《機(jī)電傳動(dòng)控制》教學(xué)課件-第1章 緒論

機(jī)電傳動(dòng)控制機(jī)電傳動(dòng)控制本課程的主要內(nèi)容機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成與動(dòng)力學(xué)分析驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)（以三相異步電動(dòng)機(jī)為主）低壓電器結(jié)構(gòu)原理及其選用電氣控制系統(tǒng)（繼電器-接觸器控制系統(tǒng)）可編程序控制器及其應(yīng)用變頻器及其應(yīng)用本課程的技能建設(shè)

本課程在簡(jiǎn)要介紹機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成與動(dòng)力學(xué)分析方法之后，重點(diǎn)闡述和講授驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)、低壓電器、電氣控制系統(tǒng)、可編程控制器、變頻器的使用、維護(hù)與檢修知識(shí)。

學(xué)好本課程之后，學(xué)生能夠勝任常見(jiàn)機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)的使用與維護(hù)工作，掌握初步的機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力，具備作為機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)工程師的基本技能。本課程的主要內(nèi)容本課程的技能建設(shè)第1章

緒論學(xué)習(xí)目標(biāo)熟悉機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成熟悉機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載特性

熟練掌握機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式能夠從動(dòng)力學(xué)分析的角度提出加快機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)

程的方法第1章緒論學(xué)習(xí)目標(biāo)熟悉機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成1.1機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)1.1.1機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)與機(jī)電傳動(dòng)控制1.機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的組成

機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)一般由電力供應(yīng)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、機(jī)電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及生產(chǎn)機(jī)械組成（圖1-1）。圖1-1機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的組成1.1機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)1.1.1機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)與機(jī)電傳動(dòng)控制12.機(jī)電傳動(dòng)控制

電氣控制系統(tǒng)和機(jī)電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，也是機(jī)電傳動(dòng)控制學(xué)科的主要研究?jī)?nèi)容。

機(jī)電傳動(dòng)控制的任務(wù)，就是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)機(jī)械的起動(dòng)、停止以及速度調(diào)節(jié)，滿足各種生產(chǎn)工藝過(guò)程的要求，確保生產(chǎn)過(guò)程得以高效、可靠地進(jìn)行。

從廣義上講，就是使生產(chǎn)機(jī)械、車間、生產(chǎn)線、甚至整個(gè)工廠實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化。

從狹義上講，則專指控制電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)、高效的生產(chǎn)。2.機(jī)電傳動(dòng)控制電氣控制系統(tǒng)和機(jī)電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是1.1.2機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展歷程1.機(jī)電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展

機(jī)電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展，經(jīng)歷了成組驅(qū)動(dòng)（亦稱拖動(dòng)）、單電機(jī)驅(qū)動(dòng)到多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的演進(jìn)歷程。（1）成組驅(qū)動(dòng)

所謂成組驅(qū)動(dòng)，就是由一臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)一根天軸運(yùn)轉(zhuǎn)，再由天軸通過(guò)帶輪和傳動(dòng)皮帶拖動(dòng)多個(gè)生產(chǎn)機(jī)械工作。圖1-2成組驅(qū)動(dòng)（天軸分動(dòng)）1.1.2機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展歷程1.機(jī)電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展

成組驅(qū)動(dòng)屬于電動(dòng)機(jī)稀缺、昂貴時(shí)期的無(wú)奈之舉，現(xiàn)今已經(jīng)被淘汰。

成組驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳動(dòng)效率低、能量損耗大,工作可靠性差，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。成組驅(qū)動(dòng)屬于電動(dòng)機(jī)稀缺、昂貴時(shí)期的無(wú)奈之舉，（2）單電機(jī)驅(qū)動(dòng)

單電機(jī)驅(qū)動(dòng)是指每一臺(tái)生產(chǎn)機(jī)械，都由一臺(tái)電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，較成組驅(qū)動(dòng)已有很大進(jìn)步。

但是，當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)部件較多時(shí),則需要設(shè)置分動(dòng)箱、離合器等機(jī)構(gòu)，總體結(jié)構(gòu)仍嫌復(fù)雜,無(wú)法滿足生產(chǎn)工藝的特殊要求。圖1-3單電機(jī)驅(qū)動(dòng)（立式鉆床）（2）單電機(jī)驅(qū)動(dòng)單電機(jī)驅(qū)動(dòng)是指每一臺(tái)生產(chǎn)機(jī)械，（3）多電機(jī)驅(qū)動(dòng)

所謂多電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，是指在大型、復(fù)雜的生產(chǎn)機(jī)械上，同一臺(tái)設(shè)備的每一個(gè)運(yùn)動(dòng)部件都由一臺(tái)專門(mén)的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，且電動(dòng)機(jī)的功率、機(jī)械特性以及安裝位置可以進(jìn)行有針對(duì)性的、個(gè)性化的配置，以充分滿足生產(chǎn)工藝的實(shí)際需求。

隨著電動(dòng)機(jī)品種的豐富、價(jià)格的降低、機(jī)械特性的多樣化，在機(jī)電傳動(dòng)領(lǐng)域，開(kāi)始逐步普及多電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案。搖臂鉆床（3）多電機(jī)驅(qū)動(dòng)所謂多電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，是指在

例如，龍門(mén)刨床的工作臺(tái)、左垂直刀架、右垂直刀架、側(cè)刀架、橫梁以及夾緊機(jī)構(gòu)，就是各自由一臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的。圖1-4龍門(mén)刨床例如，龍門(mén)刨床的工作臺(tái)、左垂直刀架、右垂直刀2.電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展（1）繼電器—接觸器控制系統(tǒng)

繼電器—接觸器控制系統(tǒng)出現(xiàn)于20世紀(jì)初期。該系統(tǒng)通過(guò)繼電器和接觸器等低壓控制器件，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的起動(dòng)、停車以及有級(jí)調(diào)速等控制。圖1-5繼電器—接觸器控制系統(tǒng)2.電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展（1）繼電器—接觸器控制系統(tǒng)繼

繼電器—接觸器控制系統(tǒng)采用的是“硬邏輯”控制，在生產(chǎn)工藝要求復(fù)雜多變的場(chǎng)合，難以實(shí)現(xiàn)控制關(guān)系的“隨機(jī)應(yīng)變”，因此，現(xiàn)在已經(jīng)被可編程序控制器控制系統(tǒng)取代。

但在相對(duì)簡(jiǎn)單的電氣控制系統(tǒng)中，繼電器—接觸器仍然占據(jù)著主導(dǎo)地位。同時(shí)，在可編程序控制器控制系統(tǒng)中，繼電器、接觸器依然作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行器件在大量使用。（2）可編程序控制器控制系統(tǒng)

得益于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可編程序控制器采用的是“軟邏輯”控制，當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械的控制關(guān)系發(fā)生變化時(shí)，只需更改控制程序（即對(duì)控制軟件重新編程，很容易做到），就可以實(shí)現(xiàn)新的控制要求，而不需要對(duì)硬件做太多的調(diào)整。繼電器—接觸器控制系統(tǒng)采用的是“硬邏輯”控

因此，在生產(chǎn)工藝要求復(fù)雜多變的場(chǎng)合，可編程序控制器可以大顯身手，并已經(jīng)成為機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)的主流控制器件?？删幊绦蚩刂破鳎≒rogrammableLogicController，PLC）因此，在生產(chǎn)工藝要求復(fù)雜多變的場(chǎng)合，可編程序圖1-6可編程序控制器控制系統(tǒng)圖1-6可編程序控制器控制系統(tǒng)（3）數(shù)字控制系統(tǒng)

