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机电传动控制完整版

机电传动控制教案

学院、系：

机械电子工程学院机电系

任课教师：

任有志

授课专业：

机械设计制造及其自动化

课程学分：

课程总学时：

60学时

课程周学时：

2006年2月20日

机电传动控制教学进程

周

次

课

次

章节

计划学时

教学手段

教学环境

§1.1§1.2§1.3§2.1

§2.3§2.4

§3.1§3.2§3.3

§3.4§3.5§3.6

§5.1§5.2§5.3§5.4

§5.4§5.5§5.7§5.8

§6.1§6.2§6.3§6.4§6.5

§6.7§7.1§7.2§7.3

§7.4§7.5§7.6

电动机原理习题讨论课

§8.1

§8.2

实验课继电器接触器控制实验

习题讨论课：

§8.3§8.4

§9.1

§9.2

实验课：

可编程序控制器认识实验

§9.3§9.3

实验课：

可编程序控制器编程练习

§10.1§10.2

§10.3§10.5§10.6

实验课：

晶闸管特性及触发原理

§11.1§11.2

§11.3§11.4

§12.1

§13.1§13.2

§13.3

§13.4

实验课

题讨论课

讲授

辅导

讲授

指导

辅导

讲授

指导

讲授

指导

讲授

指导

讲授

指导

辅导

多媒体教室

机电实验室

多媒体教室

机电实验室

多媒体教室

机电实验室

多媒体教室

机电实验室

多媒体教室

机电实验室

多媒体教室

第1次课2学时

上次课复习：

本次课题（或教材章节题目）：

§1.1目的和任务§1.2发展概况§1.3内容安排§2.1运动方程式§2.3生产机械的机械特性§2.4稳定条件

教学要求：

了解机电传动的目的、任务和发展概况，掌握机电传动系统的运动方程、各种生产机械的特性和机电传动系统稳定运行的条件。

重点：

机电传动系统的运动方程、各种生产机械的特性、机电传动系统稳定运行的条件。

难点：

机电传动系统的运动方程、机电传动系统稳定运行的条件。

教学手段及教具：

多媒体教学

讲授内容及时间分配：

§1.1、§1.2、§1.3——0.5学时

§2.1、§2.3、§2.4——1.5学时

课后作业

习题2.10、2.11

参考资料

第一章概述

§1.1机电传动的目的和任务

1.传动——运动的传递（能量）

传动的分类（按机械动能传递方法）

（1）机械传动a.齿轮

b.杠杆如：

自行车驱动力、链传动

c.皮带

d.机构等刹车、连杆机构

传递力或力矩（机械能）

（2〕流体传动a.液压与气动（压力能）

b.液力传动（流体动能）

（3）机电传动（电力拖动）

（4）另外还有其它的传动方式。

注：

有时，在一个生产机械中由几种传动形式联合工作。

2.机电传动－（本课程研究的内容）

以电动机为原动机驱动生产机械的传动系统

服务对象：

各种生产机械

电能机械能

—————电动机—————————生产机械

它是一种由电能转变成机械能的传动系统，所以有时也称为电力传动或电力拖动

3.机电传动控制

目前：

由于生产技术的不断发展，生产机械的自动化程度和生产精度不断提高，所以要求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。

本课程所研究的就是这二部分内容。

传动及控制

所以课程名称叫《机电传动控制》

4.机电传动控制的任务

———控制电动机驱动生产机械设备，实现具体的工作要求

举例：

天车的吊起、制动

机床切削过程

电梯平稳升降及定位

轧机的换向等

§1.2机电传动发展概况

简单的可以分为：

a.成组拖动（传动）

b.单电机拖动

c.多电机拖动

三个阶段

从控制系统的功率器件上分类：

a.接触器和继电器时代

b.电机放大机及磁放大机时代

c.可控硅（晶闸管）

另外，由于计算机技术的发展，又出现了

a.模拟控制

b.数字控制（数控机床）

§1.3内容安排

1.《机械电子》专业是一个以机为主机电结合的专业,课程设置（具了解）基本上是这样的

《电路基础》电学基础

《模拟电子》电子技术（弱电）

《数字电子》计算机技术

《机电传动控制》包括了所有应掌握的强电内容

用以上四门课程取代了机械专业的《电工学》课程。

2.本门课包括以下几个方面：

（1）电机原理及特性:

交、直、特殊、三～七章

（2）电器及控制：

接触器，继电器;保护及控制器八章

（3）可编程序控制器：

（PC）原理及应用九章

（4）可控硅原理及应用:

