郝用興主編華中科技大學出版社第二版機電傳動控制課件第2章

1、2.1 研究機電傳動系統(tǒng)靜態(tài)與動態(tài)特性的意義研究機電傳動系統(tǒng)靜態(tài)與動態(tài)特性的意義2.2 機電傳動系統(tǒng)的機電傳動系統(tǒng)的動力學方程式動力學方程式2.3 典型生產(chǎn)機械的負載特性典型生產(chǎn)機械的負載特性2.4 負載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩的折算方法負載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩的折算方法2.5 機電傳動系統(tǒng)的過渡過程機電傳動系統(tǒng)的過渡過程2.6 機電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件機電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）和動態(tài)（暫態(tài)）兩種運行狀態(tài)。靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）和動態(tài)（暫態(tài)）兩種運行狀態(tài)。 靜態(tài)是指系統(tǒng)以恒速運轉(zhuǎn)的狀態(tài)，其動態(tài)轉(zhuǎn)矩為零；動態(tài)靜態(tài)是指系統(tǒng)以恒速運轉(zhuǎn)的狀態(tài)，其動態(tài)轉(zhuǎn)矩為零；動態(tài)是指系統(tǒng)的速度處于變化之中的狀

2、態(tài)，存在動態(tài)轉(zhuǎn)矩。是指系統(tǒng)的速度處于變化之中的狀態(tài)，存在動態(tài)轉(zhuǎn)矩。機電傳動系統(tǒng)的靜態(tài)特性是系統(tǒng)靜態(tài)運行時電動機的機電傳動系統(tǒng)的靜態(tài)特性是系統(tǒng)靜態(tài)運行時電動機的電磁轉(zhuǎn)矩和生產(chǎn)機械速度之間的關(guān)系電磁轉(zhuǎn)矩和生產(chǎn)機械速度之間的關(guān)系 ；機電傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性是指系統(tǒng)從一種穩(wěn)定狀機電傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性是指系統(tǒng)從一種穩(wěn)定狀態(tài)變化到另一種穩(wěn)定狀態(tài)時在過渡過程中的特性。態(tài)變化到另一種穩(wěn)定狀態(tài)時在過渡過程中的特性。當機電傳動系統(tǒng)處于啟動、制動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速或當機電傳動系統(tǒng)處于啟動、制動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速或負載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化等運轉(zhuǎn)狀態(tài)時，電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)負載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化等運轉(zhuǎn)狀態(tài)時，電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速就要隨之變化，即系統(tǒng)處于動態(tài)運行

3、。速就要隨之變化，即系統(tǒng)處于動態(tài)運行。 2.1 研究機電傳動系統(tǒng)靜態(tài)與動態(tài)特性的意義研究機電傳動系統(tǒng)靜態(tài)與動態(tài)特性的意義 1.可以分析如何縮短過渡過程的時間，可以分析如何縮短過渡過程的時間，從而提高生產(chǎn)率；從而提高生產(chǎn)率；2.可以研究如何改善機電傳動系統(tǒng)的運行可以研究如何改善機電傳動系統(tǒng)的運行情況，使設(shè)備安全運行情況，使設(shè)備安全運行 研究機電傳動系統(tǒng)靜態(tài)與動態(tài)特性的意義研究機電傳動系統(tǒng)靜態(tài)與動態(tài)特性的意義 2.2 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T： 電動機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩電動機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩TL：生產(chǎn)機械產(chǎn)生的負載轉(zhuǎn)矩生產(chǎn)機械產(chǎn)生的負載轉(zhuǎn)矩 J： 轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)動慣量: 角速度角速

4、度LdTTJdt 2.2.1 單軸機電傳動系統(tǒng)的運動方程 2.2.2單軸機電傳動系統(tǒng)的實用動力學方程 飛輪轉(zhuǎn)矩 是一個整體物理量，量綱為 2375LGD dnTTdt2GD2N m 214GDJg260n 224DJmm2.2.3 動態(tài)轉(zhuǎn)矩動態(tài)轉(zhuǎn)矩 系統(tǒng)處于動態(tài)時，系統(tǒng)中必然存在一個動態(tài)轉(zhuǎn)矩 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平衡方程：即 2375DGD dnTdtDLTTTLDTTT 2.2.4 動力學方程式中符號的約定動力學方程式中符號的約定設(shè)電動機某一轉(zhuǎn)動方向的轉(zhuǎn)速設(shè)電動機某一轉(zhuǎn)動方向的轉(zhuǎn)速n為正，則為正，則在運動方程式中作如下約定：電動機電在運動方程式中作如下約定：電動機電磁轉(zhuǎn)矩磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速n方向一致

