機電傳動控制

1．1機電傳動控制的目的與任務

第一章緒論一、機電系統(tǒng)的組成

機電系統(tǒng)完成生產(chǎn)任務的基礎驅(qū)動運動部件的原動機（這里指的是各種電動機）之總稱控制電動機的系統(tǒng)驅(qū)動生產(chǎn)機械的電動機和控制電動機的一整套電氣系統(tǒng)二、機電傳動控制的任務

將電能轉換為機械能；實現(xiàn)生產(chǎn)機械的啟動、停止以及速度的調(diào)節(jié)；完成各種生產(chǎn)工藝過程的要求；保證生產(chǎn)過程的正常進行。三、機電傳動控制的目的從廣義上講，機電傳動控制的目的就是要使生產(chǎn)設備、生產(chǎn)線、車間乃至整個工廠都實現(xiàn)自動化。從狹義上講，則指控制電動機驅(qū)動生產(chǎn)機械，實現(xiàn)生產(chǎn)產(chǎn)品數(shù)量的增加（效率）、質(zhì)量的提高（精度）、生產(chǎn)成本的降低、工人勞動條件的改善以及能量的合理利用等。

隨著生產(chǎn)工藝的發(fā)展，對機電傳動控制系統(tǒng)的要求愈來愈高。一些精密機床要求加工精度百分之幾毫米，甚至幾微米；

重型鏜床為保證加工精度和粗糙度，要求在極慢的穩(wěn)速下進給，即要求系統(tǒng)有很寬的調(diào)速范圍；

軋鋼車間的可逆式軋機及其輔助機械，操作頻繁，要求在不到一秒的時間內(nèi)完成從正轉到反轉的過程，即要求系統(tǒng)能迅速啟動、制動和反向；對于電梯和提升機，則要求啟動和制動平穩(wěn)，并能準確地停止在給定的位置上；對于冷、熱連軋機以及造紙機的各機架或分部，則要求各機架或各分部的轉速保持一定的比例關系進行協(xié)調(diào)運轉；為了提高效率，由數(shù)臺或十幾臺設備組成的生產(chǎn)自動線，要求統(tǒng)一控制或管理。諸如此類的要求，都要靠電動機及其控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。1.2機電傳動控制的發(fā)展機電傳動及其控制系統(tǒng)總是隨著社會生產(chǎn)的發(fā)展而發(fā)展的。機電傳動控制的發(fā)展可從機電傳動和控制系統(tǒng)兩方面來討論。一、機電傳動的發(fā)展

成組拖動——一臺電動機拖動一根天軸（或地軸），然后再由天軸（或地軸）通過皮帶輪和皮帶分別拖動多臺生產(chǎn)機械。

單電機拖動——一臺電動機拖動一臺生產(chǎn)機械的各運動部件。

多電機拖動——一臺生產(chǎn)機械的各個運動部件分別由不同的電動機來拖動。特點是生產(chǎn)效率低、勞動條件差、一旦電動機出現(xiàn)故障，將造成成組的生產(chǎn)機械停車；這種拖動方式較成組拖動前進了一步，但當一臺生產(chǎn)機械的運動部件較多時，其傳動機構仍十分復雜；二．機電傳動控制系統(tǒng)的發(fā)展控制系統(tǒng)的發(fā)展伴隨控制器件的發(fā)展而發(fā)展。隨著功率器件、放大器件的不斷更新，機電傳動控制系統(tǒng)的發(fā)展日新月異，它主要經(jīng)歷了四個階段：

1．繼電器—接觸器控制：出現(xiàn)在20世紀初，它僅借助于簡單的接觸器與繼電器，實現(xiàn)對控制對象的啟動、停車以及有級調(diào)速等控制，它的控制速度慢，控制精度差；

2．電機放大機控制：3．磁放大器控制和大功率可控制水銀整流器控制：4．數(shù)字控制（NC）：自動化程度、通用性和加工效率。柔性制造系統(tǒng)（FMS）—由數(shù)控機床、工業(yè)機器人、自動搬運車等組成的統(tǒng)一由中心計算機控制的機械加工自動線，它是實現(xiàn)自動化車間和自動化工廠的重要組成部分。機械制造自動化高級階段是走向設計、制造一體化，即利用計算機輔助設計（CAD）與計算機輔助制造（CAM）形成產(chǎn)品設計和制造過程的完整系統(tǒng)，對產(chǎn)品構思和設計直到裝配、試驗和質(zhì)量管理這一全過程實現(xiàn)自動化。為了實現(xiàn)制造過程的高效率、高柔性、高質(zhì)量，研制計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）是人們現(xiàn)在的任務。第二章