晶闸管十章

（5）调速系统:

交流、直流,电力拖动十一、十二章

（6）步进电机调速系统:

自动化十三章

3.课程特点综合性比较强（面宽）

实践性比较强与生产实践联系较强（教学实验）

4.教学实验计划开五个：

5.学时安排：

由于作者建议用90学时讲授，实际他用大约70学时

我们目前安排了60个学时。

教学实验建议开八个实际开出了五个

我们目前条件可开六个但学时数的关系开五个

第二章机电传动的动力学基础

§2.1运动方程式

1.对于一个电动机输出轴上的运动情况有

Tm电机的输出扭矩

TL电机的负载扭矩

ω为角速度

J转动惯量

n为转速

k为常数

2.意义：

Tm与TL之差将产生加速度

当Tm>TL时，加速

当Tm

当Tm=TL时，匀速（平衡）

3.Tm与TL的正反。

以转速的方向为准（n）

Tm：

与n同向时为正（拖动）反之为负（制动）

TL：

与n反向时为正（制动）反之为负（拖动）

解释：

提升重物

升：

Tm为正，TL正

降：

TL为负，Tm负（制动）第5页2个图

§2.3生产机械的机械特性

机械特性：

生产机械转轴（电机轴）上的负载转矩和转速之间的函数关系。

分为以下几种

§2.3.1恒转矩机械特性

特点：

负载转矩为常数，TL＝C可分为:

反抗（摩擦）与n同号（总制动）

位能方向一定

反抗转矩位能转矩离心风机特性

例切削力吊重物

§2.3.2离心风机特性

特点：

Tc=cn2与转速平方成正比

§2.3.3直线型特性

特点:

TL＝cn

§2.3.4恒功率型特性

特点:

TL＝c/n

直线型恒功率型

§2.4机电传动系统的稳定运行条件

电动机的机械特性是Tm=f（n）曲线及驱动扭矩和转速的函数关系

生产机械的机械特性是TL＝f（n）曲线及负载扭矩和转速的函数关系

当电动机作为生产机械的原动机（动力源）时，两个函数中的n为同一个参数。

在运行中由运动方程式可知，要想稳定运行，速度应匀速不变及TL＝Tm时及是稳定的一个条件,所以系统稳定运行的条件之一是

1、电动机和生产机械的机械特性曲线应有交点

此处：

Tm=TL（匀速）

例：

曲线1和2，附合这个条件,有a、b交点

曲线1和3，不附合

另外，应有抗干扰能力:

当有外来干扰时会引起n变化

当干扰消失后，n应恢复原状态

所以另一个稳定条件是:

2、当有外加干扰使n变化时，干扰消除后n应能自行恢复到原状态。

这件条件的判断原则是:

当n↑Tm

当n↓Tm>TL

由运动方程看

当干扰使n↑时,干扰消除后希望n↓这时如Tm-TL<0则负加速

当干扰使n↓时,干扰消除后希望n↑这时如Tm-TL>0则正加速

例：

a,b两点

a点，当n↑时Tm↓—Tm'

当干扰消除后由于在n'处Tm-TL<0,所以n↓

b点，当n↑时Tm↑—Tm''

