机电传动控制——机电传动的动力学基础
《机电传动控制》(第5版)(全套教案)期末复习用
《机电传动控制》（第五版）教案第1章绪论1.1 机电系统的组成＝机械运动部件＋机电传动＋电气控制系统。
1.机械运动部件——完成生产任务的基础，机械执行部分；2.机电传动———＝电力传动或电力拖动，是驱动生产机械运动部件的原动机的总称；3.电气控制系统——控制电动机的系统。
1.2 机电传动的目的和任务1.机电传动的目的——将电能转变为机械能，实现生产机械的启动、停止、以及速度调节，满足各种生产工艺的要求，保证生产过程的正常进行2.机电传动的任务①广义上讲——使生产机械设备、生产线、车间甚至整个工厂都实现自动化。
②狭义上讲——专指控制电动机驱动生产机械，实现产品数量的增加、质量的提高、生产成本的降低、工人劳动条件的改善以及能源的合理利用。
1.3 机电传动控制的发展概况一、驱动系统的发展阶段：1.成组拖动——一台电动机拖动一根天轴—→通过带轮和传动带—→分别拖动各（一组）生产机械。
生产效率低、劳动条件差，一旦电动机或传动环节发生故障则造成成组生产机械停车。
2.单电动机——一台电动机拖动一台生产机械，较成组拖动进了一步。
但当生产机械的运动部件较多时，其机械传动机构则十分复杂。
3.多电动机拖动——一台生产机械的每一个运动部件都有专门的电动机拖动。
不仅大大简化了生产机械的传动机构，而且控制灵活，为自动化提供了有利条件，是现代化机电传动的典型方式。
二、控制系统的发展阶段：1.接触器＋继电器控制——出现在20世纪初，应用广泛、成本低；但控制速度慢、精度差。
2.电动机放大机控制（30年代）、磁放大机控制（40～50年代）——从断续控制发展到连续控制，并具有了输出反馈环节，简化了控制系统、减少了电路触点、提高了可靠性。
3.大功率可控电力半导体器件控制——具有效率高、反应快、寿命长、可靠性高、维修容易、体积小、重量轻等优点。
由此，开辟了机电传动控制的新纪元。
4.采样控制——数控技术＋微机应用的高水平断续控制，由于采样周期＜＜控制对象的变化周期，∴≌连续控制。
第章机电传动系统的动力学基础
2.1.3 转矩方向的确定
1) TM与n正方向一致 TL与n正方向相反
2) TM与n正方向相反 TL与n正方向一致
或1) TM与n方向一致 TL与n方向相反
2) TM与n方向相反 TL与n方向一致
TM取“+”号（拖动转矩TM） TL取“+”号（制动转矩TL） TM取“-”号（制动转矩TM） TL取“-”号（拖动转矩TL） TM与n同号（拖动转矩TM） TL与n同号（制动转矩TL） TM与n异号（制动转矩TM） TL与n异号（拖动转矩TL）
风机
起重机
生产机械转矩分为：摩擦阻力产生的和重力作用产生的。
摩擦阻力产生的转矩为反抗性转矩，其作用方向与n相反， 为制动转矩。
重力产生的转矩为位能性转矩，其作用方向与n无关，提 升时为制动转矩；下放时为拖动转矩。
2.1 动力学方程式
单轴机电传动系统如图所示：
+ω
TL
+TM
TM ω 传动系统图
生产机械
Tm
l 恒与运动方向相反，阻碍运动
T
Tm
电动机轴
n
(b) TL为位能转矩时， l 作用方向恒定，与运动方向无关
l 如：卷扬机起吊重物等
思考：TL方向
负载的机械特性指：n=f(TL)关系
TL为反抗转矩，负载转矩由摩擦力 产生，其特点：大小恒定（与n无 关）；作用方向与运动方向相反。
2.3.1 定义
同一转轴上负载转矩和转速之间的函数关系。
2.3.2 分类
n f（TL）
• 恒转矩型机械特性（TL为常数） • 恒功率型机械特性（P为常数） • 离心式通风机型机械特性 • 直线型机械特性
《机电传动技术》 第二章 机电传动系统的动力学基础
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↓，当干扰消除后 由于TM－TL<0,所以n↓ b点，当n↑时， TM↑，当干扰消除后 由于TM－TL>0,所以n↑，直到a点处平衡。
机电传动控制
机电传动系统的动力学基础
机电传动系统的运动方程
单轴机电传动系统
dω dn TM − TL = J =k dt dt
意义：Tm与TL之差将产生加速度 当Tm > TL时，加速 当Tm < TL时，减速 当Tm = TL时，匀速（平衡）
(TM − TL = Td )
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） 例：提升重物 启动：Tm为正， TL正 制动： TL为正，Tm为负
TM − TL = Td
