概說動力學PPT課件

1、1 2 2、掌握繼電器、掌握繼電器- -接觸器控制、接觸器控制、PLCPLC控制控制器的基本原理，學會用它們來實現(xiàn)生產過程器的基本原理，學會用它們來實現(xiàn)生產過程的自動控制；的自動控制； 3 3、掌握常用的開環(huán)、閉環(huán)驅動控制系、掌握常用的開環(huán)、閉環(huán)驅動控制系統(tǒng)的基本工作原理和特點、了解其性能及其統(tǒng)的基本工作原理和特點、了解其性能及其應用場所；應用場所； 4 4、具有運用標準、規(guī)范、手冊、圖冊、具有運用標準、規(guī)范、手冊、圖冊等有關技術資料的能力；等有關技術資料的能力； 5 5、掌握機電傳動的基本規(guī)律，學會分、掌握機電傳動的基本規(guī)律，學會分析控制系統(tǒng)的基本方法；析控制系統(tǒng)的基本方法； 第1頁/共44

2、頁2 機電傳動與控制課程的內容，包含拖機電傳動與控制課程的內容，包含拖動生產機械的電動機，和控制電機的一整動生產機械的電動機，和控制電機的一整套控制系統(tǒng)。套控制系統(tǒng)。教材要求：教材要求：機電傳動控制機電傳動控制鄧星鐘，鄧星鐘， 華中科技大學華中科技大學出版社，出版社，20012001年年3 3版版 學習輔導與習題學習輔導與習題鄧星鐘，鄧星鐘， 華中科技大學華中科技大學出版社出版社 學習本課程旨在培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和學習本課程旨在培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的實踐能力的“機電復合型機電復合型”人才。人才。第2頁/共44頁3 本課程的特點和學好課程的方法：本課程的特點和學好課程的方法： 學習時首先了解

3、問題是如何提出的，特學習時首先了解問題是如何提出的，特別注意對別注意對基本概念、原理、公式基本概念、原理、公式的理解和掌的理解和掌握，相互聯(lián)系，了解其應用。做有關的握，相互聯(lián)系，了解其應用。做有關的習題、習題、思考題及自測練習思考題及自測練習。堅持老師為主導，學生。堅持老師為主導，學生為為主體主體的思想。的思想。 根據學科的發(fā)展與其內在規(guī)律，以伺服根據學科的發(fā)展與其內在規(guī)律，以伺服驅動系統(tǒng)為主導，以控制為線索，學習和掌驅動系統(tǒng)為主導，以控制為線索，學習和掌握機電一體化技術所需的強電控制知識。握機電一體化技術所需的強電控制知識。第3頁/共44頁4第一章第一章 概述概述第二章第二章 機電傳動系統(tǒng)的

4、動力學機電傳動系統(tǒng)的動力學方程方程第三第三七章七章 電機特性電機特性第八章第八章 繼電器繼電器- -接觸器控制接觸器控制第九章第九章 PLCPLC第十章第十章 晶閘管電路（簡介）晶閘管電路（簡介）第十一、十二章第十一、十二章 直、交流傳動控制直、交流傳動控制第十三章第十三章 步進電機步進電機 傳動傳動控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)簡介簡介 實驗實驗 4 4學時學時1.2 1.2 機電傳動控制課程安排機電傳動控制課程安排第4頁/共44頁51.3 1.3 機電傳動的目的和任務：機電傳動的目的和任務：電動機電動機+ +生產機械生產機械+ +控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)機電傳動系統(tǒng)機電傳動系統(tǒng) 目的：目的：電能轉變?yōu)闄C械能，實

5、現(xiàn)生產機械電能轉變?yōu)闄C械能，實現(xiàn)生產機械的啟動、停止、調速，完成各種生產工藝過的啟動、停止、調速，完成各種生產工藝過程的要求，保證生產過程的正常運行。程的要求，保證生產過程的正常運行。 任務：任務：指控制電動機驅動生產機械，實現(xiàn)指控制電動機驅動生產機械，實現(xiàn)生產產品數(shù)量的增加，質量的提高，生產成生產產品數(shù)量的增加，質量的提高，生產成本的降低，勞動條件的改善以及能量的合理本的降低，勞動條件的改善以及能量的合理利用。利用。第5頁/共44頁61.4 1.4 機電傳動及控制系統(tǒng)的發(fā)展概況機電傳動及控制系統(tǒng)的發(fā)展概況1. 1. 機電傳動的發(fā)展概況機電傳動的發(fā)展概況（3 3個階段）個階段） 成組拖動成組拖

