机电传动控制(完整版)

机电传动控制教案学院、系：机械电子工程学院机电系任课教师：任有志授课专业：机械设计制造及其自动化课程学分：课程总学时：60学时课程周学时：2006年2月20日机电传动控制教学进程第 1 次课 2 学时第一章概述§1.1机电传动的目的和任务1.传动——运动的传递（能量）传动的分类（按机械动能传递方法）（1）机械传动 a.齿轮b.杠杆如：自行车驱动力、链传动c.皮带d.机构等刹车、连杆机构传递力或力矩（机械能）（2〕流体传动 a.液压与气动（压力能）b.液力传动（流体动能）（3）机电传动(电力拖动)（4）另外还有其它的传动方式。

注：有时，在一个生产机械中由几种传动形式联合工作。

2.机电传动－（本课程研究的内容）以电动机为原动机驱动生产机械的传动系统它是一种由电能转变成机械能的传动系统，所以有时也称为电力传动或电力拖动3. 机电传动控制目前：由于生产技术的不断发展，生产机械的自动化程度和生产精度不断提高，所以要求机电传动系统不仅完成能量转换的工作还要对传动过程进行控制。

本课程所研究的就是这二部分内容。

传动及控制所以课程名称叫《机电传动控制》举例：天车的吊起、制动机床切削过程电梯平稳升降及定位轧机的换向等§1.2机电传动发展概况简单的可以分为：a.成组拖动（传动）b.单电机拖动c.多电机拖动三个阶段从控制系统的功率器件上分类：a.接触器和继电器时代b.电机放大机及磁放大机时代c.可控硅（晶闸管）另外，由于计算机技术的发展，又出现了a.模拟控制b.数字控制（数控机床）§1.3 内容安排1.《机械电子》专业是一个以机为主机电结合的专业,课程设置（具了解）基本上是这样的《电路基础》电学基础《模拟电子》电子技术（弱电）《数字电子》计算机技术《机电传动控制》包括了所有应掌握的强电内容用以上四门课程取代了机械专业的《电工学》课程。

2.本门课包括以下几个方面：（1）电机原理及特性: 交、直、特殊、三～七章（2）电器及控制：接触器，继电器;保护及控制器八章（3）可编程序控制器：（PC）原理及应用九章（4）可控硅原理及应用: 晶闸管十章（5）调速系统: 交流、直流,电力拖动十一、十二章（6）步进电机调速系统: 自动化十三章3.课程特点综合性比较强（面宽）实践性比较强与生产实践联系较强（教学实验）4.教学实验计划开五个：5.学时安排：由于作者建议用90学时讲授，实际他用大约70学时我们目前安排了60个学时。

教学实验建议开八个实际开出了五个我们目前条件可开六个但学时数的关系开五个第二章 机电传动的动力学基础§2.1运动方程式1.对于一个电动机输出轴上的运动情况有T T Jd dt k dndtM L - = = ωT m 电机的输出扭矩 T L 电机的负载扭矩 ω 为角速度 J 转动惯量 n 为转速 k 为常数2.意义：T m 与T L 之差将产生加速度当T m >T L 时，加速 当T m <T L 时，减速当T m =T L 时，匀速（平衡） 3.T m 与T L 的正反。

以转速的方向为准（n ）T m ： 与n 同向时为正（拖动）反之为负（制动） T L ： 与n 反向时为正（制动）反之为负（拖动） 解释：提升重物 升：T m 为正，T L 正降：T L 为负，T m 负（制动）第5页2个图§2.3生产机械的机械特性机械特性： 生产机械转轴（电机轴）上的负载转矩和转速之间的函数关系。

分为以下几种MnT m T L升MnT m T L 降§2.3.1 恒转矩机械特性特点： 负载转矩为常数，T L ＝C 可分为: 反抗（摩擦） 与n 同号（总制动）位能方向一定反抗转矩 位能转矩离心风机特性例切削力 吊重物§2.3.2 离心风机特性特点：Tc=cn 2与转速平方成正比§2.3.3 直线型特性特点:TL ＝cn§2.3.4 恒功率型特性特点:TL ＝c/n直线型恒功率型§2.4 机电传动系统的稳定运行条件电动机的机械特性是Tm=f(n) 曲线及驱动扭矩和转速的函数关系生产机械的机械特性是T L ＝f(n)曲线及负载扭矩和转速的函数关系当电动机作为生产机械的原动机（动力源）时，两个函数中的n 为同一个参数。

在运行中由运动方程式可知，要想稳定运行，速度应匀速不变及TL ＝Tm 时及是稳定的一个条件,所以系统稳定运行的条件之一是T LnT Ln1、电动机和生产机械的机械特性曲线应有交点 此处：Tm=T L （匀速）例： 曲线1和2，附合这个条件,有a 、b 交点 曲线1和3，不附合另外，应有抗干扰能力:当有外来干扰时会引起n 变化 当干扰消失后，n 应恢复原状态 所以另一个稳定条件是:2、当有外加干扰使n 变化时，干扰消除后n 应能自行恢复到原状态。

