电机拖动技术基础第一章 第二章

1、1.电机驱动技术基础，总学时：40理论学时：36实验学时：4周：2。演讲者：王伟，机电工程学院，2。教材选择：机电传动控制邓，华中科技大学出版社，2001年第3版和学习辅导与习题年第3期。第一章：电机是一种利用电磁感应原理的机器。常用的电机分类方法有两种：一种按功能分为四类：发电机、电机、变压器和控制电机；第二，根据电机结构或速度，有变压器和旋转电机。1.1电动机和电驱动系统概述，这两种方法概括如下：电动机、变压器、DC电动机、DC发电机、DC电动机、交流电动机、控制电动机、同步电动机、同步发电机、同步电动机、异步电动机、异步发电机、异步电动机，4。包括五个部分：电机、传动机构、生产机械、控制

2、设备和电源。它们之间的关系如下：电机，5。理论。本课程是工业电气自动化、电气技术与供电技术、机电等专业的专业基础课。1.2、本课程的性质、任务和内容，本课程的任务是让学生掌握电机的基本结构和工作原理，以及传动系统的运行性能、分析计算、电机选择和测试方法，培养分析和解决电机和电气传动中问题的能力，为今后的学习和工作打下坚实的基础。本课程的内容包括机电驱动的动态基础、DC电机、DC电机电驱动、变压器、三相异步电机、三相异步电机电驱动、同步电机、控制电机、驱动与微控制电机、电机选型等。电机驱动是一门理论性和专业性很强的技术基础课，涉及基础理论和实践知识的范围很广，是电磁学、动力学和热力学的综合知识。

3、在用理论分析电机和传动的实际问题时，必须结合电机的具体结构，采用工程观点和分析方法。在掌握基础理论的同时，还应注意培养实验操作技能和计算方法。1.3本课程的特点和学习方法，为了学好本课程，我们必须做到以下几点：1。抓住主要矛盾，有条件地忽略一些次要因素；2.把握重点，牢牢把握基本概念、基本原则和主要特点；3.要有良好的学习方法，通过比较或比较的方式分析电机的共性和特性，加深对原理和性能的理解；4.理论联系实际，重视科学实验和工程实践；5.准备并彻底检查。7，1.4机电传动的目的和任务：1。什么是机电传动？1)现代工业中机电系统的组成，为了实现生产过程自动化的要求，机电传动不仅包括拖动生产机械的

4、电机，还包括一整套控制电机的控制系统，也就是说，现代机电传动与由各种控制元件组成的自动控制系统紧密相连，所以， 机电系统可分为三个部分： 2)机电驱动的概念(也称为电驱动或电驱动):机电驱动是指以电机为原动机驱动生产机械的系统的总称。 电机生产机械控制系统机电驱动系统，8，2。机电驱动的目的是：1)将电能转化为机械能，2)实现生产机械的启动、停止和调速，3)完成各种生产过程。3.机电传动的任务：从现代生产的要求出发，机电传动控制系统要完成的任务，1)广义地说，就是生产机械设备、生产线、车间甚至整个工厂的自动化。2)狭义上，具体指控制电机驱动生产机械，以增加产品产量，提高质量，降低生产成本，改善

5、工作条件，合理利用能源。随着生产技术的发展，要求例如：1)一些精密机床要求几毫米甚至几微米的加工精度。为了保证加工精度和控制粗糙度，重型镗床要求以很低的稳定速度进给，即在很宽的范围内调速；2)轧钢车间可逆装订机及其辅助机械运行频繁，要求正转到反转的过程在一秒钟内完成，即要求快速启动、制动和反转；3)对于电梯和启闭机，要求平稳启动和制动，并在给定位置停止；4)对于冷热连轧机和造纸机的机架或分支，要求每个机架或分支的转速保持一定的比例关系，以便协调运行；5)为了提高效率，由几台或几十台设备组成的自动化生产线需要统一控制和管理。所有这些要求都是通过电机及其控制系统和机械传动装置来实现的。机电传动与控

