【正文】 機(jī)電傳動控制 Mechanical amp。 electrical Transmission Control 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 內(nèi)容 控制系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)電機(jī)機(jī)械傳動對象機(jī)電傳動系統(tǒng)功能框圖機(jī)電傳動系統(tǒng)控制系統(tǒng) 調(diào)速系統(tǒng) 電機(jī) 機(jī)械傳動繼電器/接觸器PLC系統(tǒng)直流電機(jī)交流電機(jī)直流調(diào)速交流調(diào)速步進(jìn)電機(jī)內(nèi)容 內(nèi)容： 集成了原來的電子學(xué)、電工學(xué)課程里的強(qiáng)電內(nèi)容 ? 機(jī)電傳動： ? 機(jī)電傳動的動力學(xué)基礎(chǔ) ? 電動機(jī)的工作原理及特性 ? 電動機(jī)的調(diào)速及實現(xiàn) ? 步進(jìn)電機(jī)及其控制 ? 控制 ? 繼電器、接觸器控制 ? PLC控制 內(nèi)容 ? 電動機(jī)的工作原理與特性 ? 直流電機(jī)的原理與特性 ? 交流電機(jī)的原理與特性 ? 步進(jìn)電機(jī)的原理與特性 ? 電動機(jī)的速度調(diào)節(jié) ? 電力電子學(xué)基礎(chǔ) ? 直流電機(jī)調(diào)速原理與實現(xiàn) ? 交流電機(jī)的調(diào)速原理與實現(xiàn) ? 步進(jìn)電機(jī)控制 內(nèi)容 ? 繼電器、接觸器控制 ? 常用的控制電器與執(zhí)行器件： ? 繼電器、接觸器、檢測器件、保護(hù)器件等 ? 基本控制電路 ? 常用的控制電路 ? 基本設(shè)計方法 內(nèi)容 PLC控制 ? PLC原理、組成 ? PLC的內(nèi)部等效電路（繼電器） ? PLC的指令系統(tǒng) ? PLC的應(yīng)用與設(shè)計方法 以三菱公司的 F系列 PLC為基礎(chǔ) 第一章 概述 ?機(jī)電傳動的定義是什么？ ?機(jī)電傳動的作用是什么？ ?機(jī)電傳動的發(fā)展過程及趨勢是什么？ ?什么是成組拖動、單電機(jī)拖動、多電機(jī)拖動？優(yōu)缺點是什么？ ?機(jī)電傳動控制系統(tǒng)的發(fā)展過程與趨勢是什么？ 機(jī)電傳動定義和目的： ? 定義 ：以 電動機(jī) 為原動機(jī)（動力源）驅(qū)動生產(chǎn)機(jī)械的系統(tǒng)的總稱 ? 目的 ：將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實現(xiàn)生產(chǎn)機(jī)械的啟動、停止及速度調(diào)節(jié)，滿足各種生產(chǎn)工藝過程的要求，保證生產(chǎn)過程的正常進(jìn)行 機(jī)電傳動與控制的重要性 ? 機(jī)電傳動控制技術(shù)涉及到社會生活的各個方面(工業(yè)、交通、信息、日常生活、軍事等） ? 機(jī)電傳動控制技術(shù)是現(xiàn)代制造業(yè)的基礎(chǔ)（各種制造裝備都是以機(jī)電傳動控制為基礎(chǔ)） ? 機(jī)電傳動與控制技術(shù)的發(fā)展有力地推動社會的進(jìn)步（提高產(chǎn)品質(zhì)量、制造能力） ? 信息社會更離不開機(jī)電傳動與控制技術(shù)（信息設(shè)備產(chǎn)品、信息的應(yīng)用等） 機(jī)電傳動與控制技術(shù)的發(fā)展 ? 傳動技術(shù)的發(fā)展（簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)、直接驅(qū)動） ? 電動機(jī)的發(fā)展（交流、直線、高性能、大、小等） ? 調(diào)速技術(shù)的發(fā)展（交流、大范圍、高精度） ? 控制理論與技術(shù) 的發(fā)展（現(xiàn)代控制理論、非線性控制、模糊智能控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)） ? 制造自動化技術(shù)的發(fā)展（分布式控制、現(xiàn)場總線、 FMS/CIMS） 傳動技術(shù)的發(fā)展 ? 動力源 ： 蒸汽機(jī)，內(nèi)燃機(jī)，電動機(jī) ? 機(jī)電傳動方式 ： ? 成組拖動：一臺電機(jī)拖動多臺設(shè)備，老方式，傳動機(jī)構(gòu)復(fù)雜，效率低。 ? 單電機(jī)拖動：一臺電機(jī)拖動一臺設(shè)備，比成組方式進(jìn)步。 ? 多電機(jī)拖動：多臺電機(jī)拖動一臺設(shè)備，現(xiàn)代的傳動方法。 