1、11 机电传动控制的目的与任务,第一章 绪论,一、机电系统的组成,机电系统完成生产任务的基础,驱动运动部件的原动机（这里指的是各种电动机）之总称,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,二、机电传动控制的任务,将电能转换为机械能；,实现生产机械的启动、停止以及速度的调节；,完成各种生产工艺过程的要求；,保证生产过程的正常进行。,三、机电传动控制的目的,从广义上讲，机电传动控制的目的就是要使生产设备、生产线、车间乃至整个工厂都实现自动化。,从狭义上讲，则指控制电动机驱动生产机械，实现生产产品数量的增加（效率）、质量的提高（精度）、生产成本的降低、工人劳动条件的改善以及
2、能量的合理利用等。,随着生产工艺的发展，对机电传动控制系统的要求愈来愈高。,一些精密机床要求加工精度百分之几毫米，甚至几微米；,重型镗床为保证加工精度和粗糙度，要求在极慢的稳速下进给，即要求系统有很宽的调速范围；,轧钢车间的可逆式轧机及其辅助机械，操作频繁，要求在不到一秒的时间内完成从正转到反转的过程，即要求系统能迅速启动、制动和反向；,对于电梯和提升机，则要求启动和制动平稳，并能准确地停止在给定的位置上；,对于冷、热连轧机以及造纸机的个机架或分部，则要求各机架或各分部的转速保持一定的比例关系进行协调运转；,为了提高效率，由数台或十几台设备组成的生产自动线，要求统一控制或管理。,诸如此类的要求
3、，都要靠电动机及其控制系统来实现。,1.2 机电传动控制的发展,机电传动及其控制系统总是随着社会生产的发展而发展的。机电传动控制的发展可从机电传动和控制系统两方面来讨论。,一、机电传动的发展,成组拖动一台电动机拖动一根天轴（或地轴），然后再由天轴（或地轴）通过皮带轮和皮带分别拖动多台生产机械。,单电机拖动一台电动机拖动一台生产机械的各运动部件。,多电机拖动一台生产机械的各个运动部件分别由不同的电动机来拖动。,特点是生产效率低、劳动条件差、一旦电动机出现故障，将造成成组的生产机械停车；,这种拖动方式较成组拖动前进了一步，但当一台生产机械的运动部件较多时，其传动机构仍十分复杂；,二机电传动控制系统
4、的发展,控制系统的发展伴随控制器件的发展而发展。随着功率器件、放大器件的不断更新，机电传动控制系统的发展日新月异，它主要经历了四个阶段：,1继电器接触器控制：出现在20世纪初，它仅借助于简单的接触器.器与继电器，实现对控制对象的启动、停车以及有级调速等控制，它的控制速度慢，控制精度差；,2电机放大机控制：,3磁放大器控制和大功率可控制水银整流器控制：,4数字控制（NC） ：自动化程度、通用性和加工效率。,柔性制造系统（FMS） 由数控机床、工业机器人、自动搬运车等组成的统一由中心计算机控制的机械加工自动线，它是实现自动化车间和自动化工厂的重要组成部分。,机械制造自动化高级阶段是走向设计、制造一
5、体化，即利用计算机辅助设计（CAD）与计算机辅助制造（CAM）形成产品设计和制造过程的完整系统，对产品构思和设计直到装配、试验和质量管理这一全过程实现自动化。,为了实现制造过程的高效率、高柔性、高质量，研制计算机集成制造系统（CIMS）是人们现在的任务。,第二章 机电传动系统的运动学基础,机电传动系统的运动方程式；,多轴传动系统中转矩折算的基本原则和方法；,了解几种典型生产机械的负载特性；,了解机电传动系统稳定运行的条件以及学会分析实际系统的稳定性。,2.1 单轴拖动系统的运动方程式,一、单轴拖动系统的组成,电动机M通过连接件直接与生产机械相连，由电动机M产生输出转矩TM，用来克服负载转矩TL