当干扰消除后由于在n''处Tm-TL>0,所以n↑到n'''直到a点处平衡

第2次课2学时

上次课复习：

机电传动系统的运动方程、各种生产机械的特性、机电传动系统稳定运行的条件。

本次课题（或教材章节题目）：

§3.1直流电机的结构和工作原理§3.2直流发电机

§3.3直流电动机的机械特性

教学要求：

掌握直流电机的基本工作原理及特性，特别时直流电动机的机械特性。

重点：

直流电机的基本工作原理及特性。

难点：

直流电机的基本工作原理及特性。

教学手段及教具：

多媒体教学

讲授内容及时间分配：

§3.1、§3.2——1学时

§3.3——1学时

课后作业

习题3.3、3.4、3.5、3.6

参考资料

第三章直流电机的工作原理

电机的分类：

a发电机，电动机

b直流，交流、步进

特点：

直流电动机：

可以实现无级调速（优点）,在传统的模拟控制系统中应用多

交流电动机：

简单、便宜、但调速复杂

步进电动机：

用脉冲工作、易于数字控制

直流发电机：

一般用来为直流电动机配套；但可控硅取代很多的发电机

§3.1直流电机的基本结构和原理

§3.1.1直流电机的结构

主要部件：

励硅绕组（定子线圈）用来产生磁场

电枢绕组（转子线圈）通有工作电流

换向器保持电枢绕组的电流方向不变

铁芯（定子、转子）导磁及支撑

作用：

简述

其它：

略

§3.1.2直流电机的基本工作原理

以单个电枢绕组线圈为例说明

一、发电机（根据右手定则）

励磁绕组通电产生一磁场

>A点总与N极侧的一边相连

>B点总与N极侧的一边相连

>转子（电枢线圈）由原动机拖动，以转速n转动

>这时，N边切割磁力线产生电势指向外

S边切割磁力线产生电势指向内

>AB两点就产生了电势E＝KeΦn

当有负载RL时，就产生电流I

>这时，E＝KeΦn

二、电动机（根据左手定则）

>在AB两点加电压，在电枢中产生电流I

>则N边受力,S边反向受力，形成转矩T＝KmΦIa

>电枢转动后，切割磁力线产生反电势E＝KeΦn

>当n到一定值后，Ia=（U-E）/Ra

满足T后稳定下来。

注:

在发电机中E＝KeΦn是输出电势

当Ia

0时，T＝KmΦIa（负载转矩）为原动机负载,既Ia为负载

在电动机中Tm＝KmΦIa为输出动力

Em＝KeΦn为反电势

当Tm大n↑[TM-TL=J（dω/dt）]EM↑（U-EM）↓Ia=（U-EM）/Ra↓TM↓

TM是负载

§3.2直流发电机

对于直流电机按其励磁方法分为以下几种情况:

他励：

磁绕组有独立的电源与电枢无关

并励：

励磁绕组与电枢并联

串励：

励磁绕组与电枢串联

复励：

有串也有并励

§3.2.1他励发电机

1.电原理图

由于独立Uf,If

所以负载电流I＝电枢电流Ia

2.空载特性

当发电机空载（Ia=0）及转速（n）不变时，输出电势与励磁电流的关系曲线

当If小时直线（不饱和）

If大时，弯曲（开始饱和）

If更大，平直（饱和，Φ不变）

3.外特性曲线

当发电机转速（n）和励磁（Φ）不变时，输出电压（U）与负载电流（I）之间的关系曲线

注：

当Ia↑RaIa↑U=E-IaRa↓

§3.2.2并励发电机

1.电原理图：

由于If<

所以Ia≈I

2.电压建立过程

由于事先没有励磁电压U所以If＝0

当电枢转动时，没有磁场所以不会产生E。

并励发电应满足以下几个条件

（1）在磁极上有剩磁（弱的磁场）当n↑产生一个小E产生一个小If

（2）励磁磁场与剩磁场的方向相同电压建立起来

（3）Rf不能太大两方面，一方面是线圈电阻，一是外接电阻

3.并励发电机的工作点

一方面是空载曲线

一方面是是励磁电流曲线共同决定

当饱和弯曲后产生交点

4.外特性

与他励一样，但由于U↓If↓所以所以U↓得多

§3.2.3复励发电机

1.电原理图

并励Ifb=U/Rfb

串励If＝Ia

当I↑,Ia↑,U=E-IaRa↓,If=U/Rfb↓,ф↓

ф↑,U↑

所以，复励发电机在一定的工作范围内外特性比较平坦

§3.3直流电动机的机械特性

直流电动机由分为他励、并励、串励和变励

§3.3.1他励电动机的机械特性

>电原理图

由电路原理公式，推导出

说明：

n0与输出转扭T无关所以称为理想空载转速;而Δn反映负载对转速的影响,是负载引起的转速误差

>机械特性:

（If）励磁电流与电枢电压（U）不变时转速（n）与扭矩（T）的关系曲线

由上式可知机械特性如图

>机械特性硬度:

β＝dT/dn

对于电机按值分类如下:

