机电传动控制1、2章
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机电传动控制
Mechatronic Transmission Control
姜美莲
短号：666006 E-mail: jml607@163.com
第1章 绪论
1.1 机电传动的目的和任务
机电传动：就是指以电动机为原动机驱动生产机 械的系统之总称． 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，完成各种生产工艺过 程的要求，保证生产过程的正常进行。 任务：从广义上讲，就是要使生产机械设备、生 产线、车间、甚至整个工厂都实现自动化。从 狭义上讲，则专指控制电动机驱动生产机械， 实现生产产品数量的增加，质量的提高，生产 成本的降低，工人劳动条件的改善以及能量的 合理利用。
b点是否是ຫໍສະໝຸດ Baidu定平衡点
对于b点，若负载转矩突然增加，电机轴转速下 降，从BC段看出，TM要减小，干扰消除后，由于电 机输出转矩仍小于负载转矩，所以电机轴仍旧减速 运行，直至停转，所以b点不是系统稳定平衡点。
• 例 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＞ＴL TM-TL>0 b点是平衡稳定点
旋转运动
直线运动
三轴旋转运动折算至电动机轴上 1.负载转矩的折算 TL / TL C j
式中, 式中,速比
nM j1 n1
nM jL nL
c -传动效率,
M j L
3.飞轮转矩的折算
GD12 GDL 2 GDZ 2 GDM 2 2 2 j1 jL
式中, GDM
2
泵型
TL T0 Cn 2 如水泵、油泵、通风机的负载转矩
恒功率型 TL=K/n，如车床切削加工产生的负载转矩，精 加工时，转速高（n大），进给量小（TL小），粗加 工时，转速低（n小），进给量大（TL大），但切削 功率P=TLn基本不变
n T
2.4 机电传动系统稳定运行的条件 稳定运行的含义 条件1：系统以一定速度匀速运转 条件2：系统受外部干扰而使运转速度发生变化 时，当干扰消除后，系统仍能恢复到原来的状态， 以原有速度继续匀速运转 若电力拖动系统只满足条件1而不满足条件2， 系统不能稳定运行
电动机功能控制（启动、制动及调速） 第8章 继电器控制 第9章 PLC控制
电动机精确速度控制 第11章 直流电机调速 第12章 交流电机调速
1.5 课程考核方式
期末考试 70%
平时成绩（考勤、提问、作业）30%
第2章 机电传动系统的动力学基础
2.1 机电传动系统的运动方程式
2.2 负载转矩.转动惯量和飞轮转矩的折算
(b)制动时,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
2.2 负载转矩.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,该系统的运动 方程式,是将其转矩等折算到一根轴上,再按2.1的方法 列出运动方程式. 折算时,可以折算到电动机轴上(高速轴),也可以折 算至低速轴上.
下降时 T 9.55 FV L
2.转动惯量的折算
J1 J L V2 JZ JM 2 2 m 2 j1 JL M
要注意式上面几个式子 中各个符号代表的物理意 义.
计算举例 例1 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,负载转矩为98 Nm2,电动机拖动 2 转矩29.4 Nm,传动效率0.9,求生产机械轴上的加 速度是多少?
反抗型（摩擦型） 转矩方向始终与运动方向相反。如皮带运输机 产生的负载转矩，皮带正转时机械特性位于第一象 限，皮带反转时机械特性位于第三象限
n -TL TL T
位能型 转矩方向恒定，与运动无关。如卷扬机吊重物 产生的负载转矩，起吊重物时机械特性位于第一象 限，下放重物时机械特性位于第四象限
n
T
TL
2.转动惯量的折算 (据能量守恒定律）
J1 JL JZ JM 2 2 j1 jL
、GD12、GDL 2
分别为电动机轴,中间传动 轴,生产机械轴上的飞轮转 矩.
