而粗，

值较大（缺点），但其最大转矩

约为额定转矩

的5～10倍（优点），因此，大惯量直流电动机的快速响应性指标

仍然很好，并不比小惯量电动机差。

大惯量直流电动机低速时转矩大，可直接驱动生产机械，使系统传动精度得以显著提高。加之散热良好，抗过载能力强。因此，大惯量直流电动机在快速直流驱动系统中已得到广泛应用。（2）提高动态转矩为了有效提系统的高动态转②优化控制系统的设计。

动态转矩

越大，系统的加速度也越大，过渡过程的时间也就越短，系统的响应性也就越好。

所以，希望在整个过渡过程中，电流(或转矩)大，以加快系统的过渡过程，但又要限制其最大值，使其不超过电动机所允许的最大电流

或最大转矩

。

为此，引入充满系数的概念——充满系数

表征在过渡过程中，电动机的起动电流与最大电流的接近程度。

充满系数

越接近于1越好。若

，则说明在整个动态过程中，电动机的工作电流保持在最大值不变，亦即动态转矩保持最大值不变，从而可以获得最短的过渡过程。在机电传动控制系统中，将在充满系数

的条件下完成的过渡过程称为最优过渡过程。②优化控制系统的设计。动态转矩越

例如，采用电枢串电阻多级起动的方法，其目的就是为了获得较大的平均起动转矩。起动电阻的级数越多，充满系数

值越大，起动就越快。

再如，在晶闸管供电的直流驱动控制系统中，电流调节器的整定原则是尽量保证电枢电流波形在起动和制动过程中近似为矩形，从而使过渡过程最短，以接近最优过程。例如，采用电枢串电阻多级起动的方法，其目的就机电传动控制机电传动控制本课程的主要内容机电传动系统的构成与动力学分析驱动用电动机（以三相异步电动机为主）低压电器结构原理及其选用电气控制系统（继电器-接触器控制系统）可编程序控制器及其应用变频器及其应用本课程的技能建设

本课程在简要介绍机电传动系统的构成与动力学分析方法之后，重点阐述和讲授驱动用电动机、低压电器、电气控制系统、可编程控制器、变频器的使用、维护与检修知识。

学好本课程之后，学生能够胜任常见机电传动控制系统的使用与维护工作，掌握初步的机电传动控制系统的设计能力，具备作为机电传动系统现场工程师的基本技能。本课程的主要内容本课程的技能建设第1章

绪论学习目标熟悉机电传动系统的构成熟悉机电传动系统的负载特性

熟练掌握机电传动系统的运动方程式能够从动力学分析的角度提出加快机电传动系统过渡过

程的方法第1章绪论学习目标熟悉机电传动系统的构成1.1机电传动系统1.1.1机电传动系统与机电传动控制1.机电传动系统的组成

机电传动系统一般由电力供应系统、电气控制系统、机电传动机构及生产机械组成（图1-1）。图1-1机电传动系统的组成1.1机电传动系统1.1.1机电传动系统与机电传动控制12.机电传动控制

电气控制系统和机电传动机构是机电传动系统的重要组成部分，也是机电传动控制学科的主要研究内容。

机电传动控制的任务，就是将电能转变为机械能，实现生产机械的起动、停止以及速度调节，满足各种生产工艺过程的要求，确保生产过程得以高效、可靠地进行。

从广义上讲，就是使生产机械、车间、生产线、甚至整个工厂实现自动化和智能化。

从狭义上讲，则专指控制电动机驱动生产机械，实现经济、优质、高效的生产。2.机电传动控制电气控制系统和机电传动机构是1.1.2机电传动系统的发展历程1.机电传动机构的发展

机电传动机构的发展，经历了成组驱动（亦称拖动）、单电机驱动到多电机驱动的演进历程。（1）成组驱动

所谓成组驱动，就是由一台电动机驱动一根天轴运转，再由天轴通过带轮和传动皮带拖动多个生产机械工作。图1-2成组驱动（天轴分动）1.1.2机电传动系统的发展历程1.机电传动机构的发展

