《機(jī)電傳動控制》講義(1)

1、機(jī)電傳動控制機(jī)電傳動控制彭健重慶工商大學(xué)機(jī)械與包裝工程學(xué)院20062007學(xué)年第二學(xué)期本課程為機(jī)械類專業(yè)的電氣類課程本課程為機(jī)械類專業(yè)的電氣類課程（3）強(qiáng)電部分：強(qiáng)電部分：設(shè)備驅(qū)動和控制。設(shè)備驅(qū)動和控制。（1）設(shè)備組成：設(shè)備組成：機(jī)械部分、電氣部分。機(jī)械部分、電氣部分。（2）電氣部分：電氣部分：強(qiáng)電部分、弱電部分。強(qiáng)電部分、弱電部分。課程內(nèi)容定位課程內(nèi)容定位本課程重點(diǎn)研究設(shè)備驅(qū)動與控制本課程重點(diǎn)研究設(shè)備驅(qū)動與控制本課程的主要內(nèi)容本課程的主要內(nèi)容v電機(jī)與拖動基礎(chǔ)知識；電機(jī)與拖動基礎(chǔ)知識；v機(jī)電傳動控制技術(shù)機(jī)電傳動控制技術(shù)機(jī)電傳動控制中繼電器機(jī)電傳動控制中繼電器-接觸器控制接觸器控制交直流調(diào)速控制

2、交直流調(diào)速控制伺服驅(qū)動控制伺服驅(qū)動控制步進(jìn)電機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)控制學(xué)習(xí)任務(wù)學(xué)習(xí)任務(wù)v掌握電機(jī)、電氣傳動和電機(jī)控制的基本原理掌握電機(jī)、電氣傳動和電機(jī)控制的基本原理和方法。和方法。v認(rèn)識設(shè)備與電氣元件，了解其工作原理及作認(rèn)識設(shè)備與電氣元件，了解其工作原理及作用，以及圖形表達(dá)方法等。用，以及圖形表達(dá)方法等。v初步掌握機(jī)電傳動系統(tǒng)的分析、設(shè)計方法。初步掌握機(jī)電傳動系統(tǒng)的分析、設(shè)計方法。v能運(yùn)用所學(xué)的知識去分析解決機(jī)電工程中的能運(yùn)用所學(xué)的知識去分析解決機(jī)電工程中的相關(guān)問題。相關(guān)問題?？荚嚪绞脚c成績評定v100分制，期末考試、實驗與平時成績考查分制，期末考試、實驗與平時成績考查相結(jié)合，比例為相結(jié)合，比例為70

3、：30。 第一章第一章 機(jī)電傳動控制機(jī)電傳動控制概論概論 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 v一、什么是機(jī)電傳動控制一、什么是機(jī)電傳動控制機(jī)電傳動又叫機(jī)電傳動又叫電氣傳動電氣傳動、電力傳動電力傳動或或電力拖動電力拖動是指以電動機(jī)為原動機(jī)，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的是指以電動機(jī)為原動機(jī)，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的傳動技術(shù)傳動技術(shù)機(jī)電傳動控制就是實現(xiàn)對機(jī)械運(yùn)動的電氣控制和機(jī)電傳動控制就是實現(xiàn)對機(jī)械運(yùn)動的電氣控制和調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)。現(xiàn)代機(jī)電設(shè)備和裝置一般由現(xiàn)代機(jī)電設(shè)備和裝置一般由工作機(jī)構(gòu)工作機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)傳動機(jī)構(gòu)、原動機(jī)原動機(jī)和和自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)四個主要部分組成。四個主要部分組成。 原動機(jī)原動機(jī)（電動機(jī)）（電動機(jī)）傳動