三轴直线运动折算到电动机轴上
1.负载转矩的折算
FV 提升时 TL 9.55 nM
nM
3.飞轮转矩的折算
GD12 GDL 2 GV 2 GDZ 2 GDM 2 2 2 365 2 j1 jL nM
3) 可编程序控制器(PLC) 是继电器常规控制技术与微机技术的结合, 是一台按开关量输入的工业控制专用计算机; 具有逻辑运算功能,定时/计数功能,数字运 算功能,通信功能. 4) 计算机数字控制系统 1952年美国出现第一台数控铣床,1958年出 现加工中心,20世纪70年代CNC应用于数控机床和 加工中心,80年代出现了柔性制造系统(FNS); 提高了生产机械的通用性和效率,实现机械 加工全盘自动化.
2
和D分别为系统转动部分的转动惯性半径和转动惯性直径
GD 2 dn TM TL 375 dt
运行状态判别 TM与转速n方向一致，是拖动转矩，TL与转速n 方向相反，是制动转矩 TM>TL，系统处于加速状态 TM=TL，系统处于恒速稳定运行状态 TM<TL，系统处于减速状态
TM T L
M
n
GD12 87.4 Nm2
n1 2500r / m
GD22 245Nm2
n2 1000r / m
GD32 735Nm2
n3 500r / m
解:这是折算到低速轴
TM
GDZ
/
n1 TM jc TM c 132.3Nm n3
n1 2 2 n2 2 GD ( ) GD2 ( ) GD32 3675Nm 2 n3 n3
2.3 机电传动系统的负载特性
2.4 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
单轴拖动系统运行方程 电机与负载同轴、同转速n，TM为电机输出转 矩，TL为负载转矩
TM T L
M
n
负载
TM
M
TL
n
d TM TL J ，J为转动惯量，为角速度 dt 2n 实际中常用转速n代替， 60 GD GD 2 用飞轮转矩GD 2 代替J，J m 2 g2 4g G为系统转动部分的重力
负载
TM
M
TL
n
以转速n为参考量
规定:
与n方向相同的TM为正,与n方向相反的TL为正; 与n方向相反的TM为负,与n方向相同的TL为负.
举例
例:提升重物过程如左图示, 写出运动方程式.
解:(a)启动时,提升重物,TM为 正,TL为正,运动方程式为:
GD 2 dn TM TL 375 dt
1.4
课程学习内容
2. 机电传动系统的动力学基础 3. 直流电机的工作原理及特性 5. 交流电机的工作原理及特性 6. 控制电动机 8. 继电器－接触器控制系统 9. 可编程序控制器 10. 电力电子技术 11. 直流传动控制系统 12. 交流传动控制系统
电动机的原理和特性 第3章 直流电机 第5章 交流电机 第6章 控制电动机
电机和负载机械特性的交点称为系统平衡点， 平衡点处的电机拖动转矩和负载制动转矩大小相等， 系统以相应速度匀速运转 满足稳定运行条件2的平衡点是稳定平衡点
n n=f(TL) a n=f(TM) b T
a点是否是稳定平衡点
对于a点，当系统出现干扰时（例如负载转矩突 然增加），由于电机输出转矩小于负载转矩，所以 电机轴减速运行，电机工作点沿电机机械特性从a点 移动到a’点，以nc转速匀速运行，若此时消除干扰， 由于电机输出转矩大于负载转矩，所以电机轴加速 运行，电机工作点沿电机机械特性从a’点向a点移动， 当到达a点时，电机输出转矩和负载转矩大小相等， 系统重新又达到平衡，所以a点是稳定平衡点（同理 可分析负载转矩突然减小的情况）
举例:龙门刨床的刨台,左垂直刀架,右垂直刀架,侧刀架,横梁, 夹紧机构,都是分别由一台电动机拖动的.
1.3 电气控制系统的发展概况
1) 继电器-接触器控制系统 能对控制对象实现起动,制动,有级调速控制; 结构简单,动作可靠;控制速度慢,控制精度差. 2) 连续控制方式和自动控制系统 20世纪30年代的电机放大机控制,40-50年代 的磁放大器控制和水银整流器控制,1958年以后的 晶闸管-直流电动机无级调速系统,80年代以来的 新型电力电子元件-交流电动机无级调速系统; 控制简单,可靠性高,连续控制,拖动性能好.