成组驱动属于电动机稀缺、昂贵时期的无奈之举，现今已经被淘汰。

成组驱动系统结构复杂、传动效率低、能量损耗大,工作可靠性差，一旦电动机出现故障，将造成成组的生产机械停车。成组驱动属于电动机稀缺、昂贵时期的无奈之举，（2）单电机驱动

单电机驱动是指每一台生产机械，都由一台电动机单独驱动，较成组驱动已有很大进步。

但是，当生产机械的运动部件较多时,则需要设置分动箱、离合器等机构，总体结构仍嫌复杂,无法满足生产工艺的特殊要求。图1-3单电机驱动（立式钻床）（2）单电机驱动单电机驱动是指每一台生产机械，（3）多电机驱动

所谓多电机驱动方案，是指在大型、复杂的生产机械上，同一台设备的每一个运动部件都由一台专门的电动机进行驱动，且电动机的功率、机械特性以及安装位置可以进行有针对性的、个性化的配置，以充分满足生产工艺的实际需求。

随着电动机品种的丰富、价格的降低、机械特性的多样化，在机电传动领域，开始逐步普及多电机驱动方案。摇臂钻床（3）多电机驱动所谓多电机驱动方案，是指在

例如，龙门刨床的工作台、左垂直刀架、右垂直刀架、侧刀架、横梁以及夹紧机构，就是各自由一台电动机驱动的。图1-4龙门刨床例如，龙门刨床的工作台、左垂直刀架、右垂直刀2.电气控制系统的发展（1）继电器—接触器控制系统

继电器—接触器控制系统出现于20世纪初期。该系统通过继电器和接触器等低压控制器件，实现对控制对象的起动、停车以及有级调速等控制。图1-5继电器—接触器控制系统2.电气控制系统的发展（1）继电器—接触器控制系统继

继电器—接触器控制系统采用的是“硬逻辑”控制，在生产工艺要求复杂多变的场合，难以实现控制关系的“随机应变”，因此，现在已经被可编程序控制器控制系统取代。

但在相对简单的电气控制系统中，继电器—接触器仍然占据着主导地位。同时，在可编程序控制器控制系统中，继电器、接触器依然作为控制系统的执行器件在大量使用。（2）可编程序控制器控制系统

得益于微电子技术和计算机技术的发展，可编程序控制器采用的是“软逻辑”控制，当生产机械的控制关系发生变化时，只需更改控制程序（即对控制软件重新编程，很容易做到），就可以实现新的控制要求，而不需要对硬件做太多的调整。继电器—接触器控制系统采用的是“硬逻辑”控

因此，在生产工艺要求复杂多变的场合，可编程序控制器可以大显身手，并已经成为机电传动控制系统的主流控制器件。可编程序控制器（ProgrammableLogicController，PLC）因此，在生产工艺要求复杂多变的场合，可编程序图1-6可编程序控制器控制系统图1-6可编程序控制器控制系统（3）数字控制系统

自1952年美国出现第一台数控铣床，1958年出现加工中心之后，计算机数字控制（ComputerizedNumericalControl

，CNC）技术开始逐渐普及。

数字控制系统在机床行业的大量应用，使工业生产的灵活性、适应性和自动化水平大为提高。同时，也为柔性制造系统的出现奠定了基础。图1-7德国恩格哈（Engelhardt）公司的数字控制系统（3）数字控制系统自1952年美国出现第一台（4）柔性制造系统和计算机集成制造系统

柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem，FMS）由信息控制系统、物料储运系统和数字控制加工设备组成，能够适应加工对象变换的自动化机械制造系统。

柔性制造系统FMS与计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，CAD）、计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing，CAM）相融合，又促使工业生产向计算机集成制造系统（Computer/contemporaryIntegratedManufacturingSystems，CIMS）迈进。

