机电传动与控制(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：王宗才

出版社：电子工业出版社

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机电传动与控制试读：

前言

机电传动与控制是高等工科院校中一门应用性很强的技术基础课，同时又具有专业课的性质，涉及的基础理论和实际知识面广，是电磁学、动力学、热力学、电气控制、伺服控制等学科知识的综合。随着计算机技术、电力电子技术、自动控制技术的发展，机电传动系统的控制已由继电器-接触器硬接线的常规控制转向以微机为核心的软件控制。特别是可编程序控制器（PLC），它具有抗干扰能力强、可靠性和性能价格比高、编程方便、易于应用等特点，在机电传动系统中得到了广泛的应用。

为了适应新技术的发展，满足工程实际的需要，我们编写了这本教材。本书分为两篇，共8章内容。第1篇介绍机电传动系统的驱动元件，主要内容包括电动机概述、直流电动机、交流电动机、控制电动机、机电传动控制系统中电动机的选择。第 2 篇介绍机电传动系统的控制，主要内容包括机电传动系统的继电器-接触器控制、机电传动系统的可编程序控制器控制、机电传动系统的微机控制。本书层次分明又相互联系，知识体系完整。在内容组织上，本书突出新（新技术、新元件），侧重应用，适当淡化纯理论分析，彰显应用实例。每章后均有习题与思考题，便于学生课后练习。详细的教学资源请登录华信教育资源网（www.hxedu.com.cn）免费获取。

本书适合作为高等工科院校机械电子工程、机械工程与自动化，以及相关机电类专业的本科生、研究生教材，也可供高职高专、函大、夜大及职大等相关专业使用及有关的工程技术人员参考。

本书由河南工业大学王宗才任主编，负责全书的组织、通稿和改稿工作。本书的

绪论

在本书的编写过程中，参考了大量相关教材和资料，在此对这些教材和资料的作者致以深切的感谢。在本书的出版过程中，得到了电子工业出版社的大力支持和帮助，在此也一并表示衷心的感谢。

由于编者水平及编写时间所限，书中难免存在错误和不妥之处，恳请广大读者给予批评指正。

编者绪论

一、机电传动系统的组成

机电传动系统（又称电力传动系统或电力拖动系统）是以电动机为原动机驱动生产机械的系统的总称。它的目的是将电能转变为机械能，实现生产机械的启动、停止及速度调节，满足各种生产工艺过程的要求，实现生产过程的自动化。该系统不仅包括拖动生产机械的电动机，而且包含控制电动机的一整套控制系统。机电传动系统的组成框图如图0-1所示。图0-1 机电传动系统的组成框图

二、机电传动及其控制系统的发展概况

1.机电传动的发展

机电传动是随着电动机的发展而发展的。1866 年，德国工程师西门子制成发电机；1870年，比利时人格拉姆发明了电动机，电力开始成为取代蒸汽拖动机器的新能源。随后，各种用电设备相继出现。1882年，法国学者德普勒发明了远距离送电的方法。同年，美国著名发明家爱迪生创建了美国第一个火力发电站，把输电线接成网络。从此，电力作为一种新能源而得到了广泛应用。而在当时，电动机刚刚在工业上初步应用，各种电动机初步定型，电动机设计理论和电动机设计计算也初步建立。

随着社会生产的发展和科技的进步，对电动机也提出了更高的要求，如性能良好、运行可靠、单位容量的质量轻、体积小等。而且随着自动控制系统的发展要求，在旋转电动机的理论基础上，又派生出多种精度高、响应快的控制电动机，成为电动机学科的一个独立分支。目前，动力电动机正向着大型、巨型化发展，而专用电动机正向着高精度、长寿命、微型化发展。由于各类电动机已成为各种机电系统中极为重要的元件，所以机电传动便发展成为把电子学、电动机学和控制论结合在一起的新兴学科。

机电传动的发展大体上经历了成组拖动、单电动机拖动和多电动机拖动三个阶段。在电力拖动代替蒸汽或水力拖动之初，其方式是成组拖动。所谓成组拖动，就是指一台电动机拖动一根天轴（或地轴），然后再由天轴（或地轴）通过皮带轮和皮带分别拖动各生产机械，从电动机到各个生产机械的能量传递及各个生产机械之间的能量分配完全采用机械的方法完成。这种传动方式效率低，劳动条件差，一旦电动机发生故障，将造成成组的生产机械停车。所谓单电动机拖动，就是指用一台电动机拖动一台生产机械。它虽较成组拖动前进了一步，但当一台生产机械的运动部件较多时，机械传动机构仍十分复杂。所谓多电动机拖动，就是指一台生产机械的每一个运动部件分别由一台专门的电动机拖动。例如，龙门刨床的刨台、左右垂直刀架与侧刀架、横梁及其夹紧机构均分别由一台电动机拖动，这种拖动方式不仅大大简化了生产机械的传动机构，而且控制灵活，为生产机械的自动化提供了有利的条件，因此，现代化机电传动基本上均采用这种拖动形式。

