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《机电传动控制》（第五版）教案第1章绪论1.1 机电系统的组成＝机械运动部件＋机电传动＋电气控制系统。
1.机械运动部件——完成生产任务的基础，机械执行部分；2.机电传动———＝电力传动或电力拖动，是驱动生产机械运动部件的原动机的总称；3.电气控制系统——控制电动机的系统。
1.2 机电传动的目的和任务1.机电传动的目的——将电能转变为机械能，实现生产机械的启动、停止、以及速度调节，满足各种生产工艺的要求，保证生产过程的正常进行2.机电传动的任务①广义上讲——使生产机械设备、生产线、车间甚至整个工厂都实现自动化。
②狭义上讲——专指控制电动机驱动生产机械，实现产品数量的增加、质量的提高、生产成本的降低、工人劳动条件的改善以及能源的合理利用。
1.3 机电传动控制的发展概况一、驱动系统的发展阶段：1.成组拖动——一台电动机拖动一根天轴—→通过带轮和传动带—→分别拖动各（一组）生产机械。
生产效率低、劳动条件差，一旦电动机或传动环节发生故障则造成成组生产机械停车。
2.单电动机——一台电动机拖动一台生产机械，较成组拖动进了一步。
但当生产机械的运动部件较多时，其机械传动机构则十分复杂。
3.多电动机拖动——一台生产机械的每一个运动部件都有专门的电动机拖动。
不仅大大简化了生产机械的传动机构，而且控制灵活，为自动化提供了有利条件，是现代化机电传动的典型方式。
二、控制系统的发展阶段：1.接触器＋继电器控制——出现在20世纪初，应用广泛、成本低；但控制速度慢、精度差。
2.电动机放大机控制（30年代）、磁放大机控制（40～50年代）——从断续控制发展到连续控制，并具有了输出反馈环节，简化了控制系统、减少了电路触点、提高了可靠性。
3.大功率可控电力半导体器件控制——具有效率高、反应快、寿命长、可靠性高、维修容易、体积小、重量轻等优点。
由此，开辟了机电传动控制的新纪元。
4.采样控制——数控技术＋微机应用的高水平断续控制，由于采样周期＜＜控制对象的变化周期，∴≌连续控制。
第十一章步进电动机传动控制系统11.1 步进电动机步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件。
每当一个脉冲信号施加于电机的控制绕组时，其转轴就转过一个固定的角度（步距角），顺序连续地发给脉冲，则电机轴一步接一步地运转。
图11.1 步进电动机实物图步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比，运行中无累积误差。
步进电机能方便地实现正、反转和调速、定位控制。
特别是不需位置传感器或速度传感器就可以在开环控制下精确定位或同步运行。
因此，步进电动机广泛应用在数字控制的各个领域。
如各种数控机械、办公自动化产品、工厂自动化机器、计算机外设等。
步进电动机的缺点是不能达到很高的转速（一般小于1000到2000转/min）。
存在低频振荡、高频失步等缺陷。
另外，步进电机自身的噪声和振动较大。
一、步进电动机的工作原理步进电动机的种类很多，按工作原理分，有反应式（Variable-reluctance）、永磁式（Permanent-magnet）、混合式（Hybrid）三种。
按输出转矩大小分，有快速步进电机、功率步进电机。
按励磁相数分有二、三、四、五、六、八相等。
按定子排列还可分为多段式(轴向式)和单段式(径向式)。
步进电动机的结构形式虽然繁多，但工作原理基本相同，下面仅以三相反应式步进电动机为例说明之。
如图11.2所示为一台三相反应式步进电动机的结构示意图。
和一般旋转电动机一样，步进电机也分为定子和转子两大部分。
定子部分由定子铁心、绕组、绝缘材料等组成。
定子铁心是由硅钢片叠压而成的有齿的圆环状铁心。
图中定子有6个磁极，每对磁极上绕有励磁绕组，由外部脉冲信号对各相绕组轮流励磁。
如图所示。
转子部分由转子铁心、转轴等组成。
转子铁心是由硅钢片或软磁材料叠压而成的齿形铁心。
图中转子上有4个凸齿。