6、 ，带动生产机械以角速度（或速度n）进行运动。,电动机,电动机的驱动对象,连接件,系统结构图,转距方向,二、运动方程式,在机电系统中，TM、TL、（或n)之间的函数关系称为运动方程式。,根据动力学原理，TM、TL、（或n)之间的函数关系如下：,运动方程式,转矩平衡方程式,TM 电动机的输出转矩（N.m）;,TL 负载转矩（N.m）;,J 转动惯量（kg.m2）;, 角速度（rad/s）；,n 速度（r/min）；,t 时间（s ）;, 动态转矩（N.m）。,三、传动系统的状态,根据运动方程式可知：运动系统有两种不同的运动状态：,即,，为常数，传动系统以恒速运动。,TM =TL时传动系统处于恒速
7、运动的这种状态被称为稳态。,即,传动系统加速运动。,即,传动系统减速运动。,TM TL 时传动系统处于加速或减速运动的这种状态被称为动态。,四、TM、TL 、n的参考方向(2),因为电动机和生产机械以共同的转速旋转，所以，一般以（或n）的转动方向为参考来确定转矩的正负。,当TM的实际作用方向与n的方向相同时，取与n相同的符号；,1. TM的符号与性质,当TM的实际作用方向与n的方向相反时，取与n相反的符号；,当TM的实际作用方向与n的方向相同（符号相同）时， TM为拖动转距，否则为制动转距。,拖动转距促进运动；制动转距阻碍运动。,当TL的实际作用方向与n的方向相同时，取与n相反的符号；,2.
8、TL的符号与性质,当TL的实际作用方向与n的方向相反时，取与n相同的符号；,当TL的实际作用方向与n的方向相同（符号相反）时， TL为拖动转距，否则为制动转距。,举例：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。,当重物上升时：,TM、TL、n的方向如图（a）所示。运动方程式为：,因此重物上升时，TM为拖动转矩，TL为制动转矩。,当重物下降时：,TM、TL、n的方向如图（b）所示。运动方程式为：,即：,因此重物下降时，TM为制动转矩，TL为拖动转矩。,TM为正，,TL为正。,TM为正，,TL为正。,22 多轴拖动系统的简化,为了对多轴拖动系统进行运行状
9、态的分析，一般是将多轴拖动系统等效折算为单轴系统。,一、多轴拖动系统的组成,电动机通过减速机构（如减速齿轮箱、蜗轮蜗杆等）与生产机械相连，如图所示：,折算的原则是：静态时，折算前后系统总的传输功率不变。,二、负载转矩的折算,假设电动机以M角速度旋转，负载转矩TL折算到电动机轴上的负载转矩为Teq，而生产机械的转动速度为L 。则电动机输出功率PM和负载所需功率PL分别为：,考虑传动机构在传输功率的过程中有损耗，这个损耗可用效率c来表示，且,则生产机械上的负载转矩折算到电动机轴上的等效转矩为：,式中：c电动机拖动生产机械运动时的传动效率；,传动机构的总传动比,23 生产机械的机械特性,在同一轴上，
10、负载转矩和转速之间的函数关系，称为生产机械的机械特性。,一、恒转矩型机械特性,恒转矩型机械特性根据其特点可分为反抗转矩和位能转矩两种。分别如图所示：,1反抗转矩：又称摩擦性转矩，其特点如下：,作用方向始终与速度n的方向相反，当n的方向发生变化时，它的作用方向也随之发生变化，恒与运动方向相反，即总是阻碍运动的。,转矩大小恒定不变；,按关于转矩正方向的约定可知，反抗转矩恒与转速n取相同的符号，即n为正方向时TL为正，特性在第一象限；n为负方向时TL为负，特性在第三象限。,2位能转矩 , 其特点为：,转矩大小恒定不变；,作用方向不变，与运动方向无关，即在某一方向阻碍运动而在另一方向促进运动。,卷扬机