4、機(jī)構(gòu)傳動機(jī)構(gòu)工作機(jī)構(gòu)工作機(jī)構(gòu)自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)（電子、電氣控制）（電子、電氣控制）機(jī)電傳動機(jī)電傳動機(jī)電傳動控制機(jī)電傳動控制機(jī)電系統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)工作機(jī)構(gòu)工作機(jī)構(gòu)v最終完成系統(tǒng)所承擔(dān)的工作任務(wù)，如機(jī)床的加工機(jī)構(gòu)，最終完成系統(tǒng)所承擔(dān)的工作任務(wù)，如機(jī)床的加工機(jī)構(gòu)，汽車行駛機(jī)構(gòu)等。汽車行駛機(jī)構(gòu)等。傳動機(jī)構(gòu)傳動機(jī)構(gòu)v把運(yùn)動和動力傳遞到工作機(jī)構(gòu)，如齒輪減速器等。把運(yùn)動和動力傳遞到工作機(jī)構(gòu)，如齒輪減速器等。原動機(jī)原動機(jī)v產(chǎn)生將其他能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，產(chǎn)生動力，如電動機(jī)、產(chǎn)生將其他能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，產(chǎn)生動力，如電動機(jī)、汽油機(jī)等。汽油機(jī)等。v機(jī)電傳動系統(tǒng)主要以電動機(jī)為原動機(jī)。機(jī)電傳動系統(tǒng)主要以電動機(jī)為原動機(jī)?？刂?/p>

5、系統(tǒng)控制系統(tǒng)v控制工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，使之按預(yù)先設(shè)計的規(guī)律運(yùn)動，控制工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，使之按預(yù)先設(shè)計的規(guī)律運(yùn)動，并完成工作任務(wù)。并完成工作任務(wù)。v機(jī)電傳動控制主要研究對電動機(jī)的控制。機(jī)電傳動控制主要研究對電動機(jī)的控制。v二、為什么要用機(jī)電傳動？二、為什么要用機(jī)電傳動？電氣控制系統(tǒng)和機(jī)電傳動系統(tǒng)能比較方便地集成電氣控制系統(tǒng)和機(jī)電傳動系統(tǒng)能比較方便地集成v能充分發(fā)揮電子設(shè)備的信息處理能力，實現(xiàn)復(fù)雜的控能充分發(fā)揮電子設(shè)備的信息處理能力，實現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。制功能。v要想很好地使用電子和電氣設(shè)備進(jìn)行自動控制必須使要想很好地使用電子和電氣設(shè)備進(jìn)行自動控制必須使用機(jī)電傳動系統(tǒng)。用機(jī)電傳動系統(tǒng)。機(jī)電傳動控制系統(tǒng)是

6、機(jī)電一體化系統(tǒng)的核心機(jī)電傳動控制系統(tǒng)是機(jī)電一體化系統(tǒng)的核心機(jī)電傳動系統(tǒng)體積較小，結(jié)構(gòu)簡單，配置布署方機(jī)電傳動系統(tǒng)體積較小，結(jié)構(gòu)簡單，配置布署方便；便；傳動效率高，節(jié)省能源，清潔、不污染環(huán)境；傳動效率高，節(jié)省能源，清潔、不污染環(huán)境；機(jī)電傳動系統(tǒng)能適應(yīng)高精度、高轉(zhuǎn)速、高負(fù)載等機(jī)電傳動系統(tǒng)能適應(yīng)高精度、高轉(zhuǎn)速、高負(fù)載等的應(yīng)用要求，應(yīng)用范圍廣。的應(yīng)用要求，應(yīng)用范圍廣。各種傳動方式的比較各種傳動方式的比較類類 型型操作操作力力動作快動作快慢慢環(huán)境要求環(huán)境要求構(gòu)造構(gòu)造負(fù)載變化負(fù)載變化影響影響操作距離操作距離無級無級調(diào)調(diào)速速工作壽工作壽命命維護(hù)維護(hù)體體積積氣壓傳動氣壓傳動小小中中較快較快適應(yīng)性好適應(yīng)性好簡單