− TM − TL = Td
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。 1、恒转矩型机械特性 特点： 负载转矩为常数， TL ＝C 反抗转矩 位能转矩
与n同号（总制动）摩擦、切削力
方向一定吊重物
2、离心式通风机型机械特性 、 特点： TL = Cn 2 ，负载转矩与转速平方成正比
END
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
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。 该条件的判断原则是: 该条件的判断原则是 当n ↑, TM < TL 由运动方程看
2机电传动系统的动力学基础
n f (TL )
n
TL K / n
T 恒功率型机械特性
0
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第二章 机电传动系统的动力学基础
2.4 机电传动系统稳定运行的条件
系统稳定运行的充要条件
（1）两机械特性有交叉点；
Sm （2）Δn为在平衡点处的转速变 化， 当Δn>0时，TM<TL TM-TL<0； 当Δn<0时，TM>TL TM-TL>0 a点是稳定平衡点，b点不是。
2. 机电传动系统的 动力学基础
2.1 2.2 2.3 2.4 机电传动系统的运动方程式 负载转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算 机电传动系统的负载特性 机电传动系统稳定运行的条件
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第二章 机电传动系统的动力学基础
2.0 重点和难点
重点：
1.运用运动方程式分别判别机电传动系统的运行状态。 2.运用稳定运行的条件来判别机电传动系统的稳定运行点。
难点：
1. 根据机电传动系统中 TM 、TL、n 的方向确定 TM 、TL 是拖动转 矩还是制动转矩，从而判别出系统的运行状态，是处于加速、 减速还是匀速； 2. 在机械特性上判别系统稳定工作点时、如何找出 TM 、TL
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第二章 机电传动系统的动力学基础
n f (TL )
n
TL
TL C
n
-TL
例： TL T 提升机构； 帯式运输机； 金属切削机床等（a）反抗转矩
（ 摩擦转矩）
T
（b）位能转矩 （因重力产生的转矩）
（T与n的方向恒为相反）
（T的方向恒定与无关）
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机电传动系统的动力学基础
j1
M 1
—电动机与中间传动机构的速比；
jL
M
—电动机与生产机械轴之间的速比；
§2.2 转矩.转动惯量和飞轮惯量的折算
三、转动惯量和飞轮惯量的折算
当速比j较大时，可用适当加大电动机轴转动惯量或 飞轮惯量来考虑中间传动机构转动惯量或飞轮惯量的影响。
折算到电动机轴上的总转动惯量（工程简化式）
成正比。 TL = C n 2 C为常数
三、直线型机械特性 特点：负载转矩与转速
成正比
TL=C n C为常数
§2.3 生产机械的机械特性
四、恒功率型机械特性 特点:功率基本不变， 负载转矩与转速成反比
TL＝C/n C为常数
§2.4机电传动系统的稳定运行条件
一、机电系统稳定运行的含义 1. 系统应能以一定速度匀速运行； 2. 系统受某种外部干扰（如电压波动、负载转矩
3. 在单轴拖动系统中，已知电动机输出转矩和负载转矩的作用方向 与转速的方向相同，则系统正处于
a. 加速 b. 减速 c. 匀速 d. 静止 4．在机电系统中，已知电动机输出转矩小于负载转矩，且电动机 的输出转矩作用方向与转速的方向相同，而负载转矩的方向与转速 相反，则系统正处于
a. 加速 b.减速 c.匀速 d.静止
a点： TM TL 0
当负载突然增加后 TM TL' 0 TM' TL' 0
当负载波动消除后 TM' TL 0 TM TL 0 故a点为系统的稳定平衡点。 同理b点不是稳定平衡点。
§2.3 生产机械的机械特性
机械特性：转矩与转速之间的特性关系。 生产机械的机械特性： n=f (T L) 电动机轴上的负载转矩与 转速n之间的关系特性。 电动机的机械特性：n=f (T M) 电动机轴上所产生的转矩和转速n之间关系的特性。
