第1_第2章_机电传动动力学基础(第三版).ppt

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1、机电传动控制机电传动控制(第三版第三版)邓星钟邓星钟 主编主编华中科技大学出版社华中科技大学出版社2001年年3月月“机电传动控制机电传动控制(第三版第三版)”多媒体课件多媒体课件 湖南理工学院张万奎湖南理工学院张万奎 2005年年第第1章章 概述概述l l 机电传动的发展概况机电传动的发展概况;l l 电气控制系统的发展概况电气控制系统的发展概况;l l “机电传动控制机电传动控制”课程的性质和任务课程的性质和任务.1.机电传动发展的概况机电传动发展的概况1)1)成组拖动成组拖动成组拖动成组拖动l l 一台电动机一台电动机一台电动机一台电动机-一根天轴一根天轴一根天轴一根天轴-一组生产机械设

2、备一组生产机械设备一组生产机械设备一组生产机械设备l l 机构复杂机构复杂机构复杂机构复杂,损耗大损耗大损耗大损耗大,效率低效率低效率低效率低,工作可靠性差工作可靠性差工作可靠性差工作可靠性差.2)2)单台电动机拖动单台电动机拖动单台电动机拖动单台电动机拖动l l 一台电动机一台电动机一台电动机一台电动机-一台设备一台设备一台设备一台设备l l 当生产机械设备运动部件较多时当生产机械设备运动部件较多时当生产机械设备运动部件较多时当生产机械设备运动部件较多时,机构仍复杂机构仍复杂机构仍复杂机构仍复杂,满足满足满足满足不了生产工艺要求不了生产工艺要求不了生产工艺要求不了生产工艺要求.3)3)多台电

3、动机拖动多台电动机拖动多台电动机拖动多台电动机拖动l l 一台专门的电动机一台专门的电动机一台专门的电动机一台专门的电动机-同一台设备的每一个运动部件同一台设备的每一个运动部件同一台设备的每一个运动部件同一台设备的每一个运动部件l l 机构简单机构简单机构简单机构简单,控制灵活控制灵活控制灵活控制灵活,便于生产机械的自动化便于生产机械的自动化便于生产机械的自动化便于生产机械的自动化.l l举例举例举例举例:龙门刨床的刨台龙门刨床的刨台龙门刨床的刨台龙门刨床的刨台,左垂直刀架左垂直刀架左垂直刀架左垂直刀架,右垂直刀架右垂直刀架右垂直刀架右垂直刀架,侧刀侧刀侧刀侧刀架架架架,横梁横梁横梁横梁,夹紧

4、机构夹紧机构夹紧机构夹紧机构,都是分别由一台电动机拖动的都是分别由一台电动机拖动的都是分别由一台电动机拖动的都是分别由一台电动机拖动的.l l 2.电气控制系统的发展概况电气控制系统的发展概况1)1)继电器继电器继电器继电器-接触器控制系统接触器控制系统接触器控制系统接触器控制系统l l 能对控制对象实现起动能对控制对象实现起动能对控制对象实现起动能对控制对象实现起动,制动制动制动制动,有级调速控制有级调速控制有级调速控制有级调速控制;l l 结构简单结构简单结构简单结构简单,动作可靠动作可靠动作可靠动作可靠;控制速度慢控制速度慢控制速度慢控制速度慢,控制精度差控制精度差控制精度差控制精度差.

5、2)2)连续控制方式和自动控制系统连续控制方式和自动控制系统连续控制方式和自动控制系统连续控制方式和自动控制系统l l 20 20世纪世纪世纪世纪3030年代的电机放大机控制年代的电机放大机控制年代的电机放大机控制年代的电机放大机控制,40-50,40-50年代的磁放年代的磁放年代的磁放年代的磁放大器控制和水银整流器控制大器控制和水银整流器控制大器控制和水银整流器控制大器控制和水银整流器控制,1958,1958年以后的晶闸管年以后的晶闸管年以后的晶闸管年以后的晶闸管-直直直直流电动机无级调速系统流电动机无级调速系统流电动机无级调速系统流电动机无级调速系统,80,80年代以来的新型电力电子元年代

6、以来的新型电力电子元年代以来的新型电力电子元年代以来的新型电力电子元件件件件-交流电动机无级调速系统交流电动机无级调速系统交流电动机无级调速系统交流电动机无级调速系统;l l 控制简单控制简单控制简单控制简单,可靠性高可靠性高可靠性高可靠性高,连续控制连续控制连续控制连续控制,拖动性能好拖动性能好拖动性能好拖动性能好.电气控制系统的发展概况电气控制系统的发展概况3)3)可编程序控制器可编程序控制器可编程序控制器可编程序控制器(PLC)PLC)l l 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,

