《机电传动控制》讲义

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1、机电传动控制机电传动控制彭健重庆工商大学机械与包装工程学院20062007学年第二学期本课程为机械类专业的电气类课程本课程为机械类专业的电气类课程（3）强电部分：强电部分：设备驱动和控制。设备驱动和控制。（1）设备组成：设备组成：机械部分、电气部分。机械部分、电气部分。（2）电气部分：电气部分：强电部分、弱电部分。强电部分、弱电部分。课程内容定位课程内容定位本课程重点研究设备驱动与控制本课程重点研究设备驱动与控制本课程的主要内容本课程的主要内容v电机与拖动基础知识；电机与拖动基础知识；v机电传动控制技术机电传动控制技术机电传动控制中继电器机电传动控制中继电器-接触器控制接触器控制交直流调速控制

2、交直流调速控制伺服驱动控制伺服驱动控制步进电机控制步进电机控制学习任务学习任务v掌握电机、电气传动和电机控制的基本原理掌握电机、电气传动和电机控制的基本原理和方法。和方法。v认识设备与电气元件，了解其工作原理及作认识设备与电气元件，了解其工作原理及作用，以及图形表达方法等。用，以及图形表达方法等。v初步掌握机电传动系统的分析、设计方法。初步掌握机电传动系统的分析、设计方法。v能运用所学的知识去分析解决机电工程中的能运用所学的知识去分析解决机电工程中的相关问题。相关问题。考试方式与成绩评定v100分制，期末考试、实验与平时成绩考查分制，期末考试、实验与平时成绩考查相结合，比例为相结合，比例为70

3、：30。第一章第一章 机电传动控制机电传动控制概论概论 第一节第一节 概述概述 v一、什么是机电传动控制一、什么是机电传动控制机电传动又叫机电传动又叫电气传动电气传动、电力传动电力传动或或电力拖动电力拖动是指以电动机为原动机，将电能转变为机械能的是指以电动机为原动机，将电能转变为机械能的传动技术传动技术机电传动控制就是实现对机械运动的电气控制和机电传动控制就是实现对机械运动的电气控制和调节。调节。现代机电设备和装置一般由现代机电设备和装置一般由工作机构工作机构、传动机构传动机构、原动机原动机和和自动控制系统自动控制系统四个主要部分组成。四个主要部分组成。原动机原动机（电动机）（电动机）传动机构

4、传动机构工作机构工作机构自动控制系统自动控制系统（电子、电气控制）（电子、电气控制）机电传动机电传动机电传动控制机电传动控制机电系统机电系统工作机构工作机构v最终完成系统所承担的工作任务，如机床的加工机构，最终完成系统所承担的工作任务，如机床的加工机构，汽车行驶机构等。汽车行驶机构等。传动机构传动机构v把运动和动力传递到工作机构，如齿轮减速器等。把运动和动力传递到工作机构，如齿轮减速器等。原动机原动机v产生将其他能量转换为机械能，产生动力，如电动机、产生将其他能量转换为机械能，产生动力，如电动机、汽油机等。汽油机等。v机电传动系统主要以电动机为原动机。机电传动系统主要以电动机为原动机。控制系统

5、控制系统v控制工作机构的运动，使之按预先设计的规律运动，控制工作机构的运动，使之按预先设计的规律运动，并完成工作任务。并完成工作任务。v机电传动控制主要研究对电动机的控制。机电传动控制主要研究对电动机的控制。v二、为什么要用机电传动？二、为什么要用机电传动？电气控制系统和机电传动系统能比较方便地集成电气控制系统和机电传动系统能比较方便地集成v能充分发挥电子设备的信息处理能力，实现复杂的控能充分发挥电子设备的信息处理能力，实现复杂的控制功能。制功能。v要想很好地使用电子和电气设备进行自动控制必须使要想很好地使用电子和电气设备进行自动控制必须使用机电传动系统。用机电传动系统。机电传动控制系统是机电

6、一体化系统的核心机电传动控制系统是机电一体化系统的核心机电传动系统体积较小，结构简单，配置布署方机电传动系统体积较小，结构简单，配置布署方便；便；传动效率高，节省能源，清洁、不污染环境；传动效率高，节省能源，清洁、不污染环境；机电传动系统能适应高精度、高转速、高负载等机电传动系统能适应高精度、高转速、高负载等的应用要求，应用范围广。的应用要求，应用范围广。各种传动方式的比较各种传动方式的比较类类 型型操作操作力力动作快动作快慢慢环境要求环境要求构造构造负载变化负载变化影响影响操作距离操作距离无级无级调调速速工作寿工作寿命命维护维护体体积积气压传动气压传动小小中中较快较快适应性好适应性好简单简单