第二章 机电传动系统的动力学基础总结
电机与拖动
参考教材:
1.《电机与拖动基础》清华大学出版社 李发海主编 2. 《电机及电力拖动》机械工业出版社 周定颐主编
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电机与拖动
第2章 机电传动系统的动力学基础
掌握机电传动系统的运动方程式,用它来分析机电
传动系统的运动状态;
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例2:提升重物过程如右图示,写出运 动方程式. 解 : (a)中，提升重物，TM为正， TL为正，运动方程式为:
电机与拖动
GD 2 dn TM TL 375 dt
(b)中，仍为提升重物，但TM为负，
TL为正, 运动方程式为:
GD 2 dn TM TL 375 dt
TM
d J dt
定义式
GD 2 dn TL 375 dt
工程计算式
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电机与拖动
电力拖动系统正方向的规定：
先规定旋转方向为正方向，转速
n 的正方向一般选实际转向。
规定与n方向相同的TM为正,与n方 向相反的TL为正 规定与n方向相反的TM为负,与n方 向相同的TL为负。
2 2 2
产机械轴上的飞轮转矩。
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二、三轴直线运动折算到电动机轴上
1.负载转矩的折算
转矩折算的原则：系统传递的功率不变 1）平移运动
总质量mｚ
电机与拖动
刨刀
F
n TM 电动机
v
切削功率：P L Fv
T L Fv c T L Fv 60Fv 9.55 Fv c M c 2nM nM c 折算前后功率不变
机电传动系统的动力学基础
机电传动系统的动力学基础基本要求：①掌握机电传动系统的运行方程式，学会用它来分析与判别机电传动系统的运行状态；②了解在多轴拖动系统中，为了列出系统的运动方程式，必须将转矩等进行折算，掌握其折算的基本原则和方法；③了解几种典型生产机械的机械特性n ＝f (TL)；④掌握机电传动系统稳定运行的条件，并学会用它来分析与判别系统的稳定平衡点。
难点：根据机电传动系统中TM 、TL、n的方向，确定TM 、TL是拖动转矩还是制动转矩，从而判别出系统的运行状态，是处于加速、减速还是匀速；在机械特性上判别系统稳定工作点时，如何找出TM 、TL。
2.1 机电传动系统的运动方程式机电传动系统是一个由电动机拖动，并通过传动机构带动生产机械运转的机电运动的动力学整体。
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是描述机电系统机械运动规律的最基本方程式，它决定着系统的运行状态。
dn动态转矩T d ＝T M －T L ；加速度 a ＝dt＝0时，a＝0 ，表示系统处于稳态，系统为匀速运动。
当Td≠0时，a≠0 ，表示系统处于动态，当TdT＞0时，拖动转矩＞制动转矩，a为正，系统加速运动；dT＜0时，拖动转矩＜制动转矩，a为负，系统减速运动。
d2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算机电传动系统运动方程式中的转矩、转动惯量及飞轮转矩等，均分别为同一轴上的数值。
若运动系统为多轴系统，则必须将上述各量折算到同一转轴上才能列出整个系统的运动方程式。
由于一般均以传动系统的电动机轴为研究对象，因此，一般都是将它们折算到电动机轴上。
转矩折算应依据系统传递功率不变的原则。
转动惯量和飞轮转矩折算应依据系统贮存的动能 不变的原则。
2.2.1 负载转矩的折算依据系统传递功率不变的原则 实际负载功率=折算后的负载功率)7.2(cL L LM L L L M L L L j T T j T T T T T ηωωωω'='='=='多轴旋转拖动系统⋯=⋯=321321 传动效率)(/ 速比ηηηηωωc LM j j j j多轴直线运动系统（下放重物））8.2（55.9602Mc L Mc L M L n FvT n Fv T T Fv ηπωωηω====)9.2(55.9c ML n FvT η'=c c cc ηηηη<'-='122.2.2转动惯量和飞轮转矩的折算（旋转型）依据动能守恒原则，折算到电机轴上的总转动惯量为数。
机电传动控制2、机电传动的动力学基础
详细描述