6、動單電機拖動單電機拖動多電機拖動多電機拖動2. 2. 控制系統(tǒng)的發(fā)展概況控制系統(tǒng)的發(fā)展概況（4 4個階段）個階段） 20C20C初的繼電控制；初的繼電控制；30-4030-40年代出現(xiàn)的電年代出現(xiàn)的電機放大控制，磁放大控制；機放大控制，磁放大控制；5050年代末出現(xiàn)晶年代末出現(xiàn)晶閘管、功率管控制、采樣控制；閘管、功率管控制、采樣控制； 7070年代年代CNC CNC 和和 8080年代以來年代以來FMS FMS （柔性制造系統(tǒng)）（柔性制造系統(tǒng)）CIMSCIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）（計算機集成制造系統(tǒng)）第6頁/共44頁7本章基本要求：本章基本要求： 掌握機電傳動系統(tǒng)的運行方程式，用它掌握機電傳

7、動系統(tǒng)的運行方程式，用它來分析和判別機電傳動系統(tǒng)的運行狀態(tài)；來分析和判別機電傳動系統(tǒng)的運行狀態(tài)； 為列出多軸拖動系統(tǒng)的運行方程式，必為列出多軸拖動系統(tǒng)的運行方程式，必須將轉矩等進行折算，掌握其折算的原則和須將轉矩等進行折算，掌握其折算的原則和方法；方法； 了解幾種典型的生產機械的機械特性；了解幾種典型的生產機械的機械特性；)(LTfn 第7頁/共44頁8 掌握機電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件，運掌握機電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件，運用其來分析和判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定平衡點；用其來分析和判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定平衡點； 重點：重點： 運用運動方程式分別判別機電傳動系運用運動方程式分別判別機電傳動系統(tǒng)的運行狀態(tài)；統(tǒng)的運行狀態(tài)

8、； 運用穩(wěn)定運行的條件來判別機電傳動運用穩(wěn)定運行的條件來判別機電傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定運行點，系統(tǒng)的穩(wěn)定運行點，第8頁/共44頁92.12.1機電傳動系統(tǒng)的運動方程式機電傳動系統(tǒng)的運動方程式（單軸）（單軸） dtdwJTTLMTM 電機產生的 轉矩TL 負載轉矩n 轉速 角速度J 單軸傳動系統(tǒng)中轉動慣量t 時間單軸機電傳動單軸機電傳動運動方程運動方程當d /dt= 0 ，n或 為常數(shù)稱靜態(tài)（相對靜止）或穩(wěn)態(tài)（穩(wěn)定運動）第9頁/共44頁102.12.1機電傳動系統(tǒng)的運動方程式機電傳動系統(tǒng)的運動方程式（單軸）（單軸）nwgGDDgGmDJ602/414141222dtdnGDTTLM3752dLMTTT用

9、轉速n代替，用飛輪慣量（飛輪轉矩） GD2代替轉動慣量J（J=m2， 、D為慣性半徑和慣性直徑，重力G=mg,則有運動方程實用形式轉矩平衡方程形式轉動慣量轉動慣量剛體繞軸轉動慣性的度量。又稱慣性距慣性距、慣性矩慣性矩（俗稱慣性力距慣性力距、慣性力矩）慣性力矩）其數(shù)值為 J= miri2，式中mi表示剛體的某個質點的質量，ri表示該質點到轉軸的垂直距離。慣性半徑慣性半徑 任一截面對某軸的慣性矩除以該截面面積所得商的平方根值。Td動態(tài)轉矩第10頁/共44頁11 設電動機某一轉動方設電動機某一轉動方向向n n為正，為正，T TMM與與n n一致方一致方向為正；向為正；T TL L與與n n相反的方相

10、反的方向為正。向為正。當當T Td d0 0時，系統(tǒng)加速；時，系統(tǒng)加速；當當T Td d0 0時，系統(tǒng)減速；時，系統(tǒng)減速；當當T Td d=0=0時，系統(tǒng)恒速。時，系統(tǒng)恒速。轉矩正方向轉矩正方向約定約定：第11頁/共44頁12 根據上述約定，可以從轉矩與轉速的符根據上述約定，可以從轉矩與轉速的符號上來判定號上來判定的性質（拖動轉矩或制動的性質（拖動轉矩或制動轉矩）。轉矩）。 若若與與n n符號相同符號相同( (同為正或同為負同為正或同為負) )，則，則表示表示的作用方向與的作用方向與n n相同、相同、 為為拖動轉矩拖動轉矩；若若與與n n符號相反，則表示符號相反，則表示的作用方向與的作用方向與