7、较较 大大中距离中距离较好较好长长一般一般中中等等液压传动液压传动中中极极大大较慢较慢不怕振动不怕振动复杂复杂有一些有一些短距离短距离良好良好一般一般要求高要求高较较大大电电传传动动电电气气小小大大快快要求高要求高稍复杂稍复杂几乎没有几乎没有远距离远距离良好良好较短较短要求较要求较高高较较小小电电子子最小最小最快最快要求特高要求特高最复杂最复杂没有没有远距离远距离良好良好短短要求更要求更高高小小机械传动机械传动小小大大一般一般一般一般一般一般没有没有短距离短距离较困较困难难一般一般简单简单大大项目项目气动气动液压液压电传动电传动机械机械驱动力调整驱动力调整容易容易容易容易困难困难困难困难速度调

8、整速度调整容易容易很容易很容易稍困难稍困难困难困难速度稳定性速度稳定性较差，需采取专门较差，需采取专门措施措施良好良好次于液压，优于气动次于液压，优于气动很好很好控制精度控制精度较差较差高高一般一般一般一般控制距离控制距离中短中短短短不限不限短短过载保护过载保护容易容易较容易，过载会较容易，过载会引起油温升高，引起油温升高，功耗大功耗大长期过载会烧毁电动机长期过载会烧毁电动机稍困难稍困难传动系统效率传动系统效率30%30%70%70%90%90%90%90%左右左右传输时能量损失传输时能量损失较小较小较大较大小小小小防爆性防爆性好好用非可燃油才能用非可燃油才能防火防火应采取措施，但成本高应采取

9、措施，但成本高好好防尘性防尘性好好要防止油被污染要防止油被污染灰尘对性能有影响灰尘对性能有影响防湿性防湿性应排除冷凝水应排除冷凝水小小要特殊保护措施要特殊保护措施小小抗震性抗震性一般一般一般一般差差一般一般抗磁性抗磁性好好好好可能引起误操作可能引起误操作抗腐蚀性抗腐蚀性较好较好好好差差较差较差温度影响温度影响小小中中大大小小对环境污染对环境污染对空气污染小，要对空气污染小，要防止噪声防止噪声要防漏油和噪声要防漏油和噪声污染小，要防噪声污染小，要防噪声要防噪声要防噪声寿命寿命长长较长较长电器控制低于气动，电电器控制低于气动，电子控制最长子控制最长长长价格价格便宜便宜较贵较贵电器控制便宜，电子控电

10、器控制便宜，电子控制较贵制较贵一般一般v三、机电传动的应用领域三、机电传动的应用领域 广泛应用于工农业生产、航天航空、交通运输、广泛应用于工农业生产、航天航空、交通运输、日常生活等方面日常生活等方面控制控制减速器减速器电动机电动机织布机织布机普通机床普通机床电力机车电力机车飞机飞机装甲车辆装甲车辆电梯电梯家电家电v四、机电传动及控制的发展史四、机电传动及控制的发展史三条主线：电机，电气、电子技术，信息技术三条主线：电机，电气、电子技术，信息技术电机：电机：v1820年，丹麦著名物理学家奥斯特发现了电流的磁效年，丹麦著名物理学家奥斯特发现了电流的磁效应，电流能够产生磁场应，电流能够产生磁场.v1

11、821年，英国科学家法拉第年，英国科学家法拉第(Faraday)总结了载流导总结了载流导体在磁场内受力并发生机械运动的现象，法拉第的试体在磁场内受力并发生机械运动的现象，法拉第的试验模型可以认为是现代直流电动机的雏形。验模型可以认为是现代直流电动机的雏形。v1824年，法国科学家阿拉果（年，法国科学家阿拉果（Arago）发现了旋转磁）发现了旋转磁场，为电磁感应现象的发现和交流感应电动机的发明场，为电磁感应现象的发现和交流感应电动机的发明奠定了基础。奠定了基础。阿拉果实验阿拉果实验：用一个铜盘靠近正在往复摆动的指南针用一个铜盘靠近正在往复摆动的指南针，出现了阻尼作用使摆动立刻变慢。转动着的铜盘又

12、，出现了阻尼作用使摆动立刻变慢。转动着的铜盘又可以带动靠近的磁针跟着转动，还发现了这种作用的可以带动靠近的磁针跟着转动，还发现了这种作用的大小与盘子的导电性能有关系。大小与盘子的导电性能有关系。v1831年，法拉第发现了电磁感应现象，确定了电磁感年，法拉第发现了电磁感应现象，确定了电磁感应的基本定律，取得了磁感应生电的重大突破，并发应的基本定律，取得了磁感应生电的重大突破，并发明了单极直流电机。明了单极直流电机。法拉第与最早的发电机法拉第与最早的发电机 法拉第盘法拉第盘 v1832年，人们知道了单相交流发电机。由于生产上没年，人们知道了单相交流发电机。由于生产上没什么需要，加上当时科学水平的限

