机电传动与控制
机电传动与控制教学大纲2023
机电传动与控制教学大纲2023一、课程基本信息课程名称：机电传动与控制课程代码：＿____课程类别：专业核心课学分：＿____总学时：＿____理论学时：＿____实践学时：＿____二、课程性质与目标（一）课程性质本课程是机械设计制造及其自动化、电气工程及其自动化等专业的一门重要的专业核心课程。
它是一门综合性较强的课程，涉及机械、电气、控制等多个学科领域的知识，旨在培养学生综合运用机电知识解决实际工程问题的能力。
（二）课程目标1、知识目标了解机电传动系统的基本组成和工作原理。
掌握常用电机的工作原理、特性及选择方法。
熟悉电气控制电路的基本原理和设计方法。
理解可编程控制器（PLC）的工作原理及编程方法。
掌握机电传动系统的调速方法和制动原理。
2、能力目标能够正确选择和使用电机，并能对其进行简单的维护和故障诊断。
能够设计和分析简单的电气控制电路。
能够运用 PLC 进行控制系统的设计和编程。
能够对机电传动系统进行调速和制动控制的设计与调试。
3、素质目标培养学生的工程意识和创新思维能力。
提高学生的团队协作和沟通能力。
增强学生的责任心和敬业精神。
三、课程内容与要求（一）机电传动系统概述1、机电传动系统的组成和发展了解机电传动系统的组成部分，包括动力装置、传动机构、执行机构和控制系统。
熟悉机电传动系统的发展历程和趋势。
2、机电传动系统的运动方程式掌握机电传动系统的运动方程式，理解其物理意义。
能够运用运动方程式分析系统的运行状态。
3、机电传动系统的稳定运行理解机电传动系统稳定运行的条件。
学会分析系统在不同负载特性下的稳定运行情况。
（二）直流电机1、直流电机的工作原理和结构了解直流电机的工作原理和基本结构。
熟悉直流电机的励磁方式。
2、直流电机的电枢绕组和磁场掌握直流电机电枢绕组的构成和连接方式。
理解直流电机磁场的分布和特点。
3、直流电机的基本方程和运行特性推导直流电机的基本方程，包括电动势方程、电磁转矩方程和功率方程。
机电传动控制(第1、2章)机电传动控制的目的与任务
转距方向
二、运动方程式
d T TL J dt
……运动方程式
GD T T 375
2 Nm L Nm
N m 2
d nr / min d s t
T TL Td
……转矩平衡方程式
三、传动系统的状态
1.稳态（T TL时） : d
Td J dt
机 电 传 动 控 制
第一章
概
ห้องสมุดไป่ตู้
述
1．1 机电传动控制的目的与任务
一、机电传动系统的定义 机电传动是以电动机为原动机驱动生产机械的系统的总称。 机电传动系统包括： 1. 拖动生产机械的电动机 2. 控制电动机的控制系统
二、机电系统的组成
驱动运动部件的原动机 （这里指的是各种电动机） 之总称
机电系统完成生 产任务的基础 控制电动机的系统 驱动生产机械的电 动机和控制电动机 的一整套电气系统
2.4 机电系统稳定运行的条件 一、机电系统稳定运行的含义 1. 系统应能以一定速度匀速运行； 2. 系统受某种外部干扰（如电压波动、负载转矩波动等）使运 行速度发生变化时，应保证在干扰消除后系统能恢复到原来的运行
速度。
二、机电系统稳定运行的条件
1. 必要条件
电动机的输出转矩T和负载转矩TL大小相等，方向相反。 n=f(T)和n=f(TL)必须有交点，交点被称为平衡点。
例：如图所示电动机拖动重物上升和下降。 设重物上升时速度n的符号为正，下降时n的符号为负。
2．2 多轴拖动系统的简化
一、多轴拖动系统的组成
二、负载转矩的折算 ---按功率守恒的原则 1.对旋转运动：
TL
cM
TL L
'
机电传动控制课件
电动机的分类
旋转电机：实现直线运动需要专门的机 械传动装置，在高速、高精度应用中有 一定缺陷（高速高精度、直接驱动）。
直线电机：电机的重要方向，可以实现 高速、高精度加工，机械传动机构简单。 （两个发展方向：一种是大推力，另外 是高相应。）
直 流 、 无 刷 直 流 、 交 流 电 机 比 较
位能转矩：由物体的的重 力和弹性体的压缩、拉伸 与扭转等作用而产生的负
不中的有载··方转时难；，转作向矩为理位反矩用无大正，解能抗方关小，其，转向转，恒有特不在即矩矩定时点变在运TT不为LL为某，的的动变负：一与；符符方。方运号号程向动式则正
（阻好碍理运解动吗，？而？在？另）一方向 促进运动。