7、是一台按是一台按是一台按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;l l 具有逻辑运算功能具有逻辑运算功能具有逻辑运算功能具有逻辑运算功能,定时定时定时定时/计数功能计数功能计数功能计数功能,数字运算功能数字运算功能数字运算功能数字运算功能,通信功能通信功能通信功能通信功能.4)4)计算机数字控制系统计算机数字控制系统计算机数字控制系统计算机数字控制系统l l 1952 1952年美国出现第一台数控铣床年美国出现第一台数控铣床年美国出现第一台数控铣床年美国出现第一台数控铣床,1958,1958年出现加工中年

8、出现加工中年出现加工中年出现加工中心心心心,20,20世纪世纪世纪世纪7070年代年代年代年代CNCCNC应用于数控机床和加工中心应用于数控机床和加工中心应用于数控机床和加工中心应用于数控机床和加工中心,80,80年代出现了柔性制造系统年代出现了柔性制造系统年代出现了柔性制造系统年代出现了柔性制造系统(FNS);FNS);l l 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,实现机械加工全盘实现机械加工全盘实现机械加工全盘实现机械加工全盘自动化自动化自动化自动化.3.“机电传动控制机电传动控制”课程的性质和任课程的性质和任务务

9、1)1)课程性质课程性质课程性质课程性质 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,是机是机是机是机电一体化人才所需电知识的驱体电一体化人才所需电知识的驱体电一体化人才所需电知识的驱体电一体化人才所需电知识的驱体.它将电机它将电机它将电机它将电机,电器电器电器电器,继电继电继电继电器器器器-接触器控制接触器控制接触器控制接触器控制,PLC,PLC,电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术,自动调速系统有机自动调速系统有机自动调速系统有机自动调速系统有机地结合在一起地结

10、合在一起地结合在一起地结合在一起.2)2)课程内容课程内容课程内容课程内容 全书全书全书全书1313章章章章,分为分为分为分为5 5个单元个单元个单元个单元:l l(1)(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;l l(2)(2)电机及继电器电机及继电器电机及继电器电机及继电器-接触器控制系统接触器控制系统接触器控制系统接触器控制系统;l l(3)(3)可编程序控制器可编程序控制器可编程序控制器可编程序控制器;l l(4)(4)电力电子技术的基本知识电力电子技术的基本知识电力电子技术的基本知识

11、电力电子技术的基本知识;l l(5)(5)自动调速系统自动调速系统自动调速系统自动调速系统.3)3)课程学习任务课程学习任务课程学习任务课程学习任务l l 掌握继电器掌握继电器掌握继电器掌握继电器-接触器控制系统的工作原理和元件选择接触器控制系统的工作原理和元件选择接触器控制系统的工作原理和元件选择接触器控制系统的工作原理和元件选择,l l 掌握掌握掌握掌握PLCPLC的编程方法与应用的编程方法与应用的编程方法与应用的编程方法与应用,l l 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

12、原理与性能及其应用场所.l l 了解电力拖动的一般知识了解电力拖动的一般知识了解电力拖动的一般知识了解电力拖动的一般知识,l l 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:l l 1 1.齐占庆主编齐占庆主编齐占庆主编齐占庆主编.机床电气控制技术机床电气控制技术机床电气控制技术机床电气控制技术(第三版第三版第三版第三版).).北京北京北京北京:机机机机械工业出版社械工业出版社械工业出版社械工业出版社.2004.2004年年年年6 6月月月月.l l 2 2.陈伯时主

13、编陈伯时主编陈伯时主编陈伯时主编.电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统(第三版第三版第三版第三版).).北京北京北京北京:机械工业出版社机械工业出版社机械工业出版社机械工业出版社.2003.2003年年年年8 8月月月月.l l 3 3.程宪平主编程宪平主编程宪平主编程宪平主编.机电传动与控制机电传动与控制机电传动与控制机电传动与控制(第二版第二版第二版第二版).).武汉武汉武汉武汉:华中华中华中华中科技大学出版社科技大学出版社科技大学出版社科技大学出版社.2003.2003年年年年9 9月月月月.l l 4.4.魏炳贵主编魏炳贵主编魏炳贵主编魏炳贵

