1．1機電傳動控制的目的與任務

第一章緒論一、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。

隨著生產工藝的發展，對機電傳動控制系統的要求愈來愈高。一些精密機床要求加工精度百分之幾毫米，甚至幾微米；

重型鏜床為保證加工精度和粗糙度，要求在極慢的穩速下進給，即要求系統有很寬的調速范圍；

軋鋼車間的可逆式軋機及其輔助機械，操作頻繁，要求在不到一秒的時間內完成從正轉到反轉的過程，即要求系統能迅速啟動、制動和反向；對于電梯和提升機，則要求啟動和制動平穩，并能準確地停止在給定的位置上；對于冷、熱連軋機以及造紙機的各機架或分部，則要求各機架或各分部的轉速保持一定的比例關系進行協調運轉；為了提高效率，由數臺或十幾臺設備組成的生產自動線，要求統一控制或管理。諸如此類的要求，都要靠電動機及其控制系統來實現。1.2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；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：3．磁放大器控制和大功率可控制水銀整流器控制：4．數字控制（NC）：自動化程度、通用性和加工效率。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。第二章

機電傳動系統的運動學基礎機電傳動系統的運動方程式；多軸傳動系統中轉矩折算的基本原則和方法；了解幾種典型生產機械的負載特性；了解機電傳動系統穩定運行的條件以及學會分析實際系統的穩定性。2.1單軸拖動系統的運動方程式

一、單軸拖動系統的組成

電動機M通過連接件直接與生產機械相連，由電動機M產生輸出轉矩TM，用來克服負載轉矩TL，帶動生產機械以角速度ω（或速度n）進行運動。電動機電動機的驅動對象連接件系統結構圖轉距方向二、運動方程式在機電系統中，TM、TL、（或n)之間的函數關系稱為運動方程式。根據動力學原理，TM、TL、（或n)之間的函數關系如下：……運動方程式……轉矩平衡方程式TM

─電動機的輸出轉矩（N.m）;TL─負載轉矩（N.m）;J─轉動慣量（kg.m2）;─角速度（rad/s）；n─速度（r/min）；t─時間（s）;─動態轉矩（N.m）。三、傳動系統的狀態根據運動方程式可知：運動系統有兩種不同的運動狀態：即，ω為常數，傳動系統以恒速運動。TM=TL時傳動系統處于恒速運動的這種狀態被稱為穩態。

即傳動系統加速運動。即傳動系統減速運動。TM

TL

時傳動系統處于加速或減速運動的這種狀態被稱為動態。四、TM、TL、n的參考方向(2)

因為電動機和生產機械以共同的轉速旋轉，所以，一般以ω（或n）的轉動方向為參考來確定轉矩的正負。當TM的實際作用方向與n的方向相同時，取與n相同的符號；

1.TM的符號與性質當TM的實際作用方向與n的方向相反時，取與n相反的符號；當TM的實際作用方向與n的方向相同（符號相同）時，TM為拖動轉距，否則為制動轉距。

拖動轉距促進運動；制動轉距阻礙運動。當TL的實際作用方向與n的方向相同時，取與n相反的符號；

2.TL的符號與性質當TL的實際作用方向與n的方向相反時，取與n相同的符號；當TL的實際作用方向與n的方向相同（符號相反）時，TL為拖動轉距，否則為制動轉距。舉例：如圖所示電動機拖動重物上升和下降。設重物上升時速度n的符號為正，下降時n的符號為負。當重物上升時：TM、TL、n的方向如圖（a）所示。運動方程式為：因此重物上升時，TM為拖動轉矩，TL為制動轉矩。當重物下降時：TM、TL、n的方向如圖（b）所示。運動方程式為：即：因此重物下降時，TM為制動轉矩，TL為拖動轉矩。TM為正，TL為正。TM為正，TL為正。2．2多軸拖動系統的簡化為了對多軸拖動系統進行運行狀態的分析，一般是將多軸拖動系統等效折算為單軸系統。一、多軸拖動系統的組成電動機通過減速機構（如減速齒輪箱、蝸輪蝸桿等）與生產機械相連，如圖所示：折算的原則是：靜態時，折算前后系統總的傳輸功率不變。

