《机电传动控制》PPT课件

机电传动及控制第1章绪论•一、机电传动的特点•二、机电传动系统发展概况•三、本课程的内容及安排一、机电传动的特点•1、什么是机电传动？传动，运动的传递（能量）机械传动液压与气动机电传动。。。。。。一、机电传动的特点•2、机电传动：以电动机为原动机驱动生产机械的传动系统电能转变成机械能的传动系统.也称为电力传动或电力拖动一、机电传动的特点•3、机电传动控制：机电传动系统不仅完成能量转换的工作还要对传动过程进行控制。更高的自动化程度和更高的精度。一、机电传动的特点•4、机电传动控制的任务：将电能转换为机械能实现生产机械的启动、停止以及速度的调节完成各种生产工艺过程的要求保证生产过程的正常进行。一、机电传动的特点随着生产工艺的发展，对机电传动控制系统的要求愈来愈高。电梯和提升机，要求启动和制动平稳，并能准确地停止在给定的位置上；重型镗床为保证加工精度和粗糙度，要求在极慢的稳速下进给，即要求系统有很宽的调速范围；为了提高效率，由数台或十几台设备组成的生产自动线，要求统一控制或管理。都要靠电动机及其控制系统来实现。机电传动控制的任务一、机电传动的特点•5、机电传动系统构成：电动机。产生原动力生产机械。拖动对象传动机构。传递机械能电气控制设备。控制电动机运转电源。对电动机和电气控制设备供电一、机电传动的特点•它们之间的关系可表示为自控设备电动机传动机构生产机械电源5、机电传动系统构成一、机电传动的特点一、机电传动的特点•6、电力拖动的特点效率高。与蒸气、水力等相比电动机的种类、型号多，具有各种各样的运行特性电机拖动具有良好的调速性能。起动、制动、反向和调速等控制简便，快速性好电机拖动装置参数的检测、信号的变换与传递都比较方便，易于组成完善的反馈系统，实现最优控制。二、机电传动系统发展概况•电动机电动机作为动力设备，已广泛应用于机械行业的工作母机，冶金行业的高炉、转炉、平炉和轧钢机，交通运输行业中的电车、电力机车，各类企业中的鼓风、起吊、运输传送，农业中的电力排灌、以及医疗器械、家用电器等各行各业，大至冶金企业使用的高达上万千瓦的电动机，小至小功率电动机、乃至几瓦的微电动机。在各类动力机械中，电动机的容量已超过总容量的60%。二、机电传动系统发展概况根据应用场合的要求和电源的不同，电动机有直流电动机、交流同步电动机、交流感应电动机，以及满足不同需求的特种电动机。20世纪70年代以后，由于大功率电力电子器件、微电子器件、变频技术以及计算机技术取得的一系列进展，还研制出多种调速性能优良、效率较高、能满足不同要求的交流电动机调速系统，和由变频器供电的一体化电机。二、机电传动系统发展概况电动机就信号转换功能的控制电机而言，大体上有测速电机、伺服电机、旋转变压器和自整角机等几种，这些电机主要用于自动控制系统中作为检测、执行、随动和解算元件，例如机床加工的自动控制，舰船方向舵的自动控制，大炮和雷达的自动定位，飞机的飞行控制，计算机、自动记录仪表运行的控制等。这类电机通常为微型电机，对精度和快速响应的要求较高。二、机电传动系统发展概况电动机电机的分析步骤(1)电机内部物理情况的分析运动方程是磁动势方程(磁链方程)、电压方程和转矩方程的总称。导出运动方程就是把电机内所发生的电磁过程、机电过程和动力学过程，利用电磁学和动力学的基本定律，用数学方程的形式将其表达出来，这是第二步。这一步也称为“建立数学模型”。首先是弄清电机的基本结构和主要部件的功能，再根据电机的磁路和电路，分析空载和负载时电机内部的磁场，初步弄清这种电机的工作原理，这是第一步。这一步实质上就是“建立物理模型”。(2)导出电机的运动方程二、机电传动系统发展概况电动机(3)求解运动方程根据运动方程和求解问题的性质(是稳态还是瞬态，是对称还是不对称运行等等)，选择运动方程的解法，求出解析解或数值解。(4)结果分析通过对解答的分析，确定所需的运行性能(特性)和主要运行数据，如过载能力、稳定性、效率、电压变化率、速度变化率等，以满足解决某一问题的需要。