下载文档原格式
《机电传动控制》教学大纲一、课程基本信息课程中文名称：机电传动控制课程英文名称：Mechanical & Electrical Transmission and Control课程编码：03000100课程类型：学科专业课总学时：40实验学时：4 上机学时：0 课外学时：0学分：2.5适用专业：机械设计制造及其自动化专业本科、机械电子工程专业、四年级先修课程：高等数学及工程数学，理论力学，电工电子学开课院系：机械工程学院二、课程的性质与任务机电传动控制及PLC是机械设计制造及其自动化专业的一门主干技术基础课。
研究对象是机电传动控制系统中常用的各种电机及其控制技术。
通过本课程的学习，使学生掌握机电传动系统的基本组成、工作原理及其控制，为机电一体化产品（或系统）的设计打下基础。
三、课程教学基本要求本课程教学基本要求包括以下几个方面：（1）掌握交直流电动机的工作原理, 特性,应用场合和选用方法；（2）掌握常用低压电器等电力电子元件的工作原理,特性,应用场合和选用方法；（3）掌握机电传动断续控制,连续控制,伺服控制,步进电机传动控制系统的组成,控制原理,应用场合和使用情况；（4）掌握各种常用控制电路以及控制电路的设计；（5）了解PLC在机电传动控制中的应用。
四、理论教学内容和基本要求第一章概述（1学时）理论教学内容：1.1 机电传动的目的和任务1.2 机电传动及其控制系统的发展概况1.3 课程的性质和任务基本要求：(1)了解机电传动的目的和任务。
第二章机电传动系统的动力学基础（5学时）理论教学内容：2.1 机电传动系统的运动方程式2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算2.3 生产机械的机械特性2.4 机电传动系统稳定运行的条件2.5 机电传动系统的过渡过程基本要求：(1)掌握机电传动系统的运动方程式及其含义。
(2)掌握多轴拖动系统中转矩折算的基本原则和方法。
(3)了解几种典型生产机械的负载特性。
电机与拖动控制第三章直流电机的工作原理及特性3.1 直流电机的基本结构和工作原理3.2 直流电动机的机械特性3.3 直流他励电动机的启动特性3.4 直流他励电动机的调速特性3.5 直流他励电动机的制动特性3.6 串励直流电动机3.1 直流电机的基本结构和工作原理一、直流电机的工作原理磁极数－主磁极的个数磁极对数=磁极数/2二、直流电机的基本结构1.定子剖面图9产生主磁场9机械上支撑电机2.转子（电枢）结构图电枢线圈换向片转子转轴电枢铁芯硅钢冲片4.换向器图换向片电刷5.总体结构三、电磁转矩和感应电动势•转子驱动转矩：（Nm ）–转矩方向：左手定则–TL:负载转矩(Nm) 当T=TL 时，转子以稳定转速运行。
–φ：磁通（Wb ）–Ia:电枢电流（A ）–Kt:转矩常数（Nm/A ）•转子感应电动势：(V)–电动势方向：右手定则–n: 转子转速（r/min ）–Ke:电势常数(V/ r/min)a t I K T φ=n K E e φ=四、直流电动机分类按励磁方式分为：他励、并励、串励和复励例1：•并励直流电动机数据如下：–额定功率P N =2.2 KW –输入电压：U N =U f =110 V –额定转速n N =1500 r/min –效率η=0.8–电枢电阻R a =0.4Ω–定子线圈电阻R f =87.2Ω•计算：–额定电枢电流I N –额定励磁电流I f –额定转矩T N –额定电枢电流时的电枢反电势E N例2（P40，3.9）•并励直流电动机数据如下：–额定功率P N =5.5 KW –额定输入电压：U N =U f =110 V–额定输入电流：I N =61 A –额定励磁电流：I fN =2 A –额定转速n N =1500 r/min –电枢电阻R a =0.2Ω•要求：绘制机械特性曲线特点：特性曲线变软，R、越大、特性越软图3-18（b）2. 直流他励电动机的起动方法（1）降压起动☆原理：N U />0= 0st I =a st st st （R +R ）R R 起动时：起动后：（2）电枢回路外串起动电阻的起动☆原理；电枢电路外串起动电阻Rst 来限制起动电流NU N/<U st U I U U ==a 起动后R3.4直流他励电动机的调速特性一、速度调节与速度变化☆速度调节：在一定的负载下，人为改变参数，达到改变电动机稳定转速。
智能功率芯片BTS6143D特性的试验研究摘要：智能功率芯片BTS6143D是英飞凌公司专门为满足汽车电子元件苛刻的工作环境和运行要求而设计开发的高边功率开关。
本文结合汽车智能灯光控制模块设计的项目实践，对智能功率芯片BTS6143D在汽车灯光控制系统发生短路故障时的短路保护特性及正常运行时的启动特性进行了研究与分析，并给出了试验电路图及试验结果。
引言随着现代汽车电子和汽车工业的发展，汽车的智能化程度越来越高，对车辆灯光控制等各个控制系统的智能化要求也越来越高。
新的控制功能随市场的需要而不断增加，如中央门锁、玻璃升降、后视镜调节、天窗控制、座椅调节、点火延时控制等。
传统的继电器控制布线复杂，造成的电磁干扰严重，使系统的可靠性下降，同时也给装配和维护带来诸多问题。
毫无疑问, 使用智能功率器件代替传统的继电器和保险丝必将是大势所趋。
本试验采用了英飞凌公司的智能功率器件BTS6143D。