13、制，人们对交流电什么需要，加上当时科学水平的限制，人们对交流电还不很了解，所以交流电机实质上没什么发展。还不很了解，所以交流电机实质上没什么发展。v1833年，法国发明家皮克西（年，法国发明家皮克西（Pixii）制成了第一台旋）制成了第一台旋转磁极式直流发电机。楞次证明了电机的可逆原理。转磁极式直流发电机。楞次证明了电机的可逆原理。皮克斯发明的皮克斯发明的 直流发电机直流发电机 v1834年，俄国物理学家雅可比（年，俄国物理学家雅可比（）设计并制成）设计并制成了第一台实用的直流电动机，该电动机有了第一台实用的直流电动机，该电动机有15瓦功率。瓦功率。1838年，雅可比还把改进的直流电动机装在一

14、条小船年，雅可比还把改进的直流电动机装在一条小船上，以上，以 4 km/h 的速度逆流而上和顺流而下。的速度逆流而上和顺流而下。雅可比发明的世界上第一台电动机模型与实用电动机雅可比发明的世界上第一台电动机模型与实用电动机 v1845年，英国物理学家惠斯通年，英国物理学家惠斯通(Charle Wheatstone 18021875年年)用电磁铁代替永久磁铁，井取得了专用电磁铁代替永久磁铁，井取得了专利权。这是增强发电机输出功率的一个重要措施。利权。这是增强发电机输出功率的一个重要措施。v1850年，美国发明家佩奇（年，美国发明家佩奇（Page）制造了一台）制造了一台10马马力的直流电动机，用来驱

15、动有轨电车。力的直流电动机，用来驱动有轨电车。v1851 年的伦敦博览会和年的伦敦博览会和1855 年的巴黎博览会上，丹年的巴黎博览会上，丹麦工程师希奥尔特用蓄电池给电动机励磁。电机的励麦工程师希奥尔特用蓄电池给电动机励磁。电机的励磁技术从他励发展到自励，最终地解决了加强励磁的磁技术从他励发展到自励，最终地解决了加强励磁的问题。问题。v1864年，英国物理学家麦克斯韦（年，英国物理学家麦克斯韦（Maxwell）提出了）提出了麦克斯韦方程组，创立了完整的经典电磁学理论体系麦克斯韦方程组，创立了完整的经典电磁学理论体系，为电机电磁场分析奠定基础。，为电机电磁场分析奠定基础。v1867年，麦克斯韦对

16、自励现象作出了数学分析，是电年，麦克斯韦对自励现象作出了数学分析，是电机理论中的第一篇经典论文。德国工程师西门子（机理论中的第一篇经典论文。德国工程师西门子（Siemens）制造了第一台自馈式发电机，甩掉了伏打）制造了第一台自馈式发电机，甩掉了伏打电池。电池。Siemens 和他的自励发电机和他的自励发电机 v1870年，比利时发明家格拉姆（年，比利时发明家格拉姆（Gramme）提出了发）提出了发电机环形闭合电枢绕组的结构很快取代了电机环形闭合电枢绕组的结构很快取代了T型绕组。型绕组。由于对这二种结构进行对比的结果，终于使电动机的由于对这二种结构进行对比的结果，终于使电动机的可逆原理为公众所接

17、受，从此发电机和电动机的发展可逆原理为公众所接受，从此发电机和电动机的发展合二为一。合二为一。v1871年，凡麦尔准发明了交流发电机。年，凡麦尔准发明了交流发电机。1879 年，年，德国制造出第一列电力驱动列车。德国制造出第一列电力驱动列车。德国制造的第一列电力驱动列车德国制造的第一列电力驱动列车(1879)v 1880年，爱迪生（年，爱迪生（Edison）提出采用迭片铁心；这样）提出采用迭片铁心；这样就大大减少了铁心损耗，同时降低了电枢绕组的温升。就大大减少了铁心损耗，同时降低了电枢绕组的温升。v1885 年，费那里斯发现了两相电流能产生旋转磁场。年，费那里斯发现了两相电流能产生旋转磁场。v

18、1886 年，特斯拉研制出两相异步电动机。年，特斯拉研制出两相异步电动机。特斯拉与他发明的两相异步电动机特斯拉与他发明的两相异步电动机 25 19 世纪末，三相制、三相感应电动机、三相同世纪末，三相制、三相感应电动机、三相同 步发电机、三相变压器、三相输电方式被发明。步发电机、三相变压器、三相输电方式被发明。1900 年，英国人帕森斯研制成功年，英国人帕森斯研制成功 1000 kW、50 Hz 汽轮发电机。汽轮发电机。1904 年，意大利试验成功地热发电。年，意大利试验成功地热发电。1908 年，美国建成第一条年，美国建成第一条 110kV 输电线路。输电线路。1912 年，德国建成第一座潮汐

