《机电传动控制》PPT课件.ppt
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1、机电传动及控制机电传动及控制第第1章章 绪论绪论n n一、机电传动的特点 n n二、机电传动系统发展概况n n三、本课程的内容及安排一、机电传动的特点一、机电传动的特点 n n1、什么是机电传动?传动,运动的传递(能量)运动的传递(能量)机械传动 液压与气动 机电传动。一、机电传动的特点一、机电传动的特点n n2、机电传动:以电动机为原动机驱动生产机械的传动系统以电动机为原动机驱动生产机械的传动系统电能转变成机械能的传动系统电能转变成机械能的传动系统.也称为电力传动或也称为电力传动或电力拖动电力拖动一、机电传动的特点一、机电传动的特点n n3、机电传动控制:机电传动系统不仅完成能量转换的工作还
2、要对传动过程进行控制。更高的自动化程度和更高的精度。一、机电传动的特点一、机电传动的特点n n4、机电传动控制的任务:将电能转换为机械能将电能转换为机械能将电能转换为机械能将电能转换为机械能实现生产机械的启动、停止以及速度的调节实现生产机械的启动、停止以及速度的调节实现生产机械的启动、停止以及速度的调节实现生产机械的启动、停止以及速度的调节完成各种生产工艺过程的要求完成各种生产工艺过程的要求完成各种生产工艺过程的要求完成各种生产工艺过程的要求保证生产过程的正常进行。保证生产过程的正常进行。保证生产过程的正常进行。保证生产过程的正常进行。一、机电传动的特点一、机电传动的特点l随着生产工艺的发展,
3、对机电传动控制系统的要随着生产工艺的发展,对机电传动控制系统的要随着生产工艺的发展,对机电传动控制系统的要随着生产工艺的发展,对机电传动控制系统的要求愈来愈高。求愈来愈高。求愈来愈高。求愈来愈高。电梯和提升机电梯和提升机电梯和提升机电梯和提升机,要求启动和制动平稳,并能准确,要求启动和制动平稳,并能准确,要求启动和制动平稳,并能准确,要求启动和制动平稳,并能准确地停止在给定的位置上;地停止在给定的位置上;地停止在给定的位置上;地停止在给定的位置上;重型镗床重型镗床重型镗床重型镗床为保证加工精度和粗糙度,要求在极慢为保证加工精度和粗糙度,要求在极慢为保证加工精度和粗糙度,要求在极慢为保证加工精度
4、和粗糙度,要求在极慢的稳速下进给,即要求系统有很宽的调速范围;的稳速下进给,即要求系统有很宽的调速范围;的稳速下进给,即要求系统有很宽的调速范围;的稳速下进给,即要求系统有很宽的调速范围;为了提高效率,由数台或十几台设备组成的为了提高效率,由数台或十几台设备组成的为了提高效率,由数台或十几台设备组成的为了提高效率,由数台或十几台设备组成的生产生产生产生产自动线自动线自动线自动线,要求统一控制或管理。,要求统一控制或管理。,要求统一控制或管理。,要求统一控制或管理。l都要靠电动机及其控制系统来实现。都要靠电动机及其控制系统来实现。都要靠电动机及其控制系统来实现。都要靠电动机及其控制系统来实现。机
5、电传动控制的任务机电传动控制的任务机电传动控制的任务机电传动控制的任务一、机电传动的特点一、机电传动的特点n n5、机电传动系统构成:电动机。产生原动力生产机械。拖动对象传动机构。传递机械能电气控制设备。控制电动机运转电源。对电动机和电气控制设备供电一、机电传动的特点一、机电传动的特点n n它们之间的关系可表示为自控设自控设备备电动机电动机传动机构传动机构生产机械生产机械电源电源5 5、机电传动系统构成、机电传动系统构成、机电传动系统构成、机电传动系统构成一、机电传动的特点一、机电传动的特点一、机电传动的特点一、机电传动的特点n n6、电力拖动的特点效率高。与蒸气、水力等相比效率高。与蒸气、水
6、力等相比电动机的种类、型号多,具有各种各样的运电动机的种类、型号多,具有各种各样的运行特性行特性 电机拖动具有良好的调速性能。起动、制动、电机拖动具有良好的调速性能。起动、制动、反向和调速等控制简便,快速性好反向和调速等控制简便,快速性好电机拖动装置参数的检测、信号的变换与传电机拖动装置参数的检测、信号的变换与传递都比较方便,易于组成完善的反馈系统,递都比较方便,易于组成完善的反馈系统,实现最优控制。实现最优控制。二、机电传动系统发展概况二、机电传动系统发展概况 n n电动机电动机作为动力设备,已广泛应用于机械行业的电动机作为动力设备,已广泛应用于机械行业的工作母机,冶金行业的高炉、转炉、平炉
