机电传动控制(第四版)


机电传动控制
邓星钟 等编著 华中科技大学出版社

“机电传动控制”多媒体课件 机电传动控制” 机电传动控制

湖南理工学院张万奎 2008年 年

第1章

绪论

机电传动的发展概况; 机电传动的发展概况; 电气控制系统的发展概况; 电气控制系统的发展概况; “机电传动控制”课程的性质和任务. 机电传动控制”课程的性质和任务.

1.机电传动发展的概况 1.机电传动发展的概况
1) 成组拖动 一台电动机---一根天轴 一组生产机械设备 一根天轴--一台电动机---一根天轴---一组生产机械设备 机构复杂,损耗大,效率低,工作可靠性差. 机构复杂,损耗大,效率低,工作可靠性差. 2) 单台电动机拖动 一台电动机---一台设备 一台电动机---一台设备 当生产机械设备运动部件较多时,机构仍复杂, 当生产机械设备运动部件较多时,机构仍复杂,满足不 了生产工艺要求. 了生产工艺要求. 3) 多台电动机拖动 一台专门的电动机---同一台设备的每一个运动部件 一台专门的电动机---同一台设备的每一个运动部件 机构简单,控制灵活,便于生产机械的自动化. 机构简单,控制灵活,便于生产机械的自动化. 举例:龙门刨床的刨台,左垂直刀架,右垂直刀架,侧刀架, 举例:龙门刨床的刨台,左垂直刀架,右垂直刀架,侧刀架, 横梁,夹紧机构,都是分别由一台电动机拖动的. 横梁,夹紧机构,都是分别由一台电动机拖动的.

2.电气控制系统的发展概况 2.电气控制系统的发展概况
1) 继电器-接触器控制系统 继电器能对控制对象实现起动,制动,有级调速控制; 能对控制对象实现起动,制动,有级调速控制; 结构简单,动作可靠;控制速度慢,控制精度差. 结构简单,动作可靠;控制速度慢,控制精度差. 2) 连续控制方式和自动控制系统 20世纪 年代的电机放大机控制 -50年代的磁放大 20世纪30年代的电机放大机控制,40-50年代的磁放大 世纪30年代的电机放大机控制,40 器控制和水银整流器控制,1958年以后的晶闸管 年以后的晶闸管器控制和水银整流器控制,1958年以后的晶闸管-直流电 动机无级调速系统,80年代以来的新型电力电子元件 年代以来的新型电力电子元件动机无级调速系统,80年代以来的新型电力电子元件-交 流电动机无级调速系统; 流电动机无级调速系统; 控制简单,可靠性高,连续控制,拖动性能好. 控制简单,可靠性高,连续控制,拖动性能好.

电气控制系统的发展概况
3) 可编程序控制器(PLC) 可编程序控制器(PLC) 是继电器常规控制技术与微机技术的结合, 是继电器常规控制技术与微机技术的结合,是一台按 开关量输入的工业控制专用计算机; 开关量输入的工业控制专用计算机; 具有逻辑运算功能,定时/计数功能,数字运算功能, 具有逻辑运算功能,定时/计数功能,数字运算功能,通 信功能. 信功能. 4) 计算机数字控制系统 1952年美国出现第一台数控铣床 1952年美国出现第一台数控铣床,1958年出现加工中 年美国出现第一台数控铣床,1958年出现加工中 ,20世纪 年代 世纪70年代CNC应用于数控机床和加工中心 年 应用于数控机床和加工中心,80 心,20世纪70年代CNC应用于数控机床和加工中心,80年 代出现了柔性制造系统(FNS); 代出现了柔性制造系统(FNS); 提高了生产机械的通用性和效率, 提高了生产机械的通用性和效率,实现机械加工全盘 自动化. 自动化.