6、制系统的发展总是随着社会生产的发展而发展。机电传动控制的发展可以从两个方面来讨论。就机电驱动而言，其发展经历了三个阶段：分组驱动、单电机驱动和多电机驱动。组拖动单电机拖动多电机拖动，11。多电机拖动为生产机械的自动化提供了有利条件，所以现代机电传动基本上采用这种拖动形式。控制系统的发展(4个阶段)控制系统的发展伴随着控制设备的发展。随着功率器件和放大器件的不断更新，机电传动控制系统的发展日新月异。它经历了四个阶段：1)20世纪初的继电器控制：最早的机电传动控制系统出现在20世纪初，仅借助简单的接触器和继电器实现被控对象的启动、停止和步进调速控制，控制速度慢，控制精度差；2)20世纪三、三十年代

7、出现了电机放大控制和磁放大器控制，使控制系统从间歇控制发展到连续控制。连续控制系统可以随时检查被控对象的工作状态，并根据输出与给定量的偏差自动调整被控对象。它的快速性和控制精度大大超过了最初的间歇控制，简化了控制系统，减少了电路中的触点，提高了可靠性，提高了可靠性。从20世纪40年代到50年代，出现了磁放大器控制和大功率可控水银整流器控制；13、3)晶闸管、功率管控制和采样控制出现于20世纪50年代末。20世纪50年代后期，大功率固态可控整流元件晶闸管出现，很快晶闸管控制取代了水银整流器控制。后来，功率晶体管控制出现了。因为晶体管和晶间管具有效率高、控制特性好、响应快、寿命长、可靠性高、易维护

8、、体积小、重量轻等优点。随着数控技术的发展，计算机的应用，特别是微机的出现和应用，使控制系统发展到一个新的阶段：采样控制，这也是一种间歇控制，但它不同于最初的间歇控制。它的控制间隔(采样周期)比被控对象的变化周期短得多，所以它在客观上相当于连续控制。它将晶闸管技术与微电子技术和计算机技术紧密结合，使晶体管和晶闸管控制在20世纪70年代有了数控化，80年代以来有了FMSCIMS:70年代初，数控计算机数控系统被应用于数控机床和加工中心，不仅提高了自动化程度，而且提高了机床的通用性和加工效率，在生产中得到了广泛应用。工业机器人的诞生为实现机械加工的完全自动化创造了物质基础。自20世纪80年代以来，

9、由数控机床、工业机器人和自动导向车组成，由中央计算机控制的柔性制造系统(FMS)出现了，它是实现自动化车间和工厂的重要组成部分。机械制造自动化的高级阶段是方向设计和制造的集成，即利用计算机辅助设计和计算机辅助制造形成一个完整的产品设计和制造过程系统，实现从产品构思和设计到装配、测试和质量改进的全过程自动化。为了在制造过程中实现高效率、高灵活性和高质量，开发CIMS(计算机集成制造系统)是未来人们的一项任务。第二章是机电传动系统的动力学基础。本章的基本要求是：掌握机电传动系统的运行方程，并利用它来分析和判断机电传动系统的运行状态；为了列出多轴驱动系统的运行方程，需要进行转矩转换，掌握转换的原理和

10、方法；了解几种典型生产机器的机械特性；掌握机电传动系统稳定运行的条件，并利用这些条件分析判断系统的稳定平衡点；要点：利用运动方程判别机电传动系统的运行状态；利用稳定运行的条件来判断机电传动系统的稳定运行点。机电传动系统是由电机驱动，通过传动机构带动生产机械运转的机电运动的动态整体。虽然电机种类繁多，特性各异，生产机械的负载特性也是可以变化的，但从动力学的角度分析，应该遵循动力学的统一规律。因此，本章首先分析了机电传动系统的运动方程，然后分析了机电传动系统稳定运行的条件。16，2.1机电传动系统的运动方程(单轴)，1。单轴系统的组成，如图2.1(a)所示，是一个单轴机电传动系统。图中：M为电机，

11、生产机械为电机的驱动对象。电机m通过连接件与生产机械直接连接，电机m产生输出转矩TM，用于克服负载转矩TL，驱动生产机械以角速度(或n)运动。图2.1(b)显示了单轴驱动系统的输出扭矩、负载扭矩和电机速度的方向。机电系统中，TM、TL和(或n)之间的函数关系称为运动方程。图2.1所示的单轴电驱动系统通过马达m产生扭矩TM，该扭矩用于克服负载扭矩t1以驱动生产机械移动。当两个扭矩平衡时，驱动系统保持恒速旋转，转速n或角速度不变。加速度dn/dt或角加速度d/dt等于零，即当TM=TL，n=常数，dn/dt=0，或=常数，d/dt=0时。这种运动状态称为静态(相对静态)或稳态(稳定运行状态)。那时

