概说动力学

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1、1,第一章 概 论,1.1 课程的性质、基本要求、意义和目标,对本课程的基本要求： 熟悉先修的课程，学习后应了解什么？掌握什么？学会什么？ 1、掌握常用电机、电器、晶闸管等及其电路的工作原理、主要特性，了解其应用和选用的方法；,本课程是机械设计制造及其自动化专业的一门主干技术基础课。,2,第一章 概 论,2、掌握继电器-接触器控制、PLC控制器的基本原理，学会用它们来实现生产过程的自动控制； 3、掌握常用的开环、闭环驱动控制系统的基本工作原理和特点、了解其性能及其应用场所； 4、具有运用标准、规范、手册、图册等有关技术资料的能力； 5、掌握机电传动的基本规律，学会分析控制系统的基本方法；,3,

2、机电传动与控制课程的内容，包含拖动生产机械的电动机，和控制电机的一整套控制系统。 教材要求：机电传动控制邓星钟， 华中科技大学出版社，2001年3版 学习辅导与习题邓星钟， 华中科技大学出版社 学习本课程旨在培养具有创新精神和实践能力的“机电复合型”人才。,第一章 概 论,4,第一章 概 论,本课程的特点和学好课程的方法： 学习时首先了解问题是如何提出的，特别注意对基本概念、原理、公式的理解和掌握，相互联系，了解其应用。做有关的习题、思考题及自测练习。坚持老师为主导，学生为主体的思想。 根据学科的发展与其内在规律，以伺服驱动系统为主导，以控制为线索，学习和掌握机电一体化技术所需的强电控制知识。

3、,5,第一章 概述 第二章 机电传动系统的动力学方程 第三七章 电机特性 第八章 继电器-接触器控制 第九章 PLC 第十章 晶闸管电路（简介）,第十一、十二章 直、交流传动控制 第十三章 步进电机 传动控制系统简介 实验 4学时,1.2 机电传动控制课程安排,6,1.3 机电传动的目的和任务：,电动机+生产机械+控制系统机电传动系统 目的：电能转变为机械能，实现生产机械的启动、停止、调速，完成各种生产工艺过程的要求，保证生产过程的正常运行。 任务：指控制电动机驱动生产机械，实现生产产品数量的增加，质量的提高，生产成本的降低，劳动条件的改善以及能量的合理利用。,7,1.4 机电传动及控制系统的

4、发展概况,1. 机电传动的发展概况（3个阶段） 成组拖动单电机拖动多电机拖动 2. 控制系统的发展概况（4个阶段） 20C初的继电控制；30-40年代出现的电机放大控制，磁放大控制；50年代末出现晶闸管、功率管控制、采样控制； 70年代CNC 和 80年代以来FMS （柔性制造系统）CIMS（计算机集成制造系统）,8,第二章 机电传动系统的动力学基础,本章基本要求： 掌握机电传动系统的运行方程式，用它来分析和判别机电传动系统的运行状态； 为列出多轴拖动系统的运行方程式，必须将转矩等进行折算，掌握其折算的原则和方法； 了解几种典型的生产机械的机械特性；,9,掌握机电传动系统稳定运行的条件，运用其

5、来分析和判断系统的稳定平衡点； 重点： 运用运动方程式分别判别机电传动系统的运行状态； 运用稳定运行的条件来判别机电传动系统的稳定运行点，,第二章 机电传动系统的动力学基础,10,2.1机电传动系统的运动方程式（单轴）,TM 电机产生的 转矩 TL 负载转矩 n 转速 角速度 J 单轴传动系统中转动惯量 t 时间,单轴机电传动运动方程,当d /dt= 0 ，n或 为常数称静态（相对静止）或稳态（稳定运动）,11,2.1机电传动系统的运动方程式（单轴）,用转速n代替，用飞轮惯量（飞轮转矩） GD2代替转动惯量J（J=m2， 、D为惯性半径和惯性直径，重力G=mg,则有,运动方程实用形式,转矩平衡

