1、（1-1） 第二章 機電傳動系統(tǒng)的運動學基礎(chǔ)機電傳動控制機電傳動控制（1-2）第二章 機電傳動系統(tǒng)的運動學基礎(chǔ)本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容：機電傳動系統(tǒng)的運動方程式；多軸傳動系統(tǒng)中轉(zhuǎn)矩折算的基本原則和方法；了解幾種典型生產(chǎn)機械的負載特性；了解機電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件以及學會分析實際系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（1-3）一、單軸拖動系統(tǒng)的組成一、單軸拖動系統(tǒng)的組成 電動機電動機M通過連接件直接與生產(chǎn)機械相連，由電動機通過連接件直接與生產(chǎn)機械相連，由電動機M產(chǎn)產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)矩生輸出轉(zhuǎn)矩TM，用來克服負載轉(zhuǎn)矩用來克服負載轉(zhuǎn)矩TL，帶動生產(chǎn)機械以角速帶動生產(chǎn)機械以角速度度（或速度或速度n）進行運動。進行運動。2.1 單

2、軸拖動系統(tǒng)的運動方程式連接件連接件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)矩方向轉(zhuǎn)矩方向電動機電動機電動機的驅(qū)動對象電動機的驅(qū)動對象（1-4）二、運動方程式二、運動方程式 在機電系統(tǒng)中，在機電系統(tǒng)中，TM、TL、（或或n)之間的函數(shù)關(guān)系稱為之間的函數(shù)關(guān)系稱為運動運動方程式方程式。 根據(jù)動力學原理，根據(jù)動力學原理，TM、TL、（或或n)之間之間的函數(shù)關(guān)系如下：的函數(shù)關(guān)系如下：tnJtJTTdd602ddLM 運動方程式運動方程式 轉(zhuǎn)矩平衡方程式轉(zhuǎn)矩平衡方程式 dLMTTTTM 電動機的輸出轉(zhuǎn)矩（電動機的輸出轉(zhuǎn)矩（Nm）; TL 負載轉(zhuǎn)矩（負載轉(zhuǎn)矩（Nm）; J 轉(zhuǎn)動慣量（轉(zhuǎn)動慣量（kgm2）; 角速度（角速度（r

3、ad/s）；）； n 速度（速度（r/min）；）； t 時間（時間（s ）; tnJtJTdd602ddd 動態(tài)轉(zhuǎn)矩（動態(tài)轉(zhuǎn)矩（Nm） （1-5）根據(jù)運動方程式可知：運動系統(tǒng)有根據(jù)運動方程式可知：運動系統(tǒng)有兩種兩種不同的運動狀態(tài)：不同的運動狀態(tài)： 1穩(wěn)態(tài)（穩(wěn)態(tài)（ ）時：）時： ，即，即 ，為常數(shù)，傳動系統(tǒng)以恒速運動。為常數(shù)，傳動系統(tǒng)以恒速運動。 時，傳動系統(tǒng)處于恒速運動的這種狀態(tài)被稱為時，傳動系統(tǒng)處于恒速運動的這種狀態(tài)被稱為穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)。三、傳動系統(tǒng)的狀態(tài)三、傳動系統(tǒng)的狀態(tài) LMTT 0dddtJT0ddtLMTT2動態(tài)（動態(tài)（ 時）：時）： 時：時： ，即，即 ，傳動系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)加速加速運動

4、。運動。 時：時： ，即，即 ，傳動系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)減速減速運動。運動。 時：傳動系統(tǒng)處于加速或減速運動的這種狀態(tài)被稱為動態(tài)。時：傳動系統(tǒng)處于加速或減速運動的這種狀態(tài)被稱為動態(tài)。 LMTTLMTT0dddtJT0ddtLMTT0dddtJT0ddtLMTT（1-6）四、四、TM 、TL、n 的參考方向的參考方向 因為電動機和生產(chǎn)機械以共同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，所以，一般以因為電動機和生產(chǎn)機械以共同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，所以，一般以（或或n）的轉(zhuǎn)動方向為參考來確定轉(zhuǎn)矩的正負。的轉(zhuǎn)動方向為參考來確定轉(zhuǎn)矩的正負。 拖動轉(zhuǎn)矩促進運動；制動轉(zhuǎn)矩阻礙運動。拖動轉(zhuǎn)矩促進運動；制動轉(zhuǎn)矩阻礙運動。1. TM的符號與性質(zhì)的符號與性質(zhì)

5、當當TM的實際作用方向與的實際作用方向與n的方向相同時，取與的方向相同時，取與n相同的符號；相同的符號； 當當TM的實際作用方向與的實際作用方向與n的方向相反時，取與的方向相反時，取與n相反的符號；相反的符號； 當當TM的實際作用方向與的實際作用方向與n的方向相同（符號相同）時，的方向相同（符號相同）時，TM為拖為拖動轉(zhuǎn)矩，否則為制動轉(zhuǎn)矩。動轉(zhuǎn)矩，否則為制動轉(zhuǎn)矩。2. TL的符號與性質(zhì)的符號與性質(zhì) 當當TL的實際作用方向與的實際作用方向與n的方向相同時，取與的方向相同時，取與n相反的符號；相反的符號； 當當TL的實際作用方向與的實際作用方向與n的方向相反時，取與的方向相反時，取與n相同的符號；