電動機(jī)的分類 ? 直流電機(jī)：采用直流電源，調(diào)速特性好，但換相電刷影響其容量、使用范圍和壽命。 ? 交流電機(jī)：采用交流電源，克服了直流電機(jī)的缺點，現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展使其成為主流。 ? 步進(jìn)電機(jī)：運動距離和輸入脈沖成正比，控制方便，但功率和精度較差。 電動機(jī)的分類 ? 旋轉(zhuǎn)電機(jī)： 實現(xiàn)直線運動需要專門的機(jī)械傳動裝置，在高速、高精度應(yīng)用中有一定缺陷（高速高精度、直接驅(qū)動）。 ? 直線電機(jī)： 電機(jī)的重要方向，可以實現(xiàn)高速、高精度加工，機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)簡單。（兩個發(fā)展方向：一種是大推力，另外是高相應(yīng)。） 直流、無刷直流、交流電機(jī)比較 幾種電機(jī)的工作范圍 調(diào)速技術(shù)的發(fā)展 ? 直流調(diào)速：有級調(diào)速（串電阻，繼電器、接觸器控制），無級調(diào)速（調(diào)壓調(diào)速、調(diào)磁調(diào)速，發(fā)電機(jī) 電動機(jī)方式，晶閘管方式， PWM方式） ? 交流調(diào)速：有級調(diào)速（調(diào)壓，變極）， 無級調(diào)速（變頻調(diào)速） ?繼電器 — 接觸器控制： 20世紀(jì)初，借助于簡單的接觸器與繼電器實現(xiàn)對控制對象的啟動、停車以及有級調(diào)速等控制?？刂扑俣嚷刂凭炔?。 ?電機(jī)放大機(jī)控制 (電動機(jī)－－發(fā)電機(jī) )： 30年代，控制系統(tǒng)從斷續(xù)控制發(fā)展到連續(xù)控制，連續(xù)控制系統(tǒng)可隨時檢查控制對象的工作狀態(tài)，并根據(jù)輸出量與給定量的偏差對控制對象進(jìn)行自動調(diào)整?？焖傩约翱刂凭榷即蟠蟪^了最初的斷續(xù)控制，并簡化了控制系統(tǒng)，減少了電路中的觸點，提高了可靠性，也提高生產(chǎn)效率； ?晶閘管 、 晶體管控制： 40年代 ~50年代 ， 晶閘管控制就取代了水銀整流器控制 ， 后又出現(xiàn)了功率晶體管控制 ， 由于晶體管 、 晶閘管具有效率高 、 控制特性好 、 反應(yīng)快 、 壽命長 、 可靠性高 、 維護(hù)容易 、 體積小 、 重要輕等優(yōu)點 ， 它的出現(xiàn)為機(jī)電傳動自動控制系統(tǒng)開辟了新紀(jì)元 。 ?計算機(jī)數(shù)字控制（ digital control）： 70年代初，隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)的應(yīng)用特別是微型計算機(jī)的出現(xiàn)和應(yīng)用，又使控制系統(tǒng)發(fā)展到一個新階段 —— 采樣控制。 ?CNC（ Computer Numerical Control） /FMS/CIMS：現(xiàn)代控制 控制系統(tǒng)的發(fā)展及比較 控制理論與技術(shù)的發(fā)展 ? 開環(huán)控制（步進(jìn)電機(jī)、變頻調(diào)速等） ? 閉環(huán)控制：經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論、自適應(yīng)控制、模糊控制、智能控制 ? 計算機(jī)控制技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù) SYSMAC CQM1 OMRONCQM1 I/O Link 單元 8/16點遠(yuǎn)程 I/O 終端 16點遠(yuǎn)程 8點傳感器終端 2/4點模擬量終端 C200HWDRM21V1 主單元 CVM1DRM21V1 主單元 3G8B3DRM21E VME 工控機(jī)主站板 New 3G8E2DRM21E 配置器 (PCMCIA) 3G8F5DRM21E 配置器 (ISA Board) New New New New 產(chǎn)品線 PID、溫度、高速 計 數(shù) 終 端 New T型分支 終 端 電 阻 產(chǎn)品線 主干線 分支線 多層現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu) 現(xiàn)場總線在工廠自動化中的應(yīng)用 現(xiàn)場總線設(shè)備作為從站 所有的元件都支持現(xiàn)場總線 混和式 考慮擴(kuò)展的方案 必備的基礎(chǔ)知識 ? 高等數(shù)學(xué) ? 物理 ? 