機電傳動控制鄧星鐘等編著華中科技大學出版社“機電傳動控制”多媒體課件湖南理工學院張萬奎2008年機電傳動控制鄧星鐘等編著“機電傳動控制”多媒體課件1第1章緒論機電傳動的發展概況;電氣控制系統的發展概況;“機電傳動控制”課程的性質和任務.第1章緒論21.機電傳動發展的概況1)成組拖動一臺電動機---一根天軸---一組生產機械設備機構復雜,損耗大,效率低,工作可靠性差.2)單臺電動機拖動一臺電動機---一臺設備當生產機械設備運動部件較多時,機構仍復雜,滿足不了生產工藝要求.3)多臺電動機拖動一臺專門的電動機---同一臺設備的每一個運動部件機構簡單,控制靈活,便于生產機械的自動化.舉例:龍門刨床的刨臺,左垂直刀架,右垂直刀架,側刀架,橫梁,夾緊機構,都是分別由一臺電動機拖動的.

1.機電傳動發展的概況1)成組拖動32.電氣控制系統的發展概況1)繼電器-接觸器控制系統能對控制對象實現起動,制動,有級調速控制;結構簡單,動作可靠;控制速度慢,控制精度差.2)連續控制方式和自動控制系統20世紀30年代的電機放大機控制,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-直流電動機無級調速系統,80年代以來的新型電力電子元件-交流電動機無級調速系統;控制簡單,可靠性高,連續控制,拖動性能好.2.電氣控制系統的發展概況1)繼電器-接觸器控制系統4電氣控制系統的發展概況3)可編程序控制器(PLC)是繼電器常規控制技術與微機技術的結合,是一臺按開關量輸入的工業控制專用計算機;具有邏輯運算功能,定時/計數功能,數字運算功能,通信功能.4)計算機數字控制系統1952年美國出現第一臺數控銑床,1958年出現加工中心,20世紀70年代CNC應用于數控機床和加工中心,80年代出現了柔性制造系統(FNS);提高了生產機械的通用性和效率,實現機械加工全盤自動化.電氣控制系統的發展概況3)可編程序控制器(PLC)53.“機電傳動控制”課程的性質和任務1)課程性質該課程是機械類專業的一門必修的專業基礎課,是機電一體化人才所需電知識的驅體.它將電機,電器,繼電器-接觸器控制,PLC,電力電子技術,自動調速系統有機地結合在一起.2)課程內容全書14章,分為5個單元:(1)機電傳動系統的動力學基礎和過渡過程;(2)電機及繼電器-接觸器控制系統;(3)可編程序控制器;(4)電力電子技術的基本知識;(5)自動調速系統.3.“機電傳動控制”課程的性質和任務1)課程性質63)課程學習任務掌握繼電器-接觸器控制系統的工作原理和元件選擇,掌握PLC的編程方法與應用,掌握閉環控制系統的工作原理與性能及其應用場所.了解電力拖動的一般知識,了解最新電氣控制技術在生產機械上的應用.3)課程學習任務7

閱讀書目:

1.齊占慶主編.機床電氣控制技術(第三版).北京:機械工業出版社.2004年6月.2.陳伯時主編.電力拖動自動控制系統(第三版).北京:機械工業出版社.2003年8月.3.程憲平主編.機電傳動與控制(第二版).武漢:華中科技大學出版社.2003年9月.4.魏炳貴主編.電力拖動基礎.北京:機械工業出版社.2000年8月.5.張萬奎主編.機床電氣控制技術.北京;北京大學出版社.2006年8月.

閱讀書目:

1.齊占慶主編.機床電氣控制技術(第三8第2章機電傳動系統的動力學基礎掌握機電傳動系統的運動方程式,用它來分析機電傳動系統的運動狀態;了解多軸拖動系統中轉矩,轉動慣量和飛輪轉矩的折算方法;了解幾種典型生產機械的機械特性;掌握機電傳動系統穩定運行的條件.第2章機電傳動系統的動力學基礎掌握機電傳動系統的運92.1機電傳動系統的運動方程式1.單軸機電傳動系統運動方程式:

定義式工程計算式2.1機電傳動系統的運動方程式1.單軸機電傳動系統運動方程10在上述兩個式子中:TM-電動機轉矩;TL-負載轉矩;J-轉動慣量;GD2-飛輪轉矩,且J=1/4(GD2);n-轉速;-角速度.討論.在上式中:1)當TM=TL時,n為常數.dn/dt=0,狀態為恒速;稱之為穩態或靜態.2)當TM≠TL時,n為變數,dn/dt≠0,狀態為加速或減速;稱之為動態.在上述兩個式子中:討論.在上式中:112.系統動態轉矩Td