反抗转矩：又称摩擦性转 矩，因摩擦、非弹性体的 压缩、拉伸与扭转等作用 而按产2生.1的节负中载关转于矩转。矩机正械方向 加的工约过定程可中知切，削力反产抗生转的矩恒
机电传动控制技术是现代制造业的基础（各种 制造装备都是以机电传动控制为基础）
机电传动与控制技术的发展有力地推动社会的 进步（提高产品质量、制造能力）
信息社会更离不开机电传动与控制技术（信息 设备产品、信息的应用等）
机电传动与控制技术的发展
传动技术的发展（简化机械结构、直接驱动） 电动机的发展（交流、直线、高性能、大、小
虚线表示 在有摩擦 负载的实 际情况
TL Cn2
十二、直线型机特性械
实验室中模拟负 载用的他励电动 机，当励磁电流 和电枢电阻固定 不变时，其电磁 转矩与转速成正 比，即呈现直线 型机械特性。
TL Cn
十三、 恒功率型机械特性
如在车床加工过程中， 粗加工时，切削量大， 负载阻力大，开低速； 精加工时，切削量小， 负载阻力小，开高速。 但在不同转速下，切 削功率基本不变。即 呈现恒功率型机械特 性。
《机电传动控制》课件
感应电机
基于电磁感应原理，具有成本低 、可靠性高的优点，在工业自动 化、家用电器等领域广泛应用。
先进控制算法的研究与应用
滑模控制
01
通过在状态空间中设计滑模面并选择合适的切换规则，实现对
系统状态的快速响应和鲁棒性。
模糊控制
02
பைடு நூலகம்
利用模糊集合理论将不确定性因素转化为可计算的语言变量，
实现对复杂系统的有效控制。
03
机电传动控制系统的设计与实现
系统需求分析与设计
需求分析
明确系统的功能要求、性能指标和约束条件，为后续 设计提供依据。
总体设计
根据需求分析，确定系统的总体架构、组成模块和相 互关系。
详细设计
对每个模块进行详细设计，包括电路设计、机械结构 设计、软件设计等。
控制算法的选择与实现
算法选择
根据系统需求和性能要求， 选择合适的控制算法，如PID 控制、模糊控制等。
机床的运动状态和加工参数。
数控机床控制系统的应用范围包括航空、航天、汽车、模具等领域，为 现代制造业的发展提供了重要的技术支持。
智能家居控制系统
智能家居控制系统是实现家庭智能化和舒适化的重要手段 之一，它通过控制家庭设备的开关、调节设备的运行状态 和参数等，为家庭生活提供便利和舒适。
智能家居控制系统通常采用无线通信和网络技术，实现家 庭设备的互联互通和控制，同时通过传感器和执行器，实 时监测和调整家庭设备的运行状态和环境参数。
步进电机
利用脉冲信号控制电机转子步 进旋转的原理，实现精确的角
度和位置控制。
伺服电机
利用伺服系统控制电机旋转角 度和速度的原理，实现高精度
和高动态性能的控制。
控制器类型与工作原理
第一章 机电传动与控制ppt课件
身框架，机械连接等。材料，工艺，性能和水平的提高。
适应产品的高效，多功能，可靠，结构上，小型，轻量
和美观等要求。
（2）。能源部分
为系统提供能量和动力，使系统正常运行。常用
主要能源：电源，气压源和液压源等
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（3）。测试传感部分
对系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数 及状态进行检测，变成可识别的信号。传输到信息处理 单元。经过分析和处理后，产生相应的控制信息。
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（5）。控制及信息处理单元
将各传感信息和外部命令进行集中存储，分析，加工，并 按一定的程序和节奏发出相应的指令。控制整个系统有目 的运行。
组成：计算机，可编程控制器PLC，数控装置，逻辑电路， I/O,A/D，D/A。
要求：处理速度快，可靠性高，抗干扰能力强。完善的系 自我诊断功能。 智能化，小型化，轻量化，标准化等。
（4）。驱动机构执行机构
提供动力，驱动各种执行机构，来完成各种动作 和功能。 要求：高效率，快速响应特性。对外部适应性和可靠性。
根据控制信息和指令，完成要求的动作。 执行机构是运动部件：机械，电磁，电液等。
要考虑匹配性，改善性能，提高刚度，减轻重量， 实现模块化，标准化和系列化。提高整体的可靠性。
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软件程控和微电子电路的逻辑，有目的信息流向导引下， 相互协调，有机融合和集成。形成物质，能量和信息 的有序规则运动。在高功能，高质量，高可靠性，低 能耗的意义上，实现特定功能价值的系统工程技术。
