1、機(jī)電傳動(dòng)控制(第五版),馮清秀 鄧星鐘 等編著 華中科技大學(xué)出版社2011年6月,“機(jī)電傳動(dòng)控制(第五版)”多媒體課件 湖南理工學(xué)院張萬奎 2011年,第1章 緒論,機(jī)電傳動(dòng)的發(fā)展概況; 電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展概況; “機(jī)電傳動(dòng)控制”課程的性質(zhì)和任務(wù).,1.機(jī)電傳動(dòng)發(fā)展的概況,1) 成組拖動(dòng) 一臺(tái)電動(dòng)機(jī)-一根天軸-一組生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備 機(jī)構(gòu)復(fù)雜,損耗大,效率低,工作可靠性差. 2) 單臺(tái)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng) 一臺(tái)電動(dòng)機(jī)-一臺(tái)設(shè)備 當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備運(yùn)動(dòng)部件較多時(shí),機(jī)構(gòu)仍復(fù)雜,滿足不了生產(chǎn)工藝要求. 3) 多臺(tái)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng) 一臺(tái)專門的電動(dòng)機(jī)-同一臺(tái)設(shè)備的每一個(gè)運(yùn)動(dòng)部件 機(jī)構(gòu)簡單,控制靈活,便于生產(chǎn)機(jī)械的自動(dòng)化. 舉例:

2、龍門刨床的刨臺(tái),左垂直刀架,右垂直刀架,側(cè)刀架,橫梁,夾緊機(jī)構(gòu),都是分別由一臺(tái)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的.,2.電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展概況,1) 繼電器-接觸器控制系統(tǒng) 能對(duì)控制對(duì)象實(shí)現(xiàn)起動(dòng),制動(dòng),有級(jí)調(diào)速控制; 結(jié)構(gòu)簡單,動(dòng)作可靠;控制速度慢,控制精度差. 2) 連續(xù)控制方式和自動(dòng)控制系統(tǒng) 20世紀(jì)30年代的電機(jī)放大機(jī)控制,40-50年代的磁放大器控制和水銀整流器控制,1958年以后的晶閘管-直流電動(dòng)機(jī)無級(jí)調(diào)速系統(tǒng),80年代以來的新型電力電子元件-交流電動(dòng)機(jī)無級(jí)調(diào)速系統(tǒng); 控制簡單,可靠性高,連續(xù)控制,拖動(dòng)性能好.,電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展概況,3) 可編程序控制器(PLC) 是繼電器常規(guī)控制技術(shù)與微機(jī)技術(shù)的結(jié)合,

3、是一臺(tái)按開關(guān)量輸入的工業(yè)控制專用計(jì)算機(jī); 具有邏輯運(yùn)算功能,定時(shí)/計(jì)數(shù)功能,數(shù)字運(yùn)算功能,通信功能. 4) 計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng) 1952年美國出現(xiàn)第一臺(tái)數(shù)控銑床,1958年出現(xiàn)加工中心,20世紀(jì)70年代CNC應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床和加工中心,80年代出現(xiàn)了柔性制造系統(tǒng)(FNS); 提高了生產(chǎn)機(jī)械的通用性和效率,實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工全盤自動(dòng)化.,3.“機(jī)電傳動(dòng)控制”課程的性質(zhì)和任務(wù),1) 課程性質(zhì) 該課程是機(jī)械類專業(yè)的一門必修的專業(yè)基礎(chǔ)課,是機(jī)電一體化人才所需電知識(shí)的驅(qū)體.它將電機(jī),電器,繼電器-接觸器控制,PLC,電力電子技術(shù),自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在一起. 2) 課程內(nèi)容 全書11章,分為5個(gè)單元: (1)

4、機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)和過渡過程，第2章; (2)電機(jī)及繼電器-接觸器控制，第3，4，5，6章； （3）可編程序控制器，第7章; (4)電力電子技術(shù)的基本知識(shí)，第8章; (5)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)，第9，10，11章. 重點(diǎn)：第4，6，7，9章,3) 課程學(xué)習(xí)任務(wù) 掌握繼電器-接觸器控制系統(tǒng)的工作原理和元件選擇, 掌握PLC的編程方法與應(yīng)用, 掌握閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理與性能及其應(yīng)用場(chǎng)所. 了解電力拖動(dòng)的一般知識(shí), 了解最新電氣控制技術(shù)在生產(chǎn)機(jī)械上的應(yīng)用.,閱讀書目:,1.齊占慶主編.機(jī)床電氣控制技術(shù)(第三版).北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2004年6月. 2.陳伯時(shí)主編.電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)(第三版).