11、起吊重物时，由于重物的作用方向永远向着地心，所以，由它产生的负载转矩永远作用在使重物下降的方向，当电动机拖动重物上升时，TL与n的方向相反；当重物下降时，TL和n的方向相同。,假设n为正时TL阻碍运动，则n为负时TL一定促进运动，特性在第一、四象限。,不难理解，在运动方程式中，反抗转矩TL的符号总是与 n 相同；位能转矩TL的符号则有时与n 相同，有时与n相反。,二、离心式通风型机械特性,离心式通风型机械特性是按离心力原理工作的，如离心式鼓风机、水泵等，它们的负载转矩TL的大小与速度n的平方成正比，即：,其中：C为常数。,三、直线型机械特性,直线型机械特性的负载转矩TL的大小与速度n的大小成正
12、比，即 ：,其中：C为常数。,恒功率型机械特性的负载转矩TL的大小与速度n的大小成正比，即,其中：C为常数。如图所示。,四、恒功率型机械特性,2.4 机电系统稳定运行的条件,机电传动系统中，电动机与生产机械连成一体，为了使系统运行合理，就要使电动机的机械特性与生产机械的机械特性尽量相配合。特性配合好的一个起码要求是系统能稳定运行。,一、机电系统稳定运行的含义,1. 系统应能一定速度匀速运行；,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,从Tn坐标上来看，就是电动机的机械特性曲线 n=f(
13、TM)和生产机械的机械特性曲线 n=f(TL)必须有交点，交点被称为平衡点。,2. 充分条件系统受到干扰后，要具有恢复到原平衡状态的能力，即：当干扰使速度上升时，有 TMTL 。这是稳定运行的充分条件。,符合稳定运行条件的平衡点称为稳定平衡点。,1. 必要条件电动机的输出转矩TM和负载转矩TL大小相等，方向相反。,分析举例,a、b两点是否为稳定平衡点？,a点：,当负载突然增加后,当负载波动消除后,故a点为系统的稳定平衡点。,同理b点不是稳定平衡点。,异步电动机的机械特性,生产机械的机械特性,交点a,交点b,如图所示，曲线1为异步电动机的机械特性，曲线2为异步电动机拖动的生产机械的机械特性。两曲
14、线有交点b，即拖动系统有一个平衡点。b点符合稳定运行的条件，因此b点为是稳定平衡点。此系统能在b点稳定运行。,练 习 题,1机电系统稳定运行的必要条件是电动机的输出转矩和负载转矩a. 大小相等 b. 方向相反 c. 大小相等，方向相反 d. 无法确定 2. 某机电系统中，电动机输出转矩大于负载转矩，则系统正处于a. 加速 b. 减速 c. 匀速 d. 不确定 3. 在单轴拖动系统中，已知电动机输出转矩和负载转矩的作用方向与转速的方向相同，则系统正处于a. 加速 b. 减速 c. 匀速 d. 静止 4在机电系统中，已知电动机输出转矩小于负载转矩，且电动机的输出转矩作用方向与转速的方向相同，而负载
15、转矩的方向与转速相反，则系统正处于a. 加速 b.减速 c.匀速 d.静止,第三章 直流电机的工作原理及特性,重点掌握：, 了解直流电机的基本结构及工作原理； 了解直流发电机的特性； 掌握直流电动机的机械特性； 掌握直流电动机启动、调速和制动等各种特性； 掌握实现直流电动机启动、调速和制动的各种方法以及它们的使用场所。,电机分交流和直流两种。,直流电机工作电压或输出的电压为直流；,交流电机工作电压为交流。,直流电机分直流电动机和直流发电机两种。,直流电动机将电能转换为机械能；,直流发电机将机械能转换为电能。,31 直流电机的基本结构和工作原理,一、直流电机的基本结构,直流电机的结构图如图所示：