A.机电一体化技术
它是微电子技术，计算机技术，信息技术与机械 技术相结合的，新兴的综合性的高新技术与微电子技 术的有机结合。
机电传动与控制(华中科技大学第四版)
特点：机械特性软；稳定度低； 特点：机械特性软；稳定度低； 在空载或轻载时，调速范围小； 在空载或轻载时，调速范围小； 实现无极调速困难；在调速电阻 实现无极调速困难； 上消耗大量电能。 上消耗大量电能。 应用：起重机、卷扬机等低速运 应用：起重机、 转时间短的传动系统中使用。 转时间短的传动系统中使用。
3.6 直流他励电动机的制动特性
反接制动 电枢电压或电枢电势中的任一个在外 部条件下改变了方向，电机处于反接制动状态。 部条件下改变了方向，电机处于反接制动状态。 反接制动分为电源反接制动和倒拉反接制动 反接制动分为电源反接制动和 分为电源反接制动 电源反接制动:改变电枢电压的方向所产生的反接 电源反接制动: 制动 倒拉反接制动：改变电枢电动势的方向所产生的反 倒拉反接制动： 接制动
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3.5 直流他励电动机的调速特性 2. 改变 U时的调速特性
U Ra n= − T = n0 − ∆n 2 KeφN KeKtφN 特点： 特点： 1) 当电压连续变化时，转速可以平滑 当电压连续变化时， 无级调节； 无级调节； 2) 机械特性硬度不变，调速的稳定度 机械特性硬度不变， 较高，调速范围较宽； 较高，调速范围较宽；
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机电传动与控制
§ 3.5直流他励电动机的调速特性 3.5直流他励电动机的调 速度调节：在一定的负载条件 速度调节： 下，人为地改变电动机的电路 参数，以改变电动机的稳定转 参数， 速的过程。 速的过程。 速度变化：由于负载的变化而 速度变化： 引起的电动机的速度的改变。 引起的电动机的速度的改变。
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3.6 直流他励电动机的制动特性 1）电源反接制动
正常工作 时： U = E + I（ a + Rad） a R
机电传动与控制
交流电动机的常用电气制动方法有能耗制动和电源反接制动两种。
晶闸管的三个极分别叫阳极，阴极和控制极。
可编程序控制器一般采用对用户程序循环扫描的工作方式，工作时分读入现场数据、执行用户程序和刷新输出阶段三个阶段。
晶闸管的触发电路主要由同步电路、移相电路、脉冲形成电路和功率放大电路几部分子电路构成。
直流电动机调速系统，若想采用恒功率调速，则可改变Φ ，若想采用恒转矩调速，则可改变U 。
机电传动系统的发展经历了成组拖动、单电动机拖动和多电动机拖动三个阶段。
生产机械的机械特性指电动机轴上的负载转矩和转速之间的函数关系。
直流电动机的结构包括定子和转子两部分。
直流发电机按励磁方法来分类，分为他励、并励、串励和复励四种。
直流他励电动机的制动状态分为反馈制动、反接制动和能耗制动三种形式。
三相鼠笼式异步电动机的启动方式有全压启动和降压启动。
电气控制系统中常设的保护环节是短路保护、过电流保护、长期过载保护、零电压与欠电压保护和弱励磁保护。
晶闸管的导通条件是阳极加正向电压与控制极加正向电压。
交流异步电动机常用的调速方法有调压、改变极对数、变频。
异步电动机，运行在正向电动状态，现采用电源反接制动停车，则应把电动机三相电源的相序改变，当转速接近零时，应将电源切断。
伺服电动机是将电信号转换成轴上的转角或转速信号的控制电机。
可编程控制器硬件的核心部分是中央处理单元，存储器用来存放程序和数据，它分为系统程序存储器和用户程序存储器两大部分。
生产机械的典型机械特性恒转矩、离心通风机、直线和恒功率等几种。
实现多地点控制一台电动机启动停止时，应把启动按钮并联连接，停止按钮串联连接。
电动机所产生的转矩在任何情况下，总是由轴上的负载转矩和动态转矩之和所平衡。
机电传动系统中如果T M<T L，电动机旋转方向与TM相同，转速将产生的变化是减速。
起重机吊一个重物升降时，负载的机械特性是位能型恒转矩。
励磁绕组是属于直流电动机的定子部分。