电气控制系统的发展除了与现代控制理论、计算机技术的发展息息相关之外，功率器件的发展也功不可没。正是由于晶闸管（Thyristor，亦称SiliconControlledRectifier，略作SCR）、门极可关断晶体管（Gate-Turn-OffThyristor，GTO）、电力晶体管（GiantTransistor，GTR）、电力（4）柔性制造系统和计算机集成制造系统柔性制造系统场效应晶体管（Power-MetalOxideSemiconductorFET，P-MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（Insulated-Gate-BipolarTransistor，IGBT）等大功率电力电子器件（PowerElectronicDevice，亦称功率半导体器件）的快速发展，为机电传动系统提供了可靠的半导体变流设备，才使得上述各种控制系统的应用成为可能。场效应晶体管（Power-MetalOxideSemic1.2机电传动系统的动力学分析1.2.1机电传动系统的运动方程式

机电传动系统是一个由电动机驱动、通过传动机构带动生产机械运转的整体。尽管电动机种类繁多，性能各异，生产机械的负载特性多种多样，但从动力学的角度去分析，它们都应服从动力学的统一规律。1.单轴驱动系统运动方程式a）系统组成b）转矩方向

图1-8单轴驱动系统1.2机电传动系统的动力学分析1.2.1机电传动系统的运动

当电动机的输出转矩

与负载转矩

平衡时，转速

或角速度

不变；加速度

或角加速度

等于零，即

这种运动状态称为静态（相对静止状态）或稳态（稳定运转状态）。

当

时，转速或角速度就要发生变化，产生角加速度，速度变化的大小与传动系统的转动惯量

有关。图1-8单轴驱动系统当电动机的输出转矩与负载转矩把上述各种参量的关系用方程式表示出来，则有：（式1-1）

——电动机的输出转矩（亦称驱动转矩，N·m）；

——生产机械的负载转矩（N·m）；

——机电传动系统的转动惯量（kg·m2）；

——机电传动系统的角速度（rad/s）；

——时间（s）

就是机电传动系统的运动方程式。把上述各种参量的关系用方程式表示出来，则有：（式1-1）

在工程计算中，常用转速

代替角速度

，用飞轮惯量（亦称飞轮转矩）

代替转动惯量

来进行系统的动力学分析。

由于（式1-2）

（式1-3）——机电传动系统的重力（N）；——机电传动系统的质量（kg）；——重力加速度（m/s2）；——机电传动系统转动部分的转动惯性半径（m）；——机电传动系统转动部分的转动惯性直径（m）。在工程计算中，常用转速代替角速度

据此，机电传动系统的运动方程式可以转化为更为常用的工程形式

（式1-4）

式1-4中，常数375包含着

，因此，常数375具有加速度的量纲；而

是个整体物理量。

工程形式的系统运动方程式是研究机电传动系统的最基本的方程式，它决定着机电传动系统的动力学特征。记住它！！！据此，机电传动系统的运动方程式可以转化为更为常（1）静态当

时，系统的加速度

，

为常数。此时，机电传动系统以恒速

运转，机电传动系统系统处于静态（亦称稳态）。（2）动态当

时，系统的加速度

，

不为常数。此时，机电传动系统加速运转，处于加速状态；当

时，系统的加速度

，

不为常数。此时，机电传动系统减速运转，处于减速状态。

机电传动系统处于加速状态或减速状态时，称系统处于动态（亦称非稳态）。系统处于动态时，系统中必然存在一个动态转矩

。（1）静态当时，系统的加速度（式1-5）

正是因为动态转矩

的存在，才使得机电传动系统的运动状态发生了变化。因此，机电传动系统的运动方程式1-1和1-4还可以转化为系统的转矩平衡方程式或者（式1-6）

电动机所输出的驱动转矩

总是被生产机械的负载转矩（即静态转矩）

和系统动态转矩

之和所平衡。

当

时，

。此时，系统没有动态转矩，系统恒速运转，即系统处于稳态。系统处于稳态时，电动机输出转矩的大小，仅由电动机所驱动的负载转矩决定。（式1-5）正是因为动态转矩的存2.转矩方向的确定