机电传动系统是将电能转换为机械能以驱动机械设备 运转的系统。它主要由电机、传动机构和控制装置三 部分组成。电机是将电能转换为机械能的核心部件， 通过电机的旋转运动实现机械能的输出；传动机构则 是将电机的输出与机械设备连接，实现减速、变速或 传递扭矩等功能；控制装置则是控制电机的启动、停 止、调速等操作，以实现对机械设备的精确控制。
该系统通常采用交流伺服电机驱动， 通过高精度编码器和反馈控制系统实 现精确的位置和速度控制。
此外，该系统还具有强大的故障诊断 和安全保护功能，以保障设备和操作 人员的安全。
工业机器人机电传动控制系统
工业机器人是自动化生产线上 不可或缺的重要设备，其机电 传动控制系统是实现高精度、
高效率、高可靠性的关键。
该系统通常采用直流伺服电机 驱动，通过高精度编码器和反 馈控制系统实现精确的位置和
速度控制。
工业机器人的机电传动控制系 统还具有高刚度、低惯量、低 摩擦等特性，以确保稳定、准 确的运动轨迹。
此外，该系统还具有强大的故 障诊断和安全保护功能，以保 障设备和生产线的稳定运行。
风力发电机的机电传动控制系统
机电传动控制2
contents
目录
• 机电传动系统概述 • 机电传动的动力学基础 • 机电传动系统的控制原理 • 机电传动系统的设计方法 • 机电传动控制系统的实现 • 机电传动控制系统的应用实例
01 机电传动系统概述
机电传动系统的定义与组成
总结词
机电传动系统是由电机、传动机构和控制装置组成的 ，用于实现机械能与电能之间转换的系统。
机电传动系统的分类
• 总结词：根据应用领域和功能特点，机电传动系统可分为直流电机传动、交流 电机传动、步进电机传动和伺服电机传动等类型。
机电传动控制机电传动系统动力学基础
多轴系统的运动方程式：TM
[TL
]
[
J
]
d
dt
15
2．2 多轴拖动系统的简化
四、 飞轮转矩的折算（依据动能守恒原则） 依据转动惯量与飞轮转矩的关系，得到折算到电机轴上的
总的飞轮转矩为： GD2 4gJ
[GD2 ]
m i 1
Gi Di2 ji2
n j 1
m
j
(
vj
M
)2 4g
16
计算举例
机电传动系统如下图(a)所示.已知每根轴的飞轮转矩和转速,
Tm'
GDz 2
Tm j c
GD12
(
n1 n3
)2
TmGnnD1322 (cnn32 )12 32G.2DN32m
3675
Nm
2
由公式可得生产机械轴上的加速度为
dnL dt
TM ' TL' GDz 2
3.5(r / m)s1
375
18
2.3 生产机械的机械特性
机械特性：力（力矩）与运动参数（包括位移、速度、 加速度）之间的关系。
30
2.4 机电传动系统稳定运行的条件
例2： 简便判别法： 在高于平衡点转速的同转速下，应保 证 TM < TL; 且在低于平衡点转速的同转速下，应 保证 TM > TL。
如图所示，曲线1为异步电动机的机械特性，
曲线2为异步电动机拖动的生产机械的机械特性。
31
本章小结 1）依据机电传动系统，根据力矩平衡写出其运动方程； 2）对于多轴系统，依据功率守恒和动能守恒，将负载转 矩和转动惯量进行等效转换； 3）机械特性的概念，常见生产机械的几种机械特性； 4）机电传动系统稳定运行的条件； 5）正确判定稳定平衡点。
02机电传动系统的动力学基础
29
2.3.4 恒功率型机械特性
机械的负载转矩TL与转速n成反比，即TL ＝K／n，或 K＝TLn cc P为常数。
例如：车床加工，在粗加工时， 切削量大，负载阻力大 ，开低速；在精加工时，切削量小，负载阻力小，开高速 。当选择这样的方式加工时，不同转速下，切削功率基本 不变。
30
除了上述几种类型的生产机械外，还有一些生产机械具有 各自的转矩特性，如带曲柄连杆机构的生产机械，它们的 负载转矩TL是随转角α而变化的，而球磨机、碎石机等生 产机械，其负载转矩则随时间作无规律的随机变化，等等 。
16
度。
折算到电动机轴上的总飞轮转矩为：
2 Z
GD
GD
2 M
GD j
2 1
2 1
GD j
2 L
2 L
式中，GD2M、GD21、GD2L—电动机轴、中间传动轴、生 产机械轴上的飞轮转矩。 说明: 当速比 j 较大时，中间传动机构的转动惯量J1或 飞轮转矩GD21 ，在折算后占整个系统的比重不大，实际 工程中为了计算方便起见，多用适当加大电动机轴上的转 动惯量JM或飞轮转矩GD2M的方法，来考虑中间传动机构 的转动惯量J1或飞轮转矩GD21 的影响，
1
1 .当 T M T L 时， n 常数 ， dn / dt 0 ; 或 ＝常数 , d / dt 0 , 这种运动状态称为静态 态)或稳态 ( 稳定运转状态 )。