11、n n相反，相反， 為為制動轉矩制動轉矩。第12頁/共44頁13例子1、啟動：電機拖動重物上升， TM與n同向為正，TL 與n反向為正，上升TM TL，則dn/dt為正，系統(tǒng)加速運行；2、制動：仍為提升，制動電磁轉矩TM與n反向為負， TL為反向為正，則dn/dt為負，重物減速上升，直至停止。第13頁/共44頁14 而而若與若與n n符號相同，則表示的作用方符號相同，則表示的作用方向與向與n n相反，為相反，為制動轉矩制動轉矩；若；若與與n n符號相符號相反，則表示的作用方向與反，則表示的作用方向與n n相同，相同， 為為拖拖動轉矩動轉矩。 這點很重要，是今后這點很重要，是今后分析系統(tǒng)的運行分

12、析系統(tǒng)的運行狀態(tài)狀態(tài)（系統(tǒng)處于加速、減速還是勻速）的（系統(tǒng)處于加速、減速還是勻速）的一個主要依據。也是本章的一個難點。本一個主要依據。也是本章的一個難點。本章的另一個難點在機械特性上判別系統(tǒng)穩(wěn)章的另一個難點在機械特性上判別系統(tǒng)穩(wěn)定工作點時，如何找出它們。定工作點時，如何找出它們。第14頁/共44頁15例 圖中為實際方向1）列出運動方程式（要點：TM與n同向為正， TL與n反向為正）A圖： TM - TL =(GD2/376) dn/dtB圖：- TM - TL =(GD2/376) dn/dtC圖： - TM + TL =(GD2/376) dn/dt2） TM、 TL為（要點： T與n同向為

13、拖動轉矩， T與n反向為制動轉矩）A圖： TM為拖動轉矩， TL為制動轉矩B圖： TM為制動轉矩， TL為制動轉矩C圖： TM為制動轉矩， TL為拖動轉矩3）判斷（要點：Td=TM-TL， 0，加速；0為減速；=0為恒速）A圖：加速，因TM TL， dn/dt 0B圖：勻速， TM =TL dn/dt =0C圖：減速， - TM + TL dn/dt 0 TMTMTMTLTLTLnnnTM TLTM =TLTM TL第15頁/共44頁162.2 2.2 轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩的折算轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩的折算 實際運動系統(tǒng)一般常是多軸系統(tǒng)，為了實際運動系統(tǒng)一般常是多軸系統(tǒng)，為了列出這個系統(tǒng)

14、的運動方程，必須把上述各量列出這個系統(tǒng)的運動方程，必須把上述各量折算折算到某一軸上（電機軸），即折算成為單到某一軸上（電機軸），即折算成為單軸系統(tǒng)。軸系統(tǒng)。 折算時的基本原則是折算前的多軸系統(tǒng)折算時的基本原則是折算前的多軸系統(tǒng)同折算后的單軸系統(tǒng)，在同折算后的單軸系統(tǒng)，在能量能量關系或關系或功率功率關關系上保持系上保持不變不變。第16頁/共44頁172.2 2.2 轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩的折算轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩的折算 1、負載轉矩的折算、負載轉矩的折算 基本原則：基本原則：功率守恒功率守恒原則。即折算前的原則。即折算前的多軸系統(tǒng)同折算后的單軸系統(tǒng)，在功率關系多軸系統(tǒng)同折算后的單軸系統(tǒng)，在

15、功率關系上保持不變。上保持不變。 對于旋轉運動，如下圖所示，當系統(tǒng)勻對于旋轉運動，如下圖所示，當系統(tǒng)勻速運動時，生產機械的負載功率是：速運動時，生產機械的負載功率是：LLLTPTL、L 生產機械負載 轉矩和角速度第17頁/共44頁18MLMTP則電動機軸上的負載功率是：則電動機軸上的負載功率是：設設 折算到電動機軸的負載轉矩是折算到電動機軸的負載轉矩是LT LT2.2 2.2 轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩的折算轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩的折算 M 電動機角速度TN.m=9550 Pkw/nr/min第18頁/共44頁19 考慮到傳動機構在傳遞功率的過程中有損考慮到傳動機構在傳遞功率的過程中有損耗，這