TM M TL n 负载
转矩方向的规定 通常电机转矩为拖动转矩，而负载转矩为制动 转矩，因此在规定转速正方向的前提下，规定电机 转矩方向与转速正方向相同为正，与转速正方向相 反为负；负载转矩方向与转速正方向相反为正，与 转速正方向相同为正
TM M TL n 负载
机械特性类型 恒转矩型 反抗型（摩擦型） 位能型 泵型 恒功率型
2 1
2
由公式可得生产机械轴上的加速度为
dnL TM / TL / 3.5( r / m) s 1 GDZ 2 dt 375
例题2：某起重机电力拖动系统传动速比为34，传动效 率为0.83，卷筒直径d=0.22m，吊钩和重物分别重1470、 8820N，忽略电动机空载转矩和钢丝绳重量，试求： (1)以速度v=0.4m/s提升重物时，电机转速和输出转矩； (2)以速度v=0.4m/s下放重物时，电机的输出转矩
1.1
机电一体化技术产品的组成要素
信息处理
传感器
执行 机构
机械 本体
课程研究对象：
驱动设备工作的驱动装臵（电动机）
由各种电气元件组成的控制装臵
丰田汽车混合动力技术
丰田混合动力汽车在起步、低速行驶时，发动机不 工作，由蓄电池向电动机供电，以驱动车轮，从而实现 尾气零排放。汽车加速时，发动机工作，燃烧汽油产生 的能量通过发电机转换为电能，联同蓄电池向电动机供 电。汽车减速时，发动机不工作，电动机将多余的动能 转化为电能并充入蓄电池 驱动设备：车轮
在下放重物时，负载转矩为拖动转矩， 电机输出转矩为制动转矩， 所以传动机构损耗转矩T由负载负担， 此时电机输出转矩TM 33.29 6.82 26.47 N m
2.3 机电传动系统的负载特性
电机机械特性是指电机输出转矩和电机轴转速间的 函数关系，负载机械特性是指负载转矩和负载轴转速间 的函数关系。由于我们常把各种电力拖动系统简化为单 轴电力拖动系统（负载和电机共轴），除非特殊说明， 以后负载机械特性均指电动机轴上的负载转矩和转速间 的函数关系。
M
d=0.22m
G
v=0.4m/s
解：（1）负载（卷筒）转速 v 60 60 wL d / 2 60 0.4 34.72 r / min nL 2 2 3.14 0.22 电机转速nM nL j 34.72 34 1180.5r / min 匀速提升时，负载实际转矩 dG 0.22 1470 8820 TL 1131.9 N m 2 2 TL 1131.9 折算到电机轴的负载转矩TL 40.11N m j 34 0.83 由于匀速提升，所以电机输出转矩TM 40.11N m
驱动装臵：电动机
控制装臵：通过控制电机转速来控制车轮转速
应用领域
制造业：印刷机、造纸机、各种机床
高新技术产业：机器人、高速列车、电动汽车、磁 悬浮系统
日常生活：冰箱、空调、洗衣机、电梯
1.2 机电传动发展的概况
1) 成组拖动 一台电动机---一根天轴---一组生产机械设备 机构复杂,损耗大,效率低,工作可靠性差. 2) 单台电动机拖动 一台电动机---一台设备 当生产机械设备运动部件较多时,机构仍复杂,满足不 了生产工艺要求. 3) 多台电动机拖动 一台专门的电动机---同一台设备的每一个运动部件 机构简单,控制灵活,便于生产机械的自动化.