2
(相 对静止 状
当 T M T L 时 ， 速度 ( n 或 ) 就要 发要 变化，产生 加速或减速。
11
电动机拖动生产机械运动时的传动效率:
c
输出功率 输入功率 T ' L L
机电传动系统的动力学基础课件
机电传动系统的应用
工业自动化生产线
在工业自动化生产线上，机电传 动系统广泛应用于各种机械设备 的驱动，如传送带、机械手、包
装机等。
交通运输
在交通运输领域，机电传动系统主 要用于电动汽车、轨道交通、船舶 和飞机等交通工具的驱动。
电机优化设计
1 2
电机效率优化
通过改进电机材料、优化电机结构设计、提高制 造精度等方式，提高电机的效率，减少能源浪费 。
电机尺寸优化
在满足性能要求的前提下，尽量减小电机的体积 和重量，以便在有限的空间内安装更多的电机。
3
电机可靠性优化
通过优化电机的散热设计、提高电机的耐久性和 稳定性，从而提高电机的可靠性，减少故障率。
交流电机
交流电机是一种将交流电能转换为机械能的装置，分为异步 电机和同步电机两大类，广泛应用于工业、农业、商业等各 个领域。
齿轮传动实例分析
圆柱齿轮传动
圆柱齿轮传动是最常见的齿轮传动形式之一，具有传动效率高、传动比准确等优点，广泛应用于各种 机械传动系统中。
行星齿轮传动
行星齿轮传动是一种比较复杂的齿轮传动形式，具有承载能力大、传动比范围广等优点，常用于高速 重载的场合，如航空发动机等。
组成
主要由电动机、传动机构、执行机构等部分组成。电动机作为动力源，将电能 转换为机械能；传动机构则将电动机的动力传递到执行机构；执行机构则负责 完成具体的机械动作。
机电传动系统的分类
按传动方式
可分为机械传动、液压传动、气压传动、电气传动等类型。其中，电气传动又可 分为直流电气传动和交流电气传动。
机电传动控制(02)动力学基础
2
J L T ’L ωL
JM TM M
J1 、ω1 ωM
ωL + JL ω M
2
2
JZ = JM +
J1 j1
2
+
JL jL
2
类似地，可以对飞轮转矩进行折算： 类似地，可以对飞轮转矩进行折算：
J L T ’L ωL
v G F
转动惯量和飞轮转矩的折算
由于转动惯量和飞轮转矩 与运动系统的能量有关， 与运动系统的能量有关，故按 能量守恒原则进行折算。 能量守恒原则进行折算。对旋 转运动拖动系统如图示， 转运动拖动系统如图示，有：
1 1 1 1 2 2 2 2 J Z ω M = J M ω M + J 1ω1 + J Lω L 2 2 2 2
继续
恒转矩型机械特性
恒转矩型机械特性， 恒转矩型机械特性， 其负载转矩为常数， 其负载转矩为常数，如 右图所示。 右图所示。 由于其负载转矩为 常数， 常数，故其功率随转速 的增加而增加。 的增加而增加。 TL n
PL P T 返回
离心式通风机型机械特性
离心式通风机型机 械特性， 械特性，其负载转矩为 常数，如右图所示。 常数，如右图所示。 即：TL=M
负载转矩的折算
当系统中有直线运动、 当系统中有直线运动、 且电动机拖动生产机械时， 且电动机拖动生产机械时， 如图所示， 如图所示，有： P’L=Fv PM=TLωM P’ 故有 ηC= P L/PM=(Fv)/(TLωM) =(F/TL)(v/ωM) 或 TL=(F/ηC)(v/ωM) JM TM M ωM
第二章机电传动系统的动力学基础
第二章机电传动系统的动力学基础1. 引言在机械工程中，机电传动系统是指将电力或者其他形式的动力转化为机械运动的系统。
机电传动系统的设计与分析依赖于对动力学基础的理解。
本章将介绍机电传动系统的动力学基础，并探讨其在机械工程中的应用。
2. 动力学基础的概念2.1 动力学的基本概念动力学是研究物体在受力作用下运动规律的科学。
在机电传动系统中，动力学研究的重点是描述和分析物体受到力后的运动状态和运动规律。
2.2 机电传动系统的动力学模型机电传动系统可以用动力学模型来描述其运动规律。
动力学模型由四个基本要素组成：质点、力、力矩和功。
•质点：质点是物体的理想模型，具有质量但没有尺寸。
在机电传动系统中，质点被用来描述物体的运动状态。
•力：力是导致物体产生加速度的原因。
在机电传动系统中，力可以分为正向力和反向力，正向力使物体加速，而反向力使物体减速。
•力矩：力矩是力围绕某个轴产生转动的效果。
在机电传动系统中，力矩用来描述力对物体产生的转动效果。
•功：功是通过力对物体施加力学作用而产生的能量转移。
在机电传动系统中，功可以用来描述能量的转化和传递过程。
2.3 动力学基础的方程机电传动系统的动力学基础可以用一系列方程来描述。