若对励磁绕组以一定方式通以直流励磁电流，则转子以相应的方式转动。
其转动原理其实就是电磁铁的工作原理 。
比如，给A 相绕组通电时，转子位置如图（a ），转子齿偏离定子齿一个角度。
机电传动控制课后习题答案完整版 习题与思考题
第二章 机电传动系统的动力学基础
2.1从运动方程式怎样看出系统是加速的、减速的、稳定的和静止的各种工作状态？
答：运动方程式：
T d >0时：系统加速； T d =0 时：系统稳速；T d <0时，系统减速或反向加速。
2.2 从运动方程式怎样看出系统是处于加速，减速，稳态的和静态的工作状态。
TM-TL>0 说明系统处于加速， TM-TL<0 说明系统处于减速， TM-TL=0 说明系统处于稳态 （即 静态）的工作状态。
2.3 试列出以下几种情况下系统的运动方程式，并说明系统的运行状态是加速、减速还是匀速？（图中箭头方向表示转矩的实际作用方向）
dt
d J
T T L M ω=-
答：a匀速，b减速，c减速，d加速，e减速，f匀速
2.4 多轴拖动系统为什么要折算成单轴拖动系统？转矩折算为什么依据折算前后功率不变的原则？转动惯量折算为什么依据折算前后动能不变的原则？
答：在多轴拖动系统情况下，为了列出这个系统运动方程，必须先把各传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电动机轴上。
由于负载转矩是静态转矩，所以可根据静态时功率守恒原则进行折算。
由于转动惯量和飞轮转矩与运动系统动能有关，所以可根据动能守恒原则进行折算。
2.5 为什么低速轴转矩大？调速轴转矩小？
答：忽略磨擦损失的情况下，传动系统的低速轴和调速轴传递的功率是一样的，即P1＝P2而P1＝T1ω1，P2＝T2ω2.。
教案机电传动控制第一章：机电传动控制概述1.1 机电传动控制的概念1.2 机电传动控制系统的组成1.3 机电传动控制的特点与应用第二章：机电传动控制的基本原理2.1 机电传动控制的基本原理介绍2.2 机电传动控制系统的建模方法2.3 机电传动控制系统的稳定性分析第三章：机电传动控制器的设计3.1 机电传动控制器的设计方法3.2 PID控制器的设计与应用3.3 模糊控制器的设计与应用第四章：机电传动控制系统的仿真与实验4.1 机电传动控制系统的仿真方法4.2 机电传动控制系统的实验方法4.3 机电传动控制系统仿真与实验的结果分析第五章：机电传动控制系统的优化与故障诊断5.1 机电传动控制系统的优化方法5.2 机电传动控制系统的故障诊断方法5.3 机电传动控制系统的优化与故障诊断的应用实例第六章：电动机控制系统6.1 电动机的基本原理与特性6.2 直流电动机控制系统6.3 交流电动机控制系统第七章：步进电机控制系统7.1 步进电机的工作原理与特性7.2 步进电机控制系统的设计方法7.3 步进电机在实际应用中的案例分析第八章：伺服电机控制系统8.1 伺服电机的工作原理与特性8.2 伺服电机控制系统的设计方法8.3 伺服电机在实际应用中的案例分析第九章：机电传动控制系统的保护与安全9.1 机电传动控制系统的保护措施9.2 机电传动控制系统的安全操作规程9.3 机电传动控制系统保护与安全的实际应用案例第十章：现代机电传动控制技术的发展趋势10.1 智能控制技术在机电传动控制中的应用10.2 网络化控制技术在机电传动控制中的应用10.3 绿色控制技术在机电传动控制中的应用第十一章：传感器在机电传动控制中的应用11.1 传感器的基本原理与类型11.2 常用传感器的特性与应用11.3 传感器在机电传动控制系统中的集成与优化第十二章：机电传动控制系统的节能与环保12.1 节能控制技术在机电传动控制中的应用12.2 环保控制技术在机电传动控制中的应用12.3 节能与环保在机电传动控制系统中的重要性第十三章：机电传动控制系统的可靠性与维护13.1 机电传动控制系统的可靠性分析13.2 机电传动控制系统的维护方法与策略13.3 提高机电传动控制系统可靠性与维护的实际案例第十四章：机电传动控制系统的实际应用案例分析14.1 机床控制系统中的应用案例14.2 自动化生产线中的应用案例14.3 控制系统中的应用案例第十五章：综合训练与实践15.1 机电传动控制系统的设计与实现15.2 机电传动控制系统的仿真与实验15.3 机电传动控制系统的实际操作与调试重点和难点解析本文主要介绍了机电传动控制的相关知识，包括概述、基本原理、控制器设计、系统仿真与实验、优化与故障诊断、电动机控制系统、步进电机控制系统、伺服电机控制系统、保护与安全、现代机电传动控制技术的发展趋势、传感器在机电传动控制中的应用、节能与环保、可靠性与维护、实际应用案例分析以及综合训练与实践。