自1952年美國(guó)出現(xiàn)第一臺(tái)數(shù)控銑床，1958年出現(xiàn)加工中心之后，計(jì)算機(jī)數(shù)字控制（ComputerizedNumericalControl

，CNC）技術(shù)開(kāi)始逐漸普及。

數(shù)字控制系統(tǒng)在機(jī)床行業(yè)的大量應(yīng)用，使工業(yè)生產(chǎn)的靈活性、適應(yīng)性和自動(dòng)化水平大為提高。同時(shí)，也為柔性制造系統(tǒng)的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。圖1-7德國(guó)恩格哈（Engelhardt）公司的數(shù)字控制系統(tǒng)（3）數(shù)字控制系統(tǒng)自1952年美國(guó)出現(xiàn)第一臺(tái)（4）柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)

柔性制造系統(tǒng)（FlexibleManufacturingSystem，F(xiàn)MS）由信息控制系統(tǒng)、物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)和數(shù)字控制加工設(shè)備組成，能夠適應(yīng)加工對(duì)象變換的自動(dòng)化機(jī)械制造系統(tǒng)。

柔性制造系統(tǒng)FMS與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ComputerAidedDesign，CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（ComputerAidedManufacturing，CAM）相融合，又促使工業(yè)生產(chǎn)向計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（Computer/contemporaryIntegratedManufacturingSystems，CIMS）邁進(jìn)。

電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展除了與現(xiàn)代控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)之外，功率器件的發(fā)展也功不可沒(méi)。正是由于晶閘管（Thyristor，亦稱SiliconControlledRectifier，略作SCR）、門(mén)極可關(guān)斷晶體管（Gate-Turn-OffThyristor，GTO）、電力晶體管（GiantTransistor，GTR）、電力（4）柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)柔性制造系統(tǒng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power-MetalOxideSemiconductorFET，P-MOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管（Insulated-Gate-BipolarTransistor，IGBT）等大功率電力電子器件（PowerElectronicDevice，亦稱功率半導(dǎo)體器件）的快速發(fā)展，為機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)提供了可靠的半導(dǎo)體變流設(shè)備，才使得上述各種控制系統(tǒng)的應(yīng)用成為可能。場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power-MetalOxideSemic1.2機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析1.2.1機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式

機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的整體。盡管電動(dòng)機(jī)種類繁多，性能各異，生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性多種多樣，但從動(dòng)力學(xué)的角度去分析，它們都應(yīng)服從動(dòng)力學(xué)的統(tǒng)一規(guī)律。1.單軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式a）系統(tǒng)組成b）轉(zhuǎn)矩方向

圖1-8單軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)1.2機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析1.2.1機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)

當(dāng)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩

與負(fù)載轉(zhuǎn)矩

平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速

或角速度

不變；加速度

或角加速度

等于零，即

這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)稱為靜態(tài)（相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)）或穩(wěn)態(tài)（穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)）。

當(dāng)

時(shí)，轉(zhuǎn)速或角速度就要發(fā)生變化，產(chǎn)生角加速度，速度變化的大小與傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

有關(guān)。圖1-8單軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩把上述各種參量的關(guān)系用方程式表示出來(lái)，則有：（式1-1）

——電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩（亦稱驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，N·m）；

——生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N·m）；

——機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）；

——機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的角速度（rad/s）；

——時(shí)間（s）

就是機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式。把上述各種參量的關(guān)系用方程式表示出來(lái)，則有：（式1-1）

在工程計(jì)算中，常用轉(zhuǎn)速

代替角速度

，用飛輪慣量（亦稱飛輪轉(zhuǎn)矩）

代替轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析。

由于（式1-2）

（式1-3）——機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的重力（N）；——機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量（kg）；——重力加速度（m/s2）；——機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性半徑（m）；——機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性直徑（m）。在工程計(jì)算中，常用轉(zhuǎn)速代替角速度

據(jù)此，機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式可以轉(zhuǎn)化為更為常用的工程形式

（式1-4）

式1-4中，常數(shù)375包含著

，因此，常數(shù)375具有加速度的量綱；而

是個(gè)整體物理量。

工程形式的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式是研究機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的最基本的方程式，它決定著機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特征。記住它！?。?jù)此，機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式可以轉(zhuǎn)化為更為常（1）靜態(tài)當(dāng)

時(shí)，系統(tǒng)的加速度

，

為常數(shù)。此時(shí)，機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)以恒速

運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)系統(tǒng)處于靜態(tài)（亦稱穩(wěn)態(tài)）。（2）動(dòng)態(tài)當(dāng)

時(shí)，系統(tǒng)的加速度

，

不為常數(shù)。此時(shí)，機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)加速運(yùn)轉(zhuǎn)，處于加速狀態(tài)；當(dāng)

時(shí)，系統(tǒng)的加速度

，

不為常數(shù)。此時(shí)，機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)減速運(yùn)轉(zhuǎn)，處于減速狀態(tài)。

機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)處于加速狀態(tài)或減速狀態(tài)時(shí)，稱系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)（亦稱非穩(wěn)態(tài)）。系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)中必然存在一個(gè)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩

。（1）靜態(tài)當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)的加速度（式1-5）

正是因?yàn)閯?dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩

的存在，才使得機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生了變化。因此，機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式1-1和1-4還可以轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式或者（式1-6）

電動(dòng)機(jī)所輸出的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩

總是被生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（即靜態(tài)轉(zhuǎn)矩）

和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩

之和所平衡。

當(dāng)

時(shí)，

。此時(shí)，系統(tǒng)沒(méi)有動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，即系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)。系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的大小，僅由電動(dòng)機(jī)所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩決定。（式1-5）正是因?yàn)閯?dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩的存2.轉(zhuǎn)矩方向的確定

由于傳動(dòng)系統(tǒng)有多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方程式中的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的方向就不同，因此需要約定方向的表達(dá)規(guī)則。

因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)和生產(chǎn)機(jī)械以共同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，所以，一般以

（或

）的轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)閰⒖紒?lái)確定轉(zhuǎn)矩的正負(fù)。（1）

的符號(hào)與性質(zhì)

當(dāng)

的實(shí)際作用方向與

的方向相同時(shí)（符號(hào)相同），取與

相同的符號(hào)，

為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；

當(dāng)

的實(shí)際作用方向與

的方向相反時(shí)，取與

相反的符號(hào)，

為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩促進(jìn)運(yùn)動(dòng)；制動(dòng)轉(zhuǎn)矩阻礙運(yùn)動(dòng)。2.轉(zhuǎn)矩方向的確定由于傳動(dòng)系統(tǒng)有多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，（2）

的符號(hào)與性質(zhì)

當(dāng)

的實(shí)際作用方向與

的方向相同時(shí)，取與

相反的符號(hào)（符號(hào)相反），

為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；

當(dāng)

的實(shí)際作用方向與

的方向相反時(shí)，取與

相同的符號(hào)（符號(hào)相同），

為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

a）系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)b）系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)b）重物下降時(shí)（2）的符號(hào)與性質(zhì)當(dāng)