7、簡單較較 大大中距離中距離較好較好長長一般一般中中等等液壓傳動液壓傳動中中極極大大較慢較慢不怕振動不怕振動復(fù)雜復(fù)雜有一些有一些短距離短距離良好良好一般一般要求高要求高較較大大電電傳傳動動電電氣氣小小大大快快要求高要求高稍復(fù)雜稍復(fù)雜幾乎沒有幾乎沒有遠(yuǎn)距離遠(yuǎn)距離良好良好較短較短要求較要求較高高較較小小電電子子最小最小最快最快要求特高要求特高最復(fù)雜最復(fù)雜沒有沒有遠(yuǎn)距離遠(yuǎn)距離良好良好短短要求更要求更高高小小機(jī)械傳動機(jī)械傳動小小大大一般一般一般一般一般一般沒有沒有短距離短距離較困較困難難一般一般簡單簡單大大項目項目氣動氣動液壓液壓電傳動電傳動機(jī)械機(jī)械驅(qū)動力調(diào)整驅(qū)動力調(diào)整容易容易容易容易困難困難困難困難速

8、度調(diào)整速度調(diào)整容易容易很容易很容易稍困難稍困難困難困難速度穩(wěn)定性速度穩(wěn)定性較差，需采取專門較差，需采取專門措施措施良好良好次于液壓，優(yōu)于氣動次于液壓，優(yōu)于氣動很好很好控制精度控制精度較差較差高高一般一般一般一般控制距離控制距離中短中短短短不限不限短短過載保護(hù)過載保護(hù)容易容易較容易，過載會較容易，過載會引起油溫升高，引起油溫升高，功耗大功耗大長期過載會燒毀電動機(jī)長期過載會燒毀電動機(jī)稍困難稍困難傳動系統(tǒng)效率傳動系統(tǒng)效率30%30%70%70%90%90%90%90%左右左右傳輸時能量損失傳輸時能量損失較小較小較大較大小小小小防爆性防爆性好好用非可燃油才能用非可燃油才能防火防火應(yīng)采取措施，但成本高應(yīng)

9、采取措施，但成本高好好防塵性防塵性好好要防止油被污染要防止油被污染灰塵對性能有影響灰塵對性能有影響防濕性防濕性應(yīng)排除冷凝水應(yīng)排除冷凝水小小要特殊保護(hù)措施要特殊保護(hù)措施小小抗震性抗震性一般一般一般一般差差一般一般抗磁性抗磁性好好好好可能引起誤操作可能引起誤操作抗腐蝕性抗腐蝕性較好較好好好差差較差較差溫度影響溫度影響小小中中大大小小對環(huán)境污染對環(huán)境污染對空氣污染小，要對空氣污染小，要防止噪聲防止噪聲要防漏油和噪聲要防漏油和噪聲污染小，要防噪聲污染小，要防噪聲要防噪聲要防噪聲壽命壽命長長較長較長電器控制低于氣動，電電器控制低于氣動，電子控制最長子控制最長長長價格價格便宜便宜較貴較貴電器控制便宜，電子

10、控電器控制便宜，電子控制較貴制較貴一般一般v三、機(jī)電傳動的應(yīng)用領(lǐng)域三、機(jī)電傳動的應(yīng)用領(lǐng)域 廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航天航空、交通運(yùn)輸、廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航天航空、交通運(yùn)輸、日常生活等方面日常生活等方面控制控制減速器減速器電動機(jī)電動機(jī)織布機(jī)織布機(jī)普通機(jī)床普通機(jī)床電力機(jī)車電力機(jī)車飛機(jī)飛機(jī)裝甲車輛裝甲車輛徐工400T400噸級電傳動礦用自卸車v（長寬高）15920100007630mm，空車重量260噸，車貨總重達(dá)660噸。vhttp:/ 阿拉果實驗阿拉果實驗：用一個銅盤靠近正在往復(fù)擺動的指南針用一個銅盤靠近正在往復(fù)擺動的指南針，出現(xiàn)了阻尼作用使擺動立刻變慢。轉(zhuǎn)動著的銅盤又，出現(xiàn)了阻尼作用使擺動立

