控制系统综合应用

绪论机电传动与控制1机电传动的目的和任务脑心脏骨骼五官四肢控制系统动力装置检测装置执行机构机械本体②①人体五大要素机电一体化五大要素机电传动系统示意图控制设备电动机传动装置工作机构电源①②机电传动系统的两大组成部分绪论机电传动与控制机电传动系统示意图控制设备电动机传动装置工作机构电源①②1机电传动的目的和任务机电传动系统的两大组成部分②“电气自动控制”部分

（电气自动控制装置）为满足工艺要求，使电动机起动、制动、调速、反向、快速定位等电气控制和电气操作部分。

①“电力拖动”部分

电动机及传动机构自动控制方式断续控制连续控制数字控制绪论机电传动与控制

机电传动又称电力传动或电力拖动指以电动机为原动机驱动生产机械的系统包括电动机和控制电动机的一整套控制系统

实现生产机械的启动、停止及速度调节

实现机械设备、生产线、车间及工厂的自动化机电传动系统示意图控制设备电动机传动装置工作机构电源①②1机电传动的目的和任务机电传动系统的两大组成部分绪论机电传动与控制机电传动的发展2机电传动及其控制系统的发展概况

电动机的种类直流电动机他励直流电动机串励直流电动机并励直流电动机复励直流电动机交流电动机异步电动机三相异步电动机单相异步电动机鼠笼式绕线式同步电动机单相同步电动机三相同步电动机控制电机伺服电动机力矩电动机直线电动机步进电动机测速发电机自整角机绪论机电传动与控制2机电传动及其控制系统的发展概况

典型的电力电子系统框图

负载ui

ii电力变换器电源控制器uo

io输入输出给定值测量值控制值电力设备电力网络蓄电池太阳能风能……电力传动照明其它用电设备……电力变换四大类①交流→直流②直流→交流③直流→直流④交流→交流绪论机电传动与控制3课程的性质和任务

“机电复合型”人才，应该掌握机、电、液、计算机等综合控制系统的技术。

在综合控制系统中的电控系统，主要包含：

弱电控制（如计算机控制技术）

强电控制（如伺服驱动控制技术）

强电控制的内容，一般安排在几门课程中，如：

电气控制技术、可编程序控制器、电机与电力拖动、

电力电子技术、伺服驱动技术、自动控制系统。“机电传动控制”课程建立了一个崭新的课程体系，把机电一体化技术的强电控制知识都集中在这一门课程中。绪论机电传动与控制3课程的性质和任务

☆

课程设置

☆

电气控制及可编程序控制器电机与电力拖动基础自动控制系统电力电子技术微机原理及应用单片机原理及应用自动控制原理自动检测技术与仪表工厂供电机电传动系统示意图控制设备电动机传动装置工作机构电源机械设备专业电气、仪表、计算机专业（自动化控制）②①专业应用★机械工程基础★电工电子技术绪论机电传动与控制绪论第1章直流电机第2章交流电动机第3章控制电机第4章机电传动控制系统的基础

第5章控制电器与继电器-接触器控制系统第6章可编程序控制器第7章直流电动机调速系统第8章交流电动机调速系统

第9章步进电动机控制系统

自动化专业课程3课程的性质和任务

①电机与电力拖动④可编程序控制器③电气控制技术⑥自动控制系统⑤电力电子技术《机电传动与控制》（第三版）程宪平主编②自动检测技术直流电机的工作原理及特性

小结①在了解直流电动机的基本结构的基础上，着重掌握直流电机的基本工作原理，特别应掌握转矩方程式、电势方程式和电压平衡方程式；基本要求②掌握直流电动机的机械特性，特别是人为机械特性；③掌握直流电动机启动、调速和制动的各种方法，以及各种方法的优缺点和应用场所；④学会用机械特性的四个象限分析直流电动机运行状态；