3.“机电传动控制”课程的性质和任 3.“机电传动控制” 务 1) 课程性质
该课程是机械类专业的一门必修的专业基础课, 该课程是机械类专业的一门必修的专业基础课,是机 电一体化人才所需电知识的驱体.它将电机,电器, 电一体化人才所需电知识的驱体.它将电机,电器,继电 接触器控制,PLC,电力电子技术 电力电子技术, 器-接触器控制,PLC,电力电子技术,自动调速系统有机 地结合在一起. 地结合在一起. 2) 课程内容 全书14章 分为5个单元: 全书14章,分为5个单元: (1)机电传动系统的动力学基础和过渡过程 (1)机电传动系统的动力学基础和过渡过程; 机电传动系统的动力学基础和过渡过程; (2)电机及继电器 接触器控制系统; (2)电机及继电器-接触器控制系统; 电机及继电器(3)可编程序控制器 (3)可编程序控制器; 可编程序控制器; (4)电力电子技术的基本知识 (4)电力电子技术的基本知识; 电力电子技术的基本知识; (5)自动调速系统 (5)自动调速系统. 自动调速系统.

3) 课程学习任务 掌握继电器-接触器控制系统的工作原理和元件选择, 掌握继电器-接触器控制系统的工作原理和元件选择, 掌握PLC的编程方法与应用 掌握PLC的编程方法与应用, 的编程方法与应用, 掌握闭环控制系统的工作原理与性能及其应用场所. 掌握闭环控制系统的工作原理与性能及其应用场所. 了解电力拖动的一般知识, 了解电力拖动的一般知识, 了解最新电气控制技术在生产机械上的应用. 了解最新电气控制技术在生产机械上的应用.

阅读书目: 阅读书目:
1.齐占庆主编 机床电气控制技术(第三版).北京 1.齐占庆主编.机床电气控制技术(第三版).北京:机械 齐占庆主编. 北京: 工业出版社.2004年 工业出版社.2004年6月. 2.陈伯时主编 电力拖动自动控制系统(第三版).北京 2.陈伯时主编.电力拖动自动控制系统(第三版).北京: 陈伯时主编. 北京: 机械工业出版社.2003年 机械工业出版社.2003年8月. 3.程宪平主编 机电传动与控制(第二版).武汉 3.程宪平主编.机电传动与控制(第二版).武汉:华中科 程宪平主编. 武汉: 技大学出版社.2003年 技大学出版社.2003年9月. 4.魏炳贵主编 电力拖动基础.北京: 4.魏炳贵主编.电力拖动基础.北京:机械工业出版 魏炳贵主编. .2000年 社.2000年8月. 5.张万奎主编 机床电气控制技术.北京; 5.张万奎主编.机床电气控制技术.北京;北京大学出版 张万奎主编. .2006年 社.2006年8月.

第2章 机电传动系统的动力学基础
掌握机电传动系统的运动方程式, 掌握机电传动系统的运动方程式,用它来分析 机电传动系统的运动状态; 机电传动系统的运动状态; 了解多轴拖动系统中转矩, 了解多轴拖动系统中转矩,转动惯量和飞轮转 矩的折算方法; 矩的折算方法; 了解几种典型生产机械的机械特性; 了解几种典型生产机械的机械特性; 掌握机电传动系统稳定运行的条件. 掌握机电传动系统稳定运行的条件.

2.1 机电传动系统的运动方程式

1.单轴机电传动系统运动方程式 1.单轴机电传动系统运动方程式: 单轴机电传动系统运动方程式:

TM ? TL
TM ? TL

dω = J dt

定义式 工程计算式

G D 2 dn = 375 dt

dω TM ? TL = J dt
ω

TM ? TL

G D 2 dn = 375 dt

在上述两个式子中: 在上述两个式子中: TM-电动机转矩; 电动机转矩; TL-负载转矩; 负载转矩; J-转动惯量; 转动惯量; GD2-飞轮转矩,且 飞轮转矩, J=1/4(GD2); n-转速; 转速; ω-角速度. 角速度.

讨论.在上式中: 讨论.在上式中: 1)当 1)当TM=TL时,n为常 ,n为常 .dn/dt=0,状态为恒速 状态为恒速; 数.dn/dt=0,状态为恒速; 称之为稳态 静态. 稳态或 称之为稳态或静态. 2)当 2)当TM≠TL时,n为变 ,n为变 ≠0,状态为加速 数,dn/dt ≠0,状态为加速 动态. 或减速;称之为动态 或减速;称之为动态.