解：（2）若不考虑传动损耗 TL’ 1131.9 则折算到电机轴的负载转矩为 33.29 N m j 34 即电机输出转矩为33.29 N m 所以传动机构损耗的转矩T 40.11 33.29 6.82 N m 在提升重物时，电机输出转矩为拖动转矩， 所以传动机构损耗转矩T由电机负担
Mechatronic Transmission Control
姜美莲
短号：666006 E-mail: jml607@163.com
第1章 绪论
1.1 机电传动的目的和任务
机电传动：就是指以电动机为原动机驱动生产机 械的系统之总称． 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，完成各种生产工艺过 程的要求，保证生产过程的正常进行。 任务：从广义上讲，就是要使生产机械设备、生 产线、车间、甚至整个工厂都实现自动化。从 狭义上讲，则专指控制电动机驱动生产机械， 实现生产产品数量的增加，质量的提高，生产 成本的降低，工人劳动条件的改善以及能量的 合理利用。
b点是否是ຫໍສະໝຸດ Baidu定平衡点
对于b点，若负载转矩突然增加，电机轴转速下 降，从BC段看出，TM要减小，干扰消除后，由于电 机输出转矩仍小于负载转矩，所以电机轴仍旧减速 运行，直至停转，所以b点不是系统稳定平衡点。
• 例 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＞ＴL TM-TL>0 b点是平衡稳定点
旋转运动
直线运动
三轴旋转运动折算至电动机轴上 1.负载转矩的折算 TL / TL C j
式中, 式中,速比
nM j1 n1
nM jL nL
c -传动效率,
M j L
3.飞轮转矩的折算
GD12 GDL 2 GDZ 2 GDM 2 2 2 j1 jL
式中, GDM
2
泵型
TL T0 Cn 2 如水泵、油泵、通风机的负载转矩
恒功率型 TL=K/n，如车床切削加工产生的负载转矩，精 加工时，转速高（n大），进给量小（TL小），粗加 工时，转速低（n小），进给量大（TL大），但切削 功率P=TLn基本不变
n T
2.4 机电传动系统稳定运行的条件 稳定运行的含义 条件1：系统以一定速度匀速运转 条件2：系统受外部干扰而使运转速度发生变化 时，当干扰消除后，系统仍能恢复到原来的状态， 以原有速度继续匀速运转 若电力拖动系统只满足条件1而不满足条件2， 系统不能稳定运行
电动机功能控制（启动、制动及调速） 第8章 继电器控制 第9章 PLC控制
电动机精确速度控制 第11章 直流电机调速 第12章 交流电机调速
1.5 课程考核方式
期末考试 70%
平时成绩（考勤、提问、作业）30%
第2章 机电传动系统的动力学基础
2.1 机电传动系统的运动方程式
2.2 负载转矩.转动惯量和飞轮转矩的折算
(b)制动时,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
2.2 负载转矩.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,该系统的运动 方程式,是将其转矩等折算到一根轴上,再按2.1的方法 列出运动方程式. 折算时,可以折算到电动机轴上(高速轴),也可以折 算至低速轴上.
下降时 T 9.55 FV L
2.转动惯量的折算
J1 J L V2 JZ JM 2 2 m 2 j1 JL M
要注意式上面几个式子 中各个符号代表的物理意 义.
计算举例 例1 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,负载转矩为98 Nm2,电动机拖动 2 转矩29.4 Nm,传动效率0.9,求生产机械轴上的加 速度是多少?
反抗型（摩擦型） 转矩方向始终与运动方向相反。如皮带运输机 产生的负载转矩，皮带正转时机械特性位于第一象 限，皮带反转时机械特性位于第三象限
n -TL TL T
位能型 转矩方向恒定，与运动无关。如卷扬机吊重物 产生的负载转矩，起吊重物时机械特性位于第一象 限，下放重物时机械特性位于第四象限
n
T
TL
2.转动惯量的折算 (据能量守恒定律）
J1 JL JZ JM 2 2 j1 jL
、GD12、GDL 2
分别为电动机轴,中间传动 轴,生产机械轴上的飞轮转 矩.