2.电动机控制系统的发展

对电动机的控制可分为简单控制和复杂控制两种。简单控制是指对电动机进行启动、制动、正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器、可编程控制器和开关元件来实现。复杂控制是指对电动机的转速、转角、转矩、电压、电流等物理量进行控制，而且有时往往需要非常精确的控制。以前，对电动机简单控制的应用较多。但是随着生产的发展和科技水平的提高，人们对自动化的需求越来越高，这使得电动机的复杂控制逐渐成为主流，其应用领域极为广泛，例如，军事和宇航方向的雷达天线、火炮瞄准、惯性导航、卫星姿态、飞船光电池对太阳跟踪的控制等；工业方面的各种加工中心、专用加工设备、数控机床、工业机器人、塑料机械、印刷机械、绕线机、纺织机械、新型工业缝纫机、绣花机、泵和压缩机、轧机主传动、轧辊等设备的控制；办公设备中的光盘驱动器、绘图仪、扫描仪、打印机、传真机、复印机等的控制；音像设备和家用电器中的录像机、数码相机、数码摄像机、DVD、洗衣机、冰箱、空调、电扇、电动自行车等的控制。随着自动控制理论的不断发展及新型电力电子功率器件的不断涌现，电动机的控制也发生了深刻的变化，正在不断地完善和提高。

最早的机电传动控制系统是20世纪初出现的继电器-接触器自动控制系统，它属于有触点断续控制系统。该系统仅借助于简单的接触器与继电器，实现对控制对象的启动、停车及有级调速等控制，其控制速度较慢，控制精度较差。

接着，出现了直流发电机-电动机调速系统。由于该种系统需要旋转变流机组（至少包括两台与调速电动机容量相当的旋转电动机），还要一台励磁发动机，所以设备多、体积大、费用高、效率低、安装需打地基、运行有噪声、维护不方便。20世纪50年代，采用了水银整流器（大容量时）和闸流管（小容量时）静止变流装置来代替旋转变流机组。到了20世纪60年代，出现了晶闸管-直流电动机无级调速系统。晶闸管出现以后，又陆续出现了其他种类的电力电子器件，如门极可关断晶闸管（GTO）、电力功率晶体管（GTR）、电力场效应晶体管（电力 MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。由于这些器件的电压、电流定额及其他电气特性均得到了很大的改善，所以它们具有效率高、控制特性好、反应快、寿命长、可靠性高、维护容易、体积小、质量轻等优点，这就为机电传动控制系统开辟了新纪元。到了20世纪80年代，由于逆变技术、脉宽调制技术、矢量控制技术的出现和发展，使交流电动机无级调速系统得到了迅速发展。由于交流电动机没有电刷与换向器，较之直流电动机具有结构简单、价格便宜、维护方便、惯性小等一系列优点，而且其单机容量可以做得很大，电压等级可以做得很高，可以实现高速拖动等，所以交流机电传动系统取代直流机电传动系统已经是无可争议的事实了。目前已出现了多种以多用芯片或 DSP 为核心的变频器调速系统，它们使交流电动机的控制变得更简单，可靠性更高，拖动系统的性能更好。它们的出现为机电传动系统的控制开辟了新纪元。

随着数控技术的发展和计算机的应用，特别是微型计算机的出现和应用，控制系统又发展到一个新阶段——采样控制。采样控制也是一种断续控制，但是和最初的断续控制不同，它的控制间隔（采样周期）比控制对象的变化周期短得多。因此，它在客观上完全等效于连续控制。采样控制把电力电子技术与微电子技术、计算机技术紧密地结合在一起，推动着机电控制技术向着集成化、智能化、信息化、网络化方向发展。

三、机电传动系统的动力学基础

机电传动系统是一个由电动机拖动的，通过传动机构带动生产机械运转的整体。为了使该系统稳定运行，就需要知道电动机的工作特性及生产机械的负载特性。尽管电动机种类繁多，工作特性各异，生产机械的负载特性也可以是多种多样的，但从动力学的角度来分析，它们都应服从动力学的基本规律。