这件条件的判断原则是: 当n ↑Tm<TL 当n ↓Tm>TL由运动方程看 T T Jd dtM L -==ω0 当干扰使n ↑时,干扰消除后希望n ↓这时如Tm-TL<0则负加速 当干扰使n ↓时,干扰消除后希望n ↑这时如Tm-TL>0则正加速例：a,b 两点a 点，当n ↑时 Tm ↓—Tm' 当干扰消除后由于在n'处Tm-TL<0,所以n ↓b 点，当n ↑时 Tm ↑—Tm'' 当干扰消除后由于在n''处Tm-TL>0,所以n ↑到n'''直到a 点处平衡ab123abn n'T L T m 'T m ''n''第 2 次课 2 学时第三章直流电机的工作原理电机的分类：a发电机，电动机b直流，交流、步进特点：直流电动机：可以实现无级调速（优点）,在传统的模拟控制系统中应用多交流电动机：简单、便宜、但调速复杂步进电动机：用脉冲工作、易于数字控制直流发电机：一般用来为直流电动机配套；但可控硅取代很多的发电机§3.1直流电机的基本结构和原理§3.1.1直流电机的结构主要部件：励硅绕组（定子线圈）用来产生磁场电枢绕组（转子线圈）通有工作电流换向器保持电枢绕组的电流方向不变铁芯（定子、转子）导磁及支撑作用：简述其它：略§3.1.2 直流电机的基本工作原理以单个电枢绕组线圈为例说明一、发电机（根据右手定则）励磁绕组通电产生一磁场>A点总与N极侧的一边相连>B点总与N极侧的一边相连>转子（电枢线圈）由原动机拖动，以转速n转动>这时，N边切割磁力线产生电势指向外S边切割磁力线产生电势指向内> AB两点就产生了电势E＝KeΦn当有负载R L时，就产生电流I>这时，E＝KeΦn二、电动机（根据左手定则）> 在AB两点加电压，在电枢中产生电流I> 则N边受力, S边反向受力，形成转矩T＝KmΦIa> 电枢转动后，切割磁力线产生反电势E＝KeΦn> 当n到一定值后，Ia=（U-E）/Ra满足T后稳定下来。

注:在发电机中E＝KeΦn是输出电势当Ia 0时，T＝KmΦIa（负载转矩）为原动机负载,既Ia为负载在电动机中Tm＝KmΦIa 为输出动力Em＝KeΦn 为反电势当Tm 大n↑[T M-T L=J(dω/dt)] E M↑(U-E M)↓Ia=(U-E M)/Ra↓T M↓T M 是负载§3.2 直流发电机对于直流电机按其励磁方法分为以下几种情况:他励：磁绕组有独立的电源与电枢无关并励：励磁绕组与电枢并联串励：励磁绕组与电枢串联复励：有串也有并励§3.2.1他励发电机1.电原理图由于独立U f, I f所以负载电流I＝电枢电流Ia2. 空载特性当发电机空载（Ia=0）及转速（n）不变时，输出电势与励磁电流的关系曲线当If小时直线（不饱和）If大时，弯曲（开始饱和）If更大，平直（饱和，Φ不变）3. 外特性曲线当发电机转速（n）和励磁（Φ）不变时，输出电压（U）与负载电流(I)之间的关系曲线注：当Ia↑RaIa↑U=E-IaRa↓§3.2.2并励发电机1.电原理图：由于I f<<I所以Ia≈I2.电压建立过程由于事先没有励磁电压U所以I f＝0当电枢转动时，没有磁场所以不会产生E。

并励发电应满足以下几个条件（1）在磁极上有剩磁（弱的磁场）当n↑产生一个小E 产生一个小If （2）励磁磁场与剩磁场的方向相同电压建立起来（3）Rf不能太大两方面，一方面是线圈电阻，一是外接电阻3. 并励发电机的工作点一方面是空载曲线一方面是是励磁电流曲线共同决定当饱和弯曲后产生交点4. 外特性与他励一样，但由于U↓If↓所以所以U↓得多§3.2.3 复励发电机1.电原理图并励I fb=U/R fb串励I f＝Ia当I↑,Ia↑,U=E-IaRa↓,I f=U/R fb↓, ф↓ф↑,U↑所以，复励发电机在一定的工作范围内外特性比较平坦§3.3直流电动机由分为他励、并励、串励和变励§3.3.1他励电动机的机械特性>电原理图由电路原理公式，推导出说明：n0与输出转扭T无关所以称为理想空载转速;而Δn反映负载对转速的影响,是负载引起的转速误差>机械特性: _n UKeΦ-＝Ra KeKtΦ２T＝n0 -Δn（I f ）励磁电流与电枢电压（U ）不变时转速(n )与扭矩(T)由上式可知机械特性如图>机械特性硬度:β＝dT/dn对于电机按值分类如下: 绝对硬度 β=硬 β≥10 软 β＜10三种在生产中都有应用>机械特性分固有机械特性和人为机械特性 固有：在额定条件下（n ）与(T)的关系人为：人为改变参数时得到的机械特性, 如改变U ，串联电阻（一）他励直流电动机的固机械特性 由（二）人为机械特性 1. 电枢串电阻 由：这时n 0 不变，而Δn 则增加，特性如图2.改变电压时（U ）这时n 0受电压变化而改变，而Δn 则因与电压无关所以不变，特性如图3.改变磁通由于磁饱和和线圈的原因只能减小Φ 由>当Φ下降时n 0上升,同时Δn 也增加>当太小时反电势 E=Ke ΦnTn 0n 0 U Ke Φ ＝ n 0T+_ Tn U Ke Φ - ＝Ra KeKm Φ２T n UK eΦ -＝ RaK e K t Φ２Tn UK eΦ -＝ Ra+K e K t Φ２T>当T L大时Ia=(U-E)/Ra 烧坏>当T L小时E=KeΦn因为Φ所以n↑飞车>所以Φ↓不能太多（并励比较人为特性降压时U）§3.3.2串励电动机这时Ia=If从而有1. 当T↓因为I f=I a也小（T＝KmΦI a）2. 当T↑大时I f=I a↑；Φ饱和，平坦3. 不能空载（飞车）特点：起动扭矩大用于吊车电车的驱动起动时特性软。