⑤学会根据他励直流电动机的铭牌技术数据，确定电动机启动等运行特性。

学习重点理解基础拓展应用控制电动机选择电动机直流电机的工作原理及特性

小结机械特性的一般表达式他励电动机的

机械特性固有机械特性

人为机械特性转速方程⑴转矩方程式T＝KtΦIa⑵电势方程式E＝KeΦn

⑶电压平衡方程式U＝E＋IaRa基本方程式各物理量参考方向电路原理图电枢串电阻启动

调速②降低电枢电压启动

调速①减弱励磁磁通

调速③①③②制动

反馈制动反接制动能耗制动(转子)电枢回路(定子)励磁回路Rad1＜Rad2＜Rad3②直流电机的工作原理及特性

小结他励电动机的

机械特性各物理量参考方向电路原理图电枢串电阻启动

调速②降低电枢电压启动

调速①减弱励磁磁通

调速③制动

反馈制动反接制动能耗制动①③②转速方程UN＞U1＞U2＞U3①ΦN＞Φ1＞Φ2③

人为机械特性交流电机的工作原理及特性

小结交流电动机的工作原理及特性

1.三相异步电动机的基本结构和工作原理

2.三相异步电动机的定子电路和转子电路

3.三相异步电动机的转矩与机械特性

4.三相异步电动机的启动特性

5.三相异步电动机的调速方法与特性

6.三相异步电动机的制动特性

7.单相异步电动机

8.同步电动机

直流电机的工作原理及特性

1.直流电机的基本结构和工作原理

2.直流发电机

3.直流电动机的机械特性

4.直流他励电动机的启动特性

5.直流他励电动机的调速特性

6.直流他励电动机的制动特性应用理解掌握交流电动机的工作原理及特性

小结三相异步电动机的基本结构和工作原理

电流

相序A-C-B2.磁生电(右手定则)旋转磁场切割转子导体，转子感应电动势和电流。1.电生磁(右手定则)定子三相绕组通入三相对称电流产生圆形旋转磁场。3.电磁力(左手定则)转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转，将电能转化为机械能。XAZBC

Yn0n逆时针方向旋转＞n交流电动机的工作原理及特性

小结三相异步电动机的基本结构和工作原理磁力线切割转子绕组转子绕组产生感应电势转子绕组产生感应电流电流与磁场作用产生电磁力电磁力产生电磁转矩转子运转转速n＜n0定子绕组通入三相交流电流旋转磁场同步转速n0转子电路功率因数交流电动机的工作原理及特性

小结三相异步电动机的转矩与机械特性电磁转矩

机械特性n=f（T）转矩特性T=f（s）

转子电流n=f（I2）转差率交流电动机的工作原理及特性

小结三相异步电动机的转矩与机械特性电源为负相序时电源为正相序时1、固有机械特性四个重要特殊点：

①理想空载点AT=0，n=n0（S=0）②额定工作点BT=TN，n=nN（S=SN）

③启动工作点DT=Tst，n=0（S=1）④临界工作点CT=Tmax，n=nm（S=Sm）机械特性n=f（T）交流电动机的工作原理及特性

小结三相异步电动机的转矩与机械特性2、人为机械特性

电磁转矩关系式三相异步电动机的人为机械特性①异步电动机定子降压的人为机械特性②异步电动机定子串接电阻(电抗)的人为机械特性③异步电动机定子变频的人为机械特性④绕线式异步电动机转子串接电阻(电抗)的人为机械特性直流他励电动机的人为机械特性

①

电枢串电阻的人为机械特性

②降低电枢电压的人为机械特性

③减弱励磁磁通的人为机械特性比较机械特性表达式交流电动机的工作原理及特性

小结三相异步电动机的转矩与机械特性③减弱励磁磁通2.人为机械特性

①定子降压②定子串电抗④转子串电阻③定子变频①电枢串电阻②降低电枢电压参考：直流他励电动机的人为机械特性交流电动机的工作原理及特性

小结三相异步电动机的调速特性⑴改变磁极对数p调速（变极调速）⑵改变转差率S调速⑶改变频率f调速（变频调速）三相异步电动机的制动特性⑴反馈制动

①正向反馈制动②反向反馈制动⑵反接制动

①电源反接制动②倒拉反接制动⑶能耗制动

①反抗性恒转矩负载②位能性恒转矩负载三相异步电动机的启动调速制动特性三相异步电动机的启动特性1.直接启动2.非直接启动⑴鼠笼式电动机降压启动法⑵线绕式电动机启动法①定子串电阻②定子串电抗④自耦变压器③Y-△