【最新整理，下载后即可编辑】机电传动控制教案学院、系：机械电子工程学院机电系任课教师：任有志授课专业：机械设计制造及其自动化课程学分：课程总学时：60学时课程周学时：2006年2月20日机电传动控制教学进程河北科技大学教案用纸第 1 次课 2 学时第一章概述§1.1机电传动的目的和任务1.传动——运动的传递（能量）传动的分类（按机械动能传递方法）（1）机械传动a.齿轮b.杠杆如：自行车驱动力、链传动c.皮带d.机构等刹车、连杆机构传递力或力矩（机械能）（2〕流体传动 a.液压与气动（压力能）b.液力传动（流体动能）（3）机电传动(电力拖动)（4）另外还有其它的传动方式。
注：有时，在一个生产机械中由几种传动形式联合工作。
2.机电传动－（本课程研究的内容）以电动机为原动机驱动生产机械的传动系统服务对象：各种生产机械它是一种由电能转变成机械能的传动系统，所以有时也称为电力传动或电力拖动3. 机电传动控制目前：由于生产技术的不断发展，生产机械的自动化程度和生产精度不断提高，所以要求机电传动系统不仅完成能量转换的工作还要对传动过程进行控制。
本课程所研究的就是这二部分内容。
传动及控制所以课程名称叫《机电传动控制》4. 机电传动控制的任务机床切削过程电梯平稳升降及定位轧机的换向等§1.2机电传动发展概况简单的可以分为：a.成组拖动（传动）b.单电机拖动c.多电机拖动三个阶段从控制系统的功率器件上分类：a.接触器和继电器时代b.电机放大机及磁放大机时代c.可控硅（晶闸管）另外，由于计算机技术的发展，又出现了a.模拟控制b.数字控制（数控机床）§1.3 内容安排1.《机械电子》专业是一个以机为主机电结合的专业,课程设置（具了解）基本上是这样的《电路基础》电学基础《模拟电子》电子技术（弱电）《数字电子》计算机技术《机电传动控制》包括了所有应掌握的强电内容用以上四门课程取代了机械专业的《电工学》课程。
机电传动控制(全套完整版)————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：机电传动控制教案学院、系：机械电子工程学院机电系任课教师：任有志授课专业：机械设计制造及其自动化课程学分：课程总学时：60学时课程周学时：2006年2月20日机电传动控制教学进程周次课次章节计划学时教学手段教学环境22 3 3 4 45 56 67 7 88 9 9 1010111112 1213131414151516 16 121212121212121212121212121212§1.1§1.2§1.3§2.1§2.3§2.4§3.1§3.2 §3.3§3.4§3.5§3.6§5.1§5.2§5.3§5.4§5.4§5.5§5.7§5.8§6.1§6.2§6.3 §6.4§6.5§6.7§7.1§7.2 §7.3§7.4§7.5 §7.6电动机原理习题讨论课§8.1§8.1§8.2实验课继电器接触器控制实验习题讨论课：§8.3 §8.4§9.1§9.2实验课：可编程序控制器认识实验§9.3 §9.3实验课：可编程序控制器编程练习§10.1 §10.2§10.3§10.5 §10.6实验课：晶闸管特性及触发原理§11.1 §11.2§11.3 §11.4§12.1§13.1 §13.2§13.3§13.4实验课题讨论课222222222222222222222222222222讲授讲授讲授讲授讲授讲授讲授讲授辅导讲授讲授讲授指导辅导讲授讲授指导讲授指导讲授讲授指导讲授讲授讲授讲授讲授讲授指导辅导多媒体教室多媒体教室多媒体教室多媒体教室多媒体教室多媒体教室多媒体教室多媒体教室多媒体教室多媒体教室多媒体教室多媒体教室机电实验室多媒体教室多媒体教室多媒体教室机电实验室多媒体教室机电实验室多媒体教室多媒体教室机电实验室多媒体教室多媒体教室多媒体教室多媒体教室多媒体教室多媒体教室机电实验室多媒体教室第 1 次课 2 学时上次课复习：本次课题（或教材章节题目）：§1.1目的和任务§1.2发展概况§1.3内容安排§2.1运动方程式§2.3生产机械的机械特性§2.4稳定条件教学要求：了解机电传动的目的、任务和发展概况，掌握机电传动系统的运动方程、各种生产机械的特性和机电传动系统稳定运行的条件。
重点：机电传动系统的运动方程、各种生产机械的特性、机电传动系统稳定运行的条件。
难点：机电传动系统的运动方程、机电传动系统稳定运行的条件。
教学手段及教具：多媒体教学讲授内容及时间分配：§1.1、§1.2、§1.3——0.5学时§2.1、§2.3、§2.4——1.5学时课后作业习题2.10、2.11参考资料第一章概述§1.1机电传动的目的和任务1.传动——运动的传递（能量）传动的分类（按机械动能传递方法）（1）机械传动 a.齿轮b.杠杆如：自行车驱动力、链传动c.皮带d.机构等刹车、连杆机构传递力或力矩（机械能）（2〕流体传动 a.液压与气动（压力能）b.液力传动（流体动能）（3）机电传动(电力拖动)（4）另外还有其它的传动方式。
注：有时，在一个生产机械中由几种传动形式联合工作。
2.机电传动－（本课程研究的内容）以电动机为原动机驱动生产机械的传动系统服务对象：各种生产机械电能机械能—————电动机—————————生产机械它是一种由电能转变成机械能的传动系统，所以有时也称为电力传动或电力拖动3. 机电传动控制目前：由于生产技术的不断发展，生产机械的自动化程度和生产精度不断提高，所以要求机电传动系统不仅完成能量转换的工作还要对传动过程进行控制。
本课程所研究的就是这二部分内容。
传动及控制所以课程名称叫《机电传动控制》4. 机电传动控制的任务———控制电动机驱动生产机械设备，实现具体的工作要求举例：天车的吊起、制动机床切削过程电梯平稳升降及定位轧机的换向等§1.2机电传动发展概况简单的可以分为：a.成组拖动（传动）b.单电机拖动c.多电机拖动三个阶段从控制系统的功率器件上分类：a.接触器和继电器时代b.电机放大机及磁放大机时代c.可控硅（晶闸管）另外，由于计算机技术的发展，又出现了a.模拟控制b.数字控制（数控机床）§1.3 内容安排1.《机械电子》专业是一个以机为主机电结合的专业,课程设置（具了解）基本上是这样的 《电路基础》 电学基础《模拟电子》 电子技术（弱电） 《数字电子》计算机技术《机电传动控制》包括了所有应掌握的强电内容用以上四门课程取代了机械专业的《电工学》课程。
2.本门课包括以下几个方面： （1）电机原理及特性: 交、直、特殊、 三～七章（2）电器及控制： 接触器，继电器;保护及控制器 八章 （3）可编程序控制器： （PC ）原理及应用 九章 （4）可控硅原理及应用: 晶闸管 十章（5）调速系统: 交流、直流,电力拖动 十一、十二章 （6）步进电机调速系统: 自动化 十三章3.课程特点 综合性比较强（面宽） 实践性比较强 与生产实践联系较强（教学实验）4.教学实验 计划开五个：5.学时安排：由于作者建议用90学时讲授，实际他用大约70学时 我们目前安排了60个学时。
教学实验 建议开八个 实际开出了五个 我们目前条件可开六个 但学时数的关系开五个第二章 机电传动的动力学基础§2.1运动方程式1.对于一个电动机输出轴上的运动情况有T T Jd dt k dndt ML- = = ωT m 电机的输出扭矩 T L 电机的负载扭矩 ω 为角速度 J 转动惯量 n 为转速k 为常数2.意义：T m 与T L 之差将产生加速度 当T m >T L 时，加速 当T m <T L 时，减速当T m =T L 时，匀速（平衡） 3.T m 与T L 的正反。
