《机电传动与控制》教学大纲

《机电传动与控制》教学大纲课程代码：092122课程名称：机电传动与控制英文名称：ElectromechanicalTransmissionandControl课程学时（周数）：40学时开设时间：第七学期课程学分：2.5适用专业：机械设计制造及其自动化一、本课程的性质、目的及任务1.课程性质：工业生产、航空航天、交通运输、医疗器械等众多领域中都应用了机电传动控制系统。机电传动控制系统包括电力传动控制装置和机械设备，两者是一个不可分割的整体。通过电力传动控制装置可以实现机械设备的自动化控制，提高生产效率和质量。只有两者相互协调配合，才能发挥最大的效能，实现机械设备的高效、稳定、精确运行。《机电传动控制》是一门具有重要工程价值的核心课程，该课程是一门交叉性、应用性极强的课程，具有机电结合、电为机用的特点。例如，电力传动控制装置包括电机、电力电子器件、传感器、控制器等，它们与机械设备紧密结合，共同实现机械设备的运动控制和调节。其中，电机、电力电子器件、控制电路在《电路理论》、《电子电工学》等课程中都有涉及；传感器在《传感器与测试技术》等课程中都有涉及；控制器在《单片机》、《PLC》、《数控技术》等课程中都有涉及；机电传动控制系统在《机械工程控制基础》课程中有涉及。因此，该课程是为培养实践能力强、创新能力强、能够运用综合知识去解决现在和未来要面对的问题的机电一体化复合型人才的一门重要专业课程，在教学中有着重要地位。本课程总学分为2.5分，总学时为40学时，理论学时为34学时，实践学时为6学时。安排在《电工技术》、《电子技术》、《机械工程测试技术基础》、《PLC》等课程后进行。2.教学目标与任务：通过理论学习和实践操作，使学生掌握机械传动和控制系统的基本原理和方法，具备应用机械传动和控制系统解决实际问题的能力。同时，融入思政元素，教育学生具有崇高的道德品质和创新创业精神，培养学生综合素质和实践能力，为国家和社会的现代化建设作出贡献。为支撑毕业要求中的相应指标点，课程目标及能力要求具体如下：目标1：能基于基本原理和数学模型解释直流电动机、交流电动机、典型控制电机、继电接触控制元件的工作原理，分析其特性和在机械领域的典型应用；能够根据机械系统的控制需求完成典型机电传动系统控制器的设计。目标2：能基于机械装备设计的需求，通过计算辅助完成机电传动系统相关设计。同时注重强调技术创新与社会效益；目标3：能有效运用机电传动系统常用的仪器和辅助设计软件，在实验过程中验证交、直流电动机的特性及典型控制逻辑，并完成控制系统的设计和实现。培养学生的创新精神和团队合作意识，同时强调弘扬民族精神和文化传承。毕业要求指标点与课程目标的对应关系课程目标毕业要求指标点课程目标11课程目标28课程目标393.教学要求：以课堂教学为主，学生自学和讨论为辅，教学必须完成大纲所规定的内容。对教学内容的安排顺序、重点难点，教师可根据自己的教学经验、科研成果和学生的实际情况作适当的安排调整。本课程考核方式可以开卷或闭卷考试，成绩为100分制。二、学时分配本课程学分为2.5学分，总学时40学时，其中理论课34学时，实验6学时。表1《机电传动与控制》学时分配表内容学时分配讲授实验总学时第一章绪论26（见表2）40第二章直流电机4第三章交流电动机6第四章控制电机6第五章控制电器与继电器-接触器控制系统8第六章直流电动机调速系统2第七章交流电动机调速系统2第八章步进电动机控制系统2第九章总结与复习2合计24三、课程内容第一章概论（2学时）【教学目标及要求】掌握机电传动的基本概念以及学科发展史掌握典型控制系统的数学分析方法【教学重点难点】重点介绍典型的机电控制系统及工作原理难点建立“控制”的概念【考核要求】1.控制的任务，被控制对象、输入量、输出量、扰动量的概念2.开环控制系统、闭环控制系统及反馈的概念3.控制系统的组成、分类、基本环节及对控制系统的基本要求。4.几种基本控制方式及特点【教学基本内容】1.机电传动的目的和任务；2.机电传动及其控制系统的发展概况3.课程的性质和任务4.学好本课程的方法第二章：直流电机（4学时）【教与学要求】本单元要求学生能归纳和论证直流电动机固有机械特性，并能比拟其人为机械特性；能比照和区分直流电动机的启动、调速和制动方法及特点、应用；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。【教学内容】2-1直流电机的基本结构和工作原理。2-2直流电动机的机械特性。2-3直流他励电动机的启动特性。2-4直流他励电动机的调速特性。2-5直流他励电动机的制动特性。【教学重点难点】重点：直流电动机的机械特性、直流电机的启动、调速和制动的各种方法及其优缺点和应用场合。难点：不同形式下的电动机的制动过程；第三章：交流电动机（6学时）【教与学要求】本单元要求学生能复述三相异步电动机结构及电磁电路工作原理；能解释三相异步电动机的额定参数；能归纳和论证交流电动机固有机械特性，并能比拟其人为机械特性；能比照和区分三相异步电动机的启动、调速和制动方法及特点、应用；能完成其主回路和基本控制电路的初步设计。【教学内容】3-1三相异步电动机的结构和工作原理。3-2异步电动机的额定参数。3-3三相异步电动机的转矩与机械特性。3-4三相异步电动机的启动特性。3-5三相异步电动机的调速方法与特性。