1.单轴机电传动系统的运动方程式

如图0-2所示为一单轴机电传动系统。由电动机M产生的转矩TM用来克服负载转矩T，带动生产机械运动。L图0-2 单轴机电传动系统

根据动力学列运动平衡方程式，则有

式中 T——电动机的输出转矩（N·m）；M

T——电动机的负载转矩（N·m）；L

ω——电动机的角速度（rad/s）；2

J——转动惯量（kg·m）。

在实际工程计算中，经常用转速n（r/min）代替角速度ω（rad/s）。其关系为ω=2πn/60=n/9.55，则式（0-1）就变为

式（0-1）就是单轴机电传动系统的运动方程式。它是研究机电传动系统最基本的方程式，决定着系统运动的特征。当T＞T时，ML，系统加速；当T＜T时，，系统减ML速；当T=T时，，系统恒速。系统处于加速或减ML速的运动状态称为动态，系统处于恒速的运动状态称为稳态或静态。

由于传动系统有各种运动状态，以及工作机械负载性质的不同，输出转矩 T和负载转矩T不仅大小不同，方向也是变化的，所以对ML式（0-1）中的转速、转矩符号给出一种约定（通常以转速n的方向作为参考来确定T、T的正负，如图0-3所示）：当T与n（+）同向时MLM为正，此时T为驱动转矩；当T与n（+）反向时为负，此时T为制MMM动转矩。T与n（+）反向时为正（制动），反之为负（拖动）。L图0-3 T、T符号的约定ML

2.多轴机电传动系统的运动方程式

式（0-1）是图0-2所示的单轴机电传动系统的运动方程式。但在实际机电传动系统中，电动机与生产机械之间往往设有减速齿轮箱、蜗轮、蜗杆、传动带等减速装置，这就形成了多轴机电传动系统，如图0-4所示。在这种情况下，为了列出这个系统的运动方程，必须先将各转动部分的转矩和转动惯量或直线运动部分的质量都折算到某一根轴上，一般折算到电动机轴上，即折算成图0-2所示的最简单的典型单轴系统。折算的基本原则是，折算前的多轴系统与折算后的单轴系统在能量关系上或功率关系上保持不变。图0-4 多轴机电传动系统

1）负载转矩的折算

当负载转矩是静态转矩时，可根据静态时的功率守恒原则进行折算。

对于旋转运动，如图0-4（a）所示，当系统匀速运动时，生产机械的负载功率为

式中 T——生产机械的负载转矩（N·m）；L

ω——生产机械的旋转角速度（rad/s）。L

电动机输出功率为

式中 T——电动机的输出转矩（N·m）；M

ω——电动机转轴的角速度（rad/s）。M

由于系统处于匀速运行时，电动机输出功率应该等于整个系统的负载功率，即相当于电动机轴上有一等效的负载转矩T，故有eq

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η来表示，即

于是可得折算到电动机轴上的负载转矩为

式中 η——电动机拖动生产机械运动时的传动效率；

i——传动机构的速比，i=ω/ω。ML

对于直线运动，如图0-4（b）的卷扬机所示，若生产机械直线运动部件的负载力为F，运动速度为v，则所需的机械功率为

它反映在电动机轴上的机械功率为

式中 T——负载力F在电动机轴上产生的等效负载转矩。eq

如果是电动机拖动生产机械旋转或移动（如卷扬机拖动重物上升），则传动机构中的损耗应由电动机承担，根据功率平衡关系，有

将ω=2πn/60代入上式可得MM

式中 n——电动机轴的转速（r/min）。M

如果是生产机械拖动电动机旋转（如在卷扬机下放重物时，电动机处于制动状态），则传动机构中的损耗由生产机械的负载来承担，于是有

则

式中 η′——生产机械拖动电动机运动时的传动效率。

2）转动惯量的折算

转动惯量与运动系统的动能有关，因此，可根据动能守恒原则进行折算。设 J表示折算到电动机轴上的总转动惯量，对于图0-4（a）eq所示的旋转运动有

则

式中 J、J、J——电动机轴、中间传动轴、生产机械轴上的M1L转动惯量；

ω、ω、ω——电动机轴、中间传动轴、生产机械轴上的角速M1L度；

i——电动机轴与中间传动轴之间的速比，i=ω/ω；11M1

i——电动机轴与生产机械轴之间的速比，i=ω/ω。LLML

当速比i较大时，中间传动机构的转动惯量J在折算后占整个系11统的比重不大。为计算方便起见，实际工程中多用适当加大电动机轴上的转动惯量 J的方法来考虑中间传动机构的转动惯量J的影响，M1于是有

