机电传动控制课件
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《机电传动控制》课件-3
• 本章将重点介绍异步交流电动机变频调速方法。
2.交流异步电动机变频调速中的转矩和功率
U1 E1 c1 f1m
• 如果保持U1不变，频率f1从额定值向下降低，磁通则增加，造成磁路过饱和， 使励磁电流增加。这将使电动机带负载能力降低，功率因数变坏，铁损增加，
电动机过热。反之如果频率从额定值向上升高，磁通将减小，允许使用扭矩 下降，电机利用率降低，有过流的危险。由异步电动机的转矩公式：
AC
交-交变频器的主要特点
①基于可逆整流原理，可引用直流技术； ②输出电流近似三相正弦，附加损耗小； ③需采用的元件数量较多； ④输出波形不能高于电网频率的1/3~1/2； ⑤拖动电机的价格便宜、转速较低。适合 大容量场合。
交-交变频器的应用场合
交-交变频器通常用于大功率（500kW或 1000kW以上）、低速（600r/min以下）的场 合，如轧钢机、球磨机、水泥回转窑等。
• 从载波信号和参考信号(或称基准信号)频率 之间的关系来看，可以分为同步或异步调 制两种；
• 从载波信号和参考信号的极性来看，有单 极和双极性调制两种。
（1）脉宽调制的方法
• ①等脉宽调制和正弦脉宽调制
• 等脉宽调制就是把电压型逆变器180°导通的方波控制分 割成若干个脉冲控制，这时控制信号往往是等腰三角波 (称为载波) Uc与可调的直流电压(称为调制或参考信号) Ur 相比较的方法产生。在Uc与Ur波形的交点处发出控制信号。
• 这种用正弦波与三角波相比较的方案为确定各矩形脉冲的宽度，就是 模拟电路实现SPWM的方法。
• 任何一高度是时间函数的圆滑曲线与它相交比较时，就能得到一组宽 度正比于该函数的脉冲序列。显然，改变正弦波与三角波幅值比(称 调制系数M=As／Ar)可以成比例地改变各脉冲的宽度。
2.交流异步电动机变频调速中的转矩和功率
U1 E1 c1 f1m
• 如果保持U1不变，频率f1从额定值向下降低，磁通则增加，造成磁路过饱和， 使励磁电流增加。这将使电动机带负载能力降低，功率因数变坏，铁损增加，
电动机过热。反之如果频率从额定值向上升高，磁通将减小，允许使用扭矩 下降，电机利用率降低，有过流的危险。由异步电动机的转矩公式：
AC
交-交变频器的主要特点
①基于可逆整流原理，可引用直流技术； ②输出电流近似三相正弦，附加损耗小； ③需采用的元件数量较多； ④输出波形不能高于电网频率的1/3~1/2； ⑤拖动电机的价格便宜、转速较低。适合 大容量场合。
交-交变频器的应用场合
交-交变频器通常用于大功率（500kW或 1000kW以上）、低速（600r/min以下）的场 合，如轧钢机、球磨机、水泥回转窑等。
• 从载波信号和参考信号(或称基准信号)频率 之间的关系来看，可以分为同步或异步调 制两种；
• 从载波信号和参考信号的极性来看，有单 极和双极性调制两种。
（1）脉宽调制的方法
• ①等脉宽调制和正弦脉宽调制
• 等脉宽调制就是把电压型逆变器180°导通的方波控制分 割成若干个脉冲控制，这时控制信号往往是等腰三角波 (称为载波) Uc与可调的直流电压(称为调制或参考信号) Ur 相比较的方法产生。在Uc与Ur波形的交点处发出控制信号。
• 这种用正弦波与三角波相比较的方案为确定各矩形脉冲的宽度，就是 模拟电路实现SPWM的方法。
• 任何一高度是时间函数的圆滑曲线与它相交比较时，就能得到一组宽 度正比于该函数的脉冲序列。显然，改变正弦波与三角波幅值比(称 调制系数M=As／Ar)可以成比例地改变各脉冲的宽度。
《机电传动及控制教学课件》
反馈控制原理广泛应用于各种控制系统中，能够提高系统的 控制精度和稳定性。
前馈控制原理
前馈控制原理是通过检测系统输入端的变化，提前对系统进行调节，以减小输出结果的变化。
前馈控制原理能够减少系统对干扰的敏感性，提高系统的响应速度和控制精度，但需要精确的检测和 计算，实现难度较大。
04
机电传动及控制的典型应 用
闭环控制系统
闭环控制系统包含反馈环节，能够对 输出结果进行检测，并将检测结果反 馈给输入端进行处理。
闭环控制系统能够自动调节输出结果 ，使其达到预期值，具有较好的抗干 扰能力和适应性，但结构较ห้องสมุดไป่ตู้杂，调 试和维护成本较高。