機電傳動系統(tǒng)的運動學基礎機電傳動系統(tǒng)的運動方程式；多軸傳動系統(tǒng)中轉矩折算的基本原則和方法；了解幾種典型生產(chǎn)機械的負載特性；了解機電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件以及學會分析實際系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2.1單軸拖動系統(tǒng)的運動方程式

一、單軸拖動系統(tǒng)的組成

電動機M通過連接件直接與生產(chǎn)機械相連，由電動機M產(chǎn)生輸出轉矩TM，用來克服負載轉矩TL，帶動生產(chǎn)機械以角速度ω（或速度n）進行運動。電動機電動機的驅(qū)動對象連接件系統(tǒng)結構圖轉距方向二、運動方程式在機電系統(tǒng)中，TM、TL、（或n)之間的函數(shù)關系稱為運動方程式。根據(jù)動力學原理，TM、TL、（或n)之間的函數(shù)關系如下：……運動方程式……轉矩平衡方程式TM

─電動機的輸出轉矩（N.m）;TL─負載轉矩（N.m）;J─轉動慣量（kg.m2）;─角速度（rad/s）；n─速度（r/min）；t─時間（s）;─動態(tài)轉矩（N.m）。三、傳動系統(tǒng)的狀態(tài)根據(jù)運動方程式可知：運動系統(tǒng)有兩種不同的運動狀態(tài)：即，ω為常數(shù)，傳動系統(tǒng)以恒速運動。TM=TL時傳動系統(tǒng)處于恒速運動的這種狀態(tài)被稱為穩(wěn)態(tài)。

即傳動系統(tǒng)加速運動。即傳動系統(tǒng)減速運動。TM

TL

時傳動系統(tǒng)處于加速或減速運動的這種狀態(tài)被稱為動態(tài)。四、TM、TL、n的參考方向(2)

因為電動機和生產(chǎn)機械以共同的轉速旋轉，所以，一般以ω（或n）的轉動方向為參考來確定轉矩的正負。當TM的實際作用方向與n的方向相同時，取與n相同的符號；

1.TM的符號與性質(zhì)當TM的實際作用方向與n的方向相反時，取與n相反的符號；當TM的實際作用方向與n的方向相同（符號相同）時，TM為拖動轉距，否則為制動轉距。

拖動轉距促進運動；制動轉距阻礙運動。當TL的實際作用方向與n的方向相同時，取與n相反的符號；

2.TL的符號與性質(zhì)當TL的實際作用方向與n的方向相反時，取與n相同的符號；當TL的實際作用方向與n的方向相同（符號相反）時，TL為拖動轉距，否則為制動轉距。舉例：如圖所示電動機拖動重物上升和下降。設重物上升時速度n的符號為正，下降時n的符號為負。當重物上升時：TM、TL、n的方向如圖（a）所示。運動方程式為：因此重物上升時，TM為拖動轉矩，TL為制動轉矩。當重物下降時：TM、TL、n的方向如圖（b）所示。運動方程式為：即：因此重物下降時，TM為制動轉矩，TL為拖動轉矩。TM為正，TL為正。TM為正，TL為正。2．2多軸拖動系統(tǒng)的簡化為了對多軸拖動系統(tǒng)進行運行狀態(tài)的分析，一般是將多軸拖動系統(tǒng)等效折算為單軸系統(tǒng)。一、多軸拖動系統(tǒng)的組成電動機通過減速機構（如減速齒輪箱、蝸輪蝸桿等）與生產(chǎn)機械相連，如圖所示：折算的原則是：靜態(tài)時，折算前后系統(tǒng)總的傳輸功率不變。

二、負載轉矩的折算假設電動機以ωM角速度旋轉，負載轉矩TL折算到電動機軸上的負載轉矩為Teq，而生產(chǎn)機械的轉動速度為ωL。則電動機輸出功率PM和負載所需功率PL分別為：考慮傳動機構在傳輸功率的過程中有損耗，這個損耗可用效率ηc來表示，且則生產(chǎn)機械上的負載轉矩折算到電動機軸上的等效轉矩為：式中：ηc—電動機拖動生產(chǎn)機械運動時的傳動效率；—傳動機構的總傳動比2．3生產(chǎn)機械的機械特性