16、,根据电机的工作原理，直流电机的组成可分为定子、转子和换向器三大部分。,定子部分主要由定子铁心和绕在上面的励磁绕组两部分组成。,转子部分主要由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。,换向器由换向片和电刷组成，电刷固定在定子上，换向片与电枢绕组相连，换向片与电刷保持滑动接触。,二、基本的工作原理,为了讨论直流电机的工作原理，可把复杂的直流电机结构简化为电机具有一对主磁极，电枢绕组只是一个线圈，线圈两端分别联在两个换向片上，换向片上压着电刷A和B。如图所示：,1 主磁极：励磁绕组上加上直流电压，励磁绕组上有励磁电流通过，使定子铁心产生固定磁场，即定子的主要作用是产生主磁场。,2电枢绕组：在固定的磁场中旋转
17、，主要作用是产生感应电动势或产生机械转矩，实现能量的转换。,3、4换向器：电刷固定不动，换向片与电枢绕组一起旋转，主要作用对发电机而言是将电枢绕组内感应的交流电势转换成电刷间的直流电势。对电动机而言，则是将外加的直流电流转换为电枢绕组的交变电流，并保证每一磁极下，电枢导体的电流的方向不变，以产生恒定的电磁转矩。,3电刷,4换向片,1发电机原理：将机械能转换为电能。,电枢由原动机驱动而在磁场中旋转，在电枢线圈的两根有效边ab和cd（切割磁力线的导体部分）中便感应出电动势e。,显然，每一有效边中的电动势是交变的，即在N极下是一个方向，当它转到S极下时是另一个方向。但是，由于电刷A总是同与N极下的有
18、效边相联的换向片接触，而电刷B总是同与S极下的有效边相联的换向片接触，因此，在电刷间就出现一个极性不变的电动势或电压，当电刷之间接有负载时，在电动势的作用下就在电路中产生一定方向的电流。,2电动机原理：将电能转换为机械能。,直流电源接在电刷之间而使电流通入电枢线圈。电流方向应该是这样的：N极下的有效边中的电流总是一个方向，而S极下的有效边中的电流总是另一个方向，这样才能使两个边上受到的电磁力的方向一致，电枢因而转动。因此，当线圈的有效边从N（S）极下转到S（N）极下时，其中电流的方向必须同时改变，使电磁力的方向不变，即电磁转矩的方向不变而使转子以n的转速旋转。,三、电动势和电磁转矩,1. 电动
19、势E,根据电磁学原理，两电刷间的感应电动势为:,式中：E感应电动势（V）；对磁极的磁通（Wb）；n电枢转速（r/min）；Ke与电机结构有关的常数。,直流发电机中，电动势的方向总是与电流的方向相同，被称为电源电动势。直流电动机中，电动势的方向总是与电流的方向相反，被称为反电动势。,2电磁转矩TM,电枢绕组中的电流和磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，其大小可用如下公式表示：,式中：TM电磁转矩（Nm）；对磁极的磁通（Wb）；Ia电枢电流（A）；Km与电机结构有关的常数，Km=9.55 Ke,直流发电机和直流电动机的电磁转矩的作用是不同的。,发电机的电磁转矩是阻转矩，它与电枢转动的方向或原动机的
20、驱动转矩的方向相反。因此，在等速转动时，原动机的转矩T1必须与发电机的电磁转矩TM及空载损耗转矩T0相平衡。,电动机的电磁转矩是驱动转矩，它使电枢转动。因此，电动机的电磁转矩TM必须与机械负载转矩TL及空载损耗转矩T0相平衡。,从以上分析可知，直流电机作发电机运行和作电动机运行时，虽然都产生电动势E和电磁转矩T，但二者的作用正好相反，见表 ：,四、直流电机的分类,直流电机按定子励磁绕组的励磁方式不同可分为五类：,1他励电机：励磁绕组由外加电源单独供电，励磁电流的大小与电枢两端电压或电枢电流的大小无关。,2. 并励电机：励磁绕组与电枢绕组并联连接。,3串励电机：励磁绕组与电枢绕组并联连接。,4复励电机：励磁绕组分为两部分，一部分与电枢绕组并联连接，另一部分与电枢绕组并联连接。,5永磁电机：定子由永久磁铁建立磁场。,