當(dāng)重物上升時(shí)：

為正，

也為正。

、

、

的方向如圖1-9a）所示。此時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式為：因此，重物上升時(shí)，

為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，

為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。圖1-9a當(dāng)重物上升時(shí)當(dāng)重物上升時(shí)：為正，也為正。

當(dāng)重物在上升過(guò)程中制動(dòng)（圖1-9b）時(shí)，

為負(fù)，

為正。此時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式為：圖1-9b系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)

此時(shí)，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩和加速度都是負(fù)的，它們使重物減速上升，直到停止為止，系統(tǒng)中由動(dòng)能產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩被電機(jī)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩所平衡。當(dāng)重物在上升過(guò)程中制動(dòng)（圖1-9b）時(shí)，

當(dāng)重物下降時(shí)，

為正，

也為正。

、

、

的方向如圖1-9c）所示。此時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式為：

因此，重物下降時(shí)，

為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，

為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。圖1-9c）

重物下降時(shí)當(dāng)重物下降時(shí)，為正，也為正。3.多軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的等效折算

為了便于對(duì)多軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)的分析，一般是將多軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等效折算為單軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，即將多軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中各轉(zhuǎn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量或直線運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量折算到某一根軸（一般折算到電動(dòng)機(jī)的輸出軸）上，將其轉(zhuǎn)化為等效的單軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之后，再進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析。

負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩等效折算的基本原則是：折算前的多軸系統(tǒng)和折算后的單軸系統(tǒng)在能量關(guān)系或功率關(guān)系上保持不變，即遵循能量守恒原則或功率守恒原則。

在機(jī)電傳動(dòng)領(lǐng)域，絕大多數(shù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際上都是多軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。3.多軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的等效折算為了便于對(duì)多軸驅(qū)動(dòng)1.2.2機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載特性

前面討論的機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程中，負(fù)載轉(zhuǎn)矩

可能是常數(shù)，也可能是轉(zhuǎn)速的函數(shù)。我們把同一軸上負(fù)載轉(zhuǎn)矩

與轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系稱為機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載特性。

機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載特性就是生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性，有時(shí)也稱之為生產(chǎn)機(jī)械的機(jī)械特性。

如無(wú)特別說(shuō)明，在本書(shū)中，機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載特性均指折算到電動(dòng)機(jī)輸出軸上的負(fù)載特性。

不同類型的生產(chǎn)機(jī)械在運(yùn)動(dòng)中受阻的性質(zhì)是不同的，其負(fù)載特性曲線的形狀也有所不同，大致可分為恒轉(zhuǎn)矩型負(fù)載特性、離心式通風(fēng)機(jī)型負(fù)載特性、直線型負(fù)載特性、恒功率型負(fù)載特性等幾種。1.2.2機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載特性前面討論的機(jī)1.恒轉(zhuǎn)矩型負(fù)載特性

這一類型負(fù)載特性的特點(diǎn)是負(fù)載轉(zhuǎn)矩為常數(shù)。如圖1-10和圖1-11所示。

依據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩與運(yùn)動(dòng)方向的關(guān)系不同，恒轉(zhuǎn)矩型負(fù)載特性可分為反抗性轉(zhuǎn)矩和位能性轉(zhuǎn)矩兩種。圖1-10反抗轉(zhuǎn)矩的負(fù)載特性圖1-11位能性轉(zhuǎn)矩的負(fù)載特性1.恒轉(zhuǎn)矩型負(fù)載特性這一類型負(fù)載特性的特點(diǎn)是負(fù)（1）反抗性轉(zhuǎn)矩

由摩擦、非彈性體的壓縮、拉伸與扭轉(zhuǎn)等作用所產(chǎn)生的負(fù)載轉(zhuǎn)矩稱為反抗性轉(zhuǎn)矩，又稱摩擦性轉(zhuǎn)矩。

反抗性轉(zhuǎn)矩的方向恒與運(yùn)動(dòng)方向相反，阻礙運(yùn)動(dòng)；反抗性轉(zhuǎn)矩的大小恒常不變。圖1-10反抗轉(zhuǎn)矩的負(fù)載特性

根據(jù)轉(zhuǎn)矩正方向的約定可知，反抗性轉(zhuǎn)矩恒與轉(zhuǎn)速

的方向相反時(shí)取正號(hào)，即

為正方向時(shí)，

為正，特性在第一象限；

為負(fù)方向時(shí)，

為負(fù)，特性在第三象限。（1）反抗性轉(zhuǎn)矩由摩擦、非彈性體的壓縮、拉伸（2）位能性轉(zhuǎn)矩

位能性轉(zhuǎn)矩是由物體的重力或彈性體的壓縮、拉伸、扭轉(zhuǎn)等作用所引起的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

位能性轉(zhuǎn)矩的大小恒常不變，作用方向不變，與運(yùn)動(dòng)方向無(wú)關(guān)，即在某一方向阻礙運(yùn)動(dòng)而在另一方向促進(jìn)運(yùn)動(dòng)。圖1-11位能性轉(zhuǎn)矩的負(fù)載特性（2）位能性轉(zhuǎn)矩位能性轉(zhuǎn)矩是由物體的重力或彈

卷?yè)P(yáng)機(jī)起吊重物（圖1-12）時(shí)，由于重物的作用方向永遠(yuǎn)向著地心，所以，由它產(chǎn)生的負(fù)載轉(zhuǎn)矩永遠(yuǎn)作用在使重物下降的方向。當(dāng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)重物上升時(shí)，

與

的方向相反；當(dāng)重物下降時(shí)，

和

的方向相同（圖1-11）。圖1-12卷?yè)P(yáng)機(jī)起吊重物卷?yè)P(yáng)機(jī)起吊重物（圖1-12）時(shí)，由于重物的作2.離心式通風(fēng)機(jī)型負(fù)載特性

離心式通風(fēng)型機(jī)械特性是按離心力原理工作的，如離心式鼓風(fēng)機(jī)、水泵等，它們的負(fù)載轉(zhuǎn)矩

的大小與轉(zhuǎn)速

的平方成正比，即：——摩擦阻力矩;——為常數(shù)

離心式通風(fēng)機(jī)型機(jī)械的負(fù)載特性曲線（最初是沿著虛線變化的）如圖1-13所示。圖1-13離心式通風(fēng)機(jī)型負(fù)載特性2.離心式通風(fēng)機(jī)型負(fù)載特性離心式通風(fēng)型機(jī)械特3.直線型負(fù)載特性

直線型負(fù)載的負(fù)載轉(zhuǎn)矩

的大小與轉(zhuǎn)速

的大小成正比，即：其中：

為常數(shù)。直線型負(fù)載的特性曲線如圖1-14所示。圖1-14直線型負(fù)載特性3.直線型負(fù)載特性直線型負(fù)載的負(fù)載轉(zhuǎn)矩4.恒功率型負(fù)載特性

恒功率型負(fù)載的負(fù)載轉(zhuǎn)矩

的大小與轉(zhuǎn)速

的大小成反比，即其中：

為常數(shù)。圖1-15恒功率型負(fù)載的特性曲線

例如，機(jī)床在進(jìn)行金屬切削加工過(guò)程中，粗加工時(shí)，切削量大，吃刀量大，負(fù)載轉(zhuǎn)矩大

，機(jī)床主軸低速運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速低；精加工時(shí)，切削量小，吃刀量小，負(fù)載轉(zhuǎn)矩