2.系统动态转矩 2.系统动态转矩Td 系统动态转矩T

令系统动态转矩: 令系统动态转矩:

GD 2 dn Td = 375 dt
则工程计算式可写为: 则工程计算式可写为: TM-TL= Td

讨论: 讨论 1)当Td=0时,系统为稳态 系统为稳态; 当 时 系统为稳态 2)当Td≠0时,系统为动态 系统为动态: 当 时 系统为动态 (1) Td>0,dn/dt=a>0, > 系统加速; 系统加速 (2) Td<0,dn/dt=a<0, < 系统减速. 系统减速 有大小,有方向 有方向. 因此,T 因此 M,TL有大小 有方向

3.TM,TL的正方向及性质 举例 以转速n 以转速n为参考量 (先定下n的正方向); 先定下n的正方向); 规定: 规定: 方向相同的T 与n方向相同的TM为 方向相反的T 为正; 正,与n方向相反的TL为正; 方向相反的T 与n方向相反的TM为 方向相同的T 为负. 负,与n方向相同的TL为负. 例1:列出下图系统的运动 1:列出下图系统的运动 方程式,并说明运动状态. 方程式,并说明运动状态.
TM TM>TL n n TL

解:TM与n反向为负,TL与n 反向为负,T 反向为正,运动方程如下式; 反向为正,运动方程如下式; 状态为减速. 状态为减速.
?TM ? TL G D 2 dn = 375 dt

举例
例2:提升重物过程如左图示, 2:提升重物过程如左图示 提升重物过程如左图示, 写出运动方程式. 写出运动方程式. 解:(a)中,提升重物,TM为 :(a)中 提升重物,T 为正,运动方程式为: 正,TL为正,运动方程式为:

GD 2 dn TM ? TL = 375 dt
(b)中 仍为提升重物, (b)中,仍为提升重物, 为负,T 为正, 但TM为负,TL为正, 运动方程式为: 运动方程式为:

思考题:试分析图(a)和图 系统的运动状态 思考题:试分析图(a)和图(b)系统的运动状态. 和图(b)系统的运动状态.

GD2 dn ?TM ? TL = 375 dt

思考题
图(a)中,要能提升重 物,必须有TM>TL,系 统加速.
图(b)中,电动机转矩为负, 也是制动转矩,系统减速提 升,直至停止.

2.2转矩.转动惯量和飞轮转矩的折算 2.2转矩 转矩.
实际拖动系统一般是多轴传动系统, 实际拖动系统一般是多轴传动系统,该系统的运动 方程式,是将其转矩等折算到一根轴上,再按2.1的方法 方程式,是将其转矩等折算到一根轴上,再按2.1的方法 列出运动方程式. 列出运动方程式. 折算时,可以折算到电动机轴上(高速轴),也可以折 折算时,可以折算到电动机轴上(高速轴),也可以折 算至低速轴上. 算至低速轴上.

旋转运动

直线运动

三轴旋转运动折算至电动机轴上
1.负载转矩的折算 1.负载转矩的折算
式中, 式中,速比

TL =
式中, 式中,

ηC

TL

/

nM j1 = n1

nM jL = nL

ηc -传动效率; 传动效率;

3.飞轮转矩的折算 3.飞轮转矩的折算

GD12 GDL2 GDZ 2 = GDM 2 + 2 + 2 j1 jL
式中, 式中,

2.转动惯量的折算 2.转动惯量的折算

J1 JL JZ = JM + 2 + 2 j1 jL

GDM GD1 GDL

2

2

2

分别为电动机轴, 分别为电动机轴,中间传动 轴,生产机械轴上的飞轮转 矩.

三轴直线运动折算到电动机轴上
1.负载转矩的折算 1.负载转矩的折算 提升时 TL = 9.55 FV η nM 下降时 T = 9.55 η FV L
nM

3.飞轮转矩的折算 3.飞轮转矩的折算
GD2 GDL2 GV2 GDZ2 = GDM2 + 21 + 2 +365 2 j1 jL nM

2.转动惯量的折算 2.转动惯量的折算
J1 J L V2 JZ = JM + 2 + 2 + m 2 j1 J L ωM

要注意式上面几个式子 中各个符号代表的物理意 义.