6、方程形式,转动惯量 刚体绕轴转动惯性的度量。又称惯性距、惯性矩（俗称惯性力距、惯性力矩） 其数值为 J= miri2， 式中mi表示刚体的某个质点的质量，ri表示该质点到转轴的垂直距离。 惯性半径 任一截面对某轴的惯性矩除以该截面面积所得商的平方根值。,Td动态转矩,12,系统运动状态：,设电动机某一转动方向n为正，TM与n一致方向为正；TL与n相反的方向为正。,当Td0时，系统加速；当Td0时，系统减速；当Td=0时，系统恒速。,转矩正方向约定：,13,根据上述约定，可以从转矩与转速的符号上来判定TM、 TL的性质（拖动转矩或制动转矩）。 若TM与n符号相同(同为正或同为负)，则表示TM的作

7、用方向与n相同、 TM为拖动转矩；若TM与n符号相反，则表示TM的作用方向与n相反， TM为制动转矩。,系统运动状态：,14,例子,1、启动：电机拖动重物 上升， TM与n同向为正， TL 与n反向为正， 上升TM TL，则dn/dt为正，系统加速运行； 2、制动：仍为提升，制动电磁转矩TM与n反向为负， TL为反向为正，则dn/dt为负，重物减速上升，直至停止。,15,系统运动状态：,而TL若与n符号相同，则表示的作用方向与n相反，为制动转矩；若TL与n符号相反，则表示的作用方向与n相同， TL为拖动转矩。 这点很重要，是今后分析系统的运行状态（系统处于加速、减速还是匀速）的一个主要依据。也

8、是本章的一个难点。本章的另一个难点在机械特性上判别系统稳定工作点时，如何找出它们。,16,例,图中为实际方向 1）列出运动方程式（要点：TM与n同向为正， TL与n反向为正） A图：TM - TL =(GD2/376) dn/dt B图：-TM - TL =(GD2/376) dn/dt C图： -TM + TL =(GD2/376) dn/dt 2） TM、 TL为（要点： T与n同向为拖动转矩， T与n反向为制动转矩） A图： TM为拖动转矩， TL为制动转矩 B图： TM为制动转矩， TL为制动转矩 C图： TM为制动转矩， TL为拖动转矩 3）判断（要点：Td=TM-TL， 0，加速；

9、0为减速；=0为恒速） A图：加速，因TM TL， dn/dt 0 B图：匀速， TM =TL dn/dt =0 C图：减速， -TM + TL dn/dt 0,17,2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,实际运动系统一般常是多轴系统，为了列出这个系统的运动方程，必须把上述各量折算到某一轴上（电机轴），即折算成为单轴系统。 折算时的基本原则是折算前的多轴系统同折算后的单轴系统，在能量关系或功率关系上保持不变。,18,2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,1、负载转矩的折算 基本原则：功率守恒原则。即折算前的多轴系统同折算后的单轴系统，在功率关系上保持不变。 对于旋转运动，如下图所示，当系统

10、匀速运动时，生产机械的负载功率是：,TL、L 生产机械负载 转矩和角速度,19,则电动机轴上的负载功率是：,设 折算到电动机轴的负载转矩是,2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,M 电动机角速度,TN.m=9550 Pkw/nr/min,20,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 来表示，即：,于是得到折算到电动机轴上的负载转矩TL：,传动机构速比,2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,c电机拖动负载传动效率,21,对于直线运动，如下图卷扬机构所示，,2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,生产机械的负载功率是：,22,反映到电动机轴上的负载功率是：,如电动机拖动

11、生产机械旋转或运动，传动机构中的损耗由电动机承担，根据功率平衡关系，有：,2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,23,2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,如果是生产机械拖动电动机旋转，传动机构中的损耗由负载承担，根据功率平衡关系，有：,c负载拖动电机传动效率,24,2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,1、负载转矩的折算 基本原则：功率守恒原则。即折算前的多轴系统同折算后的单轴系统，在功率关系上保持不变。 对于旋转运动，如下图所示，当系统匀速运动时，生产机械的负载功率是：,25,则电动机轴上的负载功率是：,设 折算到电动机轴的负载转矩是,2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,Tn.m