由于传动系统有多种运动状态，相应的运动方程式中的转速和转矩的方向就不同，因此需要约定方向的表达规则。

因为电动机和生产机械以共同的转速旋转，所以，一般以

（或

）的转动方向为参考来确定转矩的正负。（1）

的符号与性质

当

的实际作用方向与

的方向相同时（符号相同），取与

相同的符号，

为驱动转矩；

当

的实际作用方向与

的方向相反时，取与

相反的符号，

为制动转矩。驱动转矩促进运动；制动转矩阻碍运动。2.转矩方向的确定由于传动系统有多种运动状态，（2）

的符号与性质

当

的实际作用方向与

的方向相同时，取与

相反的符号（符号相反），

为驱动转矩；

当

的实际作用方向与

的方向相反时，取与

相同的符号（符号相同），

为制动转矩。

a）系统起动时b）系统制动时b）重物下降时（2）的符号与性质当

当重物上升时：

为正，

也为正。

、

、

的方向如图1-9a）所示。此时，系统的运动方程式为：因此，重物上升时，

为驱动转矩，

为制动转矩。图1-9a当重物上升时当重物上升时：为正，也为正。

当重物在上升过程中制动（图1-9b）时，

为负，

为正。此时，系统的运动方程式为：图1-9b系统制动时

此时，动态转矩和加速度都是负的，它们使重物减速上升，直到停止为止，系统中由动能产生的动态转矩被电机的制动转矩和负载转矩所平衡。当重物在上升过程中制动（图1-9b）时，

当重物下降时，

为正，

也为正。

、

、

的方向如图1-9c）所示。此时，系统的运动方程式为：

因此，重物下降时，

为制动转矩，

为驱动转矩。图1-9c）

重物下降时当重物下降时，为正，也为正。3.多轴驱动系统的等效折算

为了便于对多轴驱动系统进行运行状态的分析，一般是将多轴驱动系统等效折算为单轴驱动系统，即将多轴驱动系统中各转动部分的转矩和转动惯量或直线运动部分的质量折算到某一根轴（一般折算到电动机的输出轴）上，将其转化为等效的单轴驱动系统之后，再进行系统动力学分析。

负载转矩、转动惯量和飞轮转矩等效折算的基本原则是：折算前的多轴系统和折算后的单轴系统在能量关系或功率关系上保持不变，即遵循能量守恒原则或功率守恒原则。

在机电传动领域，绝大多数驱动系统实际上都是多轴驱动系统。3.多轴驱动系统的等效折算为了便于对多轴驱动1.2.2机电传动系统的负载特性

前面讨论的机电传动系统运动方程中，负载转矩

可能是常数，也可能是转速的函数。我们把同一轴上负载转矩

与转速之间的函数关系称为机电传动系统的负载特性。

机电传动系统的负载特性就是生产机械的负载特性，有时也称之为生产机械的机械特性。

如无特别说明，在本书中，机电传动系统的负载特性均指折算到电动机输出轴上的负载特性。

不同类型的生产机械在运动中受阻的性质是不同的，其负载特性曲线的形状也有所不同，大致可分为恒转矩型负载特性、离心式通风机型负载特性、直线型负载特性、恒功率型负载特性等几种。1.2.2机电传动系统的负载特性前面讨论的机1.恒转矩型负载特性

这一类型负载特性的特点是负载转矩为常数。如图1-10和图1-11所示。

依据负载转矩与运动方向的关系不同，恒转矩型负载特性可分为反抗性转矩和位能性转矩两种。图1-10反抗转矩的负载特性图1-11位能性转矩的负载特性1.恒转矩型负载特性这一类型负载特性的特点是负（1）反抗性转矩

由摩擦、非弹性体的压缩、拉伸与扭转等作用所产生的负载转矩称为反抗性转矩，又称摩擦性转矩。

反抗性转矩的方向恒与运动方向相反，阻碍运动；反抗性转矩的大小恒常不变。图1-10反抗转矩的负载特性

根据转矩正方向的约定可知，反抗性转矩恒与转速

的方向相反时取正号，即

为正方向时，

为正，特性在第一象限；

为负方向时，

为负，特性在第三象限。（1）反抗性转矩由摩擦、非弹性体的压缩、拉伸（2）位能性转矩

位能性转矩是由物体的重力或弹性体的压缩、拉伸、扭转等作用所引起的负载转矩。

位能性转矩的大小恒常不变，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。图1-11位能性转矩的负载特性（2）位能性转矩位能性转矩是由物体的重力或弹

卷扬机起吊重物（图1-12）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方向。当电动机驱动重物上升时，