位能转矩的作用方向恒定，与运动方向无关。
机电传动与控制课程设计
系统可靠性与安全性考虑
机电传动与控 制系统的集成 与优化需要考 虑系统的可靠
性和安全性
系统的可靠性 是指系统在规 定的条件下和 规定的时间内 完成规定功能
的能力
系统的安全性 是指系统在运 行过程中不会 对人员、设备、 环境造成危害
系统的可靠性和 安全性可以通过 设计、制造、安 装、调试、运行、 维护等环节来保
机电传动与控制课
程设计的成果展示
07
与评价
设计成果展示要求与方法
成果展示内容：包括设计思路、设计方 案、设计过程、设计结果等
展示形式：可以是PPT、视频、实物模型 等
展示时间：控制在10-15分钟
展示要求：清晰、准确、有条理，能够 充分展示设计成果和创新点
评价方法：包括自我评价、小组评价、教师评价等， 评价标准包括设计思路、设计方案、设计过程、设 计结果等
01
添加章节标题
机电传动与控制课
02
程设计概述
课程设计的目的和意义
培养实践能力： 通过课程设计， 提高学生的实践 操作能力和解决 问题的能力。
理论联系实际： 将理论知识与实 际应用相结合， 加深学生对专业 知识的理解和掌 握。
创新思维培养： 鼓励学生发挥创 新思维，提高创 新能力和实践能 力。
散热：考虑电机的散热问 题，选择合适的散热方式
传动元件设计
传动元件类型：齿轮、皮带、链条等 传动元件选择：根据负载、速度、精度等要求选择合适的传动元件 传动元件参数：传动比、转速、扭矩等 传动元件安装：确保传动元件安装正确、牢固，避免振动、噪音等问题
传动系统动力学分析
动力学模型：建立 机电传动系统的动 力学模型
案例对比：将不 同案例进行对比， 分析其优缺点和 适用场景
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1、
交流异步流电动机的由（定子），（转子）部分组成。
2、
直流他励电动机有（调压），（转子串电阻），（调励磁电压）调速方法。
3、
直流电动机的励磁方式有（他励），（并励）,(串励),(复励)。
4、
同步电动机与异步电动机在结构上相同处为（转子），不同处为（转子）。
5、
三相异步电动机在启动瞬间的转差率为（1）。
6、
同步电动机一般是按（异步）方式启动，（同步）方式运行的。
7、
异步电动机同步转速和实际转速差与同步转速之比叫（转差率）。
8、
直流它励电动机减弱磁通过度时电动机会出现（飞车）现象。
9、
直流他励电动机的制动方式有（能耗制动），（反接制动），（再生发电制动），（倒拉反接制动）。
10、 三相异步电动机的调速方式有（改变电压），（改变电源频率），（改变极对数），（改变转差率）。
11、直流电动机机械特性的一般表达式（T C C R C U n m e a e 2
φφ-=）。
12、晶闸管的三个极分别叫（阴极、阳极、控制极）以符号（ A 、G 、K ）分别表示。
13、晶闸管承受正偏到触发导通位置所对应的电角度叫（电控角）。
14、晶闸管导通的条件是（正向偏置，控制极加正向脉冲）、晶闸管关断的条件是（反向偏置或正向电压降低到某值）。
有一台并励直流电动机，其电器性能参数为：P N =20kw,U N =220V,I N =107A,N N =3000r/min,电枢回路总电阻R a =0.067Ω,励磁回路电阻R f =155Ω,求：
（1） 额定负载时，电枢电势为多少？
（2） 固有特性方程式；
（3） 设轴上负载转矩为0.9T N 时，电动机在固有机械特性上的转速？
（1） （2） （3）
按下SB2，KT 线圈得电，KM3圈得电，KT 开始计时，KM3主触头闭合， KM3常闭断开对KM2的联锁，KM3常开闭合，KM1线圈得电，KM1主触头闭合，KM1常开闭合 ，电机接成Y 型减压起动。
定时时间到，KT 常闭断开，KM3圈失电，KM3触头断开，解除Y 接，KM3常开断开 ，KT 失电，KM3常闭闭合，KM2线圈得电，KM2常闭断开，对KM3联锁，KM2主触头闭合 ，电机接成△型全压运行 KM2常开断开，KT 常闭触头闭合，按下SB1电机停止。
FU1作主电路的短路保护，FU2作控制电路的短路保护，FR 作主电机过载保护。
KM 交流接触器零压保护
单相半波可控整流电路， R L ＝10Ω，将交流200V 电源接入，α＝60°。
试计算整流电压的平均值、电流的有效值。
并选用晶闸管。
电压的平均值： 电流的有效值 额定电流为：。