緒論加動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)課件

機(jī)電傳動(dòng)控制鄧星鐘

主編主講：機(jī)械系雷波聯(lián)系方式-Mail:rayer1980@163.com2/2/2023參考書目1.趙君有，張愛軍王東瑞編.

電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)

.北京:中國(guó)水力水電出版社,2007.2.湯天浩編.電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.3.吳紅星編.電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制專用集成電路及應(yīng)用

.北京:中國(guó)電力出版社,2006.4.齊占慶，王振臣編.機(jī)床電氣控制技術(shù).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,20085.滿永奎，韓安榮編.通用變頻器及其應(yīng)用.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012

2/2/2023第一章概述1.1機(jī)電傳動(dòng)的目的和任務(wù)1.2機(jī)電傳動(dòng)及其控制系統(tǒng)的發(fā)展概況1.3課程的性質(zhì)和任務(wù)1.4課程的內(nèi)容安排1.5對(duì)本課程學(xué)習(xí)的基本要求2/2/20231.1機(jī)電傳動(dòng)的目的和任務(wù)

機(jī)電傳動(dòng):

以電動(dòng)機(jī)為原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的系統(tǒng)之總稱

2/2/2023一、機(jī)電系統(tǒng)的組成

機(jī)電系統(tǒng)完成生產(chǎn)任務(wù)的基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件的原動(dòng)機(jī)（這里指的是各種電動(dòng)機(jī)）之總稱控制電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的電動(dòng)機(jī)和控制電動(dòng)機(jī)的一整套電氣系統(tǒng)2/2/2023機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)例

車床系統(tǒng)2/2/2023CA6140,CK6150與CH6132寬的調(diào)速范圍2/2/2023可逆式軋機(jī)頻繁起制動(dòng)或正反轉(zhuǎn)2/2/2023卷?yè)P(yáng)機(jī)和電梯起制動(dòng)平穩(wěn)，準(zhǔn)確定點(diǎn)停車2/2/2023雷達(dá)天線控制系統(tǒng)2/2/2023雷達(dá)天線控制系統(tǒng)方位驅(qū)動(dòng)仰角驅(qū)動(dòng)2/2/2023雷達(dá)天線自動(dòng)控制系統(tǒng)原理框圖2/2/2023二、機(jī)電傳動(dòng)控制的任務(wù)

將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)機(jī)械的啟動(dòng)、停止以及速度的調(diào)節(jié)；完成各種生產(chǎn)工藝過程的要求；保證生產(chǎn)過程的正常進(jìn)行。三、機(jī)電傳動(dòng)控制的目的從廣義上講，機(jī)電傳動(dòng)控制的目的就是要使生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)線、車間乃至整個(gè)工廠都實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。從狹義上講，則指控制電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)產(chǎn)品數(shù)量的增加（效率）、質(zhì)量的提高（精度）、生產(chǎn)成本的降低、工人勞動(dòng)條件的改善以及能量的合理利用等。

2/2/20231.2機(jī)電傳動(dòng)控制的發(fā)展機(jī)電傳動(dòng)及其控制系統(tǒng)總是隨著社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展而發(fā)展的。機(jī)電傳動(dòng)控制的發(fā)展可從機(jī)電傳動(dòng)和控制系統(tǒng)兩方面來(lái)討論。一、機(jī)電傳動(dòng)的發(fā)展

成組拖動(dòng)——一臺(tái)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)一根天軸（或地軸），然后再由天軸（或地軸）通過皮帶輪和皮帶分別拖動(dòng)多臺(tái)生產(chǎn)機(jī)械。

單電機(jī)拖動(dòng)——一臺(tái)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)一臺(tái)生產(chǎn)機(jī)械的各運(yùn)動(dòng)部件。