小，機(jī)床主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速高。但不管是粗加工還是精加工，負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積為常數(shù)，即功率恒定不變。4.恒功率型負(fù)載特性恒功率型負(fù)載的負(fù)載轉(zhuǎn)矩1.2.3機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行

機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)與生產(chǎn)機(jī)械連成一體，為了使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行合理，就要使電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性盡量相匹配。1.機(jī)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的含義1）系統(tǒng)應(yīng)能以一定速度勻速運(yùn)行；2）系統(tǒng)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）而使運(yùn)行速度發(fā)生變化，應(yīng)保證系統(tǒng)在干擾消除后能恢復(fù)到原來(lái)的運(yùn)行速度。特性配合好壞的基本要求是系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行。1.2.3機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)2.機(jī)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件（1）必要條件

電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線

和生產(chǎn)機(jī)械的機(jī)械特性曲線

必須有交點(diǎn)，交點(diǎn)被稱為平衡點(diǎn)。圖1-16穩(wěn)定工作點(diǎn)的判別2.機(jī)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件（1）必要條件電（2）充分條件

系統(tǒng)受到干擾后，要具有恢復(fù)到原平衡狀態(tài)的能力。這是穩(wěn)定運(yùn)行的充分條件。符合穩(wěn)定運(yùn)行條件的平衡點(diǎn)稱為穩(wěn)定平衡點(diǎn)。圖1-16穩(wěn)定工作點(diǎn)的判別（2）充分條件系統(tǒng)受到干擾后，要具有恢復(fù)到原平機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的充分必要條件也可表述為：①電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線

和生產(chǎn)機(jī)械的機(jī)械特性曲線

有交點(diǎn)；②

。機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的充分必要條件也可表述為：①電動(dòng)機(jī)的機(jī)械下面分析

、

兩點(diǎn)是否為穩(wěn)定平衡點(diǎn)。圖1-16穩(wěn)定工作點(diǎn)的判別a點(diǎn)為穩(wěn)定平衡點(diǎn)；b點(diǎn)為非穩(wěn)定平衡點(diǎn)。下面分析、兩點(diǎn)是否為穩(wěn)定平衡點(diǎn)。圖1-11.2.4機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程

在實(shí)際工作中，機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)具有兩種運(yùn)行狀態(tài)，即靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）和動(dòng)態(tài)（暫態(tài)）。

當(dāng)機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩或負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)就要由一種穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)變化到另外一個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，這個(gè)變化過(guò)程稱為過(guò)渡過(guò)程。

在過(guò)渡過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和電流都要按照一定的規(guī)律變化，都是時(shí)間的函數(shù)。

處于靜態(tài)時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩為0，電動(dòng)機(jī)以恒速運(yùn)轉(zhuǎn)；處于動(dòng)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩非0，電動(dòng)機(jī)速度處于變化中。1.2.4機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程在實(shí)際工作1.機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的實(shí)際意義

大多數(shù)的生產(chǎn)機(jī)械對(duì)機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程都提出各自、多樣的要求。

如龍門(mén)刨床的工作臺(tái)、可逆式軋鋼機(jī)、軋鋼機(jī)的輔助機(jī)械等，它們?cè)诠ぷ髦行枰?jīng)常進(jìn)行起動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)和調(diào)速。因此，都要求過(guò)渡過(guò)程盡量快，以縮短非生產(chǎn)時(shí)間，提高生產(chǎn)率。

升降機(jī)、載人電梯、地鐵、鐵路機(jī)車、有軌電車等生產(chǎn)機(jī)械和運(yùn)輸設(shè)備，則要求起動(dòng)、制動(dòng)過(guò)程平緩、順滑，加減速度變化不能過(guò)大，以保證安全生產(chǎn)和乘坐舒適性。

而造紙機(jī)、印刷機(jī)等生產(chǎn)機(jī)械，則必須限制其加速度的大小，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。如果加速度超過(guò)允許值，則可能損壞機(jī)器部件或造成產(chǎn)品質(zhì)量下降。1.機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的實(shí)際意義大多數(shù)的生

在過(guò)渡過(guò)程中，能量損耗的大小，系統(tǒng)的準(zhǔn)確停車與各部分協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)等要求，都對(duì)機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程提出了不同的要求。

為滿足上述要求，必須研究過(guò)渡過(guò)程的基本規(guī)律，研究系統(tǒng)各參量對(duì)時(shí)間的變化規(guī)律，如轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流等對(duì)時(shí)間的變化規(guī)律。

這樣，才能正確地設(shè)計(jì)、選擇機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)，為機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)控制提出控制原則，設(shè)計(jì)出完善的起動(dòng)、制動(dòng)等自動(dòng)控制線路，以求改善產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)率和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。

這就是研究機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的目的和意義所在。在過(guò)渡過(guò)程中，能量損耗的大小，系統(tǒng)的準(zhǔn)確停車與2.機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的分析機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)之所以存在過(guò)渡過(guò)程，是因?yàn)榇嬖谝韵聭T性：(1)機(jī)械慣性

機(jī)械慣性反映在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

或飛輪轉(zhuǎn)矩

，使轉(zhuǎn)速

不能發(fā)生突變。(2)電磁慣性

電磁慣性反映在電樞回路電感和勵(lì)磁繞組電感上，電樞回路電流

和勵(lì)磁磁通

不能突變。(3)熱慣性

熱慣性反映在溫度上，使溫度不能突變。

研究過(guò)渡過(guò)程的方法，一般是先列出反映變化規(guī)律的基本方程式，在此基礎(chǔ)上使用數(shù)學(xué)解析法，或者使用圖解法及實(shí)驗(yàn)方法來(lái)求得過(guò)渡過(guò)程的解答。2.機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的分析機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)之所以存在過(guò)渡過(guò)程3.機(jī)電時(shí)間常數(shù)

深入的理論研究和數(shù)學(xué)分析表明，機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間，與系統(tǒng)的飛輪轉(zhuǎn)矩

和速度改變量成正比，而與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩成反比。

在這里，要引入一個(gè)反映機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械慣性的物理量——機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)

。是反映機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械慣性的物理量，通常稱為機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)。是系統(tǒng)轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的63.2%所經(jīng)歷的時(shí)間。3.機(jī)電時(shí)間常數(shù)深入的理論研究和數(shù)學(xué)分析表明

——機(jī)電時(shí)間常數(shù)（s）；

——理想空載轉(zhuǎn)速（r/min）；

——系統(tǒng)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩（N·m）；

——系統(tǒng)的飛輪轉(zhuǎn)矩（N·m2）。

對(duì)于既定的機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)而言，其

和

值為常數(shù)?！獧C(jī)電時(shí)間常數(shù)（s）；對(duì)于既定的機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)而機(jī)電時(shí)間常數(shù)

直接影響機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的快慢。

大，則過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行的緩慢，過(guò)渡過(guò)程歷時(shí)間長(zhǎng)；

反之，

小，則過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行的快捷，過(guò)渡過(guò)程歷時(shí)短。

所以，

是機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)中非常重要的動(dòng)態(tài)參數(shù)。4.加快機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的方法機(jī)電時(shí)間常數(shù)直接影響機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的快慢（1）降低系統(tǒng)的

值

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和條件允許的條件下，采用兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)同軸拖動(dòng)系統(tǒng)，或者直接采用小慣量電動(dòng)機(jī)，均可有效降低機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的

