机电传动控制课件

机电传动控制Mechanical&electricalTransmissionControl华中科技大学机械学院朱国力Tel:87543871Email:[e-mail]内容控制系统调速系统电机机械传动对象机电传动系统功能框图机电传动系统控制系统调速系统电机机械传动继电器/接触器PLC系统直流电机交流电机直流调速交流调速步进电机内容内容：集成了原来的电子学、电工学课程里的强电内容机电传动：机电传动的动力学基础电动机的工作原理及特性电动机的调速及实现步进电机及其控制控制继电器、接触器控制PLC控制内容电动机的工作原理与特性直流电机的原理与特性交流电机的原理与特性步进电机的原理与特性电动机的速度调节电力电子学基础直流电机调速原理与实现交流电机的调速原理与实现步进电机控制内容继电器、接触器控制常用的控制电器与执行器件：继电器、接触器、检测器件、保护器件等基本控制电路常用的控制电路基本设计方法内容PLC控制PLC原理、组成PLC的内部等效电路（继电器）PLC的指令系统PLC的应用与设计方法以三菱公司的F系列PLC为基础第一章概述•机电传动的定义是什么？•机电传动的作用是什么？•机电传动的发展过程及趋势是什么？•什么是成组拖动、单电机拖动、多电机拖动？优缺点是什么？•机电传动控制系统的发展过程与趋势是什么？机电传动定义和目的：定义：以电动机为原动机（动力源）驱动生产机械的系统的总称目的：将电能转换为机械能，实现生产机械的启动、停止及速度调节，满足各种生产工艺过程的要求，保证生产过程的正常进行机电传动与控制的重要性机电传动控制技术涉及到社会生活的各个方面(工业、交通、信息、日常生活、军事等）机电传动控制技术是现代制造业的基础（各种制造装备都是以机电传动控制为基础）机电传动与控制技术的发展有力地推动社会的进步（提高产品质量、制造能力）信息社会更离不开机电传动与控制技术（信息设备产品、信息的应用等）机电传动与控制技术的发展传动技术的发展（简化机械结构、直接驱动）电动机的发展（交流、直线、高性能、大、小等）调速技术的发展（交流、大范围、高精度）控制理论与技术的发展（现代控制理论、非线性控制、模糊智能控制、神经网络）制造自动化技术的发展（分布式控制、现场总线、FMS/CIMS）传动技术的发展动力源：蒸汽机，内燃机，电动机机电传动方式：成组拖动：一台电机拖动多台设备，老方式，传动机构复杂，效率低。单电机拖动：一台电机拖动一台设备，比成组方式进步。多电机拖动：多台电机拖动一台设备，现代的传动方法。电动机的分类直流电机：采用直流电源，调速特性好，但换相电刷影响其容量、使用范围和寿命。交流电机：采用交流电源，克服了直流电机的缺点，现代交流调速技术的发展使其成为主流。步进电机：运动距离和输入脉冲成正比，控制方便，但功率和精度较差。电动机的分类旋转电机：实现直线运动需要专门的机械传动装置，在高速、高精度应用中有一定缺陷（高速高精度、直接驱动）。直线电机：电机的重要方向，可以实现高速、高精度加工，机械传动机构简单。（两个发展方向：一种是大推力，另外是高相应。）直流、无刷直流、交流电机比较几种电机的工作范围调速技术的发展直流调速：有级调速（串电阻，继电器、接触器控制），无级调速（调压调速、调磁调速，发电机-电动机方式，晶闸管方式，PWM方式）交流调速：有级调速（调压，变极），无级调速（变频调速）•继电器—接触器控制：20世纪初，借助于简单的接触器与继电器实现对控制对象的启动、停车以及有级调速等控制。控制速度慢，控制精度差。•电机放大机控制(电动机－－发电机)：30年代，控制系统从断续控制发展到连续控制，连续控制系统可随时检查控制对象的工作状态，并根据输出量与给定量的偏差对控制对象进行自动调整。