6、相同的符號； 當當TL的實際作用方向與的實際作用方向與n的方向相同（符號相反）時，的方向相同（符號相反）時，TL為拖為拖動轉(zhuǎn)矩，否則為制動轉(zhuǎn)矩。動轉(zhuǎn)矩，否則為制動轉(zhuǎn)矩。（1-7）當重物下降時的狀況如何？當重物下降時的狀況如何？（1-8）（1-9）（1-10） 2 22 2多軸拖動系統(tǒng)的簡化多軸拖動系統(tǒng)的簡化一、多軸拖動系統(tǒng)的組成一、多軸拖動系統(tǒng)的組成 電動機通過減速機構(gòu)（如減速齒輪箱、蝸輪蝸桿等）與生產(chǎn)電動機通過減速機構(gòu)（如減速齒輪箱、蝸輪蝸桿等）與生產(chǎn)機械相連，如圖所示：機械相連，如圖所示： 為了對多軸拖動系統(tǒng)進行運行狀態(tài)的分析，一般是將多軸拖動為了對多軸拖動系統(tǒng)進行運行狀態(tài)的分析，一般是將

7、多軸拖動系統(tǒng)等效折算為單軸系統(tǒng)。系統(tǒng)等效折算為單軸系統(tǒng)。折算的原則是：折算的原則是：靜態(tài)時，折算前后系統(tǒng)總的傳輸功率不變靜態(tài)時，折算前后系統(tǒng)總的傳輸功率不變。 （1-11）（1-12）三、轉(zhuǎn)動慣量的折算旋轉(zhuǎn)運動三、轉(zhuǎn)動慣量的折算旋轉(zhuǎn)運動 根據(jù)動能守恒原則，折算到電動機軸上的的總轉(zhuǎn)動慣量為：根據(jù)動能守恒原則，折算到電動機軸上的的總轉(zhuǎn)動慣量為： 式中：式中： 分別為電動機軸、中間傳動軸、生產(chǎn)機械運動軸分別為電動機軸、中間傳動軸、生產(chǎn)機械運動軸上的轉(zhuǎn)動慣量；上的轉(zhuǎn)動慣量； 電動機軸與中間傳動軸之間的速度比；電動機軸與中間傳動軸之間的速度比； 電動機軸與生產(chǎn)機械運動軸之間的速度比；電動機軸與生產(chǎn)機械運

8、動軸之間的速度比； 分別為電動機、中間傳動軸、生產(chǎn)機械運動軸的分別為電動機、中間傳動軸、生產(chǎn)機械運動軸的旋轉(zhuǎn)角速度。旋轉(zhuǎn)角速度。 2LL211MZjJjJJJL1MJJJ、1M1jLMLjL1M、（1-13） 當速度比當速度比 j 較大時，中間傳動機構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量較大時，中間傳動機構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量 J1，在折算在折算后占整個系統(tǒng)的比重不大，實際工程中為方便計算，多用適當后占整個系統(tǒng)的比重不大，實際工程中為方便計算，多用適當加大電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量加大電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量JM的方法，來考慮中間傳動機構(gòu)的的方法，來考慮中間傳動機構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)動慣量J1的影響，于是有：的影響，于是有：一般一般 2LLMZ

9、jJJJ25. 11 . 1四、轉(zhuǎn)動慣量的折算直線運動四、轉(zhuǎn)動慣量的折算直線運動 設直線運動部件的質(zhì)量為設直線運動部件的質(zhì)量為m，折算到電動機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量折算到電動機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為：為： 依據(jù)上述方法，就可把具有中間傳動機構(gòu)帶旋轉(zhuǎn)運動部件或依據(jù)上述方法，就可把具有中間傳動機構(gòu)帶旋轉(zhuǎn)運動部件或直線運動部件的多軸系統(tǒng)簡化為等效的單軸系統(tǒng)，以此來研究機直線運動部件的多軸系統(tǒng)簡化為等效的單軸系統(tǒng)，以此來研究機電傳動系統(tǒng)的運動規(guī)律。電傳動系統(tǒng)的運動規(guī)律。 2M22LL211MZvmjJjJJJ（1-14） 2 23 3 生產(chǎn)機械的機械特性生產(chǎn)機械的機械特性 在同一軸上，負載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)