7、和轧钢工作母机,冶金行业的高炉、转炉、平炉和轧钢机,交通运输行业中的电车、电力机车,各类企机,交通运输行业中的电车、电力机车,各类企业中的鼓风、起吊、运输传送,农业中的电力排业中的鼓风、起吊、运输传送,农业中的电力排灌、以及医疗器械、家用电器等各行各业,大至灌、以及医疗器械、家用电器等各行各业,大至冶金企业使用的高达上万千瓦的电动机,小至小冶金企业使用的高达上万千瓦的电动机,小至小功率电动机、乃至几瓦的微电动机。功率电动机、乃至几瓦的微电动机。在各类动力机械中,电动机的容量已超过总容量在各类动力机械中,电动机的容量已超过总容量的的60%60%。二、机电传动系统发展概况二、机电传动系统发展概况
8、根据应用场合的要求和电源的不同,电动机有直流电动机、交流同步电动机、交流感应电动机,以及满足不同需求的特种电动机。20世纪70年代以后,由于大功率电力电子器件、微电子器件、变频技术以及计算机技术取得的一系列进展,还研制出多种调速性能优良、效率较高、能满足不同要求的交流电动机调速系统,和由变频器供电的一体化电机。二、机电传动系统发展概况二、机电传动系统发展概况 u电动机电动机就信号转换功能的控制电机而言,大体上有测速电机、伺服电机、旋转变压器和自整角机等几种,这些电机主要用于自动控制系统中作为检测、执行、随动和解算元件,例如机床加工的自动控制,舰船方向舵的自动控制,大炮和雷达的自动定位,飞机的飞
9、行控制,计算机、自动记录仪表运行的控制等。这类电机通常为微型电机,对精度和快速响应的要求较高。二、机电传动系统发展概况二、机电传动系统发展概况 u电动机电动机电机的分析电机的分析步骤步骤(1)电机内部物理情况的分析电机内部物理情况的分析运动方程是磁动势方程运动方程是磁动势方程(磁链方程磁链方程)、电压方程和、电压方程和转矩方程的总称。导出运动方程就是把电机内所发生转矩方程的总称。导出运动方程就是把电机内所发生的电磁过程、机电过程和动力学过程,利用电磁学和的电磁过程、机电过程和动力学过程,利用电磁学和动力学的基本定律,用数学方程的形式将其表达出来,动力学的基本定律,用数学方程的形式将其表达出来,
10、这是第二步。这一步也称为这是第二步。这一步也称为“建立数学模型建立数学模型”。首先是弄清电机的基本结构和主要部件的功能,首先是弄清电机的基本结构和主要部件的功能,再根据电机的磁路和电路,分析空载和负载时电机内再根据电机的磁路和电路,分析空载和负载时电机内部的磁场,初步弄清这种电机的工作原理,这是第一部的磁场,初步弄清这种电机的工作原理,这是第一步。这一步实质上就是步。这一步实质上就是“建立物理模型建立物理模型”。(2)导出电机的运动方程导出电机的运动方程二、机电传动系统发展概况二、机电传动系统发展概况 u电动机电动机(3)求解运动方程求解运动方程根据运动方程和求解问题的性质根据运动方程和求解问
11、题的性质(是稳态还是是稳态还是瞬态,是对称还是不对称运行等等瞬态,是对称还是不对称运行等等),选择运动方,选择运动方程的解法,求出解析解或数值解。程的解法,求出解析解或数值解。(4)结果分析结果分析通过对解答的分析,确定所需的运行性能通过对解答的分析,确定所需的运行性能(特特性性)和主要运行数据,如过载能力、稳定性、效率、和主要运行数据,如过载能力、稳定性、效率、电压变化率、速度变化率等,以满足解决某一问题电压变化率、速度变化率等,以满足解决某一问题的需要。的需要。电机的分析电机的分析步骤步骤二、机电传动系统发展概况二、机电传动系统发展概况 u电动机电动机二、机电传动系统发展概况二、机电传动系
12、统发展概况 n n1、传动方式经历了三个阶段:成组拖动单机拖动多电机拖动二、机电传动系统发展概况二、机电传动系统发展概况l传动方式传动方式成组拖动:一台电动机带动一根天轴,再由天轴成组拖动:一台电动机带动一根天轴,再由天轴通过带轮和传动带分别拖动各生产机械。特点:通过带轮和传动带分别拖动各生产机械。特点:效率低,故障影响广。效率低,故障影响广。单机拖动:一台电动机拖动一个机械。特点:如单机拖动:一台电动机拖动一个机械。特点:如果动力部件较多时,机械传动机构复杂。果动力部件较多时,机械传动机构复杂。多电机拖动:一台生产机械的每一运动部件专门多电机拖动:一台生产机械的每一运动部件专门由一台电动机拖
13、动。特点:简化生产机械的传动由一台电动机拖动。特点:简化生产机械的传动机构,控制灵活,容易实现自动化。机构,控制灵活,容易实现自动化。1 1 传动方式经历了三个阶段传动方式经历了三个阶段传动方式经历了三个阶段传动方式经历了三个阶段二、机电传动系统发展概况二、机电传动系统发展概况n n2、控制方式的发展因素因素:控制器件的发展,功率器件、放大器控制器件的发展,功率器件、放大器件件控制方式由控制方式由手动控制手动控制逐步向逐步向自动控制方向自动控制方向发发展。展。二、机电传动系统发展概况二、机电传动系统发展概况l l继电继电-接触器式控制接触器式控制 应用最早的控制系统。由各种有触点的接触器、应用