快速性及控制精度都大大超过了最初的断续控制，并简化了控制系统，减少了电路中的触点，提高了可靠性，也提高生产效率；•晶闸管、晶体管控制：40年代~50年代，晶闸管控制就取代了水银整流器控制，后又出现了功率晶体管控制，由于晶体管、晶闸管具有效率高、控制特性好、反应快、寿命长、可靠性高、维护容易、体积小、重要轻等优点，它的出现为机电传动自动控制系统开辟了新纪元。•计算机数字控制（digitalcontrol）：70年代初，随着数控技术的发展，计算机的应用特别是微型计算机的出现和应用，又使控制系统发展到一个新阶段——采样控制。•CNC（ComputerNumericalControl）/FMS/CIMS：现代控制控制系统的发展及比较控制理论与技术的发展开环控制（步进电机、变频调速等）闭环控制：经典控制理论、现代控制理论、自适应控制、模糊控制、智能控制计算机控制技术和现场总线技术SYSMACCQM1OMRONCQM1I/OLink单元8-/16-点远程I/O终端16-点远程8-点传感器终端2-/4-点模拟量终端C200HW-DRM21-V1主单元CVM1-DRM21-V1主单元3G8B3-DRM21-EVME工控机主站板New3G8E2-DRM21-E配置器(PCMCIA)3G8F5-DRM21-E配置器(ISABoard)NewNewNewNew产品线PID、温度、高速计数终端NewT型分支终端电阻产品线主干线分支线多层现场总线结构现场总线在工厂自动化中的应用现场总线设备作为从站所有的元件都支持现场总线混和式考虑扩展的方案必备的基础知识高等数学物理电路与磁路模拟电子技术数字电路微型计算机及接口技术控制工程教学安排与考试课内讲课和习题课时间56学时1.教材内容讲授2.课堂作业（4-5次）实验8学时，复习、练习、写实验报告等课外时间140学时成绩以期末考试、作业和课堂作业三方面为主第二章：机电传动的动力学基础学习要点：机电传动系统的运动方程式；多轴传动系统中转矩折算的基本原则和方法；了解几种典型生产机械的负载特性；了解机电传动系统稳定运行的条件以及学会分析实际系统的稳定性；一、单轴拖动系统的组成二、运动方程式dtdnJdtdJTTLM602dLMTTT运动方程式转矩平衡方程式电动机的输出转矩（N.m）负载转矩（N.m）转动惯量（kg.m2）动态转矩（N.m）角速度（rad/s）速度（r/min）三、传动系统的状态四、的参考方向nTTLM、、•运动方程式是根据前图中关于转矩正方向的约定：由于传动系统有各种运动状态，相应地运动方程式中转速和转矩就有不同的符号。•因为电动机和生产机械以共同的转速旋转，所以，一般以ω（或n）的转动方向为参考来确定转矩的正负。•当TM的实际作用方向与n的方向相同时，TM取与n相同的符号，否则取与n相反的符号；•当TL的实际作用方向与n的方向相反时，TL取与n相同的符号，否则取与n相反的符号。根据上述约定就可以从转矩与转速的符号上判定TM与TL的性质：若TM与n的符号相同（同为正或同为负），则表示TM的作用方向相同，为拖动转矩；若TM与n的符号相反，则表示TM的作用方向相反，为制动转矩。若TL与n的符号相同（同为正或同为负），则表示TL的作用方向相同，为制动转矩；若TL与n的符号相反，则表示TL的作用方向相同，为拖动转矩。四、的参考方向（续）nTTLM、、举例举例当重物上升时，TM的作用方向与n的方向相同，故TM的符号与n的符号相同，同为正；而TL的作用方向与n的方向相反，故TL的符号与n的符号相反，同为正。TM、TL、n的方向如图（a）所示dtdnJTTLM602举例当重物下降时，TM的作用方向与n的方向相反，故TM的符号与n的符号相反，n为负，TM为正；而TL的作用方向与n的方向相同，故TL的符号与n的符号相反，为正。TM、TL、n的方向如图（b）所示.dtdnJTTLM602dtdnJTTML602五、多轴拖动系统的组成为了对多轴拖动系统进行运行状态的分析，一般是将多轴拖动系统等效折算为单轴系统。