二、負載轉矩的折算假設電動機以ωM角速度旋轉，負載轉矩TL折算到電動機軸上的負載轉矩為Teq，而生產機械的轉動速度為ωL。則電動機輸出功率PM和負載所需功率PL分別為：考慮傳動機構在傳輸功率的過程中有損耗，這個損耗可用效率ηc來表示，且則生產機械上的負載轉矩折算到電動機軸上的等效轉矩為：式中：ηc—電動機拖動生產機械運動時的傳動效率；—傳動機構的總傳動比2．3生產機械的機械特性

在同一軸上，負載轉矩和轉速之間的函數關系，稱為生產機械的機械特性。

一、恒轉矩型機械特性

恒轉矩型機械特性根據其特點可分為反抗轉矩和位能轉矩兩種。分別如圖所示：1．反抗轉矩：又稱摩擦性轉矩，其特點如下：作用方向始終與速度n的方向相反，當n的方向發生變化時，它的作用方向也隨之發生變化，恒與運動方向相反，即總是阻礙運動的。轉矩大小恒定不變；按關于轉矩正方向的約定可知，反抗轉矩恒與轉速n取相同的符號，即n為正方向時TL為正，特性在第一象限；n為負方向時TL為負，特性在第三象限。2．位能轉矩,其特點為：轉矩大小恒定不變；作用方向不變，與運動方向無關，即在某一方向阻礙運動而在另一方向促進運動。

卷揚機起吊重物時，由于重物的作用方向永遠向著地心，所以，由它產生的負載轉矩永遠作用在使重物下降的方向，當電動機拖動重物上升時，TL與n的方向相反；當重物下降時，TL和n的方向相同。假設n為正時TL阻礙運動，則n為負時TL一定促進運動，特性在第一、四象限。不難理解，在運動方程式中，反抗轉矩TL的符號總是與n相同；位能轉矩TL的符號則有時與n相同，有時與n相反。二、離心式通風型機械特性

離心式通風型機械特性是按離心力原理工作的，如離心式鼓風機、水泵等，它們的負載轉矩TL的大小與速度n的平方成正比，即：其中：C為常數。三、直線型機械特性直線型機械特性的負載轉矩TL的大小與速度n的大小成正比，即：其中：C為常數。

恒功率型機械特性的負載轉矩TL的大小與速度n的大小成正比，即其中：C為常數。如圖所示。四、恒功率型機械特性

2.4機電系統穩定運行的條件

機電傳動系統中，電動機與生產機械連成一體，為了使系統運行合理，就要使電動機的機械特性與生產機械的機械特性盡量相配合。特性配合好的一個起碼要求是系統能穩定運行。

一、機電系統穩定運行的含義1.系統應能一定速度勻速運行；2.系統受某種外部干擾（如電壓波動、負載轉矩波動等）使運行速度發生變化時，應保證在干擾消除后系統能恢復到原來的運行速度。

二、機電系統穩定運行的條件從T—n坐標上來看，就是電動機的機械特性曲線n=f(TM)和生產機械的機械特性曲線n=f(TL)必須有交點，交點被稱為平衡點。2.充分條件系統受到干擾后，要具有恢復到原平衡狀態的能力，即：當干擾使速度上升時，有TM<TL

；否則，當干擾使速度下降時，有TM>TL。這是穩定運行的充分條件。符合穩定運行條件的平衡點稱為穩定平衡點。

1.必要條件電動機的輸出轉矩TM和負載轉矩TL大小相等，方向相反。分析舉例a、b兩點是否為穩定平衡點？a點：當負載突然增加后當負載波動消除后故a點為系統的穩定平衡點。同理b點不是穩定平衡點。異步電動機的機械特性生產機械的機械特性交點a交點b如圖所示，曲線1為異步電動機的機械特性，曲線2為異步電動機拖動的生產機械的機械特性。兩曲線有交點b，即拖動系統有一個平衡點。b點符合穩定運行的條件，因此b點為是穩定平衡點。此系統能在b點穩定運行。練習題1．機電系統穩定運行的必要條件是電動機的輸出轉矩和負載轉矩a.大小相等b.方向相反c.大小相等，方向相反d.無法確定2.某機電系統中，電動機輸出轉矩大于負載轉矩，則系統正處于a.加速b.減速c.勻速d.不確定