在同一軸上，負載轉矩和轉速之間的函數(shù)關系，稱為生產(chǎn)機械的機械特性。

一、恒轉矩型機械特性

恒轉矩型機械特性根據(jù)其特點可分為反抗轉矩和位能轉矩兩種。分別如圖所示：1．反抗轉矩：又稱摩擦性轉矩，其特點如下：作用方向始終與速度n的方向相反，當n的方向發(fā)生變化時，它的作用方向也隨之發(fā)生變化，恒與運動方向相反，即總是阻礙運動的。轉矩大小恒定不變；按關于轉矩正方向的約定可知，反抗轉矩恒與轉速n取相同的符號，即n為正方向時TL為正，特性在第一象限；n為負方向時TL為負，特性在第三象限。2．位能轉矩,其特點為：轉矩大小恒定不變；作用方向不變，與運動方向無關，即在某一方向阻礙運動而在另一方向促進運動。

卷揚機起吊重物時，由于重物的作用方向永遠向著地心，所以，由它產(chǎn)生的負載轉矩永遠作用在使重物下降的方向，當電動機拖動重物上升時，TL與n的方向相反；當重物下降時，TL和n的方向相同。假設n為正時TL阻礙運動，則n為負時TL一定促進運動，特性在第一、四象限。不難理解，在運動方程式中，反抗轉矩TL的符號總是與n相同；位能轉矩TL的符號則有時與n相同，有時與n相反。二、離心式通風型機械特性

離心式通風型機械特性是按離心力原理工作的，如離心式鼓風機、水泵等，它們的負載轉矩TL的大小與速度n的平方成正比，即：其中：C為常數(shù)。三、直線型機械特性直線型機械特性的負載轉矩TL的大小與速度n的大小成正比，即：其中：C為常數(shù)。

恒功率型機械特性的負載轉矩TL的大小與速度n的大小成正比，即其中：C為常數(shù)。如圖所示。四、恒功率型機械特性

2.4機電系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件

機電傳動系統(tǒng)中，電動機與生產(chǎn)機械連成一體，為了使系統(tǒng)運行合理，就要使電動機的機械特性與生產(chǎn)機械的機械特性盡量相配合。特性配合好的一個起碼要求是系統(tǒng)能穩(wěn)定運行。

一、機電系統(tǒng)穩(wěn)定運行的含義1.系統(tǒng)應能一定速度勻速運行；2.系統(tǒng)受某種外部干擾（如電壓波動、負載轉矩波動等）使運行速度發(fā)生變化時，應保證在干擾消除后系統(tǒng)能恢復到原來的運行速度。

二、機電系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件從T—n坐標上來看，就是電動機的機械特性曲線n=f(TM)和生產(chǎn)機械的機械特性曲線n=f(TL)必須有交點，交點被稱為平衡點。2.充分條件系統(tǒng)受到干擾后，要具有恢復到原平衡狀態(tài)的能力，即：當干擾使速度上升時，有TM<TL

；否則，當干擾使速度下降時，有TM>TL。這是穩(wěn)定運行的充分條件。符合穩(wěn)定運行條件的平衡點稱為穩(wěn)定平衡點。

1.必要條件電動機的輸出轉矩TM和負載轉矩TL大小相等，方向相反。分析舉例a、b兩點是否為穩(wěn)定平衡點？a點：當負載突然增加后當負載波動消除后故a點為系統(tǒng)的穩(wěn)定平衡點。同理b點不是穩(wěn)定平衡點。異步電動機的機械特性生產(chǎn)機械的機械特性交點a交點b如圖所示，曲線1為異步電動機的機械特性，曲線2為異步電動機拖動的生產(chǎn)機械的機械特性。兩曲線有交點b，即拖動系統(tǒng)有一個平衡點。b點符合穩(wěn)定運行的條件，因此b點為是穩(wěn)定平衡點。此系統(tǒng)能在b點穩(wěn)定運行。練習題1．機電系統(tǒng)穩(wěn)定運行的必要條件是電動機的輸出轉矩和負載轉矩a.大小相等b.方向相反c.大小相等，方向相反d.無法確定2.某機電系統(tǒng)中，電動機輸出轉矩大于負載轉矩，則系統(tǒng)正處于a.加速b.減速c.勻速d.不確定