值。①兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)同軸拖動(dòng)。②采用小慣量電動(dòng)機(jī)。

小慣量電動(dòng)機(jī)的電樞軸做得細(xì)長(zhǎng)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，且起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)快，從而加速了過(guò)渡過(guò)程，提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能。例如，龍門(mén)刨床的工作臺(tái)采用兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)，其目的之一就在于此。采用兩臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)，與采用一臺(tái)電動(dòng)機(jī)相比，系統(tǒng)的

值減小了15%，使過(guò)渡過(guò)程顯著加快。（1）降低系統(tǒng)的值在系統(tǒng)結(jié)（2）提高動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩

為了有效提系統(tǒng)的高動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩

，可以從電動(dòng)機(jī)的選擇和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)兩方面采取措施。①合理選擇電動(dòng)機(jī)。

目前，大慣量直流電動(dòng)機(jī)(亦稱寬調(diào)速直流力矩電動(dòng)機(jī))已在很多場(chǎng)合下取代小慣量直流電動(dòng)機(jī)。大慣量直流電動(dòng)機(jī)的電樞做得短而粗，

值較大（缺點(diǎn)），但其最大轉(zhuǎn)矩

約為額定轉(zhuǎn)矩

的5～10倍（優(yōu)點(diǎn)），因此，大慣量直流電動(dòng)機(jī)的快速響應(yīng)性指標(biāo)

仍然很好，并不比小慣量電動(dòng)機(jī)差。

大慣量直流電動(dòng)機(jī)低速時(shí)轉(zhuǎn)矩大，可直接驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械，使系統(tǒng)傳動(dòng)精度得以顯著提高。加之散熱良好，抗過(guò)載能力強(qiáng)。因此，大慣量直流電動(dòng)機(jī)在快速直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中已得到廣泛應(yīng)用。（2）提高動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩為了有效提系統(tǒng)的高動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)②優(yōu)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩

越大，系統(tǒng)的加速度也越大，過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間也就越短，系統(tǒng)的響應(yīng)性也就越好。

所以，希望在整個(gè)過(guò)渡過(guò)程中，電流(或轉(zhuǎn)矩)大，以加快系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程，但又要限制其最大值，使其不超過(guò)電動(dòng)機(jī)所允許的最大電流

或最大轉(zhuǎn)矩

。

為此，引入充滿系數(shù)的概念——充滿系數(shù)

表征在過(guò)渡過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流與最大電流的接近程度。

充滿系數(shù)

越接近于1越好。若

，則說(shuō)明在整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)的工作電流保持在最大值不變，亦即動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩保持最大值不變，從而可以獲得最短的過(guò)渡過(guò)程。在機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，將在充滿系數(shù)

的條件下完成的過(guò)渡過(guò)程稱為最優(yōu)過(guò)渡過(guò)程。②優(yōu)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩越

例如，采用電樞串電阻多級(jí)起動(dòng)的方法，其目的就是為了獲得較大的平均起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。起動(dòng)電阻的級(jí)數(shù)越多，充滿系數(shù)

值越大，起動(dòng)就越快。

再如，在晶閘管供電的直流驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中，電流調(diào)節(jié)器的整定原則是盡量保證電樞電流波形在起動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中近似為矩形，從而使過(guò)渡過(guò)程最短，以接近最優(yōu)過(guò)程。例如，采用電樞串電阻多級(jí)起動(dòng)的方法，其目的就機(jī)電傳動(dòng)控制機(jī)電傳動(dòng)控制本課程的主要內(nèi)容機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成與動(dòng)力學(xué)分析驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)（以三相異步電動(dòng)機(jī)為主）低壓電器結(jié)構(gòu)原理及其選用電氣控制系統(tǒng)（繼電器-接觸器控制系統(tǒng)）可編程序控制器及其應(yīng)用變頻器及其應(yīng)用本課程的技能建設(shè)

本課程在簡(jiǎn)要介紹機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成與動(dòng)力學(xué)分析方法之后，重點(diǎn)闡述和講授驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)、低壓電器、電氣控制系統(tǒng)、可編程控制器、變頻器的使用、維護(hù)與檢修知識(shí)。

學(xué)好本課程之后，學(xué)生能夠勝任常見(jiàn)機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)的使用與維護(hù)工作，掌握初步的機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力，具備作為機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)工程師的基本技能。本課程的主要內(nèi)容本課程的技能建設(shè)第1章

緒論學(xué)習(xí)目標(biāo)熟悉機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成熟悉機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載特性

熟練掌握機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式能夠從動(dòng)力學(xué)分析的角度提出加快機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)

程的方法第1章緒論學(xué)習(xí)目標(biāo)熟悉機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成1.1機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)1.1.1機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)與機(jī)電傳動(dòng)控制1.機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的組成

機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)一般由電力供應(yīng)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、機(jī)電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及生產(chǎn)機(jī)械組成（圖1-1）。圖1-1機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的組成1.1機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)1.1.1機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)與機(jī)電傳動(dòng)控制12.機(jī)電傳動(dòng)控制

電氣控制系統(tǒng)和機(jī)電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，也是機(jī)電傳動(dòng)控制學(xué)科的主要研究?jī)?nèi)容。

機(jī)電傳動(dòng)控制的任務(wù)，就是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)機(jī)械的起動(dòng)、停止以及速度調(diào)節(jié)，滿足各種生產(chǎn)工藝過(guò)程的要求，確保生產(chǎn)過(guò)程得以高效、可靠地進(jìn)行。

從廣義上講，就是使生產(chǎn)機(jī)械、車間、生產(chǎn)線、甚至整個(gè)工廠實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化。

從狹義上講，則專指控制電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)、高效的生產(chǎn)。2.機(jī)電傳動(dòng)控制電氣控制系統(tǒng)和機(jī)電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是1.1.2機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展歷程1.機(jī)電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展

機(jī)電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展，經(jīng)歷了成組驅(qū)動(dòng)（亦稱拖動(dòng)）、單電機(jī)驅(qū)動(dòng)到多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的演進(jìn)歷程。（1）成組驅(qū)動(dòng)

所謂成組驅(qū)動(dòng)，就是由一臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)一根天軸運(yùn)轉(zhuǎn)，再由天軸通過(guò)帶輪和傳動(dòng)皮帶拖動(dòng)多個(gè)生產(chǎn)機(jī)械工作。圖1-2成組驅(qū)動(dòng)（天軸分動(dòng)）1.1.2機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展歷程1.機(jī)電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展

成組驅(qū)動(dòng)屬于電動(dòng)機(jī)稀缺、昂貴時(shí)期的無(wú)奈之舉，現(xiàn)今已經(jīng)被淘汰。

成組驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳動(dòng)效率低、能量損耗大,工作可靠性差，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。成組驅(qū)動(dòng)屬于電動(dòng)機(jī)稀缺、昂貴時(shí)期的無(wú)奈之舉，（2）單電機(jī)驅(qū)動(dòng)

單電機(jī)驅(qū)動(dòng)是指每一臺(tái)生產(chǎn)機(jī)械，都由一臺(tái)電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，較成組驅(qū)動(dòng)已有很大進(jìn)步。