⑤软启动器①转子串电阻②转子串频敏变阻器①改变电压调速②转子串电阻调速③串级调速④电磁转差离合器交流电动机的工作原理及特性

小结三相异步电动机的启动特性三相异步电动机的启动特性⑴

鼠笼式电动机降压启动法

①

定子串电阻②

定子串电抗③

Y-△转换④

自耦变压器转换⑤

软启动器⑵

线绕式电动机启动法①

转子串电阻②

转子串频敏变阻器直流他励电动机的启动特性①

降压启动②

电枢电路串电阻启动比较交流电动机的工作原理及特性

小结①定子串电阻启动

②定子串电抗启动⑴鼠笼式电动机降压启动法三相异步电动机的启动特性⑵线绕式电动机启动法①转子串电阻启动②转子串频敏变阻器启动(三相)频敏变阻器转子电路交流电动机的工作原理及特性

小结⑴鼠笼式电动机降压启动法③Y-△降压启动④自耦变压器

降压启动☆延边三角形

降压启动运行：KM1通KM2通KM3断启动：KM1通KM2断KM3通运行：KM1通KM2断KM3断启动：KM1断KM2通KM3通运行：KM1通KM2通KM3断启动：KM1通KM2断KM3通三相异步电动机的启动特性交流电动机的工作原理及特性

小结三相异步电动机的调速方法与特性三相异步电动机的调速特性⑴改变磁极对数p调速（变极调速）⑵改变转差率S调速①改变电压调速③串级调速②转子串电阻调速④电磁转差离合器⑶改变频率f调速（变频调速）直流他励电动机的调速特性⑴改变电枢电压调速⑵改变励磁磁通调速⑶电枢电路串电阻调速比较（列入第8章）交流电动机的工作原理及特性

小结⑴变极调速高速：KM1断KM2通KM3通低速：KM1通KM2断KM3断三相异步电动机的调速方法与特性⑵改变转差率S调速可逆运行单向运行①调压调速②转子串电阻调速交-交变频器交-直-交变频器⑶改变频率f调速(变频调速)交流电动机的工作原理及特性

小结三相异步电动机的制动特性三相异步电动机的制动特性⑴反馈制动

①正向反馈制动②反向反馈制动

⑵

反接制动①电源反接制动②倒拉反接制动

⑶

能耗制动①反抗性恒转矩负载②位能性恒转矩负载直流他励电动机的制动特性⑴反馈制动

①正向反馈制动②反向反馈制动⑵反接制动

①电源反接制动②倒拉反接制动⑶能耗制动

①反抗性恒转矩负载②位能性恒转矩负载比较交流电动机的工作原理及特性

小结三相异步电动机的制动特性①②①②①②⑶能耗制动①反抗性恒转矩负载②位能性恒转矩负载

①电源反接制动②倒拉反接制动⑵反接制动⑴反馈制动①正向反馈制动②反向反馈制动交流电动机的工作原理及特性

小结三相异步电动机的制动特性⑶能耗制动①反抗性恒转矩负载①电源反接制动⑵反接制动⑴反馈制动①正向反馈制动②位能性恒转矩负载

②倒拉反接制动②反向反馈制动交流电动机的工作原理及特性

小结正向电动运行反向电动运行反向反馈制动运行反接制动过程倒拉反接制动运行能耗制动运行能耗制动过程正向反馈制动过程三相异步电动机的各种运行状态●A●B●C●D●H●J●E●F●I●K直流电动机交流电动机调速系统