多電機(jī)拖動(dòng)——一臺(tái)生產(chǎn)機(jī)械的各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件分別由不同的電動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)。特點(diǎn)是生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)條件差、一旦電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障，將造成成組的生產(chǎn)機(jī)械停車；這種拖動(dòng)方式較成組拖動(dòng)前進(jìn)了一步，但當(dāng)一臺(tái)生產(chǎn)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)部件較多時(shí)，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)仍十分復(fù)雜；2/2/2023二、機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展控制系統(tǒng)的發(fā)展伴隨控制器件的發(fā)展而發(fā)展。隨著功率器件、放大器件的不斷更新，機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展日新月異，它主要經(jīng)歷了四個(gè)階段：

1．繼電器—接觸器控制：出現(xiàn)在20世紀(jì)初，它僅借助于簡(jiǎn)單的接觸器與繼電器，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的啟動(dòng)、停車以及有級(jí)調(diào)速等控制，它的控制速度慢，控制精度差；

2．電機(jī)放大機(jī)控制：（30年代）從斷續(xù)控制到連續(xù)控制3．磁放大器控制和大功率晶閘管控制：(40-60年代)4．計(jì)算機(jī)數(shù)字控制（CNC）：提高機(jī)床的自動(dòng)化程度、通用性和加工效率。（70年代-至今）2/2/2023柔性制造系統(tǒng)（FMS）—由數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)搬運(yùn)車等組成的統(tǒng)一由中心計(jì)算機(jī)控制的機(jī)械加工自動(dòng)線，它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化車間和自動(dòng)化工廠的重要組成部分。

機(jī)械制造自動(dòng)化高級(jí)階段是走向設(shè)計(jì)、制造一體化，即利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）與計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）形成產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過程的完整系統(tǒng)，對(duì)產(chǎn)品構(gòu)思和設(shè)計(jì)直到裝配、試驗(yàn)和質(zhì)量管理這一全過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。為了實(shí)現(xiàn)制造過程的高效率、高柔性、高質(zhì)量，研制計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）是人們現(xiàn)在的任務(wù)。2/2/20231.3課程的性質(zhì)和任務(wù)性質(zhì)：

機(jī)電傳動(dòng)控制把驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制電機(jī)電器、電力拖動(dòng)、繼電器-接觸器控制、PLC、電力電子技術(shù)、直（交）流伺服系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)等強(qiáng)電控制的內(nèi)容，根據(jù)學(xué)科的發(fā)展與其內(nèi)在規(guī)律，以伺服驅(qū)動(dòng)為主導(dǎo)，以控制為線索，將元器件與伺服控制系統(tǒng)科學(xué)、有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。2/2/2023任務(wù)

學(xué)生通過本課程和機(jī)電綜合實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握交直流電機(jī)及控制電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，以及機(jī)電傳動(dòng)的運(yùn)行性能、分析計(jì)算、電機(jī)與控制系統(tǒng)選擇、為后繼課程和今后的工作準(zhǔn)備必要的知識(shí)2/2/20231.4課程的內(nèi)容安排第一章概論第二章機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第三章直流電機(jī)的工作原理及特性第四章機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)過渡過程第五章交流電動(dòng)機(jī)的工作原理及特性第六章控制電機(jī) 第七章機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的檢測(cè)元件第八章繼電器－接觸器控制系統(tǒng)第九章可編程序控制器第十章電力電子學(xué)－晶閘管及其基本電路第十一章直流傳動(dòng)控制系統(tǒng)第十二章交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)第十三章步進(jìn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)第十四章機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的選擇2/2/20231.5對(duì)本課程學(xué)習(xí)的基本要求了解機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和基本規(guī)律；掌握常用電機(jī)、電器的工作原理主要特性，了解其應(yīng)用與選用；掌握繼電器－接觸器工作原理，學(xué)會(huì)用其來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制；掌握常用的開環(huán)、閉環(huán)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本工作原理和特點(diǎn)，了解性能和應(yīng)用場(chǎng)所。學(xué)會(huì)分析機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)的基本方法。2/2/2023第二章機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)2.1機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式2.2轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩的折算2.3機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載特性2.4機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件2/2/20232.1機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式