绝对硬度β=∞

硬β≥10

软β＜10

三种在生产中都有应用

>机械特性分固有机械特性和人为机械特性

固有：

在额定条件下（n）与（T）的关系

人为：

人为改变参数时得到的机械特性,如改变U，串联电阻R等

（一）他励直流电动机的固机械特性

由

（二）人为机械特性

1.电枢串电阻

由：

这时n0不变，而Δn则增加，特性如图

2.改变电压时（U）

这时n0受电压变化而改变，而Δn则因与电压无关所以不变，特性如图

3.改变磁通

由于磁饱和和线圈的原因只能减小Φ

由

>当Φ下降时n0上升,同时Δn也增加

>当太小时反电势E=KeΦn

>当TL大时Ia=（U-E）/Ra烧坏

>当TL小时E=KeΦn因为Φ所以n↑飞车

>所以Φ↓不能太多

（并励比较人为特性降压时U）

§3.3.2串励电动机

这时Ia=If从而有

1.当T↓因为If=Ia也小（T＝KmΦIa）

2.当T↑大时If=Ia↑；Φ饱和，平坦

3.不能空载（飞车）

特点：

起动扭矩大用于吊车电车的驱动

起动时特性软。

§3.3.3复励

有串，他（并）励两个绕组

具有两者的优点，可根据要求来设计，串、并磁场强度来达到所需的值

第3次课2学时

上次课复习：

直流电机的基本工作原理、直流他励电动机的固有机械特性和人为机械特性

本次课题（或教材章节题目）：

§3.4直流他励电动机的启动特性§3.5直流他励电动机的调速特性§3.6直流他励电动机的制动特性

教学要求：

掌握直流他励电动机的启动特性、调速特性和制动特性

重点：

直流他励电动机的启动特性、调速特性和制动特性

难点：

直流他励电动机的启动特性、调速特性和制动特性

教学手段及教具：

多媒体教学

讲授内容及时间分配：

§3.4、§3.5、——1学时

§3.6——1学时

课后作业

习题3.10、3.16、3.17、3.18

参考资料

§3.4直流他励电动启动特性

1.电动机的启动就是使n从0→nN的过程

启动初期n=0;E=KeΦn=0（反电动势）

这时：

Ia=（U-E）/Ra≈U/Ra

一般Ra（电枢直流电阻）很小，以减小工作中的损耗和发热（Ia2Ra是发热量）

所以这时Ia将很大,达10--20IN

结果可能会引起

（1）换向器打火

（2）产生很大的力矩，对负载产生冲击

（3）电路的保护器无法设计

2.所以一般的直流电动机不允许直接启动

在启动时设法限制电枢电流

一般的有以下两种方法

（1）降压启动使U从小到大逐渐增加到U

（2）电枢回路串联电阻启动

注:

对于降压启动需要电源电压可调。

3.电枢串联电阻启动

（1）单段（串联一级电阻）

当启动时KM断，这时从Tst开始按a变化当到TL时，KM合，由于n不能突变，所以从A到B点产生冲击T比较大，这时，有较大的Ia和T

（2）多段

如图所示

§3.5直流他励电动机的调速特性

电动机的调速

是指电动机的外负载（T）不变的情况下，人为的改变电动机的工作参数，使工作速度发生变化的情况。

速度调节：

因生产机械提出的变速要求：

如汽车、车床

速度变化：

由于T的变化引起（系统的特性决定）

例如：

自行车调整变速器（变速比）

如图所示:

当TL→TL'时这时速度变化n→n'

由于电动机有:

当T不变时，影响的参数有U,Φ,Ra

所以调速的方式可以有以下三种，变电压U;变磁通;变电阻R

一、串联电阻调速

在电枢回路中串联电阻Rd改变其机械特性，引起调速

由图可知：

当R↑时n↓（TL不变）

特点：

1、当R↑时β↓机械特性变软

2、TL越小,Δn（速度变化）越小

不同TL,调速范围不一样

3、电阻耗能大（发热）

由于Ia比较大，当R↑时I2R↑

4、不易实现无级调速（大功率变阻器）

5、调速的设备比较简单（分级调节）

一般不常用这种方式

二、变电枢电压调速

当U改变时，n0变

当T不变时,U→U'n→n'

特点：

1、当U改变时，引起n0变化这时Δn不变

所以β不变，是一组平行线

2、不同的TL时，调速范围一样（Δn）

3、当n↓电源功率也↓节能

4、通过专门的电源，可实现无级调速

5、启动不需其它的设备（用降既可实现〕

6、电源设备，需要专门设计，现已配套

用直流电动机的调速中，主要采用这种形式

三、改变磁通调速

由电机人为特性可知：

可以改变励磁电流If

由于磁路已饱和（额定φΝ处）If↑时φ不变,所以只能在<φΝ的范围内调节,即弱磁调速

特性如图：

当φ↓时,n0↑,Δn↑

特点：

1、只能弱磁调速（φ↓）可以无级变速,调速范围在额定nΝ之上

2、φ↓,引起机械特性变弱β↓

3、调速范围不大,受电机的允许最高转速限制（机械，换向器等）

4、适用于恒功率调节

由于φ↓使EF↓,（U-EF）/Ra=Ia↑,T↑,n↑,EF↑,Ia↓,（UIa＝P不变）恒定

§3.6直流他励电动机的制动特性

拖动（电动）:

驱动负载运动（工作）

制动:

制止负载运动（减速）

自然停车:

断电后自然停止

制动的用途:

快速停车,与位能转矩平衡,精确定位.