16、個損耗可以用傳動效率耗，這個損耗可以用傳動效率 來表示，即：來表示，即：cMLLLMLcTTPP輸入功率輸出功率于是得到折算到電動機軸上的負載轉矩于是得到折算到電動機軸上的負載轉矩TL：jTTTcLMcLLLLMj傳動機構傳動機構速比速比2.2 2.2 轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩的折算轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩的折算 c電機拖動負載傳動效率第19頁/共44頁20對于對于直線運動直線運動，如下圖卷揚機構所示，如下圖卷揚機構所示，2.2 2.2 轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩的折算轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩的折算 生產機械的負載生產機械的負載功率是：功率是：vFPL第20頁/共44頁21 反映到電動機軸上的反

17、映到電動機軸上的負載功率是：負載功率是：MLMTP 如電動機拖動生產機械旋轉或運動，如電動機拖動生產機械旋轉或運動，傳動傳動機構中的損耗由電動機承擔，根據功率平衡關機構中的損耗由電動機承擔，根據功率平衡關系，有：系，有：cMLFvTnM602McLnFvT55.92.2 2.2 轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩的折算轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩的折算 第21頁/共44頁222.2 2.2 轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩的折算轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩的折算 如果是生產機械拖動電動機旋轉，如果是生產機械拖動電動機旋轉，傳動機構中的損耗由負載承擔，根據功傳動機構中的損耗由負載承擔，根據功率平衡關系，有：率平衡關系，有

18、：McLnFvT55.9c負載拖動電機傳動效率第22頁/共44頁232.2 2.2 轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩的折算轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩的折算 1、負載轉矩的折算、負載轉矩的折算 基本原則：功率守恒原則。即折算前的基本原則：功率守恒原則。即折算前的多軸系統(tǒng)同折算后的單軸系統(tǒng)，在功率關系多軸系統(tǒng)同折算后的單軸系統(tǒng)，在功率關系上保持不變。上保持不變。 對于旋轉運動，如下圖所示，當系統(tǒng)勻對于旋轉運動，如下圖所示，當系統(tǒng)勻速運動時，生產機械的負載功率是：速運動時，生產機械的負載功率是：LLLTP第23頁/共44頁24MLMTP則電動機軸上的負載功率是：則電動機軸上的負載功率是：設設 折算到電動機軸的

19、負載轉矩是折算到電動機軸的負載轉矩是LT LT2.2 2.2 轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩的折算轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩的折算 Tn.m=9550 Pkw/nr/min第24頁/共44頁25 考慮到傳動機構在傳遞功率的過程中有損考慮到傳動機構在傳遞功率的過程中有損耗，這個損耗可以用傳動效率耗，這個損耗可以用傳動效率 來表示，即：來表示，即：cMLLLMLcTTPP輸入功率輸出功率于是得到折算到電動機軸上的負載轉矩：于是得到折算到電動機軸上的負載轉矩：jTTTcLMcLLLLMj傳動機構速比傳動機構速比2.2 2.2 轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩的折算轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩的折算 第25頁/共44頁2

20、6對于直線運動，如下圖卷揚機構所示，對于直線運動，如下圖卷揚機構所示，2.2 2.2 轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩的折算轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩的折算 生產機械的生產機械的負載功率是：負載功率是：vFPL第26頁/共44頁27 反映到電動機軸上的反映到電動機軸上的負載功率是：負載功率是：MLMTP 如電動機拖動生產機械旋轉或運動，如電動機拖動生產機械旋轉或運動，傳動傳動機構中的損耗由電動機承擔，根據功率平衡關機構中的損耗由電動機承擔，根據功率平衡關系，有：系，有：cMLFvTnM602McLnFvT55.92.2 2.2 轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩的折算轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩的折算 第27頁/共4

21、4頁282、轉動慣量和飛輪轉矩的折算、轉動慣量和飛輪轉矩的折算 基本原則：基本原則：動能守恒動能守恒原則。原則。2211LLMZjJjJJJ11Mj LMLj22212122LLMZjGDjGDGDGD2.2 2.2 轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩的折算轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩的折算 JM、J1、JL電機軸、中間軸、生產機械軸上的轉動慣量J1 電機軸與中間軸間長度比jL 電機軸與生產機械間傳動比GDM2、GD12 、 GDL2電機軸、中間軸、生產機械軸上誒論轉矩GDZ2、折算到電機軸上總誒論轉矩第28頁/共44頁29222211MLLMZvmjJjJJJ對于直線運對于直線運動時電機軸動時電機軸上總轉