反馈控制原理
反馈控制原理是通过检测系统的输出结果，并将其与预期值 进行比较，根据比较结果调整输入信号，以达到控制输出的 目的。
根据传递方式，传动机构可分为齿轮 传动、带传动、链传动等类型。
合理的传动机构能够减小机械冲击， 提高系统稳定性。
执行机构
执行机构是实现机械能转换为实际工作效果的终端部件 。
执行机构的设计应注重精度、刚度和稳定性等方面的要 求。
执行机构的类型多样，如机械手、机器人、机床等，其 结构和功能取决于具体应用需求。
工业自动化
用于生产线上各种机械设备的驱动和控制，提高生产效率和产品质量 。
机器人技术
机器人的运动控制系统是机电传动及控制的重要应用领域，涉及机器 人的关节驱动、轨迹规划和控制等。
数控机床
数控机床的伺服系统是机电传动及控制的典型应用，用于实现高精度 和高效率的加工。
新能源与节能
风力发电、太阳能逆变器等新能源领域也广泛应用机电传动及控制技 术，实现能源的高效转换和利用。
实验要求
前馈控制原理
前馈控制原理是通过检测系统输入端的变化，提前对系统进行调节，以减小输出结果的变化。
前馈控制原理能够减少系统对干扰的敏感性，提高系统的响应速度和控制精度，但需要精确的检测和 计算，实现难度较大。
04
机电传动及控制的典型应 用
闭环控制系统
闭环控制系统包含反馈环节，能够对 输出结果进行检测，并将检测结果反 馈给输入端进行处理。
闭环控制系统能够自动调节输出结果 ，使其达到预期值，具有较好的抗干 扰能力和适应性，但结构较ห้องสมุดไป่ตู้杂，调 试和维护成本较高。
反馈控制原理
反馈控制原理是通过检测系统的输出结果，并将其与预期值 进行比较，根据比较结果调整输入信号，以达到控制输出的 目的。
根据传递方式，传动机构可分为齿轮 传动、带传动、链传动等类型。
合理的传动机构能够减小机械冲击， 提高系统稳定性。
执行机构
执行机构是实现机械能转换为实际工作效果的终端部件 。
执行机构的设计应注重精度、刚度和稳定性等方面的要 求。
执行机构的类型多样，如机械手、机器人、机床等，其 结构和功能取决于具体应用需求。
工业自动化
用于生产线上各种机械设备的驱动和控制，提高生产效率和产品质量 。
机器人技术
机器人的运动控制系统是机电传动及控制的重要应用领域，涉及机器 人的关节驱动、轨迹规划和控制等。
数控机床
数控机床的伺服系统是机电传动及控制的典型应用，用于实现高精度 和高效率的加工。
新能源与节能
风力发电、太阳能逆变器等新能源领域也广泛应用机电传动及控制技 术，实现能源的高效转换和利用。
实验要求
机电传动控制PPT课件
3.2 直流电动机的机械特性
3.2.1他励电动机的机械特性
机械特性是指电动机的电磁转矩与转速 的关系，即n=f(T)
T=TM+T0
T--电动机电磁转矩即机械特性转矩;
TM_--输出转矩; T0—空载转矩(工程计算时可忽略)
1、电原理图(图2-5)
由电路原理公式，推导出
U=E+IaRa；而E=Keφn；T=KtφIa整理出:
继电器-接触器控制、可编程序控制、电力电子 技术、检测技术、直流伺服、交流伺服、步进 电动机伺服等强电控制的内容。 突出应用性
第二章 机电传动的动力学基础
2.1机电传动的运动方程式（图１－１）
TM-TL=J dω/dt 式中：TM－－电动机输出的转矩。
TL－－单轴传动的负载转矩 J －－转动惯量
注意：额定容量，对直流发电机来说，是指电刷 端输出的电功率，对直流电动机来说，是指轴上 输出的机械功率。
所以，直流发电机的额定容量为：
PN U N I N
而直流电动机的额定功率为：
PN U N I NN
3.1.3 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）
ω－－传动系统的角速度
意义：１）当TM＝ TL时；
２）当TM＞ TL时；
３）当TM＜TL时；
考虑：方向性问题１）拖动： 动： TM 与n转动相反。
TM
与n转动相同；２）制
当Tm>TL时，加速 当Tm<TL时，减速
Tm
Tm
n
n
当Tm=TL时，匀速（平衡） 3.Tm与TL的正反。 以转速的方向为准（n）
3.1直流电机的基本结构和原理
《机电传动控制》讲义(8)PPT课件
PM型电机的特点是励磁功 率小、效率高、造价便宜。