3.在單軸拖動系統中，已知電動機輸出轉矩和負載轉矩的作用方向與轉速的方向相同，則系統正處于a.加速b.減速c.勻速d.靜止

4．在機電系統中，已知電動機輸出轉矩小于負載轉矩，且電動機的輸出轉矩作用方向與轉速的方向相同，而負載轉矩的方向與轉速相反，則系統正處于a.加速b.減速c.勻速d.靜止

第三章

直流電機的工作原理及特性重點掌握：

?了解直流電機的基本結構及工作原理；?了解直流發電機的特性；?掌握直流電動機的機械特性；

?掌握直流電動機啟動、調速和制動等各種特性；

?掌握實現直流電動機啟動、調速和制動的各種方法以及它們的使用場所。電機分交流和直流兩種。直流電機—工作電壓或輸出的電壓為直流；交流電機—工作電壓為交流。直流電機分直流電動機和直流發電機兩種。直流電動機—將電能轉換為機械能；直流發電機—將機械能轉換為電能。3．1直流電機的基本結構和工作原理

一、直流電機的基本結構

直流電機的結構圖如圖所示：根據電機的工作原理，直流電機的組成可分為定子、轉子和換向器三大部分。

定子部分主要由定子鐵心和繞在上面的勵磁繞組兩部分組成。

轉子部分主要由電樞鐵心和電樞繞組兩部分組成。

換向器由換向片和電刷組成，電刷固定在定子上，換向片與電樞繞組相連，換向片與電刷保持滑動接觸。二、基本的工作原理為了討論直流電機的工作原理，可把復雜的直流電機結構簡化為電機具有一對主磁極，電樞繞組只是一個線圈，線圈兩端分別聯在兩個換向片上，換向片上壓著電刷A和B。如圖所示：1—主磁極：勵磁繞組上加上直流電壓，勵磁繞組上有勵磁電流通過，使定子鐵心產生固定磁場，即定子的主要作用是產生主磁場。

2—電樞繞組：在固定的磁場中旋轉，主要作用是產生感應電動勢或產生機械轉矩，實現能量的轉換。3、4—換向器：電刷固定不動，換向片與電樞繞組一起旋轉，主要作用對發電機而言是將電樞繞組內感應的交流電勢轉換成電刷間的直流電勢。對電動機而言，則是將外加的直流電流轉換為電樞繞組的交變電流，并保證每一磁極下，電樞導體的電流的方向不變，以產生恒定的電磁轉矩。3—電刷4—換向片

1．發電機原理：將機械能轉換為電能。電樞由原動機驅動而在磁場中旋轉，在電樞線圈的兩根有效邊ab和cd（切割磁力線的導體部分）中便感應出電動勢e。顯然，每一有效邊中的電動勢是交變的，即在N極下是一個方向，當它轉到S極下時是另一個方向。但是，由于電刷A總是同與N極下的有效邊相聯的換向片接觸，而電刷B總是同與S極下的有效邊相聯的換向片接觸，因此，在電刷間就出現一個極性不變的電動勢或電壓，當電刷之間接有負載時，在電動勢的作用下就在電路中產生一定方向的電流。

2．電動機原理：將電能轉換為機械能。直流電源接在電刷之間而使電流通入電樞線圈。電流方向應該是這樣的：N極下的有效邊中的電流總是一個方向，而S極下的有效邊中的電流總是另一個方向，這樣才能使兩個邊上受到的電磁力的方向一致，電樞因而轉動。因此，當線圈的有效邊從N（S）極下轉到S（N）極下時，其中電流的方向必須同時改變，使電磁力的方向不變，即電磁轉矩的方向不變而使轉子以n的轉速旋轉。三、電動勢和電磁轉矩1.電動勢E

根據電磁學原理，兩電刷間的感應電動勢為:式中：E——感應電動勢（V）；

Φ——對磁極的磁通（Wb）；

n——電樞轉速（r/min）；

Ke——與電機結構有關的常數。直流發電機中，電動勢的方向總是與電流的方向相同，被稱為電源電動勢。直流電動機中，電動勢的方向總是與電流的方向相反，被稱為反電動勢。2．電磁轉矩TM