其中，最基本的方程是牛顿第二定律和动能定理。
•牛顿第二定律：牛顿第二定律描述了力对物体产生加速度的关系。
其公式为 F = ma，其中 F 表示力，m 表示物体的质量，a 表示物体的加速度。
•动能定理：动能定理描述了物体的动能与力对其做功之间的关系。
其公式为 K = 1/2 * mv^2，其中 K 表示物体的动能，m 表示物体的质量，v 表示物体的速度。
3. 机电传动系统的应用机电传动系统的动力学基础在机械工程中有着广泛的应用。
下面列举了几个常见的应用场景：3.1 机械设计在机械设计中，动力学基础被用来分析和优化机械系统的运动性能。
通过对力、力矩和功的计算和分析，设计工程师可以确定合适的传动比例和功率需求，以实现理想的机械运动效果。
机电传动系统的动力学基础
基本要求
1. 掌握机电传动系统的运行方程式，并学会用它来分析与判 别机电传动系统的运行状态；
2. 了解在多轴拖动系统中为了列出系统的运动方程式，必须 将转矩等进行折算，掌握其折算的基本原则和方法；
3. 了解几种典型生产机械的机械特性 n f (TL ) ； 4. 掌握机电传动系统稳定运行的条件，并学会用它来分析与
1 jL2
(294
29.4)
(78.4
49)
1 32
(196
450.8)
1 (3 5)2
]
340N m2
近似计算
GDz2
GDM2
GDL2
J
2 L
[1.15
294
450.8 (3 5)2
]
340.1N
m
2
2．3 生产机械的机械特性
同一转轴上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．
2. 在机械特性上判别系统稳定工作点时、如何找出 TM、TL
第二章 机电传动系统的动力学基础
2.3 生产机械的特性
例2-3 判断下图b点是否是系统的稳定平衡点？
解
系统中有交叉点ｂ，当△ｎ↑时ＴM<ＴL TM-TL<0 当△ｎ↓时 ＴM＞Ｔ TM-TL>0 b点是平衡稳定点
△ｎ
注意：1.两机械特性曲线的区别，
ｎ
2.同时满足二稳定平衡条件。
△ｎ
第二章 机电传动系统的动力学基础
2.2 转矩、转动惯量和 飞轮转矩的折算
2.2.1 负载转矩的折算
Fv TLM
Fv
TL cM
2 n
60
TL
9.55Fv
cnM
（2.8）
【电气传动系统动力学基础】机电传动系统的动力学基础
【电气传动系统动力学基础】机电传动系统的动力学基础电气传动系统动力学基础1.1电气传动系统的运动方程式电力拖动装置通常由电动机、工作机构、控制设备和电源四部分组成。
电动机和工作机构之间一般还有传动机构，把电动机的运动经过中间变速或变换运动方式后再传给生产机械的工作机构。
（一）运动方程式电动机（M）生产机械TL TM M +TL M 图2.1 单轴拖动系统对于直线运动，方程式为F－FZ= m (N) 式中F－拖动力FZ－阻力m－惯性力m的单位为kg 对于旋转运动，方程式为T－TZ =J（N·m）式中T－拖动转矩TZ－阻转矩（或称负载转矩）J－惯性转矩（或称加速转矩）通常将转动惯量J用飞轮矩GD2来表示，它们之间的关系为J=mp2= 式中m与G－转动部分的质量（kg）与重量（N）；与D－惯性半径与直径（m）；g=9.81m/s2 －重力加速度再将机械角速度用转速n表示，则可得运动方程式的实用形式T –TZ= 式中GD2－飞轮矩N·m2 电动机的工作状态可由运动方程式判断（1）当T=TZ ，=0 ，则n=0 或n=常值电动机静止或等速旋转，即拖动系统稳定运行。
（2）当TTZ ，0 ，电力拖动系统加速运行。
（3）当T n a，TM TL ，即n↓(干扰)，消除后TM - TL 0，加速第二章直流电动机的传动特性 2.1直流电机的基本工作原理及结构一、直流电机的基本结构1、主磁极——建立主磁场（N、S交替排列）a、主极铁心——磁路，由1.0~1.5mm厚钢板构成b、励磁绕组——电路、由电磁线绕制2、机座——磁路的一部分（支承）框架，钢板焊接或铸刚3、电枢铁心——磁路，0.5mm厚硅钢片叠压而成（外圆冲槽）4、电枢绕组——电路。
电磁线绕制（闭合回路，由电刷分成若干支路）5、换向器——换向片间相互绝缘（用云母或塑料）6、电刷装置a、电刷——石墨或金属石墨b、刷握、刷杆、连线（铜丝辨）换向极——改善换向，由铁心、绕组构成（放置于主极之间或绕组与电枢绕组串联）二、基本工作原理直流电机的构成（1）.定子：主磁极、换向磁极、机座、端盖、电刷装置；（2）.转子：电枢铁心、电枢绕组、换向装置、风扇、转轴（3）.气隙**注意：同步电机—旋转磁极式；直流电机—旋转电枢式。