计算举例
例3 机电传动系统如下图(a) 机电传动系统如下图(a) 解:这是折算到低速轴 所示. 所示.已知每根轴的飞轮 n 转矩和转速, 转矩和转速,负载转矩为 TM / = TM jηc = TM 1 ηc = 132.3 Nm n3 98 Nm 2,电动机拖动转矩 ,电动机拖动转矩 2 2 n 2 2 n2 2 2 2 2 29.4 Nm ,传动效率0.9,求 GDZ = GD1 ( n ) + GD2 ( n ) + GD3 = 3675 Nm ,传动效率 求 传动效率0.9, 3 生产机械轴上的加速度 是多少? 是多少? 由公式可得生产机械轴上 的加速度为 2 2 GD = 87.4Nm n1 = 2500r / m 1
1 3

GD22 = 245Nm2

n2 = 1000r / m

GD 2 = 735Nm2 3

n3 = 500r / m

dnL TM / ? TL / = = 3.5(r / m) s ?1 GDZ 2 dt 375

计算举例题图(a) 计算举例题图(a)

2.3 机电传动系统的负载特性
1.恒转矩特性 1.恒转矩特性 1)特点 负载转矩为常数; 1)特点:负载转矩为常数; 特点: 2)分类 反抗转矩, 2)分类:反抗转矩, 分类: 位移转矩. 位移转矩. 举例:设备的提升机构, 举例:设备的提升机构, 提升机的行走机构, 提升机的行走机构, 皮带运输机, 皮带运输机, 机床进给运动. 机床进给运动.

n = f (TL )

2.恒功率特性 2.恒功率特性 特点:负载转矩与转速成反比, 特点:负载转矩与转速成反比, 功率基本不变. 功率基本不变. 举例:球磨机, 举例:球磨机, 碎石机, 碎石机, 机床的主运动. 机床的主运动.

3.通风机特性 3.通风机特性 特点: 特点:负载转矩与转速的平 方成正比. 方成正比. 举例:水泵, 举例:水泵, 通风机. 通风机. 风机, 风机,水泵电动机的容 量占工业用户总用电量 70%. 的70%.

2.4 机电传动系统稳定运行的条件
1.机电传动系统稳定运行 1.机电传动系统稳定运行 的条件
1)n = f (TM )和 n = f (TL ) 两条特 性曲线有交点, 性曲线有交点,该交点称之 为系统的平衡点. 为系统的平衡点. 2)当转速大于平衡点对应的 2)当转速大于平衡点对应的 转速时, 转速时,有: TM<TL; 当转速小于平衡点对应 的转速时, 的转速时, 有: TM > TL

2.稳定工作点判别 2.稳定工作点判别

稳定运行判别举例
例1, 试判别右图所示三相 异步电动机特性曲线与 恒转矩负载特性曲线组 成系统的稳定平衡点. 成系统的稳定平衡点 分析: 分析

由机电传动系统 稳定判据的两个条件, 稳定判据的两个条件 分别判别图中a点和 点和b 分别判别图中 点和 点是否满足稳定运行 的条件. 的条件

解: 1)有交点a和b; 1)有交点 有交点a 2)对于 2)对于a点,当转速小于 对于a a点对应的转速时,电动 点对应的转速时, 机的转矩大于负载转 矩,a点是平衡点; ,a点是平衡点 点是平衡点; 对于b 对于b点,当转速小于 b点对应的转速时,电动 点对应的转速时, 机的转矩小于负载转 ,b点不是平衡点 点不是平衡点. 矩,b点不是平衡点. (同学们可自己作一 点以下的线) 条b点以下的线)

稳定判别举例
例2 右图中b点是不是稳定 右图中b 平衡点?为什么? 平衡点?为什么? 解:b点是平衡工作点. :b点是平衡工作点 点是平衡工作点. 1)两条曲线有交点b; 1)两条曲线有交点 两条曲线有交点b; 2)当转速大于b点对应 2)当转速大于 当转速大于b 的转速时,即在b 的转速时,即在b点上方作 一条虚线, 一条虚线,与这两条曲线有 交点,其中, 交点,其中,与负载特性曲 线的交点位于与电动机特 性曲线交点的右侧, 性曲线交点的右侧,即电动 机转矩小于负载转矩. 机转矩小于负载转矩.


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