由于转子磁铁的磁化间距 受到限制，难于制造，故 步距角较大。
与VR型相比转矩大，但转 子惯量也较大。
制动力矩大。
混合型(HB型一Hybrid Type)。
❖ 这种电机转子上嵌有永久磁铁，故可以说是永磁型步进电机，但 从定子和转子的导磁体来看，又和可变磁阻型相似，所以是永磁 型和可变磁阻型相结合的一种形式。故称为混合型步进电机，其 结构如图3—12所示。
A
B'
C'
C
B
A'
A
B'
C'
C
B
A'
AB通电
BC通电
A
B'
C'
C
B
A'
CA通电
工作方式为三相双三 拍时，每通入一个电 脉冲，转子也是转
30，即 S = 30。
以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六 拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。
步进电机脉冲环形分配方式
步进电机也可以制成四相、五相、六相或更多的相数， 以减小步距角并改善步进电机的性能。
一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦 选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）
❖电流的选择
静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很 大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电 源、及驱动电压）。
❖力矩与功率换算
步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一 般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：
电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁 绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。
力矩： 电机一旦通电，在定转子间将产生磁场
由于转子磁铁的磁化间距 受到限制，难于制造，故 步距角较大。
与VR型相比转矩大，但转 子惯量也较大。
制动力矩大。
混合型(HB型一Hybrid Type)。
❖ 这种电机转子上嵌有永久磁铁，故可以说是永磁型步进电机，但 从定子和转子的导磁体来看，又和可变磁阻型相似，所以是永磁 型和可变磁阻型相结合的一种形式。故称为混合型步进电机，其 结构如图3—12所示。
A
B'
C'
C
B
A'
A
B'
C'
C
B
A'
AB通电
BC通电
A
B'
C'
C
B
A'
CA通电
工作方式为三相双三 拍时，每通入一个电 脉冲，转子也是转
30，即 S = 30。
以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六 拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。
步进电机脉冲环形分配方式
步进电机也可以制成四相、五相、六相或更多的相数， 以减小步距角并改善步进电机的性能。
一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦 选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）
❖电流的选择
静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很 大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电 源、及驱动电压）。
❖力矩与功率换算
步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一 般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：
电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁 绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。