但是，當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)部件較多時(shí),則需要設(shè)置分動(dòng)箱、離合器等機(jī)構(gòu)，總體結(jié)構(gòu)仍嫌復(fù)雜,無(wú)法滿足生產(chǎn)工藝的特殊要求。圖1-3單電機(jī)驅(qū)動(dòng)（立式鉆床）（2）單電機(jī)驅(qū)動(dòng)單電機(jī)驅(qū)動(dòng)是指每一臺(tái)生產(chǎn)機(jī)械，（3）多電機(jī)驅(qū)動(dòng)

所謂多電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，是指在大型、復(fù)雜的生產(chǎn)機(jī)械上，同一臺(tái)設(shè)備的每一個(gè)運(yùn)動(dòng)部件都由一臺(tái)專門(mén)的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，且電動(dòng)機(jī)的功率、機(jī)械特性以及安裝位置可以進(jìn)行有針對(duì)性的、個(gè)性化的配置，以充分滿足生產(chǎn)工藝的實(shí)際需求。

隨著電動(dòng)機(jī)品種的豐富、價(jià)格的降低、機(jī)械特性的多樣化，在機(jī)電傳動(dòng)領(lǐng)域，開(kāi)始逐步普及多電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案。搖臂鉆床（3）多電機(jī)驅(qū)動(dòng)所謂多電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，是指在

例如，龍門(mén)刨床的工作臺(tái)、左垂直刀架、右垂直刀架、側(cè)刀架、橫梁以及夾緊機(jī)構(gòu)，就是各自由一臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的。圖1-4龍門(mén)刨床例如，龍門(mén)刨床的工作臺(tái)、左垂直刀架、右垂直刀2.電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展（1）繼電器—接觸器控制系統(tǒng)

繼電器—接觸器控制系統(tǒng)出現(xiàn)于20世紀(jì)初期。該系統(tǒng)通過(guò)繼電器和接觸器等低壓控制器件，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的起動(dòng)、停車以及有級(jí)調(diào)速等控制。圖1-5繼電器—接觸器控制系統(tǒng)2.電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展（1）繼電器—接觸器控制系統(tǒng)繼

繼電器—接觸器控制系統(tǒng)采用的是“硬邏輯”控制，在生產(chǎn)工藝要求復(fù)雜多變的場(chǎng)合，難以實(shí)現(xiàn)控制關(guān)系的“隨機(jī)應(yīng)變”，因此，現(xiàn)在已經(jīng)被可編程序控制器控制系統(tǒng)取代。

但在相對(duì)簡(jiǎn)單的電氣控制系統(tǒng)中，繼電器—接觸器仍然占據(jù)著主導(dǎo)地位。同時(shí)，在可編程序控制器控制系統(tǒng)中，繼電器、接觸器依然作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行器件在大量使用。（2）可編程序控制器控制系統(tǒng)

得益于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可編程序控制器采用的是“軟邏輯”控制，當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械的控制關(guān)系發(fā)生變化時(shí)，只需更改控制程序（即對(duì)控制軟件重新編程，很容易做到），就可以實(shí)現(xiàn)新的控制要求，而不需要對(duì)硬件做太多的調(diào)整。繼電器—接觸器控制系統(tǒng)采用的是“硬邏輯”控

因此，在生產(chǎn)工藝要求復(fù)雜多變的場(chǎng)合，可編程序控制器可以大顯身手，并已經(jīng)成為機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)的主流控制器件?？删幊绦蚩刂破鳎≒rogrammableLogicController，PLC）因此，在生產(chǎn)工藝要求復(fù)雜多變的場(chǎng)合，可編程序圖1-6可編程序控制器控制系統(tǒng)圖1-6可編程序控制器控制系統(tǒng)（3）數(shù)字控制系統(tǒng)

自1952年美國(guó)出現(xiàn)第一臺(tái)數(shù)控銑床，1958年出現(xiàn)加工中心之后，計(jì)算機(jī)數(shù)字控制（ComputerizedNumericalControl

，CNC）技術(shù)開(kāi)始逐漸普及。

數(shù)字控制系統(tǒng)在機(jī)床行業(yè)的大量應(yīng)用，使工業(yè)生產(chǎn)的靈活性、適應(yīng)性和自動(dòng)化水平大為提高。同時(shí)，也為柔性制造系統(tǒng)的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。圖1-7德國(guó)恩格哈（Engelhardt）公司的數(shù)字控制系統(tǒng)（3）數(shù)字控制系統(tǒng)自1952年美國(guó)出現(xiàn)第一臺(tái)（4）柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)

柔性制造系統(tǒng)（FlexibleManufacturingSystem，F(xiàn)MS）由信息控制系統(tǒng)、物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)和數(shù)字控制加工設(shè)備組成，能夠適應(yīng)加工對(duì)象變換的自動(dòng)化機(jī)械制造系統(tǒng)。

柔性制造系統(tǒng)FMS與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ComputerAidedDesign，CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（ComputerAidedManufacturing，CAM）相融合，又促使工業(yè)生產(chǎn)向計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（Computer/contemporaryIntegratedManufacturingSystems，CIMS）邁進(jìn)。

電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展除了與現(xiàn)代控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)之外，功率器件的發(fā)展也功不可沒(méi)。正是由于晶閘管（Thyristor，亦稱SiliconControlledRectifier，略作SCR）、門(mén)極可關(guān)斷晶體管（Gate-Turn-OffThyristor，GTO）、電力晶體管（GiantTransistor，GTR）、電力（4）柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)柔性制造系統(tǒng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power-MetalOxideSemiconductorFET，P-MOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管（Insulated-Gate-BipolarTransistor，IGBT）等大功率電力電子器件（PowerElectronicDevice，亦稱功率半導(dǎo)體器件）的快速發(fā)展，為機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)提供了可靠的半導(dǎo)體變流設(shè)備，才使得上述各種控制系統(tǒng)的應(yīng)用成為可能。場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power-MetalOxideSemic1.2機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析1.2.1機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式

機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的整體。盡管電動(dòng)機(jī)種類繁多，性能各異，生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性多種多樣，但從動(dòng)力學(xué)的角度去分析，它們都應(yīng)服從動(dòng)力學(xué)的統(tǒng)一規(guī)律。1.單軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式a）系統(tǒng)組成b）轉(zhuǎn)矩方向

圖1-8單軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)1.2機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析1.2.1機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)

當(dāng)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩

與負(fù)載轉(zhuǎn)矩

平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速

或角速度

不變；加速度

或角加速度

等于零，即

這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)稱為靜態(tài)（相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)）或穩(wěn)態(tài)（穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)）。

當(dāng)

時(shí)，轉(zhuǎn)速或角速度就要發(fā)生變化，產(chǎn)生角加速度，速度變化的大小與傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

有關(guān)。圖1-8單軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩把上述各種參量的關(guān)系用方程式表示出來(lái)，則有：（式1-1）

——電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩（亦稱驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，N·m）；

——生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N·m）；

——機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）；

——機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的角速度（rad/s）；

——時(shí)間（s）

就是機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式。把上述各種參量的關(guān)系用方程式表示出來(lái)，則有：（式1-1）

在工程計(jì)算中，常用轉(zhuǎn)速

代替角速度

，用飛輪慣量（亦稱飛輪轉(zhuǎn)矩）

代替轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析。

由于（式1-2）

（式1-3）——機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的重力（N）；——機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量（kg）；——重力加速度（m/s2）；——機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性半徑（m）；——機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性直徑（m）。在工程計(jì)算中，常用轉(zhuǎn)速代替角速度