电机的分析步骤二、机电传动系统发展概况电动机二、机电传动系统发展概况•1、传动方式经历了三个阶段：成组拖动单机拖动多电机拖动二、机电传动系统发展概况传动方式成组拖动：一台电动机带动一根天轴，再由天轴通过带轮和传动带分别拖动各生产机械。特点：效率低，故障影响广。单机拖动：一台电动机拖动一个机械。特点：如果动力部件较多时，机械传动机构复杂。多电机拖动：一台生产机械的每一运动部件专门由一台电动机拖动。特点：简化生产机械的传动机构，控制灵活，容易实现自动化。1传动方式经历了三个阶段二、机电传动系统发展概况•2、控制方式的发展因素:控制器件的发展，功率器件、放大器件控制方式由手动控制逐步向自动控制方向发展。二、机电传动系统发展概况继电-接触器式控制应用最早的控制系统。由各种有触点的接触器、继电器、按钮、行程开关等组成的控制电路，来实现对电力拖动系统的起动、制动、反转和调速的控制；实现对电力拖动系统的保护和生产过程的自动化。这种控制具有使用的单一性，而且控制的输入、输出信号只有通和断两种状态，不能连续反映信号的变化，故称为断续控制。2、控制方式的发展二、机电传动系统发展概况•连续控制系统：例晶闸管控制系统获得越来越广泛的应用。•可编程序控制器：用软件手段来实现各种控制功能以微处理器为核心的工业控制器。20世纪70年代。•随着电力电子技术、大规模集成电路和计算机控制技术的发展以及现代控制理论的应用，自动化电力拖动正向着计算机控制的生产过程自动化的方向迈进。•对电力拖动提出更高要求：高速、高精度、高效率、快速起动、制动和反转、调速范围广等。2、控制方式的发展二、机电传动系统发展概况自动化电气非电气过程自动化单机自动化开环自动控制闭环自动控制现代电气自动控制系统的基本构成指令系统计算机控制器单片机、数字模拟器件、控制电器功率放大变流装置执行电动机执行机械反馈检测器件反馈控制理论微机原理电路、电子学功率电子技术检测技术电力拖动基础电力拖动自动控制系统C语言计算机控制技术单片机原理与控制技术2、控制方式的发展二、机电传动系统发展概况•尽管机电控制系统已向无触点、连续控制、弱电化、计算机机控制方向发展，但由于继电-接触器控制系统具有结构简单、可靠性高、维护方便、价格低廉等优点，目前仍然广泛应用。2、控制方式的发展三、本课程的内容及安排•内容主要包括：机电传动系统的动力学基础直流电动机交流电动机步进电机机电传动中电动机的选择直流自动调速系统等三、本课程的内容及安排•考查方式第2章机电传动系统动力学基础•本章内容：•一机电传动系统的动力学方程•二负载转矩和惯量的折算•三负载的机械特性•四机电传动系统稳定运行的条件一机电传动系统的动力学方程电动机（M）生产机械TLTMM+TLM单轴拖动系统一机电传动系统的动力学方程•单轴(单级)机电传动系统的运动方程•由牛顿第二定律)1.1(dtdJTTLM)4.1(375)3.1(602)2.1(44/2222dtdnGDTTngGDJmgGmDmJLMTM----电动机转矩TL----负载转矩GD2---飞轮矩n-----转速t-----时间ω为角速度分秒米单位:2604375g•GD2=4J•GD2是一个整体，不是G与D2的乘积，GD2由产品样本或机械手册上查出。GD2中的D为回转直径，不是实际直径。一机电传动系统的动力学方程•TM和TL是两个互不关联的主动量。其相互作用的结果决定了系统的运动状态，如加速、匀速、减速一机电传动系统的动力学方程•动态转矩)6.1()5.1(3752dLMdTTTdtdnGDTdLMdLMdLMTTTTTTTTT0恒速（静态转矩）正值加速（动态转矩）负值减速（动态转矩）各量表示法上述各量可用轴的剖面图或直角坐标系来表示nT0TLnTTLa轴的剖面图b直角坐标系转速n、转矩T、负载转矩TL的正方向一机电传动系统的动力学方程•TM与n同向为正向TL与n相反为正向启动时制动时dtdnGDTTdtdnGDTTLMLM37537522拖动矩（TM、n同向）制动矩（TM、n反向）一机电传动系统的动力学方程•例2-11.