12、，速度(n或)将改变，导致加速或减速。速度变化与传动系统的转动惯量J有关。根据动力学原理，上述系统中TM、TL和(或n)之间的函数关系如下：其中TM为电机产生的转矩；TL单轴传动系统的负载扭矩；j-单轴传动系统的转动惯量；单轴传动系统的角速度，t时间。也就是说，在任何情况下，马达产生的扭矩总是由轴上的负载扭矩(静态扭矩)和动态扭矩的总和来平衡。18，3。根据运动方程可知，运动系统有两种不同的运动状态：19，4，TM，TL，N参考方向。值得指出的是，在机电系统的运动方程中，TM和TL都有大小。因此，在列出机电系统的运动方程和力矩平衡方程时，必须指定每个电量的正方向，也必须指定每个机械量的正方向。

13、因为电机和生产机械以相同的速度旋转，所以正扭矩或负扭矩通常以(或n)的旋转方向为基准来确定。1)当TM的实际作用方向与n相同时，TM取与n相同的符号，否则取与n相反的符号；2)当t1的实际作用方向与N相反时，t1取与N相同的符号，否则取相反的符号。根据上述惯例，扭矩和速度的符号可以确定扭矩和速度的特性：1)如果扭矩和速度的符号相同(正和负)，则意味着扭矩的作用方向相同，扭矩是阻力扭矩；2)如果TM和n的符号相反，则表示TM的作用方向相反，TM为制动力矩。3)如果t1和N具有相同的符号(正负)，则意味着t1作用于相反的方向，t1是制动力矩；4)如果t1和N的符号相反，则表示t1的作用方向相同，t

14、1是阻力矩。这一点非常重要，也是分析系统未来运行状态(系统是加速、减速还是恒速)的主要依据。21，实施例1。在图2.3所示的每个图中，TM、t1和N是实际方向。试着回答每一个问题：(1)根据图中的方向，列出每个机电传动系统的运动方程；(2)解释每幅图中的扭矩是阻力扭矩还是制动扭矩；(3)根据各图中的TM、TL、N方向，说明各系统的运行状态是加速、减速还是恒速。22、解(1)根据正方向的一致：TM与n方向相同，且TM为正；7M与n相反，TM为负。7L与N相反，T1为正；t1与n方向相同，t1为负。(2)当T和N在同一方向时，T是阻力矩；当t和n相反时，t是制动力矩，所以在图(a)中，TM是阻力力

15、矩，t1是制动力矩；在图(b)中，TM和t1是制动力矩；在图(c)中，t1是拖动扭矩，TM是制动扭矩。(3)因为动态扭矩Td=TM-TL0是加速度，即动态扭矩Td=TM-TL和加速度a=dn/dt都是正的，所以系统加速。制动时：如图2.2(b)所示，仍然是一个提升过程，TM为正值。只有在这个时候，电机被要求停止系统的运动，所以TM与N方向相反，TM取一个负号。然而，由重物产生的扭矩总是下降，并且TL仍然像启动过程一样呈正信号。此时，运动方程为：26，2.2扭矩、转动惯量和飞轮扭矩的换算，机电传动系统运动方程中的扭矩、转动惯量和飞轮扭矩均为同一轴线上的数值。如果运动系统是一个多轴系统，整个系统的运动方程只能通过将上述变量转换为同一轴来列出。由于传动系统中的电机轴一般都是作为研究对象，它们一般都转换成电机轴。扭矩转换应基于系统传递的功率不变的原则，以及储存在系统中的动能通过转动惯量和飞轮扭矩转换不变的原则。27，1。多轴驱动系统的组成。前一节介绍了单轴驱动系统的运动方程。但是实际的阻力系统通常是多轴阻力系统，如图2.3所示。这是因为许多生产机器需要低速运行，而电机通常具有较高的额定速度。这样，减速机构，如减速齿轮箱或蜗轮、皮带和其他减速装置，必须安装在电机和生产机械之间。在这种情况下，为了列出该系统的运动方程，需要将每个旋转部件