11、刻變慢。轉(zhuǎn)動著的銅盤又可以帶動靠近的磁針跟著轉(zhuǎn)動，還發(fā)現(xiàn)了這種作用的可以帶動靠近的磁針跟著轉(zhuǎn)動，還發(fā)現(xiàn)了這種作用的大小與盤子的導(dǎo)電性能有關(guān)系。大小與盤子的導(dǎo)電性能有關(guān)系。v1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，確定了電磁感年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，確定了電磁感應(yīng)的基本定律，取得了磁感應(yīng)生電的重大突破，并發(fā)應(yīng)的基本定律，取得了磁感應(yīng)生電的重大突破，并發(fā)明了單極直流電機(jī)。明了單極直流電機(jī)。 法拉第與最早的發(fā)電機(jī)法拉第與最早的發(fā)電機(jī) 法拉第盤法拉第盤 v1832年，人們知道了單相交流發(fā)電機(jī)。由于生產(chǎn)上沒年，人們知道了單相交流發(fā)電機(jī)。由于生產(chǎn)上沒什么需要，加上當(dāng)時科學(xué)水平的限制，人們對交流電什么需

12、要，加上當(dāng)時科學(xué)水平的限制，人們對交流電還不很了解，所以交流電機(jī)實質(zhì)上沒什么發(fā)展。還不很了解，所以交流電機(jī)實質(zhì)上沒什么發(fā)展。v1833年，法國發(fā)明家皮克西（年，法國發(fā)明家皮克西（Pixii）制成了第一臺旋）制成了第一臺旋轉(zhuǎn)磁極式直流發(fā)電機(jī)。楞次證明了電機(jī)的可逆原理。轉(zhuǎn)磁極式直流發(fā)電機(jī)。楞次證明了電機(jī)的可逆原理。 皮克斯發(fā)明的皮克斯發(fā)明的 直流發(fā)電機(jī)直流發(fā)電機(jī) v1834年，俄國物理學(xué)家雅可比（年，俄國物理學(xué)家雅可比（）設(shè)計并制成）設(shè)計并制成了第一臺實用的直流電動機(jī)，該電動機(jī)有了第一臺實用的直流電動機(jī)，該電動機(jī)有15瓦功率。瓦功率。1838年，雅可比還把改進(jìn)的直流電動機(jī)裝在一條小船年，雅可比還把

13、改進(jìn)的直流電動機(jī)裝在一條小船上，以上，以 4 km/h 的速度逆流而上和順流而下。的速度逆流而上和順流而下。 雅可比發(fā)明的世界上第一臺電動機(jī)模型與實用電動機(jī)雅可比發(fā)明的世界上第一臺電動機(jī)模型與實用電動機(jī) v1845年，英國物理學(xué)家惠斯通年，英國物理學(xué)家惠斯通(Charle Wheatstone 18021875年年)用電磁鐵代替永久磁鐵，井取得了專用電磁鐵代替永久磁鐵，井取得了專利權(quán)。這是增強(qiáng)發(fā)電機(jī)輸出功率的一個重要措施。利權(quán)。這是增強(qiáng)發(fā)電機(jī)輸出功率的一個重要措施。v1850年，美國發(fā)明家佩奇（年，美國發(fā)明家佩奇（Page）制造了一臺）制造了一臺10馬馬力的直流電動機(jī)，用來驅(qū)動有軌電車。力的直