三轴直线运动折算到电动机轴上
1.负载转矩的折算
FV 提升时 TL 9.55 nM
nM
3.飞轮转矩的折算
GD12 GDL 2 GV 2 GDZ 2 GDM 2 2 2 365 2 j1 jL nM
3) 可编程序控制器(PLC) 是继电器常规控制技术与微机技术的结合, 是一台按开关量输入的工业控制专用计算机; 具有逻辑运算功能,定时/计数功能,数字运 算功能,通信功能. 4) 计算机数字控制系统 1952年美国出现第一台数控铣床,1958年出 现加工中心,20世纪70年代CNC应用于数控机床和 加工中心,80年代出现了柔性制造系统(FNS); 提高了生产机械的通用性和效率,实现机械 加工全盘自动化.
2
和D分别为系统转动部分的转动惯性半径和转动惯性直径
GD 2 dn TM TL 375 dt
运行状态判别 TM与转速n方向一致，是拖动转矩，TL与转速n 方向相反，是制动转矩 TM>TL，系统处于加速状态 TM=TL，系统处于恒速稳定运行状态 TM<TL，系统处于减速状态
TM T L
M
n
GD12 87.4 Nm2
n1 2500r / m
GD22 245Nm2
n2 1000r / m
GD32 735Nm2
n3 500r / m
解:这是折算到低速轴
TM
GDZ
/
n1 TM jc TM c 132.3Nm n3
n1 2 2 n2 2 GD ( ) GD2 ( ) GD32 3675Nm 2 n3 n3
2.3 机电传动系统的负载特性
2.4 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
单轴拖动系统运行方程 电机与负载同轴、同转速n，TM为电机输出转 矩，TL为负载转矩
TM T L
M
n
负载
TM
M
TL
n
d TM TL J ，J为转动惯量，为角速度 dt 2n 实际中常用转速n代替， 60 GD GD 2 用飞轮转矩GD 2 代替J，J m 2 g2 4g G为系统转动部分的重力
负载
TM
M
TL
n
以转速n为参考量
规定:
与n方向相同的TM为正,与n方向相反的TL为正; 与n方向相反的TM为负,与n方向相同的TL为负.
举例
例:提升重物过程如左图示, 写出运动方程式.
解:(a)启动时,提升重物,TM为 正,TL为正,运动方程式为:
GD 2 dn TM TL 375 dt
1.4
课程学习内容
2. 机电传动系统的动力学基础 3. 直流电机的工作原理及特性 5. 交流电机的工作原理及特性 6. 控制电动机 8. 继电器－接触器控制系统 9. 可编程序控制器 10. 电力电子技术 11. 直流传动控制系统 12. 交流传动控制系统
电动机的原理和特性 第3章 直流电机 第5章 交流电机 第6章 控制电动机
电机和负载机械特性的交点称为系统平衡点， 平衡点处的电机拖动转矩和负载制动转矩大小相等， 系统以相应速度匀速运转 满足稳定运行条件2的平衡点是稳定平衡点
n n=f(TL) a n=f(TM) b T
a点是否是稳定平衡点
对于a点，当系统出现干扰时（例如负载转矩突 然增加），由于电机输出转矩小于负载转矩，所以 电机轴减速运行，电机工作点沿电机机械特性从a点 移动到a’点，以nc转速匀速运行，若此时消除干扰， 由于电机输出转矩大于负载转矩，所以电机轴加速 运行，电机工作点沿电机机械特性从a’点向a点移动， 当到达a点时，电机输出转矩和负载转矩大小相等， 系统重新又达到平衡，所以a点是稳定平衡点（同理 可分析负载转矩突然减小的情况）
举例:龙门刨床的刨台,左垂直刀架,右垂直刀架,侧刀架,横梁, 夹紧机构,都是分别由一台电动机拖动的.
1.3 电气控制系统的发展概况
1) 继电器-接触器控制系统 能对控制对象实现起动,制动,有级调速控制; 结构简单,动作可靠;控制速度慢,控制精度差. 2) 连续控制方式和自动控制系统 20世纪30年代的电机放大机控制,40-50年代 的磁放大器控制和水银整流器控制,1958年以后的 晶闸管-直流电动机无级调速系统,80年代以来的 新型电力电子元件-交流电动机无级调速系统; 控制简单,可靠性高,连续控制,拖动性能好.