電路與磁路 ? 模擬電子技術(shù) ? 數(shù)字電路 ? 微型計算機(jī)及接口技術(shù) ? 控制工程 教學(xué)安排與考試 ? 課內(nèi)講課和習(xí)題課時間 56學(xué)時 1. 教材內(nèi)容講授 2. 課堂作業(yè)（ 45次） ? 實驗 8學(xué)時， ? 復(fù)習(xí)、練習(xí)、寫實驗報告等課外時間 140學(xué)時 ? 成績以期末考試、作業(yè)和課堂作業(yè)三方面為主 第二章：機(jī)電傳動的動力學(xué)基礎(chǔ) 學(xué)習(xí)要點： ? 機(jī)電傳動系統(tǒng)的運動方程式； ? 多軸傳動系統(tǒng)中轉(zhuǎn)矩折算的基本原則和 方法； ? 了解幾種典型生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性； ? 了解機(jī)電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件以及學(xué)會分析實際系統(tǒng)的穩(wěn)定性； 一、單軸拖動系統(tǒng)的組成 二、 運動方程式 dtdnJdtdJTTLM 602 ?? ???dLM TTT ??運動方程式 轉(zhuǎn)矩平衡方程式 電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩（ ） 負(fù)載轉(zhuǎn)矩（ ） 轉(zhuǎn)動慣量（ ） 動態(tài)轉(zhuǎn)矩（ ） 角速度（ rad/s） 速度（ r/min） 三、傳動系統(tǒng)的狀態(tài) 四、 的參考方向 nTTLM 、? 運動方程式是根據(jù)前圖中關(guān)于轉(zhuǎn)矩正方向的約定：由于傳動系統(tǒng)有各種運動狀態(tài) ， 相應(yīng)地運動方程式中轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩就有不同的符號 。 ? 因為電動機(jī)和生產(chǎn)機(jī)械以共同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn) ， 所以 ， 一般以 ω（ 或 n） 的轉(zhuǎn)動方向為參考來確定轉(zhuǎn)矩的正負(fù) 。 ? 當(dāng) TM的實際作用方向與 n的方向 相同 時 ， TM取與 n相同的符號 ， 否則取與 n相反的符號； ? 當(dāng) TL的實際作用方向與 n的方向 相反 時 ， TL取與 n相同的符號 ， 否則取與 n相反的符號 。 根據(jù)上述約定就可以從轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的符號上判定TM與 TL的性質(zhì)： ? 若 TM與 n的符號相同 （ 同為正或同為負(fù) ） ， 則表示 TM的作用方向相同 ， 為拖動轉(zhuǎn)矩；若 TM與 n的符號相反 ， 則表示 TM的作用方向相反 ，為制動轉(zhuǎn)矩 。 ? 若 TL與 n的符號相同 （ 同為正或同為負(fù) ） ， 則表示 TL的作用方向相同 ， 為制動轉(zhuǎn)矩；若 TL與n的符號相反 ， 則表示 TL的作用方向相同 ， 為拖動轉(zhuǎn)矩 。 四、 的參考方向（續(xù)） nTT LM 、舉例 舉例 ? 當(dāng)重物上升時， TM的作用方向與 n的方向相同，故 TM的符號與 n的符號相同，同為正；而 TL的作用方向與 n的方向相反，故 TL的符號與 n的符號相反，同為正。TM、 TL、 n的方向如圖（ a）所示 dtdnJTTLM 602 ???舉例 ? 當(dāng)重物下降時， TM的作用方向與 n的方向相反，故 TM的符號與 n的符號相反， n為負(fù)， TM為正；而 TL的作用方向與 n的方向相同，故 TL的符號與 n的符號相反，為正。 TM、 TL、 n的方向如圖（ b）所示 . dtdnJTT LM 602 ????dtdnJTTML 602 ???五、 多軸拖動系統(tǒng)的組成 為了對多軸拖動系統(tǒng)進(jìn)行運行狀態(tài)的分析 ， 一般是將多軸拖動系統(tǒng)等效折算為單軸系統(tǒng) 。 折算的原則是：靜態(tài)時 ， 折算前后系統(tǒng)總的 傳輸功率 不變 。 六、負(fù)載轉(zhuǎn)矩的折算 eqMM TP ?? ? LLL TP ?? ?MeqLLC TT??? ??減速機(jī)構(gòu)的輸入功率減速機(jī)構(gòu)的輸出功率jTTTCLMcLLeq ???? ??LMj???折算到電機(jī)側(cè)等效轉(zhuǎn)矩 負(fù)載側(cè)功率 電機(jī)輸出功率 傳動效率 傳動機(jī)構(gòu)的總傳動比 七、轉(zhuǎn)動慣量的折算