5、北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2003年8月. 3.程憲平主編.機(jī)電傳動(dòng)與控制(第二版).武漢:華中科技大學(xué)出版社.2003年9月. 4.魏炳貴主編.電力拖動(dòng)基礎(chǔ).北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2000年8月. 5.張萬奎主編.機(jī)床電氣控制技術(shù).北京;北京大學(xué)出版社.2006年8月.,第2章 機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ),了解機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式,用它來分析機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài); 了解多軸拖動(dòng)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩的折算方法; 了解幾種典型生產(chǎn)機(jī)械的機(jī)械特性; 掌握機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件.,2.1 機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式,1.單軸機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式:,定義式,工程計(jì)算式,在上述兩個(gè)式子中:

6、 TM-電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩; TL-負(fù)載轉(zhuǎn)矩; J-轉(zhuǎn)動(dòng)慣量; GD2-飛輪轉(zhuǎn)矩,且J=1/4(GD2); n-轉(zhuǎn)速; -角速度.,討論.在上式中: 1)當(dāng)TM=TL時(shí),n為常數(shù).dn/dt=0,狀態(tài)為恒速;稱之為穩(wěn)態(tài)或靜態(tài). 2)當(dāng)TMTL時(shí),n為變數(shù),dn/dt 0,狀態(tài)為加速或減速;稱之為動(dòng)態(tài).,2.系統(tǒng)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩Td,討論: 1)當(dāng)Td=0時(shí),系統(tǒng)為穩(wěn)態(tài); 2)當(dāng)Td0時(shí),系統(tǒng)為動(dòng)態(tài): (1) Td0,dn/dt=a0, 系統(tǒng)加速; (2) Td0,dn/dt=a0, 系統(tǒng)減速. 因此,TM,TL有大小,有方向.,則工程計(jì)算式可寫為: TM-TL= Td,令系統(tǒng)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩:,3.TM,TL的正方向

7、及性質(zhì),以轉(zhuǎn)速n為參考量 (先定下n的正方向); 規(guī)定: 與n方向相同的TM為正,與n方向相反的TL為正; 與n方向相反的TM為負(fù),與n方向相同的TL為負(fù).,舉例,例1:列出下圖系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式,并說明運(yùn)動(dòng)狀態(tài).,解:TM與n反向?yàn)樨?fù),TL與n反向?yàn)檎?運(yùn)動(dòng)方程如下式;狀態(tài)為減速.,舉例,例2:提升重物過程如左圖示,寫出運(yùn)動(dòng)方程式. 解:(a)中,提升重物,TM為正,TL為正,運(yùn)動(dòng)方程式為:,(b)中,仍為提升重物,但TM為負(fù),TL為正,運(yùn)動(dòng)方程式為:,思考題:試分析圖(a)和圖(b)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).,思考題,圖(a)中,要能提升重物,必須有TMTL,系統(tǒng)加速.,圖(b)中,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩為負(fù),也

8、是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,系統(tǒng)減速提升,直至停止.,2.2轉(zhuǎn)矩.轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩的折算,實(shí)際拖動(dòng)系統(tǒng)一般是多軸傳動(dòng)系統(tǒng),該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式,是將其轉(zhuǎn)矩等折算到一根軸上,再按2.1的方法列出運(yùn)動(dòng)方程式. 折算時(shí),可以折算到電動(dòng)機(jī)軸上(高速軸),也可以折算至低速軸上.,旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 直線運(yùn)動(dòng),三軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)折算至電動(dòng)機(jī)軸上,1.負(fù)載轉(zhuǎn)矩的折算,式中,速比,-傳動(dòng)效率;,2.轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算,3.飛輪轉(zhuǎn)矩的折算,式中,分別為電動(dòng)機(jī)軸,中間傳動(dòng)軸,生產(chǎn)機(jī)械軸上的飛輪轉(zhuǎn)矩.,式中,三軸直線運(yùn)動(dòng)折算到電動(dòng)機(jī)軸上,1.負(fù)載轉(zhuǎn)矩的折算 提升時(shí),3.飛輪轉(zhuǎn)矩的折算,2.轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算,要注意式上面幾個(gè)式子中各個(gè)符號(hào)代表的物理意義.

9、,下降時(shí),計(jì)算舉例,例3 機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)如下圖(a)所示.已知每根軸的飛輪轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速,負(fù)載轉(zhuǎn)矩為98 ,電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩29.4 ,傳動(dòng)效率0.9,求生產(chǎn)機(jī)械軸上的加速度是多少?,由公式可得生產(chǎn)機(jī)械軸上的加速度為,解:這是折算到低速軸,計(jì)算舉例題圖(a),2.3 機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載特性,1.恒轉(zhuǎn)矩特性 1)特點(diǎn):負(fù)載轉(zhuǎn)矩為常數(shù); 2)分類:反抗轉(zhuǎn)矩, 位移轉(zhuǎn)矩. 舉例:設(shè)備的提升機(jī)構(gòu), 提升機(jī)的行走機(jī)構(gòu), 皮帶運(yùn)輸機(jī), 機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng).,2.恒功率特性 特點(diǎn):負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比, 功率基本不變. 舉例:球磨機(jī), 碎石機(jī), 機(jī)床的主運(yùn)動(dòng).,3.通風(fēng)機(jī)特性 特點(diǎn):負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平 方成正比. 舉例:

10、水泵, 通風(fēng)機(jī). 風(fēng)機(jī),水泵電動(dòng)機(jī)的容量占工業(yè)用戶總用電量的70%.,2.4 機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件,1.機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件 1) 和 兩條特性曲線有交點(diǎn),該交點(diǎn)稱之為系統(tǒng)的平衡點(diǎn).,2)當(dāng)轉(zhuǎn)速大于平衡點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速時(shí),有: TMTL; 當(dāng)轉(zhuǎn)速小于平衡點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速時(shí), 有: TM TL,2.穩(wěn)定工作點(diǎn)判別,穩(wěn)定運(yùn)行判別舉例,例1, 試判別右圖所示三相異步電動(dòng)機(jī)特性曲線與恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性曲線組成系統(tǒng)的穩(wěn)定平衡點(diǎn). 分析: 由機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定判據(jù)的兩個(gè)條件,分別判別圖中a點(diǎn)和b點(diǎn)是否滿足穩(wěn)定運(yùn)行的條件.,解: 1)有交點(diǎn)a和b; 2)對(duì)于a點(diǎn),當(dāng)轉(zhuǎn)速小于a點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速時(shí),電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩大于負(fù)

11、載轉(zhuǎn)矩,a點(diǎn)是平衡點(diǎn); 對(duì)于b點(diǎn),當(dāng)轉(zhuǎn)速小于b點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速時(shí),電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩,b點(diǎn)不是平衡點(diǎn). (同學(xué)們可自己作一條b點(diǎn)以下的線),穩(wěn)定判別舉例,例2 右圖中b點(diǎn)是不是穩(wěn)定平衡點(diǎn)?為什么?,解:b點(diǎn)是平衡工作點(diǎn). 1)兩條曲線有交點(diǎn)b; 2)當(dāng)轉(zhuǎn)速大于b點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速時(shí),即在b點(diǎn)上方作一條虛線,與這兩條曲線有交點(diǎn),其中,與負(fù)載特性曲線的交點(diǎn)位于與電動(dòng)機(jī)特性曲線交點(diǎn)的右側(cè),即電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩.,2.5 機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的過渡過程,1 研究機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)過渡過程的實(shí)際意義 1）.意義:為機(jī)電傳動(dòng)提供控制原則,設(shè)計(jì)出完善的自動(dòng)控制線路. 2）.過渡過程的基本規(guī)律:機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù),如轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)

12、矩,電流等對(duì)時(shí)間的變化規(guī)律. 3）.舉例: （1)龍門刨床的工作臺(tái).它在工作中經(jīng)常需要起動(dòng),制動(dòng),反轉(zhuǎn),調(diào)速;要求過渡過程盡量快,以提高生產(chǎn)率. （2)電梯.要求起動(dòng),制動(dòng)平滑,速度變化不能過大,以保證安全和舒適. （3)印刷機(jī).要求限制加速度的大小,以保證生產(chǎn)出合格產(chǎn)品.,2 機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)過渡過程的分析,1）.機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生過渡過程的原因 外部原因:系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩關(guān)系被破壞; 內(nèi)部原因:系統(tǒng)中存在有貯能的慣性元件.,2）.機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生過渡過程的慣性 1)機(jī)械慣性:反映在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量或飛輪轉(zhuǎn)矩上.,使轉(zhuǎn)速不能突變. 2)電磁慣性:反映在電感上,.如直流電動(dòng)機(jī)有機(jī)電時(shí)間常數(shù)和電氣時(shí)間常數(shù). 3)熱慣性:反映在溫度上. 一般情況下,只考慮機(jī)械慣性,3）.起動(dòng)時(shí)過渡過程曲線,（1)起動(dòng)時(shí):t=0,TM=Tst 動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩Td最大,轉(zhuǎn)速迅速上升. （2)穩(wěn)態(tài):TM=TL,n=ns,工程上認(rèn)為,當(dāng),時(shí),轉(zhuǎn)速已達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速,過渡過程結(jié)束.,3 機(jī)電時(shí)間常數(shù),1）.機(jī)電時(shí)間常數(shù)的表達(dá)式,表示機(jī)電時(shí)間常數(shù)的幾何意義,表示機(jī)電時(shí)間常數(shù)的物理意義,(交流異步電動(dòng)機(jī)和直流他激及并激電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)),2）.機(jī)電時(shí)間常數(shù)是機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要參數(shù),直接影響系統(tǒng)過渡過程