TM M TL n 负载
转矩方向的规定 通常电机转矩为拖动转矩，而负载转矩为制动 转矩，因此在规定转速正方向的前提下，规定电机 转矩方向与转速正方向相同为正，与转速正方向相 反为负；负载转矩方向与转速正方向相反为正，与 转速正方向相同为正
TM M TL n 负载
机械特性类型 恒转矩型 反抗型（摩擦型） 位能型 泵型 恒功率型
2 1
2
由公式可得生产机械轴上的加速度为
dnL TM / TL / 3.5( r / m) s 1 GDZ 2 dt 375
例题2：某起重机电力拖动系统传动速比为34，传动效 率为0.83，卷筒直径d=0.22m，吊钩和重物分别重1470、 8820N，忽略电动机空载转矩和钢丝绳重量，试求： (1)以速度v=0.4m/s提升重物时，电机转速和输出转矩； (2)以速度v=0.4m/s下放重物时，电机的输出转矩
1.1
机电一体化技术产品的组成要素
信息处理
传感器
执行 机构
机械 本体
课程研究对象：
驱动设备工作的驱动装臵（电动机）
由各种电气元件组成的控制装臵
丰田汽车混合动力技术
丰田混合动力汽车在起步、低速行驶时，发动机不 工作，由蓄电池向电动机供电，以驱动车轮，从而实现 尾气零排放。汽车加速时，发动机工作，燃烧汽油产生 的能量通过发电机转换为电能，联同蓄电池向电动机供 电。汽车减速时，发动机不工作，电动机将多余的动能 转化为电能并充入蓄电池 驱动设备：车轮
在下放重物时，负载转矩为拖动转矩， 电机输出转矩为制动转矩， 所以传动机构损耗转矩T由负载负担， 此时电机输出转矩TM 33.29 6.82 26.47 N m
2.3 机电传动系统的负载特性
电机机械特性是指电机输出转矩和电机轴转速间的 函数关系，负载机械特性是指负载转矩和负载轴转速间 的函数关系。由于我们常把各种电力拖动系统简化为单 轴电力拖动系统（负载和电机共轴），除非特殊说明， 以后负载机械特性均指电动机轴上的负载转矩和转速间 的函数关系。
M
d=0.22m
G
v=0.4m/s
解：（1）负载（卷筒）转速 v 60 60 wL d / 2 60 0.4 34.72 r / min nL 2 2 3.14 0.22 电机转速nM nL j 34.72 34 1180.5r / min 匀速提升时，负载实际转矩 dG 0.22 1470 8820 TL 1131.9 N m 2 2 TL 1131.9 折算到电机轴的负载转矩TL 40.11N m j 34 0.83 由于匀速提升，所以电机输出转矩TM 40.11N m
驱动装臵：电动机
控制装臵：通过控制电机转速来控制车轮转速
应用领域
制造业：印刷机、造纸机、各种机床
高新技术产业：机器人、高速列车、电动汽车、磁 悬浮系统
日常生活：冰箱、空调、洗衣机、电梯
1.2 机电传动发展的概况
1) 成组拖动 一台电动机---一根天轴---一组生产机械设备 机构复杂,损耗大,效率低,工作可靠性差. 2) 单台电动机拖动 一台电动机---一台设备 当生产机械设备运动部件较多时,机构仍复杂,满足不 了生产工艺要求. 3) 多台电动机拖动 一台专门的电动机---同一台设备的每一个运动部件 机构简单,控制灵活,便于生产机械的自动化.
解：（2）若不考虑传动损耗 TL’ 1131.9 则折算到电机轴的负载转矩为 33.29 N m j 34 即电机输出转矩为33.29 N m 所以传动机构损耗的转矩T 40.11 33.29 6.82 N m 在提升重物时，电机输出转矩为拖动转矩， 所以传动机构损耗转矩T由电机负担