分类:

反馈制动,反接制动,能耗制动.

3.6.1反馈制动

原理:

当电动机工作在反馈制动状态时,n>n0,位于二四相限TM反方向n=n0+Δn

特点:

转速较高.举例说明:

放下重物

3.6.2反接制动

一.电源反接制动

原理:

将电源反接产生制动（短时）

特点:

电流大应串限流电阻,（U+E）/Ra=Ia

时间长会引起反转

二.倒拉反接制动

原理:

增大Ra,交点在四相限,反转时才输出足够的扭矩Tm与负载平衡（位能扭矩）

特点:

调整Ra可改变制动的速度

举例:

提升重物

3.6.3能耗制动

原理:

枢断电后,串联电阻短路连接.

n不为0时,产生Ia,及T=KeΦIa的制动转矩

特点:

调整电阻大小可改变制动性能

举例:

反抗转矩不会反向启动

位能转矩速度稳定

第4次课2学时

上次课复习：

流他励电动机的启动特性、调速特性和制动特性

本次课题（或教材章节题目）：

§5.1异步电动机的结构和原理§5.2异步电机的定子和转子

§5.3三相异步电机的转矩与机械特性§5.4三相异步电机的启动特性

教学要求：

了解异步电动机的基本结构，掌握异步电动机的工作原理、机械特性、启动特性

重点：

异步电动机的工作原理、机械特性、启动特性

难点：

异步电动机的工作原理、机械特性、启动特性

教学手段及教具：

多媒体教学

讲授内容及时间分配：

§5.1——1.0学时

§5.2——0.2学时

§5.3——0.5学时

§5.4——0.3学时

课后作业

习题5.1、5.3、5.6

参考资料

第五章交流电动机的工作原理

>交流电机分：

异步电动机:

三相

单相

同步电动机:

>异步电动机：

结构简单、便宜,是应用最多的一种电动机

>同步电动机：

特性绝对硬β→∞,可以作为发电机使用

§5.1三相异步电动机的结构和工作原理

§5.1.1三相异步电动机的结构

定子、中间装有定子绕组及定子、铁芯、外壳

转子、有的装绕组（有的是笼式）

其它参见书略

§5.1.2三相异步电动机的工作原理

工作原理：

基于定子线圈能够产生一个旋转磁场，假设有一个旋转磁场来分析

如图中N、S的磁场以n0旋转

>转子则切割磁力线而产生电流（右手定电流I方向）

>电流在磁场中切割磁力线而产生力及力矩（左手定方向）

>它与n0方向相同,使转子转动起来

>在转子转动中，n比n0小

原因：

转子力矩Tm＝KmφIZ其中φ为旋转磁场磁通φ

转子电流IZ=eZ/RZ其中RZ为转子电阻φ

转子电势eZ=KeφΔn其中Δn=n0-n转子线圈切割磁力线的相对转速

当n=n0时，eZ=0,IZ=0,Tm＝0

>n0称为理想空载转速（同步转速）

>实际由于Tm不等于0;所以n

>由以上分析可知Δn=n0-n不等于0是保证交流电机运转的一个重要条件所以称为异步电动机

>以转差率来表示他的运行情况:

S=（n0-n）/n0

>对于一般的异步电机（笼型）转子电阻RZ很小所以只需不大的S就能产生大的IZ和Tm

>一般的在额定转速时S为0.015～0.06比较小

§5.1.3三相异步电动机的旋转磁场

以上是基于在电机中有一个旋转磁场为根据分析的，这一节我们分析旋转磁场的产生

一、由于三相电源，所以定子中有三相绕组（120夹角）

对于三相绕组中的电流也差120如图

由图分析当电角度ωt＝0时的合成磁场方向为0

iA=Isin（ωt）:

iΒ=Isin（ωt+120）:

iC=Isin（ωt+240）

当ωt＝0iA=0;iΒ=-A;iC=A磁场位置0度

当ωt＝60iA=A;iΒ=-A;iC=0磁场位置转60度

当ωt＝120iA=A;iΒ=0;iC=-A磁场位置转转120度

依此类推下去，可知

当三相交流电在定子绕组中产生三相电流后，则三相绕组电流的合成磁场是旋转的。

二、旋转磁场的方向

>对于ABC三绕组如果将任意两根对调，则经分析可知向反方向旋转（请同学自己分析）作业

>对

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