14、主编.电力拖动基础电力拖动基础电力拖动基础电力拖动基础.北京北京北京北京:机械工业出版社机械工业出版社机械工业出版社机械工业出版社.2000.2000年年年年8 8月月月月.第第2章章 机电传动系统的动力学基础机电传动系统的动力学基础l l 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,用它来分用它来分用它来分用它来分析机电传动系统的运动状态析机电传动系统的运动状态析机电传动系统的运动状态析机电传动系统的运动状态;l l 了解多轴拖动系统中转矩了解多轴拖动系统中转矩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

15、动惯量和飞轮转动惯量和飞轮转动惯量和飞轮转矩的折算方法转矩的折算方法转矩的折算方法转矩的折算方法;l l 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;l l 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机电传动系统的运动方程式1.1.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:定义式定义式定义式定义式工程计算式工程计算式工程计算式工程计算式在上述两

16、个式子中在上述两个式子中在上述两个式子中在上述两个式子中:l lT TMM-电动机转矩电动机转矩电动机转矩电动机转矩;l lT TL L-负载转矩负载转矩负载转矩负载转矩;l lJ-J-转动惯量转动惯量转动惯量转动惯量;l lGDGD2 2-飞轮转矩飞轮转矩飞轮转矩飞轮转矩,且且且且J=1/4(GDJ=1/4(GD2 2););l ln-n-转速转速转速转速;l-角速度角速度.讨论讨论讨论讨论.在上式中在上式中在上式中在上式中:l l1)1)当当当当T TMM=T=TL L时时时时,n n为常数为常数为常数为常数.dndn/dtdt=0,=0,状态为恒速状态为恒速状态为恒速状态为恒速;称之为称

17、之为称之为称之为稳态稳态稳态稳态或或或或静态静态静态静态.l l2)2)当当当当T TMMTTL L时时时时,n n为变数为变数为变数为变数,dndn/dtdt 0,0,状态为加速或状态为加速或状态为加速或状态为加速或减速减速减速减速;称之为称之为称之为称之为动态动态动态动态.2.2.系统动态转矩系统动态转矩系统动态转矩系统动态转矩T Td d讨论讨论:1)当当Td=0时时,系统为稳态系统为稳态;2)当当Td0时时,系统为动态系统为动态:(1)Td0,dn/dt=a0,系统加速系统加速;(2)Td0,dn/dt=a0,系统减速系统减速.因此因此,TM,TL有大小有大小,有方向有方向.则工程计算

18、式可写为则工程计算式可写为则工程计算式可写为则工程计算式可写为:T TMM-T-TL L=T=Td d 令令令令系统动态转矩系统动态转矩系统动态转矩系统动态转矩:3.3.T TMM,T,TL L的正方向及性质的正方向及性质的正方向及性质的正方向及性质 以转速以转速以转速以转速n n为参考量为参考量为参考量为参考量 (先定下先定下先定下先定下n n的正方向的正方向的正方向的正方向););规定规定规定规定:l l 与与与与n n方向相同的方向相同的方向相同的方向相同的T TMM为为为为正正正正,与与与与n n方向相反的方向相反的方向相反的方向相反的T TL L为正为正为正为正;l l 与与与与n

19、n方向相反的方向相反的方向相反的方向相反的T TMM为为为为负负负负,与与与与n n方向相同的方向相同的方向相同的方向相同的T TL L为负为负为负为负.举例举例举例举例 例例例例1:1:列出下图系统的运动列出下图系统的运动列出下图系统的运动列出下图系统的运动方程式方程式方程式方程式,并说明运动状态并说明运动状态并说明运动状态并说明运动状态.nTMTLnTMTL 解解解解:T TMM与与与与n n反向为负反向为负反向为负反向为负,T TL L与与与与n n反向为正反向为正反向为正反向为正,运动方程如下式运动方程如下式运动方程如下式运动方程如下式;状态为减速状态为减速状态为减速状态为减速.举例举

20、例举例举例例例例例2:2:提升重物过程如左图示提升重物过程如左图示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写出运动方程式写出运动方程式.解解解解:(:(a)a)中中中中,提升重物提升重物提升重物提升重物,T TMM为为为为正正正正,T TL L为正为正为正为正,运动方程式运动方程式运动方程式运动方程式为为为为:(b)b)中中中中,仍为提升重仍为提升重仍为提升重仍为提升重物物物物,但但但但T TMM为负为负为负为负,T TL L为为为为正正正正,运动方程式为运动方程式为运动方程式为运动方程式为:思考题思考题思考题思考题:试分析图试分析图试分析图试分析图(a)a)和图

21、和图和图和图(b)b)系统的运动状态系统的运动状态系统的运动状态系统的运动状态.思考题l图(a)中,要能提升重物,必须有TMTL,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转矩转矩.转动惯量和飞轮转矩的折算转动惯量和飞轮转矩的折算 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,该系统的运动该系统的运动该系统的运动该系统的运动方程式方程式方程式方程式,是将其转矩等折算到一根轴上是将其转矩等折算到一根轴上是将其转矩等折算到一根轴上是将其转矩等折算到一根轴上,再按再按再按再按2.12.