BTS6143D是英飞凌公司开发的智能高边功率开关，专为满足汽车电子元件苛刻的工作环境和运行要求而设计。
本文将结合智能功率器件BTS6143D，对其在智能灯光控制系统[1]中的启动特性和短路保护特性进行研究与分析。
文章首先简单介绍智能功率器件BTS6143D的基本结构，包括内部功能框图及在灯光控制系统中的电路图等；随后介绍短路试验的步骤；最后通过分析试验结果，证明在汽车灯光控制系统出现短路故障时，BTS6143D能提供比传统的继电器和保险丝更迅速有效的保护。
1.BTS6143D简介BTS6143D是英飞凌公司设计的N沟道FET功率管，内部集成充电泵，电流驱动，并具有负载电流检测的故障反馈功能（包括过载、过温和短路检测等），是一款集成SIPMOS®片上技术的高边智能功率开关芯片。
BTS6143D适用于汽车电子苛刻的工作环境，其工作的温度范围可从-40°C 至+150°C。
采用12V或24V负载控制，适用于各种阻性负载、感性负载或容性负载，尤其适用于具有高浪涌电流的负载，如灯等；可以作为继电器、保险丝及分立电路等控制方法的替代方法。
3．3 直流他励电动机的启动特性
一、启动特性
电动机的启动就是施电于电动机，使电动机转子转动起来，达到要求转速的这一过程。
对直流电动机而言，在未启动之前n =0 , E =0, 而R a 一般很小。
当将电动机直接接入电网并施加额定电压时，启动电流为：
a
N st /R U I 这个电流很大，一般情况下能达到其额定电流的（10～20）倍。
过大的启动电流危害很大：
（1）对电动机本身的影响：
• 使电动机在换向过程中产生危险的火花，烧坏整流子；
• 过大的电枢电流产生过大的电动应力，可能引起绕组的损坏；
（2）对机械系统的影响：
与启动电流成正比例的启动转矩使运动系统的动态转矩很大，过大的动态转矩会在机械系统和传动机构中产生过大的动态转矩冲击，使机械传动部件损坏；
（3）对供电电网的影响：
过大的启动电流将使保护装置动作，切断电源造成事故，或者引起电网电压的下降，影响其他负载的正常运行。
因此，直流电动机是不允许直接启动的，即在启动时必须设法限制电枢电流，例如普通的Z2型直流电动机，规定电枢的瞬时电流不得大于额定电流的1.5～2倍。
二、启动方法
限制直流电动机的启动电流，一般有降压启动和电枢回路串电阻启动两种方式。
1. 降压启动：
所谓降压启动即在启动瞬间，降低供电电源电压，随着转速的升高，反电势增大，再逐步提高供电电压，最后达到额定电压时，电动机达到所要求的转速。
2. 电枢回路串电阻启动
,此时启动电流
启动时，电枢回路串接启动电阻R
st
I st=U N/(R a+R st)将受外加启动电阻的限制。
随着转速的升高，反电势增大，再逐步切除外加电阻直到全部切除，电动机达到所要求的转速。
电枢回路串电阻启动时电动机电枢电路和启动特性如图所示：
直线1为电动机电枢回路串接启动电阻时的机械特性，直线2为电动机的固有机械特性。
启动电阻的大小就是保证启动电流为额定值的两倍。
电枢回路接入电网时，KM断开，电动机工作在特性1上，在动态转矩的作用下，电动机速度上升。
当速度上升到a点时，KM闭合，电动机的机械特性变为2。
由于在切换电阻的瞬间，机械惯性的作用使电动机的转速不能突变，在此瞬间速度维持不变，即电动机的工作点从a点切换到b点，在动态转矩的作用下，电动机的速度继续上升直到稳定点c。
c3-3.swf
从图中不难看出：当电动机的工作点从a点切换到b点时，冲击电流仍很大，为了解决这种现象，通常采用逐级切除启动电阻的方法来实现。
图所示为具有三段启动电阻的原理电路和启动特性。
图中：
T－尖峰（最大）转矩；2T－换接（最小）转矩
1
(1) 电枢接入电网时，KM1、KM2和KM3均断开，电枢回路串接外加电阻R
ad3
=R1+R2+R3，此时，电动机工作在特性曲线a，在
转矩T
1的作用下，转速沿曲线a上升；
(2) 当速度上升使工作点到达2时，KM1闭合，即切除电阻R3，
=R1+R2，电动机的机械特性变为曲线此时电枢回路串外加电阻R
ad2
b。
由于机械惯性的作用，电动机的转速不能突变，工作点由2切换
到3，速度又沿着曲线b继续上升；
(3) 当速度上升使工作点到达4时，KM1、KM2同时闭合，即
切除电阻R
2、R
3
，此时电枢回路串外加电阻R
ad1
=R1，电动机的机
械特性变为曲线c。
由于机械惯性的作用，电动机的转速不能突变，工作点由4切换到5，速度又沿着曲线c继续上升；
(4) 当速度上升使工作点到达6时，KM1、KM2、KM3同时闭
合，即切除电阻R
1、R
2
、R
3
，此时电枢回路无外加电阻，电动机
的机械特性变为固有特性曲线d，由于机械惯性的作用，电动机的转速不能突变，工作点由6切换到7，速度又沿着曲线d继续上升直到稳定工作点8。
c3-4.swf
由上可见，启动级数愈多，T 1、T 2愈与平均转矩2
21av T T T +=接近，启动过程快而平稳，但所需的控制设备也就愈多。
我国生产的标准控制柜都是按快速启动原则设计的，一般启动电阻为（3～4）段。
多级启动时，T 1、T 2的数值需按照电动机的具体启动条件决定，一般原则是保持每一级的最大转矩T 1（或最大电流I 1）不超过电动机的允许值，而每次切换电阻时的T 2（或最小电流I 2）也基本相同，一般选择：
()N
12~6.1T T =()N 22.1~1.1T T =。