折算的原则是：静态时，折算前后系统总的传输功率不变。六、负载转矩的折算eqMMTPLLLTPMeqLLCTT减速机构的输入功率减速机构的输出功率jTTTCLMcLLeqLMj折算到电机侧等效转矩负载侧功率电机输出功率传动效率传动机构的总传动比七、转动惯量的折算－－旋转运动2211LLMZjJjJJJ轴的旋转角速度；传动轴、生产机械运动分别为电动机轴、中间、、动轴之间的速度比；电动机轴与生产机械运之间的速度比；电动机轴与中间传动轴轴上的转动惯量；传动轴、生产机械运动分别为电动机轴、中间、、LMLMLMLMjjJJJ111125.1~1.12一般LLMZjJJJ简化算法八、转动惯量的折算－－直线运动222211221MLLMZMMvmjJjJJJmvJ九、生产机械的机械特性•负载转矩和转速之间的函数关系，称为生产机械的机械特性。•不同类型的生产机械在运动中受阻力的性质不同，其机械特性曲线的形状也有所不同。十、恒转矩型机械特性反抗转矩：又称摩擦性转矩，因摩擦、非弹性体的压缩、拉伸与扭转等作用而产生的负载转矩。机械加工过程中切削力产生的负载转矩就是反抗转矩。其特点如下：·转矩大小恒定不变；·作用方向始终与速度n的方向相反，当n的方向发生变化时，它的作用方向也随之发生变化，恒与运动方向相反，即总是阻碍运动的。按2.1节中关于转矩正方向的约定可知，反抗转矩恒与转速n取相同的符号，即n为正方向时TL为正，特性在第一象限；n为负方向时TL为负，特性在第三象限，位能转矩：由物体的的重力和弹性体的压缩、拉伸与扭转等作用而产生的负载转矩，其特点为：·转矩大小恒定不变；·作用方向不变，与运动方向无关，即在某一方向阻碍运动，而在另一方向促进运动。不难理解，在运动方程式中，反抗转矩TL的符号正的；位能转矩TL的符号则有时为正，有时为负。（好理解吗？？？）十一、离心式通风型机械特性2CnTL虚线表示在有摩擦负载的实际情况十二、直线型机特性械CnTL实验室中模拟负载用的他励电动机，当励磁电流和电枢电阻固定不变时，其电磁转矩与转速成正比，即呈现直线型机械特性。十三、恒功率型机械特性nCTL如在车床加工过程中，粗加工时，切削量大，负载阻力大，开低速；精加工时，切削量小，负载阻力小，开高速。但在不同转速下，切削功率基本不变。即呈现恒功率型机械特性。十四、几种负载比较十五、机电系统稳定运行的含义系统应能一定速度匀速运行；系统受某种外部干扰（如电压波动、负载转矩波动等）使运行速度发生变化时，应保证在干扰消除后系统能恢复到原来的运行速度。机电系统稳定运行的条件电动机的输出转矩TM和负载转矩TL大小相等，方向相反，相互平衡是系统稳定运行的必要条件(特性曲线有交点)。系统受到干扰后，要具有恢复到原平衡状态的能力，即：当干扰使速度上升时，有TMTL；否则，当干扰使速度下降时，有TMTL。这是稳定运行的充分条件。举例1举例2负载特性曲线各电机特性曲线有交点（平衡点）当有扰动使得负载转矩增大时，此时转速下降，电动机输出转矩降低，但负载转矩下降的速度比电动机输出转矩快，所以总的动态转矩还是随转速下降增大，使得系统返回平衡点，所以此点是稳定的，为稳定平衡点。简单稳定性判断方法dndTdndTdndTdndTLMLM不稳定平衡点稳定平衡点例题例题解析例题1例题2例题3第三章直流电机的工作原理及特性工作原理组成结构机械特性启动特性调速特性制动特性电动机为什么运动？发电机为什么能发电？电动机和发电机完成基本功能需要的部件？电机转速与转矩之间的关系改变电机参数对机械特性的影响改变电机参数使电机快速停止改变电机参数使电机平滑启动直流电机的基本原理直流电机的基本原理T=KmIeE=Ken为励磁磁通E为电动势Ke、Km为常数Km＝9.55Ke直流电机的工作原理