3.在單軸拖動系統(tǒng)中，已知電動機輸出轉矩和負載轉矩的作用方向與轉速的方向相同，則系統(tǒng)正處于a.加速b.減速c.勻速d.靜止

4．在機電系統(tǒng)中，已知電動機輸出轉矩小于負載轉矩，且電動機的輸出轉矩作用方向與轉速的方向相同，而負載轉矩的方向與轉速相反，則系統(tǒng)正處于a.加速b.減速c.勻速d.靜止

第三章

直流電機的工作原理及特性重點掌握：

?了解直流電機的基本結構及工作原理；?了解直流發(fā)電機的特性；?掌握直流電動機的機械特性；

?掌握直流電動機啟動、調(diào)速和制動等各種特性；

?掌握實現(xiàn)直流電動機啟動、調(diào)速和制動的各種方法以及它們的使用場所。電機分交流和直流兩種。直流電機—工作電壓或輸出的電壓為直流；交流電機—工作電壓為交流。直流電機分直流電動機和直流發(fā)電機兩種。直流電動機—將電能轉換為機械能；直流發(fā)電機—將機械能轉換為電能。3．1直流電機的基本結構和工作原理

一、直流電機的基本結構

直流電機的結構圖如圖所示：根據(jù)電機的工作原理，直流電機的組成可分為定子、轉子和換向器三大部分。

定子部分主要由定子鐵心和繞在上面的勵磁繞組兩部分組成。

轉子部分主要由電樞鐵心和電樞繞組兩部分組成。

換向器由換向片和電刷組成，電刷固定在定子上，換向片與電樞繞組相連，換向片與電刷保持滑動接觸。二、基本的工作原理為了討論直流電機的工作原理，可把復雜的直流電機結構簡化為電機具有一對主磁極，電樞繞組只是一個線圈，線圈兩端分別聯(lián)在兩個換向片上，換向片上壓著電刷A和B。如圖所示：1—主磁極：勵磁繞組上加上直流電壓，勵磁繞組上有勵磁電流通過，使定子鐵心產(chǎn)生固定磁場，即定子的主要作用是產(chǎn)生主磁場。

2—電樞繞組：在固定的磁場中旋轉，主要作用是產(chǎn)生感應電動勢或產(chǎn)生機械轉矩，實現(xiàn)能量的轉換。3、4—換向器：電刷固定不動，換向片與電樞繞組一起旋轉，主要作用對發(fā)電機而言是將電樞繞組內(nèi)感應的交流電勢轉換成電刷間的直流電勢。對電動機而言，則是將外加的直流電流轉換為電樞繞組的交變電流，并保證每一磁極下，電樞導體的電流的方向不變，以產(chǎn)生恒定的電磁轉矩。3—電刷4—換向片

1．發(fā)電機原理：將機械能轉換為電能。電樞由原動機驅(qū)動而在磁場中旋轉，在電樞線圈的兩根有效邊ab和cd（切割磁力線的導體部分）中便感應出電動勢e。顯然，每一有效邊中的電動勢是交變的，即在N極下是一個方向，當它轉到S極下時是另一個方向。但是，由于電刷A總是同與N極下的有效邊相聯(lián)的換向片接觸，而電刷B總是同與S極下的有效邊相聯(lián)的換向片接觸，因此，在電刷間就出現(xiàn)一個極性不變的電動勢或電壓，當電刷之間接有負載時，在電動勢的作用下就在電路中產(chǎn)生一定方向的電流。

2．電動機原理：將電能轉換為機械能。直流電源接在電刷之間而使電流通入電樞線圈。電流方向應該是這樣的：N極下的有效邊中的電流總是一個方向，而S極下的有效邊中的電流總是另一個方向，這樣才能使兩個邊上受到的電磁力的方向一致，電樞因而轉動。因此，當線圈的有效邊從N（S）極下轉到S（N）極下時，其中電流的方向必須同時改變，使電磁力的方向不變，即電磁轉矩的方向不變而使轉子以n的轉速旋轉。三、電動勢和電磁轉矩1.電動勢E

根據(jù)電磁學原理，兩電刷間的感應電動勢為:式中：E——感應電動勢（V）；

Φ——對磁極的磁通（Wb）；

n——電樞轉速（r/min）；

Ke——與電機結構有關的常數(shù)。直流發(fā)電機中，電動勢的方向總是與電流的方向相同，被稱為電源電動勢。直流電動機中，電動勢的方向總是與電流的方向相反，被稱為反電動勢。2．電磁轉矩TM