22、1的方法的方法的方法的方法列出运动方程式列出运动方程式列出运动方程式列出运动方程式.折算时折算时折算时折算时,可以折算到电动机轴上可以折算到电动机轴上可以折算到电动机轴上可以折算到电动机轴上(高速轴高速轴高速轴高速轴),),也可以折也可以折也可以折也可以折算至低速轴算至低速轴算至低速轴算至低速轴上上上上.旋转运动 直线运动三轴旋转运动折算至电动机轴上三轴旋转运动折算至电动机轴上三轴旋转运动折算至电动机轴上三轴旋转运动折算至电动机轴上1.1.负载转矩的折算负载转矩的折算负载转矩的折算负载转矩的折算 式中式中式中式中,速比速比速比速比 -传动效率传动效率传动效率传动效率;2.2.转动惯量的折算转动

23、惯量的折算转动惯量的折算转动惯量的折算3.3.飞轮转矩的折算飞轮转矩的折算飞轮转矩的折算飞轮转矩的折算式中式中式中式中,分别为电动机轴分别为电动机轴分别为电动机轴分别为电动机轴,中间传动中间传动中间传动中间传动轴轴轴轴,生产机械轴上的飞轮转生产机械轴上的飞轮转生产机械轴上的飞轮转生产机械轴上的飞轮转矩矩矩矩.式中式中式中式中,三轴直线运动折算到电动机轴上三轴直线运动折算到电动机轴上三轴直线运动折算到电动机轴上三轴直线运动折算到电动机轴上1.1.负载转矩的折算负载转矩的折算负载转矩的折算负载转矩的折算提升时提升时提升时提升时3.3.飞轮转矩的折算飞轮转矩的折算飞轮转矩的折算飞轮转矩的折算 2.2

24、.转动惯量的折算转动惯量的折算转动惯量的折算转动惯量的折算 要注意式上面几个式子要注意式上面几个式子要注意式上面几个式子要注意式上面几个式子中各个符号代表的物理意中各个符号代表的物理意中各个符号代表的物理意中各个符号代表的物理意义义义义.下降时下降时下降时下降时计算举例计算举例计算举例计算举例例例例例3 3 机电传动系统如下图机电传动系统如下图机电传动系统如下图机电传动系统如下图(a)a)所示所示所示所示.已知每根轴的已知每根轴的已知每根轴的已知每根轴的飞轮转矩和转速飞轮转矩和转速飞轮转矩和转速飞轮转矩和转速,负载转负载转负载转负载转矩为矩为矩为矩为98 ,98 ,电动机拖动电动机拖动电动机拖

25、动电动机拖动转矩转矩转矩转矩29.4 ,29.4 ,传动效率传动效率传动效率传动效率0.9,0.9,求生产机械轴上的加求生产机械轴上的加求生产机械轴上的加求生产机械轴上的加速度是多少速度是多少速度是多少速度是多少?由公式可得生产机械轴上由公式可得生产机械轴上由公式可得生产机械轴上由公式可得生产机械轴上的加速度为的加速度为的加速度为的加速度为解解解解:这是折算到低速轴这是折算到低速轴这是折算到低速轴这是折算到低速轴计算举例题图计算举例题图计算举例题图计算举例题图(a)a)2.3 生产机械的机械特性生产机械的机械特性1.1.恒转矩特性恒转矩特性恒转矩特性恒转矩特性 1 1)特点特点特点特点:负载转

26、矩为常数负载转矩为常数负载转矩为常数负载转矩为常数;2 2)分类分类分类分类:反抗转矩反抗转矩反抗转矩反抗转矩,位移转矩位移转矩位移转矩位移转矩.举例举例举例举例:设备的提升机构设备的提升机构设备的提升机构设备的提升机构,提升机的行走机构提升机的行走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皮带运输机皮带运输机,机床进给运动机床进给运动机床进给运动机床进给运动.2.2.恒功率特性恒功率特性恒功率特性恒功率特性特点特点特点特点:负载转矩与转速成反比负载转矩与转速成反比负载转矩与转速成反比负载转矩与转速成反比,功率基本不变功率基本不变功率基本不变功率基本不变.举例举例举例举例:球磨