第二章机电传动系统的动力学基础
习题与试探题第二章机电传动系统的动力学基础说明机电传动系统运动方程中的拖动转矩，静态转矩和动态转矩。
拖动转矩是由电动机产生用来克服负载转矩，以带动生产机械运动的。
静态转矩确实是由生产机械产生的负载转矩。
动态转矩是拖动转矩减去静态转矩。
从运动方程式如何看出系统是处于加速，减速，稳态的和静态的工作状态。
T M-T L>0说明系统处于加速，T M-T L<0 说明系统处于减速，T M-T L=0说明系统处于稳态（即静态）的工作状态。
试列出以下几种情形下（见题图）系统的运动方程式，并说明系统的运动状态是加速，减速，仍是匀速？（图中箭头方向表示转矩的实际作用方向）T M TT M=T L T M< T LT M-T L>0说明系统处于加速。
T M-T L<0 说明系统处于减速T M T L T M T LT M> T L T M> T L系统的运动状态是减速系统的运动状态是加速T M T L T T LT M= T L T M= T L系统的运动状态是减速系统的运动状态是匀速多轴拖动系统什么缘故要折算成单轴拖动系统？转矩折算什么缘故依据折算前后功率不变的原那么？转动惯量折算什么缘故依据折算前后动能不变的原那么？因为许多生产机械要求低转速运行，而电动机一样具有较高的额定转速。
如此，电动机与生产机械之间就得装设减速机构，如减速齿轮箱或蜗轮蜗杆，皮带等减速装置。
因此为了列出系统运动方程，必需先将各转动部份的转矩和转动惯量或直线运动部份的质量这算到一根轴上。
转矩折算前后功率不变的原那么是P=Tω, p不变。
转动惯量折算前后动能不变原那么是能量守恒MV=ω2什么缘故低速轴转矩大，高速轴转矩小？因为P= Tω,P不变ω越小T越大，ω越大T 越小。
什么缘故机电传动系统中低速轴的GD2逼高速轴的GD2大得多?因为P=Tω，T=G∂D2/375. P=ωG∂D2/375. ,P不变转速越小GD2越大，转速越大GD2越小。
机电传动2第二章 机电传动系统的动力学基础
传动效率： C
PL' PM
TL' L TLM
TL
TL ' L C M
TL ' /(C j)
( j=ωM/ωL传动机构的速比)
当执行机构为直线运动时： 系统匀速运动时，产生机械的负载功率为:
PL' = Fv 它反映在电动机轴上的机械功率为:
PM= TLωM
输入功率：PM TLM 输出功率： PL Fv
飞轮转矩的折算（重要）
（根据能量守恒原则，即各轴上的动能之和等于折算到电机 轴之后的动能）
一、执行机构旋转运动时有：
根据动能守恒原则有：
1 2
JZ wM2
1 2
JM wM 2
1 2
J 1 w12
1 2
JLwL2
折算后的转动惯量：
J J J / j2 J / j2
Z
M
11
L
L
折算后的飞轮转矩：
传动效率：起重机提升重物：c Fv /(TLw M ) 起重机下放重物：' c TLw M /( Fv )
折算转矩：起重机提升重物：TL 9.55Fv /(cnM )
起重机下放重物：TL 9.55Fv' c / nM
TL
TL ' L C M
TL ' /(C j)
起重机提升重物：TL 9.55Fv /(cnM ) 起重机下放重物：TL 9.55Fv' c / nM
G1D12
/
j12
GL DL2
/
jL2
365
Gv 2 nM2
将多轴转动系统折算成单轴转动系统后，根
据求得的转矩和转动惯量就可得到多轴转动系统 的运动方程为：
第二章 机电传动系统的动力学基础PPT课件
TL/负载转矩
上的转矩
负载旋
L
转
角速度
M电动机轴角速度
c
P
/ L
TL/L
(c传动效率)
PM TLM
TL＝TcL/ML
＝ TL/
cj
(
j速比)
9
五、负载转矩的折算
5.2 直线运动
PM TLM
PL/ F
PM电动机轴功率
F直线运动部件的负载 TL负力载力F在电动机轴上产生
JZ
JM
J1 j12
JL
j
2 L
JM、J1、J L 分别为电动机轴、中间传动轴、生产机械运动轴上的转动惯量；
j1
M 1
电动机轴与中间传动轴之间的速度比；
jL
M L
电动机轴与生产机械运动轴之间的速度比；
M、1、L 分别为电动机轴、中间传动轴、生产机械运动轴的旋转角速度；
制动减速
❖ 当制动减速时，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，TM取负；而TL的 作用方向与n的方向相反，故TL的符号与n的符 号相同， TL取正。TM、 TL、n的方向如图（b） 所示 .