14、最早的控制系统。由各种有触点的接触器、应用最早的控制系统。由各种有触点的接触器、应用最早的控制系统。由各种有触点的接触器、继电器、按钮、行程开关等组成的控制电路,来继电器、按钮、行程开关等组成的控制电路,来继电器、按钮、行程开关等组成的控制电路,来继电器、按钮、行程开关等组成的控制电路,来实现对电力拖动系统的起动、制动、反转和调速实现对电力拖动系统的起动、制动、反转和调速实现对电力拖动系统的起动、制动、反转和调速实现对电力拖动系统的起动、制动、反转和调速的控制;实现对电力拖动系统的保护和生产过程的控制;实现对电力拖动系统的保护和生产过程的控制;实现对电力拖动系统的保护和生产过程的控制;实现对电
15、力拖动系统的保护和生产过程的自动化。的自动化。的自动化。的自动化。这种控制具有使用的单一性,而且控制的输入、这种控制具有使用的单一性,而且控制的输入、这种控制具有使用的单一性,而且控制的输入、这种控制具有使用的单一性,而且控制的输入、输出信号只有通和断两种状态,不能连续反映信输出信号只有通和断两种状态,不能连续反映信输出信号只有通和断两种状态,不能连续反映信输出信号只有通和断两种状态,不能连续反映信号的变化,故称为断续控制。号的变化,故称为断续控制。号的变化,故称为断续控制。号的变化,故称为断续控制。2 2、控制方式的发展、控制方式的发展、控制方式的发展、控制方式的发展二、机电传动系统发展概况
16、二、机电传动系统发展概况n n连续控制系统连续控制系统:例晶闸管控制系统获得越来越广泛的:例晶闸管控制系统获得越来越广泛的应用。应用。n n可编程序控制器可编程序控制器:用软件手段来实现各种控制功能以:用软件手段来实现各种控制功能以微处理器为核心的工业控制器。微处理器为核心的工业控制器。2020世纪世纪7070年代。年代。n n随着电力电子技术、大规模集成电路和计算机控制技随着电力电子技术、大规模集成电路和计算机控制技术的发展以及现代控制理论的应用,自动化电力拖动术的发展以及现代控制理论的应用,自动化电力拖动正向着正向着计算机控制计算机控制的生产过程自动化的方向迈进。的生产过程自动化的方向迈进
17、。n n对电力拖动提出更高要求:高速、高精度、高效率、对电力拖动提出更高要求:高速、高精度、高效率、快速起动、制动和反转、调速范围广等。快速起动、制动和反转、调速范围广等。2 2、控制方式的发展、控制方式的发展、控制方式的发展、控制方式的发展二、机电传动系统发展概况二、机电传动系统发展概况2 2、控制方式的发展、控制方式的发展、控制方式的发展、控制方式的发展二、机电传动系统发展概况二、机电传动系统发展概况n n尽管机电控制系统已向无触点、连续控制、弱电化、计算机机控制方向发展,但由于继电-接触器控制系统具有结构简单、可靠性高、维护方便、价格低廉等优点,目前仍然广泛应用。2 2、控制方式的发展、
18、控制方式的发展、控制方式的发展、控制方式的发展三、本课程的内容及安排三、本课程的内容及安排n n内容主要包括:机电传动系统的动力学基础机电传动系统的动力学基础直流电动机直流电动机交流电动机交流电动机步进电机步进电机机电传动中电动机的选择机电传动中电动机的选择直流自动调速系统等直流自动调速系统等三、本课程的内容及安排三、本课程的内容及安排n n考查方式第第2 2章章 机电传动系统动力学基础机电传动系统动力学基础n n本章内容:n n一 机电传动系统的动力学方程n n二 负载转矩和惯量的折算n n三 负载的机械特性n n四 机电传动系统稳定运行的条件一一一一 机电传动系统的动力学方程机电传动系统的
19、动力学方程机电传动系统的动力学方程机电传动系统的动力学方程电动机电动机(M)生产机械生产机械TLTMM+T TL LM单轴拖动系统单轴拖动系统一一一一 机电传动系统的动力学方程机电传动系统的动力学方程机电传动系统的动力学方程机电传动系统的动力学方程n n单轴单轴(单级单级)机电传动系统的运动方程机电传动系统的运动方程n n由牛顿第二定律由牛顿第二定律T TM M-电动机转矩电动机转矩T TL L-负载转矩负载转矩GDGD2 2-飞轮矩飞轮矩n-n-转速转速t-t-时间时间uu 为角速度为角速度为角速度为角速度n nGD2=4Jn nGD2是一个整体,不是是一个整体,不是G与与D2 的乘积,的乘
20、积,GD2 由产品样本或机械手册上查出。由产品样本或机械手册上查出。GDGD2 2 中的中的 D 为回转直径,不是实际直径。为回转直径,不是实际直径。一一 机电传动系统的动力学方程机电传动系统的动力学方程n nTM和TL是两个互不关联的主动量。其相互作用的结果决定了系统的运动状态,如加速、匀速、减速一一一一 机电传动系统的动力学方程机电传动系统的动力学方程机电传动系统的动力学方程机电传动系统的动力学方程n n动态转矩 恒速恒速(静态转矩)(静态转矩)正值正值 加速(动态转矩)加速(动态转矩)负值负值 减速(动态转矩)减速(动态转矩)各量表示法各量表示法上述各量可用轴的剖面图或直角坐标系来表示上