5、為正；負載轉(zhuǎn)方向一致為正；負載轉(zhuǎn)矩矩 與轉(zhuǎn)速方向與轉(zhuǎn)速方向n相反為正。相反為正。LT 例例2-1 如圖所示起重機在提升重物，試判斷起重機在啟動和制動時電動機轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩的符號。設(shè)重物提升時電動機旋轉(zhuǎn)的方向n為正方向。與與n方向一致時取正號，方向一致時取正號，與與n方向相反時取正號。方向相反時取正號。符號約定：設(shè)符號約定：設(shè)n為正為正 若若TM與與n符號相同（同為符號相同（同為正或同為負），則表示正或同為負），則表示TM的作的作用方向與用方向與n相同，相同， TM為拖動轉(zhuǎn)為拖動轉(zhuǎn)矩；如左圖矩；如左圖a中的中的TM 若若TM與與n符號相反，則表符號相反，則表示示T的作用方向與的作用方向與n相反，

6、相反，TM為為制動轉(zhuǎn)矩；如左圖制動轉(zhuǎn)矩；如左圖b中的中的TM 若若TL與與n符號相同（同為正符號相同（同為正或同為負），則表示或同為負），則表示TL的作用的作用方向與方向與n相反，相反，TL為制動轉(zhuǎn)矩；為制動轉(zhuǎn)矩；如左圖如左圖a,b中的中的TL 若若TL與與n符號相反，則表示符號相反，則表示TL的作用方向與的作用方向與n相同，相同，TL為拖為拖動轉(zhuǎn)矩。如下放重物時的動轉(zhuǎn)矩。如下放重物時的TL2.3 典型生產(chǎn)機械的負載特性典型生產(chǎn)機械的負載特性2.3.1 2.3.1 恒轉(zhuǎn)矩型負載的機械特性恒轉(zhuǎn)矩型負載的機械特性 1. 1. 反抗轉(zhuǎn)矩負載反抗轉(zhuǎn)矩負載反抗轉(zhuǎn)矩也稱摩擦轉(zhuǎn)矩，這類負載的轉(zhuǎn)矩大小不變，但

7、反抗轉(zhuǎn)矩也稱摩擦轉(zhuǎn)矩，這類負載的轉(zhuǎn)矩大小不變，但方向恒與運動方向相反，總是阻礙系統(tǒng)的運動。方向恒與運動方向相反，總是阻礙系統(tǒng)的運動。 一般將電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系稱為一般將電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系稱為生產(chǎn)機械的機械特性（負載特性）。生產(chǎn)機械的機械特性（負載特性）。 2 2位能轉(zhuǎn)矩負載位能轉(zhuǎn)矩負載 這類負載的大小不變，作用方向與運動方向無關(guān)。這類負載的大小不變，作用方向與運動方向無關(guān)。 起重機的提升機構(gòu)、礦井提升機構(gòu)起重機的提升機構(gòu)、礦井提升機構(gòu) 2.3.2 2.3.2 通風機型負載的機械特性通風機型負載的機械特性 這類負載轉(zhuǎn)矩的大小與速度的平方成正比，這類負載

8、轉(zhuǎn)矩的大小與速度的平方成正比，即即 2LTCn圖2-4 離心機型負載的機械特性 2.3.3 恒功率型負載的機械特性恒功率型負載的機械特性 這類負載轉(zhuǎn)矩的大小與轉(zhuǎn)速成反比， 即 LKTn 圖2-5恒功率型負載的機械特性 2.4 轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩的折算轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩的折算折算方法折算方法：折算到電動機軸上。：折算到電動機軸上。轉(zhuǎn)換原則轉(zhuǎn)換原則：折算前后能量關(guān)系或功率關(guān)系上保持不變。：折算前后能量關(guān)系或功率關(guān)系上保持不變。 2.4.1 負載轉(zhuǎn)矩的折算負載轉(zhuǎn)矩的折算 由于負載轉(zhuǎn)矩是靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，可以根據(jù)功率守恒原則進行折算。LLLLcMcTTTj1、旋轉(zhuǎn)運動、旋轉(zhuǎn)運動生產(chǎn)機械的負載功率生