14、流電動機(jī)，用來驅(qū)動有軌電車。v1851 年的倫敦博覽會和年的倫敦博覽會和1855 年的巴黎博覽會上，丹年的巴黎博覽會上，丹麥工程師希奧爾特用蓄電池給電動機(jī)勵磁。電機(jī)的勵麥工程師希奧爾特用蓄電池給電動機(jī)勵磁。電機(jī)的勵磁技術(shù)從他勵發(fā)展到自勵，最終地解決了加強(qiáng)勵磁的磁技術(shù)從他勵發(fā)展到自勵，最終地解決了加強(qiáng)勵磁的問題。問題。v1864年，英國物理學(xué)家麥克斯韋（年，英國物理學(xué)家麥克斯韋（Maxwell）提出了）提出了麥克斯韋方程組，創(chuàng)立了完整的經(jīng)典電磁學(xué)理論體系麥克斯韋方程組，創(chuàng)立了完整的經(jīng)典電磁學(xué)理論體系，為電機(jī)電磁場分析奠定基礎(chǔ)。，為電機(jī)電磁場分析奠定基礎(chǔ)。v1867年，麥克斯韋對自勵現(xiàn)象作出了數(shù)學(xué)

15、分析，是電年，麥克斯韋對自勵現(xiàn)象作出了數(shù)學(xué)分析，是電機(jī)理論中的第一篇經(jīng)典論文。德國工程師西門子（機(jī)理論中的第一篇經(jīng)典論文。德國工程師西門子（Siemens）制造了第一臺自饋式發(fā)電機(jī)，甩掉了伏打）制造了第一臺自饋式發(fā)電機(jī)，甩掉了伏打電池。電池。 Siemens 和他的自勵發(fā)電機(jī)和他的自勵發(fā)電機(jī) v1870年，比利時發(fā)明家格拉姆（年，比利時發(fā)明家格拉姆（Gramme）提出了發(fā)）提出了發(fā)電機(jī)環(huán)形閉合電樞繞組的結(jié)構(gòu)很快取代了電機(jī)環(huán)形閉合電樞繞組的結(jié)構(gòu)很快取代了T型繞組。型繞組。由于對這二種結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比的結(jié)果，終于使電動機(jī)的由于對這二種結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比的結(jié)果，終于使電動機(jī)的可逆原理為公眾所接受，從此發(fā)電機(jī)和

16、電動機(jī)的發(fā)展可逆原理為公眾所接受，從此發(fā)電機(jī)和電動機(jī)的發(fā)展合二為一。合二為一。v1871年，凡麥爾準(zhǔn)發(fā)明了交流發(fā)電機(jī)。年，凡麥爾準(zhǔn)發(fā)明了交流發(fā)電機(jī)。1879 年，年，德國制造出第一列電力驅(qū)動列車。德國制造出第一列電力驅(qū)動列車。 德國制造的第一列電力驅(qū)動列車德國制造的第一列電力驅(qū)動列車 (1879) v 1880年，愛迪生（年，愛迪生（Edison）提出采用迭片鐵心；這樣）提出采用迭片鐵心；這樣就大大減少了鐵心損耗，同時降低了電樞繞組的溫升。就大大減少了鐵心損耗，同時降低了電樞繞組的溫升。v1885 年，費(fèi)那里斯發(fā)現(xiàn)了兩相電流能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。年，費(fèi)那里斯發(fā)現(xiàn)了兩相電流能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。v1886

17、年，特斯拉研制出兩相異步電動機(jī)。年，特斯拉研制出兩相異步電動機(jī)。 特斯拉與他發(fā)明的兩相異步電動機(jī)特斯拉與他發(fā)明的兩相異步電動機(jī) 26 19 世紀(jì)末，三相制、三相感應(yīng)電動機(jī)、三相同世紀(jì)末，三相制、三相感應(yīng)電動機(jī)、三相同 步發(fā)電機(jī)、三相變壓器、三相輸電方式被發(fā)明。步發(fā)電機(jī)、三相變壓器、三相輸電方式被發(fā)明。 1900 年，英國人帕森斯研制成功年，英國人帕森斯研制成功 1000 kW、 50 Hz 汽輪發(fā)電機(jī)。汽輪發(fā)電機(jī)。 1904 年，意大利試驗成功地?zé)岚l(fā)電。年，意大利試驗成功地?zé)岚l(fā)電。 1908 年，美國建成第一條年，美國建成第一條 110kV 輸電線路。輸電線路。 1912 年，德國建成第一座潮