力矩： 电机一旦通电，在定转子间将产生磁场
机电传动控制课件
解决这些矛盾，其核心问题就是减小启动电流 和增大启动转矩。
机电传动控制课件
4.4.1鼠笼式异步电动机的启动方法
有直接启动和降压启动
直接启动又称全压启动，就是将电动机 的定子绕组接在额定电压下启动。
额 启 定 动 电 电 流 流 IIsN t 3 44电 电 源 动 总 机 容 功 量 率
机电传动控制课件
启动电流越小越好。 （3）启动过程中，平滑性越好对生产机
械的冲击就越小；启动设备可靠性越高， 电路越简单，操作维护就越方便。
机电传动控制课件
异步电动机启动的瞬间，由于转子的转速为零， 在转子绕组中感应出很大的转子电势和转子电 流，从而引起很大的定子电流，一般启动电流 Ist可达额定电流IN的4～7倍；而启动时由于转 子功率因数很低，启动转矩却不大，一般 (0.8～1.5)。
4.3.2三相异步电动机的机械特性
三相异步电动机的机械特性也分为固有机械特 性和人为机械特性
图4.17 三相异步电动机的固有机械特性
机电传动控制课件
固有机械特性
（1）理想空载转速点 SN （亦称同步转速点）
n0 nN n0
（2）额定运行点
Tmax
K
U2 2 X 20
（3）临界工作点 （亦称最大转矩点）
mTmax/TN
（4）启动工作点
Tst
K
R2U2 R22 X220
机电传动控制课件
人为机械特性
人为地改变电动机的参数或外加电源电 压、电源频率，异步电动机的机械特性 将发生变化，这时得到的机械特性称为 异步电动机的人为机械特性。
得到人为机械特性常用的方法有：（1） 降低电动机定子电压（2）改变定子电源 频率（3）转子电路串电阻
旋转磁场
机电传动控制课件
4.4.1鼠笼式异步电动机的启动方法
有直接启动和降压启动
直接启动又称全压启动，就是将电动机 的定子绕组接在额定电压下启动。
额 启 定 动 电 电 流 流 IIsN t 3 44电 电 源 动 总 机 容 功 量 率
机电传动控制课件
启动电流越小越好。 （3）启动过程中，平滑性越好对生产机
械的冲击就越小；启动设备可靠性越高， 电路越简单，操作维护就越方便。
机电传动控制课件
异步电动机启动的瞬间，由于转子的转速为零， 在转子绕组中感应出很大的转子电势和转子电 流，从而引起很大的定子电流，一般启动电流 Ist可达额定电流IN的4～7倍；而启动时由于转 子功率因数很低，启动转矩却不大，一般 (0.8～1.5)。
4.3.2三相异步电动机的机械特性
三相异步电动机的机械特性也分为固有机械特 性和人为机械特性
图4.17 三相异步电动机的固有机械特性
机电传动控制课件
固有机械特性
（1）理想空载转速点 SN （亦称同步转速点）
n0 nN n0
（2）额定运行点
Tmax
K
U2 2 X 20
（3）临界工作点 （亦称最大转矩点）
mTmax/TN
（4）启动工作点
Tst
K
R2U2 R22 X220
机电传动控制课件
人为机械特性
人为地改变电动机的参数或外加电源电 压、电源频率，异步电动机的机械特性 将发生变化，这时得到的机械特性称为 异步电动机的人为机械特性。
得到人为机械特性常用的方法有：（1） 降低电动机定子电压（2）改变定子电源 频率（3）转子电路串电阻
旋转磁场
《机电传动控制教案》PPT课件
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29
8.2.3 生产机械中常用的自动控制方法
自动化生产工艺过程中，工作状态的转换要求自动进行。因此出现了各种 各样的自动控制方法。
❖ 利用电动机主电路的电流来控制 如：交流异步电动机或直流他励电动机中，机械力与负载大小往往与电流成 正比。所以，机床进刀量的控制，机床夹紧机构的夹紧程度等，都可根据 电流来控制。
33
顺序控制 （程序控制）
2.按时间的自动控制
根据反映时间长短的元件的动作来实现控制。 1）时间继电器KT：是一种触点能延时通或断的控制电器。可以实现 从0.05s~几十小时的延时
得电延时型：(延时吸合) 线圈得电后，开始延时 延时时间到，触头动作。
按延时 性质分
失电延时型： （延时释放） 线圈得电时，触头立即动作 线圈失电时，开始延时，延 时到则触头复位。
+
2SB
1SB KM