12、=9550 Pkw/nr/min,26,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 来表示，即：,于是得到折算到电动机轴上的负载转矩：,传动机构速比,2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,27,对于直线运动，如下图卷扬机构所示，,2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,生产机械的负载功率是：,28,反映到电动机轴上的负载功率是：,如电动机拖动生产机械旋转或运动，传动机构中的损耗由电动机承担，根据功率平衡关系，有：,2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,29,2、转动惯量和飞轮转矩的折算,基本原则：动能守恒原则。,2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,JM、J1、JL电

13、机轴、中间轴、生产机械轴上的转动惯量 J1 电机轴与中间轴间长度比 jL 电机轴与生产机械间传动比 GDM2、GD12 、 GDL2电机轴、中间轴、生产机械轴上诶论转矩 GDZ2、折算到电机轴上总诶论转矩,30,对于直线运动时电机轴上总转动惯量： 总飞轮转矩,2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,M 直线运动部件质量 M电机角速度,31,最后将折算后的负载转矩、飞轮转矩代入单轴系统的方程式，可得到多轴系统方程式。,2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,32,例题,有一机电传动系统如图所示，已知：重物G=10000N，上升速度v=0.6m/s，卷筒直径d=0.9m，每对齿轮转速比j1=j2=

14、6，每对齿轮效率1= 2=0.94 ，卷筒效率=0.95 ，滑轮效率=0.96 。试求： （1） 电动机轴上的转速； （2）负载重物折算到电机轴上的转矩,解（1）卷筒转速 nL=60（2V）/D =6020.6/(3.140.9)=25.5r/min 电机轴转速nM= nLj1j2=25.566=918r/min （2）卷筒上转矩 TL=Fr/34=(G/2)(D/2)/(0.950.96)=2470.1Nm 转算到电机周上转矩 TLM= TL/j1j2 12 =2470.1/660.940.94 =77.56Nm,33,2.3 生产机械的机械特性,同一轴上的负载转矩和转速之间的函数关系，称为

15、生产机械的机械特性。,恒转矩型机械特性,常见机械：提升机构、提升机行走机构、皮带输送机、技术切削机床,反抗转矩：摩擦.非弹性压缩.拉伸扭转等负载转矩.切削力矩等，阻碍运动方向，与n同向，一四象限； 位能转矩：重力和弹性压缩、拉伸、扭转产生，作用方向恒定，与n方向无关，因此有+有-，一二象限；。,34,2.3 生产机械的机械特性,离心式通风机、水泵型机械特性,直线型机械特性,35,2.3 生产机械的机械特性,恒功率型机械特性： 负载转矩TL与转速成反比,如车床：粗加工切削量大，负载大，选择低速；精加工切削力小，选择高速。如此：切削功率基本不变。,曲柄连杆机构负载转矩TL随转角变化，破碎机、球磨机

16、负载变化无规律。,36,2.4 机电传动系统稳定运行的条件,机电传动系统的稳定运行包含两重含义： 一是系统应能以一定的速度匀速运转。 曲线1代表电动机机械特性，曲线2代表负载机械特性。,37,二是系统受到某种外部干扰而使运行速度稍有变化，应保证在干扰消除后系统能恢复到原来的运行速度。,2.4 机电传动系统稳定运行的条件,38,充分而必要条件是： 1、电动机机械特性曲线 和生产机械的机械特性曲线 有交点（平衡点A B）。,2.4 机电传动系统稳定运行的条件,39,2、当转速大于平衡点所对应的转速时，必须有 当转速小于平衡点所对应的转速时，必须有,2.4 机电传动系统稳定运行的条件,40,只有满足上述两个条件的平衡点，才是具有恢复到原平衡状态能力而进入稳定运行。,2.4 机电传动系统稳定运