19、电站。年，德国建成第一座潮汐电站。1920 年，苏联建成第一座热电站。年，苏联建成第一座热电站。1923 年，美国建成第一条年，美国建成第一条 220 kV 输电线路。输电线路。1925 年，美国制成第一台年，美国制成第一台100MW 汽轮发电机组。汽轮发电机组。1929 年，美国建成第一座抽水蓄能电站年，美国建成第一座抽水蓄能电站(7MW)。26 1937 年，美国建成第一条年，美国建成第一条 287 kV 超高压输电超高压输电 线路。线路。1957 年，美国建成第一台超临界火力发电机组，年，美国建成第一台超临界火力发电机组，125 MW。1970 年，法国制成第一台燃气蒸汽联合循环年，法国

20、制成第一台燃气蒸汽联合循环 发电机组。发电机组。1979 年，美国建成第一座海水温差发电站。年，美国建成第一座海水温差发电站。1990 年，美国建成第一条年，美国建成第一条 750 kV 超高压直流超高压直流 输电线路，输电线路，2400 km，6000 MW。1990 年，前苏联建成第一条年，前苏联建成第一条 1150 kV 特高压直特高压直 流输电线路，流输电线路，1936 km，5000 MW。1991 年，巴西建成世界最大水电站尹泰普水电年，巴西建成世界最大水电站尹泰普水电 站，站，12600 MW。v机电传动的发展过程机电传动的发展过程成组拖动：一台电机通过天轴拖动多台生产机械。成组

21、拖动：一台电机通过天轴拖动多台生产机械。二战中的德国二战中的德国“鼠鼠”式坦克（式坦克（MAUS）v单电机拖动单电机拖动：一台电机拖动一台生产机械。：一台电机拖动一台生产机械。一台电气拖动一台机床，较之成组拖动简化了传动机构，缩一台电气拖动一台机床，较之成组拖动简化了传动机构，缩短了传动线，提高了传动效率。短了传动线，提高了传动效率。例：传统中小型机床例：传统中小型机床v多电机拖动多电机拖动：一台生产机械的每一个运动部件分别由一台电机一台生产机械的每一个运动部件分别由一台电机拖动。采用了多电机拖动以后，不但简化了机械结拖动。采用了多电机拖动以后，不但简化了机械结构，提高了传动效率，而且易于实现

22、各运动部件的构，提高了传动效率，而且易于实现各运动部件的自动化。自动化。多电机拖动是现代机床最基本的拖动方式。例：多电机拖动是现代机床最基本的拖动方式。例：多轴联动数控机床。多轴联动数控机床。v交、直流无级调速交、直流无级调速电气无级调速具有可灵活选择最佳切削速度和极电气无级调速具有可灵活选择最佳切削速度和极大简化机械传动结构的优点。大简化机械传动结构的优点。由于直流电动机具有良好的启动、制动和调速性由于直流电动机具有良好的启动、制动和调速性能，可以很方便地在宽范围内实现平滑无级调速，能，可以很方便地在宽范围内实现平滑无级调速，所以所以30年代以后直流调速系统在重型和精密机床年代以后直流调速系

23、统在重型和精密机床上得到广泛应用。上得到广泛应用。80年代以后，由于半导体变流技术的发展，使得年代以后，由于半导体变流技术的发展，使得交流电动机调速系统有突破性进展交流电动机调速系统有突破性进展。机电传动控制系统的发展机电传动控制系统的发展v继电器、接触器开关控制系统继电器、接触器开关控制系统它所使用的控制器件结构简单、价廉、控制方式直观、易掌它所使用的控制器件结构简单、价廉、控制方式直观、易掌握、工作可靠、易维护，因此在机床控制上得到长期、广泛握、工作可靠、易维护，因此在机床控制上得到长期、广泛的应用。的应用。它的缺点是体积大、功耗大、控制速度慢、改变控制程序困它的缺点是体积大、功耗大、控制

24、速度慢、改变控制程序困难，由于是有触点控制，在控制复杂时可可靠性降低。难，由于是有触点控制，在控制复杂时可可靠性降低。v电机放大机控制系统电机放大机控制系统30年代出现了电机放大机系统年代出现了电机放大机系统(电子管电子管),它使电机控制技术从它使电机控制技术从开关控制发展到连续控制。开关控制发展到连续控制。v磁放大器及晶闸管、功率晶体管控制系统磁放大器及晶闸管、功率晶体管控制系统v数字及计算机控制系统数字及计算机控制系统步进电机（数字电机）步进电机（数字电机）数字逻辑电路控制系统数字逻辑电路控制系统可编程逻辑控制系统（可编程逻辑控制系统（PLC）微机控制系统微机控制系统加工中心加工中心柔性制造系统柔性制造系统智能制造系统智能制造系统