討論:1)當Td=0時,系統為穩態;2)當Td≠0時,系統為動態:(1)Td＞0,dn/dt=a＞0,系統加速;(2)Td＜0,dn/dt=a＜0,系統減速.因此,TM,TL有大小,有方向.則工程計算式可寫為:TM-TL=Td

令系統動態轉矩:2.系統動態轉矩Td

討論:則工程計算式可寫為:令系統動態轉123.TM,TL的正方向及性質

以轉速n為參考量(先定下n的正方向);規定: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,與n方向相同的TL為負.舉例例1:列出下圖系統的運動方程式,并說明運動狀態.nTMTLnTM＞TL解:TM與n反向為負,TL與n反向為正,運動方程如下式;狀態為減速.3.TM,TL的正方向及性質

舉例例1:列出下圖系統13舉例例2:提升重物過程如左圖示,寫出運動方程式.解:(a)中,提升重物,TM為正,TL為正,運動方程式為:(b)中,仍為提升重物,但TM為負,TL為正,運動方程式為:思考題:試分析圖(a)和圖(b)系統的運動狀態.舉例例2:提升重物過程如左圖示,寫出運動方程式.(b)中,仍14思考題圖(a)中,要能提升重物,必須有TM>TL,系統加速.圖(b)中,電動機轉矩為負,也是制動轉矩,系統減速提升,直至停止.思考題圖(a)中,要能提升重物,必須有TM>TL,系統加速.152.2轉矩.轉動慣量和飛輪轉矩的折算實際拖動系統一般是多軸傳動系統,該系統的運動方程式,是將其轉矩等折算到一根軸上,再按2.1的方法列出運動方程式.折算時,可以折算到電動機軸上(高速軸),也可以折算至低速軸上.旋轉運動直線運動2.2轉矩.轉動慣量和飛輪轉矩的折算實16三軸旋轉運動折算至電動機軸上1.負載轉矩的折算式中,速比-傳動效率;2.轉動慣量的折算3.飛輪轉矩的折算式中,分別為電動機軸,中間傳動軸,生產機械軸上的飛輪轉矩.式中,三軸旋轉運動折算至電動機軸上1.負載轉矩的折算式中,17三軸直線運動折算到電動機軸上1.負載轉矩的折算提升時3.飛輪轉矩的折算2.轉動慣量的折算要注意式上面幾個式子中各個符號代表的物理意義.下降時三軸直線運動折算到電動機軸上1.負載轉矩的折算3.飛輪轉矩的18計算舉例例3機電傳動系統如下圖(a)所示.已知每根軸的飛輪轉矩和轉速,負載轉矩為98,電動機拖動轉矩29.4,傳動效率0.9,求生產機械軸上的加速度是多少?由公式可得生產機械軸上的加速度為解:這是折算到低速軸計算舉例例3機電傳動系統如下圖(a)所示.已知每根軸的飛輪19計算舉例題圖(a)計算舉例題圖(a)202.3機電傳動系統的負載特性1.恒轉矩特性1)特點:負載轉矩為常數;2)分類:反抗轉矩,位移轉矩.舉例:設備的提升機構,提升機的行走機構,皮帶運輸機,機床進給運動.2.3機電傳動系統的負載特性1.恒轉矩特性212.恒功率特性特點:負載轉矩與轉速成反比,功率基本不變.舉例:球磨機,碎石機,機床的主運動.2.恒功率特性223.通風機特性特點:負載轉矩與轉速的平方成正比.舉例:水泵,通風機.風機,水泵電動機的容量占工業用戶總用電量的70%.3.通風機特性232.4機電傳動系統穩定運行的條件1.機電傳動系統穩定運行的條件1)和兩條特性曲線有交點,該交點稱之為系統的平衡點.2)當轉速大于平衡點對應的轉速時,有:TM<TL;

當轉速小于平衡點對應的轉速時,有:TM＞TL2.穩定工作點判別2.4機電傳動系統穩定運行的條件1.機電傳動系統穩定運行的24穩定運行判別舉例例1,試判別右圖所示三相異步電動機特性曲線與恒轉矩負載特性曲線組成系統的穩定平衡點.分析:

由機電傳動系統穩定判據的兩個條件,分別判別圖中a點和b點是否滿足穩定運行的條件.穩定運行判別舉例例1,25解:1)有交點a和b;2)對于a點,當轉速小于a點對應的轉速時,電動機的轉矩大于負載轉矩,a點是平衡點;對于b點,當轉速小于b點對應的轉速時,電動機的轉矩小于負載轉矩,b點不是平衡點.(同學們可自己作一條b點以下的線)解:1)有交點a和b;26穩定判別舉例例2右圖中b點是不是穩定平衡點?為什么?解:b點是平衡工作點.1)兩條曲線有交點b;2)當轉速大于b點對應的轉速時,即在b點上方作一條虛線,與這兩條曲線有交點,其中,與負載特性曲線的交點位于與電動機特性曲線交點的右側,即電動機轉矩小于負載轉矩.穩定判別舉例例2右圖中b點是不是穩定平衡點?為什么?解:b27機電傳動控制鄧星鐘等編著華中科技大學出版社“機電傳動控制”多媒體課件湖南理工學院張萬奎2008年機電傳動控制鄧星鐘等編著“機電傳動控制”多媒體課件28第1章緒論機電傳動的發展概況;電氣控制系統的發展概況;“機電傳動控制”課程的性質和任務.第1章緒論291.機電傳動發展的概況1)成組拖動一臺電動機---一根天軸---一組生產機械設備機構復雜,損耗大,效率低,工作可靠性差.2)單臺電動機拖動一臺電動機---一臺設備當生產機械設備運動部件較多時,機構仍復雜,滿足不了生產工藝要求.3)多臺電動機拖動一臺專門的電動機---同一臺設備的每一個運動部件機構簡單,控制靈活,便于生產機械的自動化.舉例:龍門刨床的刨臺,左垂直刀架,右垂直刀架,側刀架,橫梁,夾緊機構,都是分別由一臺電動機拖動的.

1.機電傳動發展的概況1)成組拖動302.電氣控制系統的發展概況1)繼電器-接觸器控制系統能對控制對象實現起動,制動,有級調速控制;結構簡單,動作可靠;控制速度慢,控制精度差.2)連續控制方式和自動控制系統20世紀30年代的電機放大機控制,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-直流電動機無級調速系統,80年代以來的新型電力電子元件-交流電動機無級調速系統;控制簡單,可靠性高,連續控制,拖動性能好.2.電氣控制系統的發展概況1)繼電器-接觸器控制系統31電氣控制系統的發展概況3)可編程序控制器(PLC)是繼電器常規控制技術與微機技術的結合,是一臺按開關量輸入的工業控制專用計算機;具有邏輯運算功能,定時/計數功能,數字運算功能,通信功能.4)計算機數字控制系統1952年美國出現第一臺數控銑床,1958年出現加工中心,20世紀70年代CNC應用于數控機床和加工中心,80年代出現了柔性制造系統(FNS);提高了生產機械的通用性和效率,實現機械加工全盤自動化.電氣控制系統的發展概況3)可編程序控制器(PLC)323.“機電傳動控制”課程的性質和任務1)課程性質該課程是機械類專業的一門必修的專業基礎課,是機電一體化人才所需電知識的驅體.它將電機,電器,繼電器-接觸器控制,PLC,電力電子技術,自動調速系統有機地結合在一起.2)課程內容全書14章,分為5個單元:(1)機電傳動系統的動力學基礎和過渡過程;(2)電機及繼電器-接觸器控制系統;(3)可編程序控制器;(4)電力電子技術的基本知識;(5)自動調速系統.3.“機電傳動控制”課程的性質和任務1)課程性質333)課程學習任務掌握繼電器-接觸器控制系統的工作原理和元件選擇,掌握PLC的編程方法與應用,掌握閉環控制系統的工作原理與性能及其應用場所.了解電力拖動的一般知識,了解最新電氣控制技術在生產機械上的應用.3)課程學習任務34

閱讀書目:

1.齊占慶主編.機床電氣控制技術(第三版).北京:機械工業出版社.2004年6月.2.陳伯時主編.電力拖動自動控制系統(第三版).北京:機械工業出版社.2003年8月.3.程憲平主編.機電傳動與控制(第二版).武漢:華中科技大學出版社.2003年9月.4.魏炳貴主編.電力拖動基礎.北京:機械工業出版社.2000年8月.5.張萬奎主編.機床電氣控制技術.北京;北京大學出版社.2006年8月.