21、述各量可用轴的剖面图或直角坐标系来表示一一一一 机电传动系统的动力学方程机电传动系统的动力学方程机电传动系统的动力学方程机电传动系统的动力学方程n nT TMM与与n n同向为正向同向为正向 T TL L与与n n相反为正向相反为正向启动时启动时制动时制动时拖动矩拖动矩(TM、n同向)同向)制动矩制动矩(TM、n反向)反向)一一一一 机电传动系统的动力学方程机电传动系统的动力学方程机电传动系统的动力学方程机电传动系统的动力学方程n n例例2-12-11.列出系统的运动方程式;列出系统的运动方程式;2.说明系统运行的状态。说明系统运行的状态。拖动拖动转矩转矩制动矩制动矩拖动拖动转矩转矩制动矩制动
22、矩解:解:加速运行状态加速运行状态 减速减速二二 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算n n多轴机电传动系统多轴机电传动系统多轴机电传动系统多轴机电传动系统n n通常采用折算的方法,将所有轴的转矩和转动惯通常采用折算的方法,将所有轴的转矩和转动惯通常采用折算的方法,将所有轴的转矩和转动惯通常采用折算的方法,将所有轴的转矩和转动惯量折算到同一根轴上量折算到同一根轴上量折算到同一根轴上量折算到同一根轴上n TM-电动机电动机负载负载多轴传动系统多轴传动系统TL L 以电动机轴为折算对象,需要折算的参量为:工作机构转矩,系以电动机轴为折算对象,需要折算的参量为:工作机构转矩,
23、系统中各轴(除电动机轴外)的转动惯量。对于某些作直线运动的工统中各轴(除电动机轴外)的转动惯量。对于某些作直线运动的工作机构,还必须把进行直线运动的质量及运动所需克服的阻力折算作机构,还必须把进行直线运动的质量及运动所需克服的阻力折算到电动机轴上去到电动机轴上去 等效折算图等效折算图传动图传动图二二二二 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算1 1、负载转矩的折算、负载转矩的折算依据系统传递功率不变的原则依据系统传递功率不变的原则多轴旋转多轴旋转拖动系统拖动系统实际负载功率实际负载功率=折算后的负载功率折算后的负
24、载功率速比速比传动效率传动效率n n考虑到传动机构在传递功率的过程中有损耗,这考虑到传动机构在传递功率的过程中有损耗,这个损耗可以用传动效率个损耗可以用传动效率 表示。表示。二、转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算二、转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算二、转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算二、转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算多轴直线多轴直线运动系统运动系统n2 2、工作机构直线作用力的折算、工作机构直线作用力的折算(下放重物)(下放重物)二二、转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算、转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算、转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算、转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算3 3、转动惯量和飞轮转矩的折算、转动惯量
25、和飞轮转矩的折算n n依据动能守恒原则,折算到电机轴上的总转动惯量为依据动能守恒原则,折算到电机轴上的总转动惯量为电机轴、中间轴、负载轴上的转动惯量;电机轴、中间轴、负载轴上的转动惯量;电动机轴与中间传动轴之间的速比;电动机轴与中间传动轴之间的速比;电机轴与负载轴之间的速度比;电机轴与负载轴之间的速度比;电机轴、中间轴、负载轴上的角速度电机轴、中间轴、负载轴上的角速度中间轴、电机轴上的齿数。中间轴、电机轴上的齿数。(旋转型)(旋转型)二二二二 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算n n3 3、转动惯量和飞轮转矩
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