10、系，稱為生產(chǎn)機械在同一軸上，負載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系，稱為生產(chǎn)機械的機械特性。大體上可歸納為如下幾種機械特性。的機械特性。大體上可歸納為如下幾種機械特性。一、恒轉(zhuǎn)矩型機械特性一、恒轉(zhuǎn)矩型機械特性 恒轉(zhuǎn)矩型機械特性根據(jù)其特點可分為反抗轉(zhuǎn)矩和位能轉(zhuǎn)矩兩種。恒轉(zhuǎn)矩型機械特性根據(jù)其特點可分為反抗轉(zhuǎn)矩和位能轉(zhuǎn)矩兩種。分別如圖所示：分別如圖所示：1 1反抗轉(zhuǎn)矩反抗轉(zhuǎn)矩：又稱摩擦性轉(zhuǎn)矩，因摩擦、非彈性體的壓縮、拉伸：又稱摩擦性轉(zhuǎn)矩，因摩擦、非彈性體的壓縮、拉伸與扭轉(zhuǎn)等作用而產(chǎn)生的負載轉(zhuǎn)矩。機械加工過程中切削力產(chǎn)生的負與扭轉(zhuǎn)等作用而產(chǎn)生的負載轉(zhuǎn)矩。機械加工過程中切削力產(chǎn)生的負載轉(zhuǎn)矩就是反抗轉(zhuǎn)矩。其特點如下

11、：載轉(zhuǎn)矩就是反抗轉(zhuǎn)矩。其特點如下： 轉(zhuǎn)矩大小恒定不變；轉(zhuǎn)矩大小恒定不變； 作用方向始終與速度作用方向始終與速度n n的方向相反，當?shù)姆较蛳喾?，當n n的方向發(fā)生變化時，它的方向發(fā)生變化時，它的作用方向也隨之發(fā)生變化，恒與運動方向相反，即總是阻礙運動的作用方向也隨之發(fā)生變化，恒與運動方向相反，即總是阻礙運動的。的。 （1-15） 按關(guān)于轉(zhuǎn)矩正方向的約定可知，反抗轉(zhuǎn)矩恒與轉(zhuǎn)速按關(guān)于轉(zhuǎn)矩正方向的約定可知，反抗轉(zhuǎn)矩恒與轉(zhuǎn)速n取相同取相同的符號，即的符號，即n為正方向時為正方向時TL為正，特性在第一象限；為正，特性在第一象限；n為負方向為負方向時時TL為負，特性在第三象限，如圖所示。為負，特性在第三象限

12、，如圖所示。（1-16） 2位能轉(zhuǎn)矩：位能轉(zhuǎn)矩：由物體的的重力和彈性體的壓縮、拉伸與扭由物體的的重力和彈性體的壓縮、拉伸與扭轉(zhuǎn)等作用而產(chǎn)生的負載轉(zhuǎn)矩，其特點為：轉(zhuǎn)等作用而產(chǎn)生的負載轉(zhuǎn)矩，其特點為： 轉(zhuǎn)矩大小恒定不變；轉(zhuǎn)矩大小恒定不變； 作用方向不變，與運動方向無關(guān)，即在某一方向阻礙運動，作用方向不變，與運動方向無關(guān)，即在某一方向阻礙運動，而在另一方向促進運動。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(chǎn)生的負載轉(zhuǎn)矩永遠作用在使重物下降的方向，當電以，由它產(chǎn)生的負載轉(zhuǎn)矩永遠作用在使重物下降的方向，當電動

13、機拖動重物上升時，動機拖動重物上升時，TL與與n的方向相反；當重物下降時，的方向相反；當重物下降時，TL和和n的方向相同。的方向相同。（1-17） 不論不論n為正向還是負向，為正向還是負向，TL都不變，特性在第一、都不變，特性在第一、四象限。如圖四象限。如圖 (b)所示。所示。 不難理解，在運動方程式中，反抗轉(zhuǎn)矩不難理解，在運動方程式中，反抗轉(zhuǎn)矩TL的符號的符號正的正的；位能轉(zhuǎn)矩位能轉(zhuǎn)矩TL的符號則有時的符號則有時為正為正，有時，有時為負為負。（1-18）（1-19）四、四、 恒功率型機械特性恒功率型機械特性 恒功率型機械特性的負載轉(zhuǎn)矩恒功率型機械特性的負載轉(zhuǎn)矩TL的大小與速度的大小與速度n的大小成反比，的大小成反比，即即 ，其中，其中C為常數(shù)。如圖所示。為常數(shù)。如圖所示。nCTL（1-20） 2 24 4 機電系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件機電系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件 機電傳動系統(tǒng)中，電動機與生產(chǎn)機械連成一體，為了使系機電傳動系統(tǒng)中，電動機與生產(chǎn)機械連成一體，為了使系統(tǒng)運行合理，就要使電動機的機械特性與生產(chǎn)機械的機械特性統(tǒng)運行合理，就要使電動機的機械特性與生產(chǎn)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盡量相配合。特性配合好的一個起碼要求是系統(tǒng)能穩(wěn)定運行系統(tǒng)能穩(wěn)定運行。一、機電系統(tǒng)穩(wěn)定運行的含義一、機電系統(tǒng)穩(wěn)定運行的含義 系統(tǒng)應能一定速度勻速運行；