18、汐電站。年，德國建成第一座潮汐電站。 1920 年，蘇聯(lián)建成第一座熱電站。年，蘇聯(lián)建成第一座熱電站。 1923 年，美國建成第一條年，美國建成第一條 220 kV 輸電線路。輸電線路。 1925 年，美國制成第一臺年，美國制成第一臺100MW 汽輪發(fā)電機(jī)組。汽輪發(fā)電機(jī)組。 1929 年，美國建成第一座抽水蓄能電站年，美國建成第一座抽水蓄能電站 (7MW) 。 27 1937 年，美國建成第一條年，美國建成第一條 287 kV 超高壓輸電超高壓輸電 線路。線路。 1957 年，美國建成第一臺超臨界火力發(fā)電機(jī)組，年，美國建成第一臺超臨界火力發(fā)電機(jī)組， 125 MW。 1970 年，法國制成第一臺燃

19、氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)年，法國制成第一臺燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán) 發(fā)電機(jī)組。發(fā)電機(jī)組。 1979 年，美國建成第一座海水溫差發(fā)電站。年，美國建成第一座海水溫差發(fā)電站。 1990 年，美國建成第一條年，美國建成第一條 750 kV 超高壓直流超高壓直流 輸電線路，輸電線路，2400 km，6000 MW。 1990 年，前蘇聯(lián)建成第一條年，前蘇聯(lián)建成第一條 1150 kV 特高壓直特高壓直 流輸電線路，流輸電線路， 1936 km，5000 MW 。 1991 年，巴西建成世界最大水電站尹泰普水電年，巴西建成世界最大水電站尹泰普水電 站，站，12600 MW。v機(jī)電傳動的發(fā)展過程機(jī)電傳動的發(fā)展過程成組拖動：一臺

20、電機(jī)通過天軸拖動多臺生產(chǎn)機(jī)械。成組拖動：一臺電機(jī)通過天軸拖動多臺生產(chǎn)機(jī)械。二戰(zhàn)中的德國二戰(zhàn)中的德國“鼠鼠”式坦克（式坦克（MAUS）v單電機(jī)拖動單電機(jī)拖動 ：一臺電機(jī)拖動一臺生產(chǎn)機(jī)械。：一臺電機(jī)拖動一臺生產(chǎn)機(jī)械。一臺電氣拖動一臺機(jī)床，較之成組拖動簡化了傳動機(jī)構(gòu)，縮一臺電氣拖動一臺機(jī)床，較之成組拖動簡化了傳動機(jī)構(gòu)，縮短了傳動線，提高了傳動效率。短了傳動線，提高了傳動效率。例：傳統(tǒng)中小型機(jī)床例：傳統(tǒng)中小型機(jī)床v多電機(jī)拖動多電機(jī)拖動 ：一臺生產(chǎn)機(jī)械的每一個運(yùn)動部件分別由一臺電機(jī)一臺生產(chǎn)機(jī)械的每一個運(yùn)動部件分別由一臺電機(jī)拖動。采用了多電機(jī)拖動以后，不但簡化了機(jī)械結(jié)拖動。采用了多電機(jī)拖動以后，不但簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高了傳動效率，而且易于實現(xiàn)各運(yùn)動部件的構(gòu)，提高了傳動效率，而且易于實現(xiàn)各運(yùn)動部件的自動化。自動化。多電機(jī)拖動是現(xiàn)代機(jī)床最基本的拖動方式。例：多電機(jī)拖動是現(xiàn)代機(jī)床最基本的拖動方式。例：多軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床。多軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床。v交、直流無級調(diào)速交、直流無級調(diào)速電氣無級調(diào)速具有可靈活選擇最佳切削速度和極電氣無級調(diào)速具有可靈活選擇最佳切削速度和極大簡化機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。大簡化機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。由于直流電動機(jī)具有良好的啟動、制動和調(diào)速性由于直流電動機(jī)具有良好的啟動、制動和調(diào)速性能，可以很