与

的方向相反；当重物下降时，

和

的方向相同（图1-11）。图1-12卷扬机起吊重物卷扬机起吊重物（图1-12）时，由于重物的作2.离心式通风机型负载特性

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，它们的负载转矩

的大小与转速

的平方成正比，即：——摩擦阻力矩;——为常数

离心式通风机型机械的负载特性曲线（最初是沿着虚线变化的）如图1-13所示。图1-13离心式通风机型负载特性2.离心式通风机型负载特性离心式通风型机械特3.直线型负载特性

直线型负载的负载转矩

的大小与转速

的大小成正比，即：其中：

为常数。直线型负载的特性曲线如图1-14所示。图1-14直线型负载特性3.直线型负载特性直线型负载的负载转矩4.恒功率型负载特性

恒功率型负载的负载转矩

的大小与转速

的大小成反比，即其中：

为常数。图1-15恒功率型负载的特性曲线

例如，机床在进行金属切削加工过程中，粗加工时，切削量大，吃刀量大，负载转矩大

，机床主轴低速运转，转速低；精加工时，切削量小，吃刀量小，负载转矩

小，机床主轴高速运转，转速高。但不管是粗加工还是精加工，负载转矩与转速的乘积为常数，即功率恒定不变。4.恒功率型负载特性恒功率型负载的负载转矩1.2.3机电传动系统的稳定运行

机电传动系统中，电动机与生产机械连成一体，为了使整个系统运行合理，就要使电动机的机械特性与生产机械的负载特性尽量相匹配。1.机电系统稳定运行的含义1）系统应能以一定速度匀速运行；2）系统受某种外部干扰作用（如电压波动、负载转矩波动等）而使运行速度发生变化，应保证系统在干扰消除后能恢复到原来的运行速度。特性配合好坏的基本要求是系统能稳定运行。1.2.3机电传动系统的稳定运行机电传动系统2.机电系统稳定运行的条件（1）必要条件

电动机的机械特性曲线

和生产机械的机械特性曲线

必须有交点，交点被称为平衡点。图1-16稳定工作点的判别2.机电系统稳定运行的条件（1）必要条件电（2）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。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。图1-16稳定工作点的判别（2）充分条件系统受到干扰后，要具有恢复到原平机电传动系统稳定运行的充分必要条件也可表述为：①电动机的机械特性曲线

和生产机械的机械特性曲线

有交点；②

。机电传动系统稳定运行的充分必要条件也可表述为：①电动机的机械下面分析

、

两点是否为稳定平衡点。图1-16稳定工作点的判别a点为稳定平衡点；b点为非稳定平衡点。下面分析、两点是否为稳定平衡点。图1-11.2.4机电传动系统的过渡过程

在实际工作中，机电传动系统具有两种运行状态，即静态（稳态）和动态（暂态）。

当机电传动系统中电动机的驱动转矩或负载转矩发生变化时，系统就要由一种稳定运行状态变化到另外一个稳定运行状态，这个变化过程称为过渡过程。

在过渡过程中，电动机的转速、转矩和电流都要按照一定的规律变化，都是时间的函数。

处于静态时，系统的动态转矩为0，电动机以恒速运转；处于动态时，系统的动态转矩非0，电动机速度处于变化中。1.2.4机电传动系统的过渡过程在实际工作1.机电传动系统过渡过程的实际意义

大多数的生产机械对机电传动系统的过渡过程都提出各自、多样的要求。

如龙门刨床的工作台、可逆式轧钢机、轧钢机的辅助机械等，它们在工作中需要经常进行起动、制动、反转和调速。因此，都要求过渡过程尽量快，以缩短非生产时间，提高生产率。

升降机、载人电梯、地铁、铁路机车、有轨电车等生产机械和运输设备，则要求起动、制动过程平缓、顺滑，加减速度变化不能过大，以保证安全生产和乘坐舒适性。

而造纸机、印刷机等生产机械，则必须限制其加速度的大小，以确保产品质量。如果加速度超过允许值，则可能损坏机器部件或造成产品质量下降。1.机电传动系统过渡过程的实际意义大多数的生

在过渡过程中，