9、產(chǎn)機械的負載功率PL1電動機軸上的負載功率電動機軸上的負載功率PM傳動效率由電機承擔，則傳動效率由電機承擔，則折算到電動機軸上的負載轉(zhuǎn)折算到電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩矩TL1111/,LLLMLMLMLMLLPTPTPPTTjj2、直線運動、直線運動生產(chǎn)機械的負載功率生產(chǎn)機械的負載功率PL1電動機軸上的負載功率電動機軸上的負載功率PM若傳動效率由電機承擔，則若傳動效率由電機承擔，則折算到電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩折算到電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩TL112/,609.55LMLMMLMMLMPF vPTnPPF vTn2.4.2 轉(zhuǎn)動慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩的折算轉(zhuǎn)動慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩的折算1.旋轉(zhuǎn)運動 折算到電動機軸上的總的

10、轉(zhuǎn)動慣量為： 1221LZMLJJJJjj22221221LZMLGDGDGDGDjj折算到電動機軸上的總的飛輪轉(zhuǎn)矩為 在實際工程中為了計算方便，多用適當加大電動機軸在實際工程中為了計算方便，多用適當加大電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量上的轉(zhuǎn)動慣量 或飛輪轉(zhuǎn)矩或飛輪轉(zhuǎn)矩 的方法來考慮中的方法來考慮中間傳動機構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量或飛輪轉(zhuǎn)矩的影響，于是有：間傳動機構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量或飛輪轉(zhuǎn)矩的影響，于是有： MJ2MGD2LZMLJJJj2222LZMLGDGDGDj221.151.25ZMZMJJGDGD實用公式實用公式: 2.直線運動 折算到電動機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量或總飛輪轉(zhuǎn)矩分別為： 212221LZMLMJJvJJm

11、jj2222212221365LZMLGDGDGvGDGDjjn214GDJg260n 多軸拖動系統(tǒng)的運動方程式： 2375ZLGD dnTTdt 當機電傳動系統(tǒng)中電動機的電磁轉(zhuǎn)矩或負當機電傳動系統(tǒng)中電動機的電磁轉(zhuǎn)矩或負載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時，系統(tǒng)就要從一個穩(wěn)定的運載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時，系統(tǒng)就要從一個穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)狀態(tài)變化到另一個穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，這個變轉(zhuǎn)狀態(tài)變化到另一個穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，這個變化過程稱為過渡過程。電動機在啟動、制動、化過程稱為過渡過程。電動機在啟動、制動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速或負載突變等情況下，都將經(jīng)歷過反轉(zhuǎn)、調(diào)速或負載突變等情況下，都將經(jīng)歷過渡過程。渡過程。2.5 2.5 機電傳動系統(tǒng)的過渡過程機電傳

12、動系統(tǒng)的過渡過程2.5.1 2.5.1 機電傳動系統(tǒng)的過渡過程時機電傳動系統(tǒng)的過渡過程時間間1221()375375snzzsnDDGDGDdntnnTT 可知，機電傳動系統(tǒng)的過渡過程時間與可知，機電傳動系統(tǒng)的過渡過程時間與飛輪轉(zhuǎn)矩和動態(tài)轉(zhuǎn)矩有關(guān)。飛輪轉(zhuǎn)矩和動態(tài)轉(zhuǎn)矩有關(guān)。2( )375zDGD dnd tT2375ZLGD dnTTdt 轉(zhuǎn)速、電樞電流、轉(zhuǎn)矩都是按指數(shù)規(guī)轉(zhuǎn)速、電樞電流、轉(zhuǎn)矩都是按指數(shù)規(guī)律變化的。而機電時間常數(shù)與轉(zhuǎn)動慣律變化的。而機電時間常數(shù)與轉(zhuǎn)動慣量、電阻及磁通等物理量有關(guān)。量、電阻及磁通等物理量有關(guān)。()mtsstsnnnn e22375memNGD RK K對于直流他勵電動