3-6三相异步电动机的制动特性。3-7单相异步电动机。【教学重点难点】重点1：异步电动机的机械特性，它是基于异步电动机的工作原理而推导出来的；特别是异步电动机的人为机械特性，因为它是分析异步电动机启动、调速、制动工作状态的依据；重点2：对异步电动机铭牌数据、额定值的含义要非常熟悉；重点3：异步电动机直接启动和Y-△降压启动的条件和优缺点，线绕式异步电动机转子串电阻的启动、调速和制动，以及各种启动方法的应用场合；重点4：异步电动机变频调速和变极对数调速的特性与优缺点。难点1：定子旋转磁场与转子运动的相对性。难点2：电动机的制动过程。第四章控制电机（6学时）【教与学要求】本单元要求学生能陈述机电传动控制系统中一些常用控制电机基本结构；能掌握步进电动机的工作原理，学会计算并解释影响步距角的参数。能说明直流伺服电动机和交流伺服电动机的基本结构组成、运行特性和特点。【教学内容】4-1伺服电动机交流伺服电动机和直流伺服电动机4-2步进电动机4-3直线电动机【教学重点难点】重点：步进电机的工作原理及应用。难点：交流伺服电动机“自转”现象及消除该现象的原理。第五章控制电器与继电器-接触器控制系统（8学时）【教与学要求】本单元要求学生能陈述常用控制电器、保护电器、执行电器等低压电器元件的结构、原理、图形符号及使用场合、工作状态等；掌握继电器-接触器控制电路中的基本控制环节和常用的几种自动控制方法；能完成对较复杂的继电器-接触器控制电路的分析与初步设计；能分析与初步设计典型继电器-接触器控制电路的保护电路；能分析控制电路的可行性措施及理论依据等。【教学内容】5-1常用控制电器5-2生产机械电气设备的基本控制线路5-3生产机械的继电器-接触器控制线路5-4继电器-接触器控制线路的设计方法【教学重点难点】重点1掌握电磁式继电器与接触器的区别；重点2掌握三相异步电动机启动的控制电路及保护装置。重点3掌握互锁与连锁的控制方法；重点4掌握按行程和时间控制的控制方法。难点1时间继电器的图形符号；难点2连锁控制的方法与技巧；难点3控制电路的设计。第六章直流电动机调速系统（2学时）【教与学要求】本单元要求学生能解释直流调速系统的组成，特别是晶闸管、IGBT等常用的电力电子器件的结构、工作原理、基本特性以及其在直流调速系统中的功能。要求学生画出不同形式的可控整流电路的原理及波形。能描述逆变器与PWM（脉宽调制）含义及应用。要求学生能描述单闭环有静差调速系统和无静差调速系统的组成以及调速原理。【教学内容】6-1电力半导体器件6-2可控整流电路6-3逆变与脉宽调制6-4单闭环直流调速系统【教学重点难点】重点：晶闸管的工作原理及功效，可控整流电路的原理及波形难点：静差的概念，系统调速的原理第七章交流电动机调速系统（2学时）【教与学要求】要求学生能够全面描述三相异步电动机的调速方法，交流调压的原理以及各种方式的优缺点比较。要求学生能够画出单向交流调压的电路原理图以及波形图。能够描述出三相交流调压的不同形式，分析出不同形式下电压波形图。能够描述出交流电动机调压调速闭环控制系统的组成和原理。能够描述交流变频调速的基本原理和分类，以及不同变频调速系统的工作原理及适用场景。学会在不同的工作场合下使用不同控制方式的交流电动机变频调速系统。【教学内容】7.1晶闸管交流调压调速系统7.2交流电动机变频调速系统7.3其他交流调速系统【教学重点难点】重点：掌握三相异步电动机调速方法有哪些？以及不同方法的调速原理难点：学会合理应用这些不同的调速方法。第八章步进电动机控制系统【教与学要求】学生能够描述步进电动机环形分配器的基本原理及其硬、软件的实现方法；能够描述两种不同类型步进电动机的驱动电路及其优缺点。【教学内容】9-1步进电动机驱动器9-2步进电动机的传动与控制9-3步进电动机的应用【教学重点难点】重点：步进电机闭环控制工作原理难点：环形分配器单片机编程实现脉冲分配第九章总结与复习全面梳理知识点，分析重点问题，解决难点问题。四、实验安排表2《机电传动与控制》实验课程学时分配表实践教学名称学时内容及要求每组人数1电子元件认识0.5通过电气识图训练，掌握一般电气元器件的识别。培养学生识图的能力。巩固学习过的电气元器件的结构、用途、工作原理、符号表示。约45人2三相异步电动机直接起动控制0.5搭建简单电路，手动合上电源开关QF，三相电源从U、V、W引入，经过断路器QF至U1、V1、W1点，经过熔断器FU1，加在鼠笼式异步电动机的三相绕组上，使电动机M运转。手动断开断路器QS，电动机M断电停转。约45人3三相异步电动机接触器点动启动控制线路0.5搭建电路，学会用按钮、接触器实现按下按钮电动机就得电运转，松开按钮电动机就失电停转。约45人4三相异步电动机接触器自锁启动控制线路0.5搭建电路，学会当启动按钮松开后，接触器通动自身的辅助常开触头使其线圈保持得电的线路实现自锁控制约45人5Y—△起动自动控制线路2搭建电路，学会用启动按钮、交流接触器、时间继电器等实现Y—△起动自动控制。约45人6三相异步电动机串电阻自动启动控制线路2搭建电路，采用时间继电器来自动完成短接电阻的要求，实现自动控制。完成电动机从降压启动到全压运行。约45人合计6五、考核评价方式成绩为百分制，满分100分。主要包含以下二个部分：（1）平时考核：出勤率（20分）；（2）期末考核：期末考试成绩（60分）；（3）实验考核：实验成绩（20分）