機電傳動控制鄧星鐘

主編主講：機械系雷波聯系方式-Mail:rayer1980@163.com2/2/2023參考書目1.趙君有，張愛軍王東瑞編.

電機與拖動基礎

.北京:中國水力水電出版社,2007.2.湯天浩編.電機與拖動基礎.北京:機械工業出版社,2011.3.吳紅星編.電機驅動與控制專用集成電路及應用

.北京:中國電力出版社,2006.4.齊占慶，王振臣編.機床電氣控制技術.北京:機械工業出版社,20085.滿永奎，韓安榮編.通用變頻器及其應用.北京:機械工業出版社,2012

2/2/2023第一章概述1.1機電傳動的目的和任務1.2機電傳動及其控制系統的發展概況1.3課程的性質和任務1.4課程的內容安排1.5對本課程學習的基本要求2/2/20231.1機電傳動的目的和任務

機電傳動:

以電動機為原動機驅動生產機械的系統之總稱

2/2/2023一、機電系統的組成

機電系統完成生產任務的基礎驅動運動部件的原動機（這里指的是各種電動機）之總稱控制電動機的系統驅動生產機械的電動機和控制電動機的一整套電氣系統2/2/2023機電傳動系統實例

車床系統2/2/2023CA6140,CK6150與CH6132寬的調速范圍2/2/2023可逆式軋機頻繁起制動或正反轉2/2/2023卷揚機和電梯起制動平穩，準確定點停車2/2/2023雷達天線控制系統2/2/2023雷達天線控制系統方位驅動仰角驅動2/2/2023雷達天線自動控制系統原理框圖2/2/2023二、機電傳動控制的任務

將電能轉換為機械能；實現生產機械的啟動、停止以及速度的調節；完成各種生產工藝過程的要求；保證生產過程的正常進行。三、機電傳動控制的目的從廣義上講，機電傳動控制的目的就是要使生產設備、生產線、車間乃至整個工廠都實現自動化。從狹義上講，則指控制電動機驅動生產機械，實現生產產品數量的增加（效率）、質量的提高（精度）、生產成本的降低、工人勞動條件的改善以及能量的合理利用等。

2/2/20231.2機電傳動控制的發展機電傳動及其控制系統總是隨著社會生產的發展而發展的。機電傳動控制的發展可從機電傳動和控制系統兩方面來討論。一、機電傳動的發展

成組拖動——一臺電動機拖動一根天軸（或地軸），然后再由天軸（或地軸）通過皮帶輪和皮帶分別拖動多臺生產機械。

單電機拖動——一臺電動機拖動一臺生產機械的各運動部件。

多電機拖動——一臺生產機械的各個運動部件分別由不同的電動機來拖動。特點是生產效率低、勞動條件差、一旦電動機出現故障，將造成成組的生產機械停車；這種拖動方式較成組拖動前進了一步，但當一臺生產機械的運動部件較多時，其傳動機構仍十分復雜；2/2/2023二、機電傳動控制系統的發展控制系統的發展伴隨控制器件的發展而發展。隨著功率器件、放大器件的不斷更新，機電傳動控制系統的發展日新月異，它主要經歷了四個階段：

1．繼電器—接觸器控制：出現在20世紀初，它僅借助于簡單的接觸器與繼電器，實現對控制對象的啟動、停車以及有級調速等控制，它的控制速度慢，控制精度差；

2．電機放大機控制：（30年代）從斷續控制到連續控制3．磁放大器控制和大功率晶閘管控制：(40-60年代)4．計算機數字控制（CNC）：提高機床的自動化程度、通用性和加工效率。（70年代-至今）2/2/2023柔性制造系統（FMS）—由數控機床、工業機器人、自動搬運車等組成的統一由中心計算機控制的機械加工自動線，它是實現自動化車間和自動化工廠的重要組成部分。

機械制造自動化高級階段是走向設計、制造一體化，即利用計算機輔助設計（CAD）與計算機輔助制造（CAM）形成產品設計和制造過程的完整系統，對產品構思和設計直到裝配、試驗和質量管理這一全過程實現自動化。為了實現制造過程的高效率、高柔性、高質量，研制計算機集成制造系統（CIMS）是人們現在的任務。2/2/20231.3課程的性質和任務性質：

機電傳動控制把驅動電機、控制電機電器、電力拖動、繼電器-接觸器控制、PLC、電力電子技術、直（交）流伺服系統、步進電機伺服系統等強電控制的內容，根據學科的發展與其內在規律，以伺服驅動為主導，以控制為線索，將元器件與伺服控制系統科學、有機地結合起來。2/2/2023任務