TM
TL
J
2
60
dn dt
GD 2 375
dn dt
0(减速)
7
四、多轴拖动系统的组成
14
7.3 离心式通风机型负载特性曲线
虚线表示 在有摩擦 负载的实 际情况
TL Cn2 负载转矩与n的 二次方成正比
15
7.4 直线型负载特性曲线
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。
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JM、J1、J L 分别为电动机轴、中间传动轴、生产机械运动轴上的转动惯量；
j1
M 1
电动机轴与中间传动轴之间的速度比；
jL
M L
电动机轴与生产机械运动轴之间的速度比；
M、1、L 分别为电动机轴、中间传动轴、生产机械运动轴的旋转角速度；
JZ
J M
JL
jLeabharlann 2 L简化算法一般 1.1 ~ 1.25
所以此点是稳定的，为稳定 平衡点。
简单稳定性判断方法
dTM dTL
不稳定 平衡点
dn dn
dTM dTL
稳定平 衡点
dn dn
例题
例题解析 例题1 例题2 例题3
负与载转转速矩n就取是相反同抗的转符矩号。，即 其n特为点正如方下向：时TL为正，特性 ·转在矩第大一小象恒限定；不n变为；负方向时 ·作TL用为方负向，始特终性与在速第度三n的象限， 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。
十一、 离心式通风型机械特性
四、 TM、TL、n 的参考方向（续）
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 表T示MT与Mn的的作符用号方相向同相（同同，为为正拖或动同转为矩负；）若，T则M 与 为制n的动符转号矩相。反，则表示TM的作用方向相反，
❖
若TL与n的符号相同（同为正或同为负），则 表 n的示符T号L的相作反用，方则向表相示同T，L的为作制用动方转向矩；相若同T，L与 为
虚线表示 在有摩擦 负载的实 际情况
TL Cn2
十二、直线型机特性械
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。
TL Cn
十三、 恒功率型机械特性
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。
六、负载转矩的折算
PM M • Teq
电机输出功率
PL L •TL
负载侧功率
C
减速机构的输出功率 减速机构的输入功率
TLL TeqM
传动效率
Teq
TL L c M
TL
j C
j M L
传动机构的总
折算到电机侧
传动比
等效转矩
七、转动惯量的折算－－旋转 运动
JZ
JM
J1 j12
JL
j
2 L
八、转动惯量的折算－－直线 运动
J
M
2
1M
mv2
JZ
JM
J1 j12
JL jL2
m
v2
M2
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
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
机电传动控制
Mechanical & electrical Transmission Control
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；
• 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。
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TM<TL；否则，当干扰使速度下降时， 有TM>TL 。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，
一、单轴拖动系统的组成
二、运动方程式
电动机的输出 转矩（N.m）
转动惯量 （kg.m2）
角速度
速度
（rad/s） （r/min）
TM
TL
J
d
dt
J
2
60
dn dt
TM TL Td
负载转矩 （N.m）
动态转矩 （N.m）
转矩平衡 运动方程
方程式
式
三、传动系统的状态
四、TM 、TL、n 的参考方向
不中的有载··向转作时难；，转无矩用为理位反矩关大方正，解能抗，小向，其，转转即恒不有特在在矩矩定变时点某运TT不，为LL为一的的动变与负：方；运符符方。向动号号程阻方式则正
（碍好运理动解，吗而？在？另？一）方向促 进运动。
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 而按产2生.1的节负中载关转于矩转。矩机正械方向 加的工约过定程可中知切，削力反产抗生转的矩恒
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.
TM
TL
J
2 60
dn dt
TL
TM
J
2 60
dn dt
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。
拖动转矩。
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
TM
TL
J
2
60
dn dt
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
TL
C n
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)。