13、機 ()mtLstLTTTT e()mtaLstLIIIIe2.5.2 機電傳動系統(tǒng)中的慣性機電傳動系統(tǒng)中的慣性 機電傳動系統(tǒng)之所以產(chǎn)生過渡過程，機電傳動系統(tǒng)之所以產(chǎn)生過渡過程，是因為存在各種慣性：是因為存在各種慣性： （1）機械慣性：它反映在轉(zhuǎn)動慣量和飛輪轉(zhuǎn)）機械慣性：它反映在轉(zhuǎn)動慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩上，使轉(zhuǎn)速矩上，使轉(zhuǎn)速 不能突變。不能突變。 （2）電磁慣性：它反映在電感上，分別使電）電磁慣性：它反映在電感上，分別使電樞電流和勵磁磁通不能突變。樞電流和勵磁磁通不能突變。 （3）熱慣性：它反映在溫度上，使溫度不能）熱慣性：它反映在溫度上，使溫度不能突變。突變。 （1）機械慣性：轉(zhuǎn)動慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩

14、（2）電磁慣性：電感 （3）熱慣性：溫度 機電傳動系統(tǒng)中只需考慮機械慣性，即在過渡過程中只有轉(zhuǎn)速是不能突變的，而電樞電流和轉(zhuǎn)矩都可以突變。 在整個機電過渡過程中，這三種慣性在系統(tǒng)中在整個機電過渡過程中，這三種慣性在系統(tǒng)中雖然會互相影響，如，電機發(fā)熱時，電阻會變雖然會互相影響，如，電機發(fā)熱時，電阻會變化，從而引起電流和磁通的變化。但是由于熱化，從而引起電流和磁通的變化。但是由于熱慣性較大，溫度變化較慢，一般可不予考慮；慣性較大，溫度變化較慢，一般可不予考慮；在有些情況下，電機中不串接電感，電磁慣性在有些情況下，電機中不串接電感，電磁慣性影響也不大。因此，機電傳動系統(tǒng)中只需考慮影響也不大。因此，機

15、電傳動系統(tǒng)中只需考慮機械慣性，即在過渡過程中只有轉(zhuǎn)速是不能突機械慣性，即在過渡過程中只有轉(zhuǎn)速是不能突變的，而電樞電流和轉(zhuǎn)矩都可以突變。變的，而電樞電流和轉(zhuǎn)矩都可以突變。 1減少飛輪轉(zhuǎn)矩 2加大動態(tài)轉(zhuǎn)矩2.5.3 2.5.3 加快過渡過程的方法加快過渡過程的方法 2.6 2.6 機電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件機電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件 系統(tǒng)的穩(wěn)定運行包含兩重含義：系統(tǒng)的穩(wěn)定運行包含兩重含義： 一是系統(tǒng)能以一定的速度勻速運轉(zhuǎn)；一是系統(tǒng)能以一定的速度勻速運轉(zhuǎn)； 二是系統(tǒng)受到某種外部干擾（如電壓波動、負載二是系統(tǒng)受到某種外部干擾（如電壓波動、負載轉(zhuǎn)矩波動等）后，速度稍有變化，會離開平衡位轉(zhuǎn)矩波動等）后，速

16、度稍有變化，會離開平衡位置，但在新的條件下可達到新平衡；或在干擾消置，但在新的條件下可達到新平衡；或在干擾消除后系統(tǒng)能恢復到原來的運行速度。除后系統(tǒng)能恢復到原來的運行速度。 判斷系統(tǒng)穩(wěn)定運行點的條件是：判斷系統(tǒng)穩(wěn)定運行點的條件是： A.A.電動機的機械特性曲線與生產(chǎn)機械的機械特性曲線電動機的機械特性曲線與生產(chǎn)機械的機械特性曲線有交點；即電動機軸上的拖動轉(zhuǎn)矩和折算到電動機軸有交點；即電動機軸上的拖動轉(zhuǎn)矩和折算到電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩大小相等，方向相反，相互平衡。上的負載轉(zhuǎn)矩大小相等，方向相反，相互平衡。 B.B.當轉(zhuǎn)速大于平衡點對應(yīng)的轉(zhuǎn)速時，有：當轉(zhuǎn)速大于平衡點對應(yīng)的轉(zhuǎn)速時，有： 當轉(zhuǎn)速小于平衡點對應(yīng)的轉(zhuǎn)速時，有當轉(zhuǎn)速小于平衡點對應(yīng)的轉(zhuǎn)速時，有 。 只有滿足上述兩個條件的平衡點，才是拖動系統(tǒng)的穩(wěn)只有滿足上述兩個條件的平衡點，才是拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定平衡點，即只有這樣的特性配合，系統(tǒng)在受到外界定平衡點，即只有這樣的特性配合，