閱讀書目:

1.齊占慶主編.機床電氣控制技術(第三35第2章機電傳動系統的動力學基礎掌握機電傳動系統的運動方程式,用它來分析機電傳動系統的運動狀態;了解多軸拖動系統中轉矩,轉動慣量和飛輪轉矩的折算方法;了解幾種典型生產機械的機械特性;掌握機電傳動系統穩定運行的條件.第2章機電傳動系統的動力學基礎掌握機電傳動系統的運362.1機電傳動系統的運動方程式1.單軸機電傳動系統運動方程式:

定義式工程計算式2.1機電傳動系統的運動方程式1.單軸機電傳動系統運動方程37在上述兩個式子中:TM-電動機轉矩;TL-負載轉矩;J-轉動慣量;GD2-飛輪轉矩,且J=1/4(GD2);n-轉速;-角速度.討論.在上式中:1)當TM=TL時,n為常數.dn/dt=0,狀態為恒速;稱之為穩態或靜態.2)當TM≠TL時,n為變數,dn/dt≠0,狀態為加速或減速;稱之為動態.在上述兩個式子中:討論.在上式中:382.系統動態轉矩Td

討論:1)當Td=0時,系統為穩態;2)當Td≠0時,系統為動態:(1)Td＞0,dn/dt=a＞0,系統加速;(2)Td＜0,dn/dt=a＜0,系統減速.因此,TM,TL有大小,有方向.則工程計算式可寫為:TM-TL=Td

令系統動態轉矩:2.系統動態轉矩Td

討論:則工程計算式可寫為:令系統動態轉393.TM,TL的正方向及性質

以轉速n為參考量(先定下n的正方向);規定: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,與n方向相同的TL為負.舉例例1:列出下圖系統的運動方程式,并說明運動狀態.nTMTLnTM＞TL解:TM與n反向為負,TL與n反向為正,運動方程如下式;狀態為減速.3.TM,TL的正方向及性質

舉例例1:列出下圖系統40舉例例2:提升重物過程如左圖示,寫出運動方程式.解:(a)中,提升重物,TM為正,TL為正,運動方程式為:(b)中,仍為提升重物,但TM為負,TL為正,運動方程式為:思考題:試分析圖(a)和圖(b)系統的運動狀態.舉例例2:提升重物過程如左圖示,寫出運動方程式.(b)中,仍41思考題圖(a)中,要能提升重物,必須有TM>TL,系統加速.圖(b)中,電動機轉矩為負,也是制動轉矩,系統減速提升,直至停止.思考題圖(a)中,要能提升重物,必須有TM>TL,系統加速.422.2轉矩.轉動慣量和飛輪轉矩的折算實際拖動系統一般是多軸傳動系統,該系統的運動方程式,是將其轉矩等折算到一根軸上,再按2.1的方法列出運動方程式.折算時,可以折算到電動機軸上(高速軸),也可以折算至低速軸上.旋轉運動直線運動2.2轉矩.轉動慣量和飛輪轉矩的折算實43三軸旋轉運動折算至電動機軸上1.負載轉矩的折算式中,速比-傳動效率;2.轉動慣量的折算3.飛輪轉矩的折算式中,分別為電動機軸,中間傳動軸,生產機械軸上的飛輪轉矩.式中,三軸旋轉運動折算至電動機軸上1.負載轉矩的折算式中,44三軸直線運動折算到電動機軸上1.負載轉矩的折算提升時3.飛輪轉矩的折算2.轉動慣量的折算要注意式上面幾個式子中各個符號代表的物理意義.下降時三軸直線運動折算到電動機軸上1.負載轉矩的折算3.飛輪轉矩的45計算舉例例3機電傳動系統如下圖(a)所示.已知每根軸的飛輪轉矩和轉速,負載轉矩為98,電動機拖動轉矩29.4,傳動效率0.9,求生產機械軸上的加速度是多少?由公式可得生產機械軸上的加速度為解:這是折算到低速軸計算舉例例3機電傳動系統如下圖(a)所示.已知每根軸的飛輪46計算舉例題圖(a)計算舉例題圖(a)472.3機電傳動系統的負載特性1.恒轉矩特性1)特點:負載轉矩為常數;2)分類:反抗轉矩,位移轉矩.舉例:設備的提升機構,提升機的行走機構,皮帶運輸機,機床進給運動.2