圖2.1單軸拖動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)（M）生產(chǎn)機(jī)械TMMω+TLTL2/2/2023單軸機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式TM----電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩TL----負(fù)載轉(zhuǎn)矩GD2---飛輪矩n-----轉(zhuǎn)速t-----時(shí)間2/2/2023動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩恒速（靜態(tài)轉(zhuǎn)矩）正值加速（動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩）負(fù)值減速（動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩）2/2/2023TM與n同向?yàn)檎騎L與n相反為正向拖動(dòng)矩（TM、n同向）制動(dòng)矩（TM、n反向）2/2/2023例2-11.列出系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式；2.說(shuō)明系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)。加速運(yùn)行狀態(tài)減速減速拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩制動(dòng)矩拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩制動(dòng)矩2/2/20232.2轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩的折算2.2.1負(fù)載轉(zhuǎn)矩的折算負(fù)載轉(zhuǎn)矩是靜態(tài)轉(zhuǎn)矩,根據(jù)功率守恒原則折算1.多軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)速比傳動(dòng)效率多軸旋轉(zhuǎn)拖動(dòng)系統(tǒng)2/2/2023多軸直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)2.多軸直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)（下放重物）2/2/20232.2.2轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩的折算1.旋轉(zhuǎn)型依據(jù)動(dòng)能守恒原則，折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為電機(jī)軸、中間軸、負(fù)載軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；電動(dòng)機(jī)軸與中間傳動(dòng)軸之間的速比；電機(jī)軸與負(fù)載軸之間的速度比；電機(jī)軸、中間軸、負(fù)載軸上的角速度2/2/20232.2.2轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩的折算依據(jù)動(dòng)能守恒原則，折算到電機(jī)軸上的總飛輪矩為電機(jī)軸、中間軸、生產(chǎn)機(jī)械軸上的飛輪轉(zhuǎn)矩。2/2/20232.直線運(yùn)動(dòng)型折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、飛輪矩為多軸系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式2/2/2023解（1）例2-2折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL折算到電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪慣量GDZ22/2/2023(2)(近似)2/2/20232.3機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載特性生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性:2.3.1恒轉(zhuǎn)矩型機(jī)械特性n（a）反抗轉(zhuǎn)矩（b）位能轉(zhuǎn)矩TLT-TLnTTL（摩擦轉(zhuǎn)矩）（因重力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩)（T與n的方向恒為相反）（T的方向恒定與運(yùn)動(dòng)方向無(wú)關(guān)）2/2/20232.3.2離心式通風(fēng)機(jī)型機(jī)械特性2.3.3直線型機(jī)械特性2.3.4恒功率型機(jī)械特性Tn0

T0Tn0直線型機(jī)械特性離心式通風(fēng)機(jī)型機(jī)械特性恒功率型機(jī)械特性Tn02/2/20232.4機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件

機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的含義:1.系統(tǒng)以一定的速度勻速運(yùn)轉(zhuǎn);2.系統(tǒng)在受某種外部干擾作用(如電壓波動(dòng)、負(fù)載轉(zhuǎn)矩波動(dòng)等）而使速度稍有變化時(shí)，應(yīng)保證在干擾消除后系統(tǒng)能恢復(fù)到原來(lái)的運(yùn)行速度。2/2/2023m系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的必要充分條件（1）兩機(jī)械特性有交叉點(diǎn)（2）在平衡點(diǎn)處有一速度n↑時(shí)，TM<TLTM-TL<0n↓時(shí)，TM>TLTM-TL>0a點(diǎn)是穩(wěn)定平衡點(diǎn)，b點(diǎn)不是。2/2/2023例2-3判斷下圖b點(diǎn)是否是系統(tǒng)的穩(wěn)定平衡點(diǎn)？注意：1.兩機(jī)械特性曲線的區(qū)別2.同時(shí)滿足二穩(wěn)定平衡條件解1.系統(tǒng)中有交叉點(diǎn)ｂ;2.當(dāng)ｎ↑時(shí)ＴM<ＴLTM-TL<0當(dāng)ｎ↓時(shí)ＴM＞ＴL

TM-TL>0