KM
防止电磁铁线圈过压和触头烧损的控制线路
-
+
KM YA
-
C
KM
R
YAΒιβλιοθήκη +CVD-
KM
R
+ KM YA - + KM
YA -
R
R
电磁离合器的控制线路
启动时，C、R、VD使27电流上升速度加快。 关断时，C对YA反向放电，加快消磁。
• 要求三台电动机按一定顺序工作，1M先启动，2M在1M启动后才能启动，3M在2M启动后 立即自动启动，2M能实现点动工作，停止时同时停止，设计主电路与控制电路。
欠电流继电器
19
2.交流异步电动机正、反转控制线路 实现正、反转的办法：更换电动机供电相序。
正转 KM1
总停
正转按钮
29
8.2.3 生产机械中常用的自动控制方法
自动化生产工艺过程中，工作状态的转换要求自动进行。因此出现了各种 各样的自动控制方法。
❖ 利用电动机主电路的电流来控制 如：交流异步电动机或直流他励电动机中，机械力与负载大小往往与电流成 正比。所以，机床进刀量的控制，机床夹紧机构的夹紧程度等，都可根据 电流来控制。
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顺序控制 （程序控制）
2.按时间的自动控制
根据反映时间长短的元件的动作来实现控制。 1）时间继电器KT：是一种触点能延时通或断的控制电器。可以实现 从0.05s~几十小时的延时
得电延时型：(延时吸合) 线圈得电后，开始延时 延时时间到，触头动作。
按延时 性质分
失电延时型： （延时释放） 线圈得电时，触头立即动作 线圈失电时，开始延时，延 时到则触头复位。
+
2SB
1SB KM
KM
防止电磁铁线圈过压和触头烧损的控制线路
-
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KM YA
-
C
KM
R
YAΒιβλιοθήκη +CVD-
KM
R
+ KM YA - + KM
YA -
R
R
电磁离合器的控制线路
启动时，C、R、VD使27电流上升速度加快。 关断时，C对YA反向放电，加快消磁。
• 要求三台电动机按一定顺序工作，1M先启动，2M在1M启动后才能启动，3M在2M启动后 立即自动启动，2M能实现点动工作，停止时同时停止，设计主电路与控制电路。
欠电流继电器
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2.交流异步电动机正、反转控制线路 实现正、反转的办法：更换电动机供电相序。
正转 KM1
总停
正转按钮
机电传动控制课件第1章
计算机控制：
微处理器取代模拟电路作为电动机控制 器，可使电路更简单、实现较复杂的控制 、无零点飘移、控制精度高、可提供人机 交互界面、能多机联网工作等
数字伺服控制：
伺服系统：
是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟 随输入目标值（或给定值）任意变化的自动控制系统。
当今世界伺服驱动的主流及发展方向是交流伺服系统，采 用嵌入式控制器的电动机数字交流伺服系统的出现，使机电 传动控制技术进入了信息化时代
第1章 概述
传动 ——运动的传递
（1）机械传动 （2〕流体传动
第1章 概述
1.1 基本概念：（什么是机电传动？）
生产机械组成： 工作机构、传动机构、 原动机、控制系统。
机电传动：原动机为电 动机时，由电动机通过 传动机构带动工作机构 进行工作。
机电传动系统
“机电传动”部分
包括电动机、电动机和运动部件相互联系的传 动机构及电气控制电路
课程的性质与任务
• 机电一体化技术的主要课程，是以驱动 系统为主导，以控制为主线，将元、器 件与控制系统有机结合的综合性课程。
• 通过本门课程的学习，希望同学们掌握 机电传动系统中主要运用到得元、器件 原理，了解机电传动系统的设计，尤其 是其控制电路设计的主要思路。
（1）成组拖动（初期）：一台电动机拖动一根 天轴，由天轴通过皮带轮和皮带分别拖动各生产 机械，一旦电动机出了故障，成组生产机械停车。
（2）单电机拖动：一台电动机拖动一 台生产机械，但当一台生产机械的运动 部件较多时，机械传动机构仍十分复杂。
20世纪40-50年代：老式切削机床 现今：一些中小型通用机床，运动部件较少
“机电传动控制”部分
电梯
机电传动系统的任务