22、動慣上總轉動慣量：量：總飛輪轉矩總飛輪轉矩2222212122365MLLMZnGvjGDjGDGDGD2.2 2.2 轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩的折算轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩的折算 M 直線運動部件質量 M電機角速度第29頁/共44頁30dtdnGDTTzLM3752 最后將折算后的負載轉矩、飛輪最后將折算后的負載轉矩、飛輪轉矩代入單軸系統(tǒng)的方程式，可得到轉矩代入單軸系統(tǒng)的方程式，可得到多軸系統(tǒng)方程式多軸系統(tǒng)方程式。2.2 2.2 轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩的折算轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩的折算 第30頁/共44頁31例題有一機電傳動系統(tǒng)如圖所示，已知：重物G=10000N，上升速度v=0.6m/

23、s，卷筒直徑d=0.9m，每對齒輪轉速比j1=j2=6，每對齒輪效率1= 2=0.94 ，卷筒效率=0.95 ，滑輪效率=0.96 。試求：（1） 電動機軸上的轉速；（2）負載重物折算到電機軸上的轉矩MGj1j2FVD解（1）卷筒轉速 nL=60（2V）/D =6020.6/(3.140.9)=25.5r/min電機軸轉速nM= nLj1j2=25.566=918r/min（2）卷筒上轉矩TL=Fr/34=(G/2)(D/2)/(0.950.96)=2470.1Nm轉算到電機周上轉矩TLM= TL/j1j2 12 =2470.1/660.940.94 =77.56Nm第31頁/共44頁32 同

24、一軸上的負載轉矩和轉速之間的函數(shù)同一軸上的負載轉矩和轉速之間的函數(shù)關系，稱為生產機械的機械特性。關系，稱為生產機械的機械特性。)(LTfn 恒轉矩型機械特性恒轉矩型機械特性常數(shù)LT常見機械：提升機構、提升機行走機構、皮帶輸送機、技術切削機床反抗轉矩：摩擦.非彈性壓縮.拉伸扭轉等負載轉矩.切削力矩等，阻礙運動方向，與n同向，一四象限；位能轉矩：重力和彈性壓縮、拉伸、扭轉產生，作用方向恒定，與n方向無關，因此有+有-，一二象限；。第32頁/共44頁33離心式通風機、水泵型機離心式通風機、水泵型機械特性械特性2CnTL直線型機械特性直線型機械特性CnTL第33頁/共44頁34恒功率型機械特性：恒功率

25、型機械特性：負載轉矩負載轉矩TL與轉速成與轉速成反比反比nKTL如車床：粗加工切削量大，負載大，選擇低速；精加工切削力小，選擇高速。如此：切削功率基本不變。曲柄連桿機構負載轉矩TL隨轉角變化，破碎機、球磨機負載變化無規(guī)律。第34頁/共44頁35機電傳動系統(tǒng)的穩(wěn)機電傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定運行包含定運行包含兩重含兩重含義：義：一是一是系統(tǒng)應能以一系統(tǒng)應能以一定的速度勻速運轉。定的速度勻速運轉。曲線曲線1代表電動機機代表電動機機械特性，曲線械特性，曲線2代表代表負載機械特性。負載機械特性。第35頁/共44頁36二是二是系統(tǒng)受到系統(tǒng)受到某種外部干擾某種外部干擾而使運行速度而使運行速度稍有變化，應稍有變化，應保

26、證在干擾消保證在干擾消除后系統(tǒng)能恢除后系統(tǒng)能恢復到原來的運復到原來的運行速度。行速度。第36頁/共44頁37充分而必要條件是：充分而必要條件是：1、電動機機械特性曲電動機機械特性曲線線 和生產和生產機械的機械特性曲線機械的機械特性曲線 有有交點交點（平衡點（平衡點A B）。）。)(MTfn )(LTfn LMTT第37頁/共44頁382、當轉速大于平衡當轉速大于平衡點所對應的轉速時，點所對應的轉速時，必須有必須有 當轉速小于平衡當轉速小于平衡點所對應的轉速時，點所對應的轉速時，必須有必須有LMTTLMTT 第38頁/共44頁39 只有滿足只有滿足上述兩個條件上述兩個條件的平衡點，才的平衡點，才是具有恢復到是具有恢復到原平衡狀態(tài)能原平衡狀態(tài)能力而進入穩(wěn)定力而進入穩(wěn)定運行。運行。第39頁/共44頁40所以：所以：a點是