27、机球磨机球磨机球磨机,碎石机碎石机碎石机碎石机,机床的主运动机床的主运动机床的主运动机床的主运动.3.3.通风机特性通风机特性通风机特性通风机特性特点特点特点特点:负载转矩与转速的平负载转矩与转速的平负载转矩与转速的平负载转矩与转速的平 方成正比方成正比方成正比方成正比.举例举例举例举例:水泵水泵水泵水泵,通风机通风机通风机通风机.风机风机风机风机,水泵电动机的水泵电动机的水泵电动机的水泵电动机的容量占工业用户总用电容量占工业用户总用电容量占工业用户总用电容量占工业用户总用电量的量的量的量的7070%.%.2.4机电传动系统稳定运行的条件机电传动系统稳定运行的条件1.1.机电传动系统稳定运行机

28、电传动系统稳定运行机电传动系统稳定运行机电传动系统稳定运行的条件的条件的条件的条件1)1)和和和和 两条特两条特两条特两条特性曲线有交点性曲线有交点性曲线有交点性曲线有交点,该交点称之该交点称之该交点称之该交点称之为系统的平衡点为系统的平衡点为系统的平衡点为系统的平衡点.2)2)当转速大于平衡点对应的当转速大于平衡点对应的当转速大于平衡点对应的当转速大于平衡点对应的转速时转速时转速时转速时,有有有有:l lT TMMTTL L;当转速小于平衡点对应当转速小于平衡点对应当转速小于平衡点对应当转速小于平衡点对应的转速时的转速时的转速时的转速时,有有有有:l lT TMM T TL L2.2.稳定工

29、作点判别稳定工作点判别稳定工作点判别稳定工作点判别稳定运行判别举例稳定运行判别举例稳定运行判别举例稳定运行判别举例例例1,试判别右图所示三相试判别右图所示三相异步电动机特性曲线与异步电动机特性曲线与恒转矩负载特性曲线组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,分别判别图中分别判别图中a点和点和b点是否满足稳定运行点是否满足稳定运行的条件的条件.解解解解:1):1)有交点有交点有交点有交点a a和和和和b;b;2)2)对于对于对于对于a a点点点点,当转速小当转速小当转速小当转速小于于于于a a点对应的转

30、速时点对应的转速时点对应的转速时点对应的转速时,电电电电动机的转矩大于负载转动机的转矩大于负载转动机的转矩大于负载转动机的转矩大于负载转矩矩矩矩,a a点是平衡点点是平衡点点是平衡点点是平衡点;对于对于对于对于b b点点点点,当转速小当转速小当转速小当转速小于于于于b b点对应的转速时点对应的转速时点对应的转速时点对应的转速时,电电电电动机的转矩小于负载转动机的转矩小于负载转动机的转矩小于负载转动机的转矩小于负载转矩矩矩矩,b b点不是平衡点点不是平衡点点不是平衡点点不是平衡点.(同学们可自己作一同学们可自己作一同学们可自己作一同学们可自己作一条条条条b b点以下的线点以下的线点以下的线点以下

31、的线)稳定判别举例稳定判别举例稳定判别举例稳定判别举例例例例例2 2 右图中右图中右图中右图中b b点是不是稳定点是不是稳定点是不是稳定点是不是稳定平衡点平衡点平衡点平衡点?为什么为什么为什么为什么?解解解解:b b点是平衡工作点点是平衡工作点点是平衡工作点点是平衡工作点.1 1)两条曲线有交点两条曲线有交点两条曲线有交点两条曲线有交点b;b;2)2)当转速大于当转速大于当转速大于当转速大于b b点对应点对应点对应点对应的转速时的转速时的转速时的转速时,即在即在即在即在b b点上方作点上方作点上方作点上方作一条虚线一条虚线一条虚线一条虚线,与这两条曲线与这两条曲线与这两条曲线与这两条曲线有交点有交点有交点有交点,其中其中其中其中,与负载特性与负载特性与负载特性与负载特性曲线的交点位于与电动机曲线的交点位于与电动机曲线的交点位于与电动机曲线的交点位于与电动机特性曲线交点的右侧特性曲线交点的右侧特性曲线交点的右侧特性曲线交点的右侧,即即即即电动机转矩小于负载转矩电动机转矩小于负载转矩电动机转矩小于负载转矩电动机转矩小于负载转矩.