據(jù)此，機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式可以轉(zhuǎn)化為更為常用的工程形式

（式1-4）

式1-4中，常數(shù)375包含著

，因此，常數(shù)375具有加速度的量綱；而

是個(gè)整體物理量。

工程形式的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式是研究機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的最基本的方程式，它決定著機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特征。記住它！??！據(jù)此，機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式可以轉(zhuǎn)化為更為常（1）靜態(tài)當(dāng)

時(shí)，系統(tǒng)的加速度

，

為常數(shù)。此時(shí)，機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)以恒速

運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)系統(tǒng)處于靜態(tài)（亦稱穩(wěn)態(tài)）。（2）動(dòng)態(tài)當(dāng)

時(shí)，系統(tǒng)的加速度

，

不為常數(shù)。此時(shí)，機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)加速運(yùn)轉(zhuǎn)，處于加速狀態(tài)；當(dāng)

時(shí)，系統(tǒng)的加速度

，

不為常數(shù)。此時(shí)，機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)減速運(yùn)轉(zhuǎn)，處于減速狀態(tài)。

機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)處于加速狀態(tài)或減速狀態(tài)時(shí)，稱系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)（亦稱非穩(wěn)態(tài)）。系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)中必然存在一個(gè)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩

。（1）靜態(tài)當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)的加速度（式1-5）

正是因?yàn)閯?dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩

的存在，才使得機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生了變化。因此，機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式1-1和1-4還可以轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式或者（式1-6）

電動(dòng)機(jī)所輸出的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩

總是被生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（即靜態(tài)轉(zhuǎn)矩）

和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩

之和所平衡。

當(dāng)

時(shí)，

。此時(shí)，系統(tǒng)沒(méi)有動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，即系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)。系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的大小，僅由電動(dòng)機(jī)所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩決定。（式1-5）正是因?yàn)閯?dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩的存2.轉(zhuǎn)矩方向的確定

由于傳動(dòng)系統(tǒng)有多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方程式中的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的方向就不同，因此需要約定方向的表達(dá)規(guī)則。

因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)和生產(chǎn)機(jī)械以共同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，所以，一般以

（或

）的轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)閰⒖紒?lái)確定轉(zhuǎn)矩的正負(fù)。（1）

的符號(hào)與性質(zhì)

當(dāng)

的實(shí)際作用方向與

的方向相同時(shí)（符號(hào)相同），取與

相同的符號(hào)，

為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；

當(dāng)

的實(shí)際作用方向與

的方向相反時(shí)，取與

相反的符號(hào)，

為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩促進(jìn)運(yùn)動(dòng)；制動(dòng)轉(zhuǎn)矩阻礙運(yùn)動(dòng)。2.轉(zhuǎn)矩方向的確定由于傳動(dòng)系統(tǒng)有多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，（2）

的符號(hào)與性質(zhì)

當(dāng)

的實(shí)際作用方向與

的方向相同時(shí)，取與

相反的符號(hào)（符號(hào)相反），

為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；

當(dāng)

的實(shí)際作用方向與

的方向相反時(shí)，取與

相同的符號(hào)（符號(hào)相同），

為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

a）系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)b）系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)b）重物下降時(shí)（2）的符號(hào)與性質(zhì)當(dāng)

當(dāng)重物上升時(shí)：

為正，

也為正。

、

、

的方向如圖1-9a）所示。此時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式為：因此，重物上升時(shí)，

為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，

為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。圖1-9a當(dāng)重物上升時(shí)當(dāng)重物上升時(shí)：為正，也為正。

當(dāng)重物在上升過(guò)程中制動(dòng)（圖1-9b）時(shí)，

為負(fù)，

為正。此時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式為：圖1-9b系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)

此時(shí)，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩和加速度都是負(fù)的，它們使重物減速上升，直到停止為止，系統(tǒng)中由動(dòng)能產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩被電機(jī)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩所平衡。當(dāng)重物在上升過(guò)程中制動(dòng)（圖1-9b）時(shí)，

當(dāng)重物下降時(shí)，

為正，

也為正。

、

、

的方向如圖1-9c）所示。此時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式為：

因此，重物下降時(shí)，

為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，

為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。圖1-9c）

重物下降時(shí)當(dāng)重物下降時(shí)，為正，也為正。3.多軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的等效折算

為了便于對(duì)多軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)的分析，一般是將多軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等效折算為單軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，即將多軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中各轉(zhuǎn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量或直線運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量折算到某一根軸（一般折算到電動(dòng)機(jī)的輸出軸）上，將其轉(zhuǎn)化為等效的單軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之后，再進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析。

負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩等效折算的基本原則是：折算前的多軸系統(tǒng)和折算后的單軸系統(tǒng)在能量關(guān)系或功率關(guān)系上保持不變，即遵循能量守恒原則或功率守恒原則。

在機(jī)電傳動(dòng)領(lǐng)域，絕大多數(shù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際上都是多軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。3.多軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的等效折算為了便于對(duì)多軸驅(qū)動(dòng)1.2.2機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載特性

前面討論的機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程中，負(fù)載轉(zhuǎn)矩

可能是常數(shù)，也可能是轉(zhuǎn)速的函數(shù)。我們把同一軸上負(fù)載轉(zhuǎn)矩

與轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系稱為機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載特性。

機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載特性就是生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性，有時(shí)也稱之為生產(chǎn)機(jī)械的機(jī)械特性。

如無(wú)特別說(shuō)明，在本書(shū)中，機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載特性均指折算到電動(dòng)機(jī)輸出軸上的負(fù)載特性。

不同類型的生產(chǎn)機(jī)械在運(yùn)動(dòng)中受阻的性質(zhì)是不同的，其負(fù)載特性曲線的形狀也有所不同，大致可分為恒轉(zhuǎn)矩型負(fù)載特性、離心式通風(fēng)機(jī)型負(fù)載特性、直線型負(fù)載特性、恒功率型負(fù)載特性等幾種。1.2.2機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載特性前面討論的機(jī)1.恒轉(zhuǎn)矩型負(fù)載特性

這一類型負(fù)載特性的特點(diǎn)是負(fù)載轉(zhuǎn)矩為常數(shù)。如圖1-10和圖1-11所示。

依據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩與運(yùn)動(dòng)方向的關(guān)系不同，恒轉(zhuǎn)矩型負(fù)載特性可分為反抗性轉(zhuǎn)矩和位能性轉(zhuǎn)矩兩種。圖1-10反抗轉(zhuǎn)矩的負(fù)載特性圖1-11位能性轉(zhuǎn)矩的負(fù)載特性1.恒轉(zhuǎn)矩型負(fù)載特性這一類型負(fù)載特性的特點(diǎn)是負(fù)（1）反抗性轉(zhuǎn)矩

由摩擦、非彈性體的壓縮、拉伸與扭轉(zhuǎn)等作用所產(chǎn)生的負(fù)載轉(zhuǎn)矩稱為反抗性轉(zhuǎn)矩，又稱摩擦性轉(zhuǎn)矩。

反抗性轉(zhuǎn)矩的方向恒與運(yùn)動(dòng)方向相反，阻礙運(yùn)動(dòng)；反抗性轉(zhuǎn)矩的大小恒常不變。圖1-10反抗轉(zhuǎn)矩的負(fù)載特性