以转速的方向为准（n ）T m ： 与n 同向时为正（拖动）反之为负（制动） T L ： 与n 反向时为正（制动）反之为负（拖动） 解释：提升重物 升：T m 为正，T L 正降：T L 为负，T m 负（制动）第5页2个图§2.3生产机械的机械特性机械特性： 生产机械转轴（电机轴）上的负载转矩和转速之间的函数关系。
分为以下几种§2.3.1 恒转矩机械特性特点： 负载转矩为常数，T L ＝C 可分为: 反抗（摩擦） 与n 同号（总制动）位能方向一定反抗转矩 位能转矩离心风机特性例切削力 吊重物MnT m T L升MnT m T L 降T LnT LnT Ln§2.3.2 离心风机特性特点：Tc=cn 2与转速平方成正比§2.3.3 直线型特性特点:TL ＝cn§2.3.4 恒功率型特性特点:TL ＝c/n直线型恒功率型§2.4 机电传动系统的稳定运行条件电动机的机械特性是Tm=f(n) 曲线及驱动扭矩和转速的函数关系生产机械的机械特性是T L ＝f(n)曲线及负载扭矩和转速的函数关系当电动机作为生产机械的原动机（动力源）时，两个函数中的n 为同一个参数。
在运行中由运动方程式可知，要想稳定运行，速度应匀速不变及TL ＝Tm 时及是稳定的一个条件,所以系统稳定运行的条件之一是 1、电动机和生产机械的机械特性曲线应有交点 此处：Tm=T L （匀速）例： 曲线1和2，附合这个条件,有a 、b 交点 曲线1和3，不附合另外，应有抗干扰能力:当有外来干扰时会引起n 变化 当干扰消失后，n 应恢复原状态 所以另一个稳定条件是:2、当有外加干扰使n 变化时，干扰消除后n 应能自行恢复到原状态。
这件条件的判断原则是: 当n ↑Tm<TL 当n ↓Tm>TLT LnT Lnab123由运动方程看 T T Jd dtM L -==ω0 当干扰使n ↑时,干扰消除后希望n ↓这时如Tm-TL<0则负加速 当干扰使n ↓时,干扰消除后希望n ↑这时如Tm-TL>0则正加速例：a,b 两点a 点，当n ↑时 Tm ↓—Tm' 当干扰消除后由于在n'处Tm-TL<0,所以n ↓b 点，当n ↑时 Tm ↑—Tm'' 当干扰消除后由于在n''处Tm-TL>0,所以n ↑到n'''直到a 点处平衡abn n'T L T m 'T m ''n''第 2 次课 2 学时上次课复习：机电传动系统的运动方程、各种生产机械的特性、机电传动系统稳定运行的条件。
本次课题（或教材章节题目）：§3.1直流电机的结构和工作原理§3.2直流发电机§3.3直流电动机的机械特性教学要求：掌握直流电机的基本工作原理及特性，特别时直流电动机的机械特性。
重点：直流电机的基本工作原理及特性。
难点：直流电机的基本工作原理及特性。
教学手段及教具：多媒体教学讲授内容及时间分配：§3.1、§3.2——1学时§3.3——1学时课后作业习题3.3、3.4、3.5、3.6参考资料第三章直流电机的工作原理电机的分类：a发电机，电动机b直流，交流、步进特点：直流电动机：可以实现无级调速（优点）,在传统的模拟控制系统中应用多交流电动机：简单、便宜、但调速复杂步进电动机：用脉冲工作、易于数字控制直流发电机：一般用来为直流电动机配套；但可控硅取代很多的发电机§3.1直流电机的基本结构和原理§3.1.1直流电机的结构主要部件：励硅绕组（定子线圈）用来产生磁场电枢绕组（转子线圈）通有工作电流换向器保持电枢绕组的电流方向不变铁芯（定子、转子）导磁及支撑作用：简述其它：略§3.1.2 直流电机的基本工作原理以单个电枢绕组线圈为例说明一、发电机（根据右手定则）励磁绕组通电产生一磁场>A点总与N极侧的一边相连>B点总与N极侧的一边相连>转子（电枢线圈）由原动机拖动，以转速n转动>这时，N边切割磁力线产生电势指向外S边切割磁力线产生电势指向内> AB两点就产生了电势E＝KeΦn当有负载R L时，就产生电流I>这时，E＝KeΦn二、电动机（根据左手定则）> 在AB两点加电压，在电枢中产生电流I> 则N边受力, S边反向受力，形成转矩T＝KmΦIa> 电枢转动后，切割磁力线产生反电势E＝KeΦn> 当n到一定值后，Ia=（U-E）/Ra满足T后稳定下来。