列出系统的运动方程式；2.说明系统运行的状态。拖动转矩制动矩拖动转矩制动矩解：dtdnGDTTdtdnGDTTdtdnGDTTLMLMLM375375375222加速运行状态减速二转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算•多轴机电传动系统•通常采用折算的方法，将所有轴的转矩和转动惯量折算到同一根轴上nTM-电动机负载多轴传动系统TL'以电动机轴为折算对象，需要折算的参量为：工作机构转矩，系统中各轴（除电动机轴外）的转动惯量。对于某些作直线运动的工作机构，还必须把进行直线运动的质量及运动所需克服的阻力折算到电动机轴上去等效折算图传动图二转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算1、负载转矩的折算依据系统传递功率不变的原则多轴旋转拖动系统T)7.1(cLLLMLLLMLLLjTTjTTTTT实际负载功率=折算后的负载功率321321)(/cLMjjjj速比传动效率•考虑到传动机构在传递功率的过程中有损耗，这个损耗可以用传动效率μ表示。二、转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算多轴直线运动系统2、工作机构直线作用力的折算McLMcLMLnFvTnFvTTFv55.9602cMLnFvT55.9（下放重物）cccc12二、转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算3、转动惯量和飞轮转矩的折算•依据动能守恒原则，折算到电机轴上的总转动惯量为－－－－－、－－－、、－－－－－－－－－、、式中：MLMLMLMMLMLLMZZZjZZjJJJjJjJJJ1111112211电机轴、中间轴、负载轴上的转动惯量；电动机轴与中间传动轴之间的速比；电机轴与负载轴之间的速度比；电机轴、中间轴、负载轴上的角速度中间轴、电机轴上的齿数。（旋转型）二转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算•3、转动惯量和飞轮转矩的折算依据动能守恒原则，折算到电机轴上的总飞轮矩为－－－、、221222212122)11.1(LMLLMZGDGDGDjGDjGDGDGD电机轴、中间轴、生产机械轴上的飞轮转矩。式中，四、工作机构直线运动质量的折算折算的原则是转动惯量中及质量中储存的动能相等，即zJzm2222zzzvmJ有222365)(nvGGDzzz（因为，，，）gGDJzz4/260/π2ngGmzz/365)π/60(2N176502G例：刨床传动系统如图所示。若电动机M的转速为n=420r/min，其转子（或电枢）的飞轮惯量工作台重工件重22mN5.110dGDN120501G各齿轮齿数及飞轮惯量见表。齿轮8的节距t8=25.13mm。求刨床拖动系统在电动机轴上总的飞轮惯量。齿轮号12345678齿数Z2055306430783066飞轮惯量4.1220.109.8128.4018.6041.2024.5063.7522mN/GD解1）旋转部分2aGD2342122524212232221)/()/()/(zzzzGDGDzzGDGDGD2562342122726)/()/()/(zzzzzzGDGD27825623421228)/()/()/()/(zzzzzzzzGD2)20/55(81.910.2012.4(22)30/64()20/55(60.1840.28222)30/78()30/64()20/55(50.2420.41222222mN81.9mN))30/66()30/78()30/64()20/55(75.63齿轮8转速)/)(/)(/)(/(785634128zzzzzzzznnmin/r5.1