根據(jù)轉(zhuǎn)矩正方向的約定可知，反抗性轉(zhuǎn)矩恒與轉(zhuǎn)速

的方向相反時(shí)取正號(hào)，即

為正方向時(shí)，

為正，特性在第一象限；

為負(fù)方向時(shí)，

為負(fù)，特性在第三象限。（1）反抗性轉(zhuǎn)矩由摩擦、非彈性體的壓縮、拉伸（2）位能性轉(zhuǎn)矩

位能性轉(zhuǎn)矩是由物體的重力或彈性體的壓縮、拉伸、扭轉(zhuǎn)等作用所引起的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

位能性轉(zhuǎn)矩的大小恒常不變，作用方向不變，與運(yùn)動(dòng)方向無(wú)關(guān)，即在某一方向阻礙運(yùn)動(dòng)而在另一方向促進(jìn)運(yùn)動(dòng)。圖1-11位能性轉(zhuǎn)矩的負(fù)載特性（2）位能性轉(zhuǎn)矩位能性轉(zhuǎn)矩是由物體的重力或彈

卷?yè)P(yáng)機(jī)起吊重物（圖1-12）時(shí)，由于重物的作用方向永遠(yuǎn)向著地心，所以，由它產(chǎn)生的負(fù)載轉(zhuǎn)矩永遠(yuǎn)作用在使重物下降的方向。當(dāng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)重物上升時(shí)，

與

的方向相反；當(dāng)重物下降時(shí)，

和

的方向相同（圖1-11）。圖1-12卷?yè)P(yáng)機(jī)起吊重物卷?yè)P(yáng)機(jī)起吊重物（圖1-12）時(shí)，由于重物的作2.離心式通風(fēng)機(jī)型負(fù)載特性

離心式通風(fēng)型機(jī)械特性是按離心力原理工作的，如離心式鼓風(fēng)機(jī)、水泵等，它們的負(fù)載轉(zhuǎn)矩

的大小與轉(zhuǎn)速

的平方成正比，即：——摩擦阻力矩;——為常數(shù)

離心式通風(fēng)機(jī)型機(jī)械的負(fù)載特性曲線（最初是沿著虛線變化的）如圖1-13所示。圖1-13離心式通風(fēng)機(jī)型負(fù)載特性2.離心式通風(fēng)機(jī)型負(fù)載特性離心式通風(fēng)型機(jī)械特3.直線型負(fù)載特性

直線型負(fù)載的負(fù)載轉(zhuǎn)矩

的大小與轉(zhuǎn)速

的大小成正比，即：其中：

為常數(shù)。直線型負(fù)載的特性曲線如圖1-14所示。圖1-14直線型負(fù)載特性3.直線型負(fù)載特性直線型負(fù)載的負(fù)載轉(zhuǎn)矩4.恒功率型負(fù)載特性

恒功率型負(fù)載的負(fù)載轉(zhuǎn)矩

的大小與轉(zhuǎn)速

的大小成反比，即其中：

為常數(shù)。圖1-15恒功率型負(fù)載的特性曲線

例如，機(jī)床在進(jìn)行金屬切削加工過(guò)程中，粗加工時(shí)，切削量大，吃刀量大，負(fù)載轉(zhuǎn)矩大

，機(jī)床主軸低速運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速低；精加工時(shí)，切削量小，吃刀量小，負(fù)載轉(zhuǎn)矩

小，機(jī)床主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速高。但不管是粗加工還是精加工，負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積為常數(shù)，即功率恒定不變。4.恒功率型負(fù)載特性恒功率型負(fù)載的負(fù)載轉(zhuǎn)矩1.2.3機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行

機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)與生產(chǎn)機(jī)械連成一體，為了使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行合理，就要使電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性盡量相匹配。1.機(jī)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的含義1）系統(tǒng)應(yīng)能以一定速度勻速運(yùn)行；2）系統(tǒng)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）而使運(yùn)行速度發(fā)生變化，應(yīng)保證系統(tǒng)在干擾消除后能恢復(fù)到原來(lái)的運(yùn)行速度。特性配合好壞的基本要求是系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行。1.2.3機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)2.機(jī)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件（1）必要條件

電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線

和生產(chǎn)機(jī)械的機(jī)械特性曲線

必須有交點(diǎn)，交點(diǎn)被稱為平衡點(diǎn)。圖1-16穩(wěn)定工作點(diǎn)的判別2.機(jī)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件（1）必要條件電（2）充分條件

系統(tǒng)受到干擾后，要具有恢復(fù)到原平衡狀態(tài)的能力。這是穩(wěn)定運(yùn)行的充分條件。符合穩(wěn)定運(yùn)行條件的平衡點(diǎn)稱為穩(wěn)定平衡點(diǎn)。圖1-16穩(wěn)定工作點(diǎn)的判別（2）充分條件系統(tǒng)受到干擾后，要具有恢復(fù)到原平機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的充分必要條件也可表述為：①電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線

和生產(chǎn)機(jī)械的機(jī)械特性曲線

有交點(diǎn)；②

。機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的充分必要條件也可表述為：①電動(dòng)機(jī)的機(jī)械下面分析

、

兩點(diǎn)是否為穩(wěn)定平衡點(diǎn)。圖1-16穩(wěn)定工作點(diǎn)的判別a點(diǎn)為穩(wěn)定平衡點(diǎn)；b點(diǎn)為非穩(wěn)定平衡點(diǎn)。下面分析、兩點(diǎn)是否為穩(wěn)定平衡點(diǎn)。圖1-11.2.4機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程

在實(shí)際工作中，機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)具有兩種運(yùn)行狀態(tài)，即靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）和動(dòng)態(tài)（暫態(tài)）。

當(dāng)機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩或負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)就要由一種穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)變化到另外一個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，這個(gè)變化過(guò)程稱為過(guò)渡過(guò)程。

在過(guò)渡過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和電流都要按照一定的規(guī)律變化，都是時(shí)間的函數(shù)。

處于靜態(tài)時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩為0，電動(dòng)機(jī)以恒速運(yùn)轉(zhuǎn)；處于動(dòng)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩非0，電動(dòng)機(jī)速度處于變化中。1.2.4機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程在實(shí)際工作1.機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的實(shí)際意義

大多數(shù)的生產(chǎn)機(jī)械對(duì)機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程都提出各自、多樣的要求。

如龍門(mén)刨床的工作臺(tái)、可逆式軋鋼機(jī)、軋鋼機(jī)的輔助機(jī)械等，它們?cè)诠ぷ髦行枰?jīng)常進(jìn)行起動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)和調(diào)速。因此，都要求過(guò)渡過(guò)程盡量快，以縮短非生產(chǎn)時(shí)間，提高生產(chǎn)率。

升降機(jī)、載人電梯、地鐵、鐵路機(jī)車、有軌電車等生產(chǎn)機(jī)械和運(yùn)輸設(shè)備，則要求起動(dòng)、制動(dòng)過(guò)程平緩、順滑，加減速度變化不能過(guò)大，以保證安全生產(chǎn)和乘坐舒適性。

而造紙機(jī)、印刷機(jī)等生產(chǎn)機(jī)械，則必須限制其加速度的大小，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。如果加速度超過(guò)允許值，則可能損壞機(jī)器部件或造成產(chǎn)品質(zhì)量下降。1.機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的實(shí)際意義大多數(shù)的生

在過(guò)渡過(guò)程中，