小结典型的电力电子系统框图

负载ui

ii电力变换器电源控制器uo

io输入输出给定值测量值控制值电力设备电力网络蓄电池太阳能风能……电力传动照明其它用电设备……电力变换四大类①交流→直流②直流→交流③直流→直流④交流→交流直流电动机交流电动机调速系统

小结例：闭环直流调速系统自动控制系统《电力拖动自动控制系统

——运动控制系统》+-放大器MTG+-+-+-UtgUdIdn+--+△U

Ug+-MTGUfUkαu～整流器触发器测速发电机电动机负反馈电压给定电压偏差电压控制角控制电压输出电压转速交流电源UPE电力电子变换器主电路直流电动机交流电动机调速系统

小结转速调节器晶闸管调压装置测速发电机例：闭环交流调速系统主电源控制方式转速负反馈降压调速闭环控制系统控制设备直流电动机交流电动机调速系统

小结PLC变频器自耦变压器远传压力表水位计接触器组水泵380V工频电源控制系统举例直流电动机交流电动机调速系统

小结笼型异步电动机的定子频率控制方式，有：

①恒压频比（U/f）控制

②转差频率控制③矢量控制

④直接转矩控制直流电动机交流电动机调速系统

小结①恒压频比（U/f）控制采用恒压频比控制的变频调速系统框图整流逆变转速开环恒压频比控制调速系统直流电动机交流电动机调速系统

小结①恒压频比（U/f）控制数字控制通用变频器-异步电动机调速系统原理图直流电动机交流电动机调速系统

小结②转差频率控制转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统结构原理图直流电动机交流电动机调速系统

小结③矢量控制矢量控制系统原理结构图3/2—三相/两相变换VR—同步旋转变换

—M轴与轴（A轴）的夹角直流电动机交流电动机调速系统

小结③矢量控制带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统ASR—转速调节器AψR—磁链调节器ATR—转矩调节器FBS—测速反馈环节

直流电动机交流电动机调速系统

小结③矢量控制磁链开环转差型矢量控制系统ASR—转速调节器ACR—电流调节器K/P—直角坐标-极坐标变换器

直流电动机交流电动机调速系统

小结变频器举例交-直-交变频器的基本构成直流电动机交流电动机调速系统

小结变频器举例通用变频器基本电路直流电动机交流电动机调速系统

小结变频器举例操作面板▲(上)键显示器▼(下)键STOP(停止)键RUN(运行)键频率设定旋钮MODE(模式)键SET(设置)键松下VFO超小型变频器直流电动机交流电动机调速系统

小结变频器举例松下VFO超小型变频器端子号端子名称1频率设定用电位器输入端2频率设定模拟量输入端3公共端5运行/停止输入端6正转/反转输入端10开路式输出端11开路式输出端A继电器触头输出端B继电器触头输出端C继电器触头输出端常用控制信号接线端子直流电动机交流电动机调速系统

小结变频器举例松下VFO超小型变频器实验三（HJD-4型机电一体化教学实验系统）PLC控制三相异步电动机变频调速实验VFO变频器外部操作模式连线图控制电机

小结交流伺服电动机的结构

是一种小型或微型两相异步电动机。交流伺服电动机的原理

与电容分相式单相异步电动机相同。交流伺服电动机特点结构简单、运行可靠、维护简便、转动惯量小，广泛用于功率较小的控制系统中。伺服电动机交流伺服电动机的原理图励磁绕组控制绕组SM～一、交流伺服电动机控制电机

小结伺服电动机一、交流伺服电动机幅值控制接线图相位控制接线图幅值-相位控制接线图交流伺服电动机的转速控制方式f－励磁绕组k－控制绕组控制电机

小结伺服电动机一、交流伺服电动机幅值控制接线图交流伺服电动机幅值控制时的机械特性在一定的负载转矩下，控制电压Uk

大小变化时，转速n与电压Uk

成正比变化，

Uk=0V时，能立即停止。

Uk

的极性改变时，转子的转向改变。

Uk

＝

U1＞U2＞U3

＞U4f－励磁绕组k－控制绕组