學生通過本課程和機電綜合實驗的學習，使學生掌握交直流電機及控制電機的基本結構和工作原理，以及機電傳動的運行性能、分析計算、電機與控制系統選擇、為后繼課程和今后的工作準備必要的知識2/2/20231.4課程的內容安排第一章概論第二章機電傳動系統的動力學基礎第三章直流電機的工作原理及特性第四章機電傳動系統過渡過程第五章交流電動機的工作原理及特性第六章控制電機 第七章機電傳動控制系統中常用的檢測元件第八章繼電器－接觸器控制系統第九章可編程序控制器第十章電力電子學－晶閘管及其基本電路第十一章直流傳動控制系統第十二章交流傳動控制系統第十三章步進電動機傳動控制系統第十四章機電傳動控制系統中電動機的選擇2/2/20231.5對本課程學習的基本要求了解機電傳動控制系統的組成和基本規律；掌握常用電機、電器的工作原理主要特性，了解其應用與選用；掌握繼電器－接觸器工作原理，學會用其來實現生產過程的自動控制；掌握常用的開環、閉環驅動控制系統的基本工作原理和特點，了解性能和應用場所。學會分析機電傳動控制系統的基本方法。2/2/2023第二章機電傳動系統的動力學基礎2.1機電傳動系統的運動方程式2.2轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩的折算2.3機電傳動系統的負載特性2.4機電傳動系統穩定運行的條件2/2/20232.1機電傳動系統的運動方程式

圖2.1單軸拖動系統電動機（M）生產機械TMMω+TLTL2/2/2023單軸機電傳動系統的運動方程式TM----電動機轉矩TL----負載轉矩GD2---飛輪矩n-----轉速t-----時間2/2/2023動態轉矩恒速（靜態轉矩）正值加速（動態轉矩）負值減速（動態轉矩）2/2/2023TM與n同向為正向TL與n相反為正向拖動矩（TM、n同向）制動矩（TM、n反向）2/2/2023例2-11.列出系統的運動方程式；2.說明系統運行的狀態。加速運行狀態減速減速拖動轉矩制動矩拖動轉矩制動矩2/2/20232.2轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩的折算2.2.1負載轉矩的折算負載轉矩是靜態轉矩,根據功率守恒原則折算1.多軸旋轉運動系統速比傳動效率多軸旋轉拖動系統2/2/2023多軸直線運動系統2.多軸直線運動系統（下放重物）2/2/20232.2.2轉動慣量和飛輪轉矩的折算1.旋轉型依據動能守恒原則，折算到電機軸上的總轉動慣量為電機軸、中間軸、負載軸上的轉動慣量；電動機軸與中間傳動軸之間的速比；電機軸與負載軸之間的速度比；電機軸、中間軸、負載軸上的角速度2/2/20232.2.2轉動慣量和飛輪轉矩的折算依據動能守恒原則，折算到電機軸上的總飛輪矩為電機軸、中間軸、生產機械軸上的飛輪轉矩。2/2/20232.直線運動型折算到電機軸上的總轉動慣量、飛輪矩為多軸系統的運動方程式2/2/2023解（1）例2-2折算到電動機軸上的負載轉矩TL折算到電動機軸上的飛輪慣量GDZ22/2/2023(2)(近似)2/2/20232.3機電傳動系統的負載特性生產機械的負載特性:2.3.1恒轉矩型機械特性n（a）反抗轉矩（b）位能轉矩TLT-TLnTTL（摩擦轉矩）（因重力產生的轉矩)（T與n的方向恒為相反）（T的方向恒定與運動方向無關）2/2/20232.3.2離心式通風機型機械特性2.3.3直線型機械特性2.3.4恒功率型機械特性Tn0

T0Tn0直線型機械特性離心式通風機型機械特性恒功率型機械特性Tn02/2/20232.4機電傳動系統穩定運行的條件

機電傳動系統穩定運行的含義:1.系統以一定的速度勻速運轉;2.系統在受某種外部干擾作用(如電壓波動、負載轉矩波動等）而使速度稍有變化時，應保證在干擾消除后系統能恢復到原來的運行速度。2/2/2023m系統穩定運行的必要充分條件（1）兩機械特性有交叉點（2）在平衡點處有一速度n↑時，TM<TLTM-TL<0n↓時，TM>TLTM-TL>0a點是穩定平衡點，b點不是。2/2/2023例2-3判斷下圖b點是否是系統的穩定平衡點？注意：1.兩機械特性曲線的區別2.同時滿足二穩定平衡條件解1.系統中有交叉點ｂ;2.當ｎ↑時ＴM<ＴLTM-TL<0當ｎ↓時ＴM＞ＴL

TM-TL>0