式中 δ一般为1.1～1.25。

对于图0-4（b）所示的直线运动，设直线运动部件的质量为m，根据动能守恒有

则折算到电动机轴上的总转动惯量为

3）多轴机电传动系统的具体运动方程式

依照上述折算方法，就可把具有中间传动机构，带有旋转运动部件或直线运动部件的多轴机电传动系统，折算成等效的单轴拖动系统，将所求得的T、J代入式（0-1）就可得到多轴机电传动系统eqeq的运动方程式为

或

3.机电传动系统的负载特性

在前面所讨论的机电传动系统的运动方程式中，负载转矩 T可L能是不变的常数，也可能是转速n的函数。同一转轴上负载转矩和转速之间的函数关系，称为机电传动系统的负载特性，也就是生产机械的负载特性，有时也称生产机械的机械特性。为了便于和电动机的机械特性配合起来分析传动系统的运行情况，今后提及生产负载的负载特性时，除特别说明外，均指电动机轴上的负载转矩和转速之间的函数关系，即n=f（T）。L

不同类型的生产机械在运动中受阻力的性质不同，其负载特性曲线的形状也有所不同。典型的负载特性大体上可以归纳为以下几种。

1）恒转矩型负载特性

这一类型的负载转矩 T与转速 n 无关，即不管转速怎样变化，L负载转矩不变。恒转矩型负载有反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种，如图0-5所示。（1）反抗性恒转矩负载。

反抗性转矩也称摩擦转矩，是因摩擦、非弹性体的压缩、拉伸与扭转等作用所产生的负载转矩，机床加工过程中切削力所产生的负载转矩就是反抗性转矩。反抗性转矩的方向恒与运动方向相反，当运动方向发生改变时，负载转矩的方向也会随着改变，因而它总是阻碍运动的。按前面介绍的关于转矩正方向的约定可知，反抗性转矩恒与转速n取相同的符号，即n为正方向时T为正，特性曲线在第一象限；nL为反方向时T为负，特性曲线在第三象限，如图0-5（a）所示。L（2）位能性恒转矩负载。

位能性转矩与反抗性转矩不同，它是由物体的重力和弹性体的压缩、拉伸与扭转等作用所产生的负载转矩，卷扬机起吊重物时重力所产生的负载转矩就是位能性转矩。位能性转矩的作用方向恒定，与运动方向无关，它在某方向阻碍运动，而在相反方向则促进运动。由于重力的作用，卷扬机起吊重物时的方向永远向着地心，因此，由它产生的负载转矩永远作用在使重物下降的方向。当电动机拖动重物上升时，T与n方向相反；当重物下降时，T则与n方向相同。不管n为正LL向还是反向，T都不变，其特性曲线在第一、第四象限，如图0-5（b）L所示。不难理解，在运动方程式中，反抗性转矩T的符号总是正的；L位能性转矩T的符号则有时为正，有时为负。L图0-5 两种恒转矩型负载

2）离心式通风机型负载特性

这一类型的负载是按离心力原理工作的，如离心式鼓风机、水泵2等的负载转矩 T与 n 的二次方成正比，即T=Kn，K为常数，其负LL载特性如图0-6所示。

3）直线型负载特性

这一类型负载的负载转矩T随n的增加成正比地增大，即LT=Kn，K为常数，其负载特性如图0-7所示。L

实验室中作模拟负载用的他励直流发电机，当励磁电流和电枢电阻固定不变时，其电磁转矩与转速即成正比。

4）恒功率型负载特性

这一类型负载的负载转矩T与转速n成反比，即T=K/n，或LLK=Tn∝P（常数），其负载特性如图0-8所示。例如，车床加工，在L粗加工时，切削量大，负载阻力大，开低速；在精加工时，切削量小，负载阻力小，开高速。当选择这样的方式加工时，不同转速下的切削功率基本不变。

除了上述几种类型的负载特性外，还有一些生产机械具有各自的负载特性，如带曲柄连杆机构的生产机械，它们的负载转矩 T是随L转角的变化而变化的，而球磨机、碎石机等生产机械的负载转矩则随时间的变化而作无规律的随机变化等。

还应指出，实际使用中的负载可能是单一类型的，也可能是几种类型的综合。例如，实际使用中的通风机除了主要具有通风机性质的负载特性外，轴上还有一定的摩擦转矩T，因此，其负载特性应为02T=T+Kn。L0图0-6 离心式通风机型负载特性

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