机电传动控制教学课件

机电传动控制课程内容与结构123基础理论控制技术工程实践机电传动系统概述、动力学基础、电机原理直流/交流电机控制、PLC应用、变频调速系统设计、故障诊断、典型案例分析机电传动系统概述传动系统定义机电传动系统是将电能转换为机械能，并通过机械传动装置将动力传递给工作机构的能量转换与传递系统它是现代工业自动化的核心部分，广泛应用于制造业、矿山、石油、冶金等领域系统分类•按电机类型直流传动、交流传动•按控制方式开环控制、闭环控制•按传动特性恒转矩、恒功率、变转矩机电一体化发展趋势•数字化、智能化控制技术融合•高效节能传动成为主流机电传动系统的动力学基础基本物理量动力学方程•扭矩T单位N·m电机转动方程•转速n单位r/min•角速度ω单位rad/s•功率P单位W或kW其中Te为电磁转矩，TL为负载转矩•转动惯量J单位kg·m²传动比与效率传动比i=n1/n2=ω1/ω2机械效率η=P输出/P输入×100%传动系统主要构成部件电动机机械传动装置能量转换的核心部件，将电能转换为将电机输出转矩传递给负载，并实现机械能转速变换•直流电机调速性能好，控制简•减速器降低转速，增大转矩单•联轴器连接两轴，传递转矩•交流电机结构简单，维护量小•齿轮箱变速变向•伺服电机精度高，响应快控制系统实现对电机速度、位置、转矩的精确控制•驱动器为电机提供所需电能•控制器实现各种控制算法直流电机工作原理基本结构与原理直流电机主要由定子（磁极、换向器）和转子（电枢）组成其工作原理基于安培力定律和法拉第电磁感应定律当电枢导体通电后，在磁场中受到安培力作用产生转矩；当导体在磁场中切割磁力线时，又会产生感应电动势电枢反应与换向电枢反应是指电枢电流产生的磁场对主磁场的影响，会导致磁场畸变通过补偿绕组可减小电枢反应影响换向过程是电枢线圈电流方向周期性改变的过程，确保电枢导体始终产生同向转矩励磁方式直流电机控制方式电枢电压调速通过改变电枢电压Ua调节转速n∝Ua-IaRa/CeΦ优点调速范围宽，效率高应用精密机床，卷扬机磁通调速通过改变励磁电流If调节磁通量Φn∝1/Φ优点能实现弱磁调速，扩大调速范围应用需要恒功率调速的场合电子整流调速采用PWM技术控制晶闸管或IGBT的导通时间优点响应快，精度高，可实现四象限运行应用现代数控设备，电动汽车交流异步电动机原理基本结构交流异步电动机主要由定子和转子两部分组成定子内嵌入三相绕组，通入三相交流电后产生旋转磁场；转子可分为鼠笼式和绕线式两种结构旋转磁场当三相对称电流通过空间呈120°电角度的三相绕组时，会产生幅值恒定、空间旋转的磁场旋转磁场的转速称为同步转速ns其中f为电源频率，p为极对数感应电动势与转矩产生旋转磁场与转子之间存在相对运动，在转子导体中感应出电流，导体在磁场中受力产生转矩转差率转差率s表示转子转速n与同步转速ns的相对差值转差率是异步电机的重要参数，决定了电机的工作状态s=0时为同步运行，s=1时为堵转状态75%85%30%交流电动机的控制方法12直接启动降压启动将额定电压直接加到电机端子上，结构简单，但启动电流可达额定通过自耦变压器、电抗器或电阻器降低启动电压，减小启动电流，值的5-7倍，适用于小功率电机或电网容量大的场合但也相应减小启动转矩•自耦降压效率高，适用于大功率电机•电阻降压成本低，适用于小功率电机34Y-△启动软启动器启动时定子绕组呈Y形连接，运行时切换为△形连接启动电流减利用电力电子器件控制电机端电压，实现平滑启动和停止，减小机小为直接启动时的1/3，广泛应用于中大功率电机启动械冲击和电网冲击，适用于各种功率等级的电机交流同步电机简介结构与分类同步电机是一种转子转速与电源频率同步的交流电机，主要分为•电磁式具有励磁绕组，需要直流励磁电源•永磁式采用永磁体产生磁场，无需励磁电源•磁阻式利用磁阻变化原理工作工作基础同步电机转速与电源频率严格同步其中n为转速r/min，f为电源频率Hz，p为极对数主要特点•转速恒定，不随负载变化•功率因数可调，可提供无功功率•效率高，调速性能好工业应用同步电机广泛应用于步进电机与伺服电机步进电机伺服电机步进电机是一种将电脉冲转换为角位移的执行机构，每接收一个脉冲信号，电机转子就转动一个固定的伺服电机是一种带有反馈装置的电机，能够精确控制位置、速度和加速度角度（步距角）•控制方式闭环控制，实时反馈•控制方式脉冲控制，开环控制•精度高精度编码器，分辨率高达10000脉冲/转•精度典型步距角

1.8°，细分后可达

0.09°•特点响应速度快，加减速性能好，过载能力强•特点定位精确，低速转矩大，无累积误差

1.8°

0.001°300%标准步进电机步距角高精度伺服系统分辨率伺服电机瞬时过载能力电动机选型与参数匹配负载特性分析电机功率选择•恒转矩负载T=const电机额定功率应满足•恒功率负载P=const•变转矩负载T∝n²根据负载特性曲线确定电机类型与功率其中PN为电机额定功率，PL为负载功率，η为传动效率，Ks为安全系数使用条件考量•环境温度、湿度、海拔•防护等级要求（IP等级）•启动频率与运行工况•噪声与振动限制案例分析某水泵系统负载转矩随转速平方变化，工作点转速为1450r/min，轴功率15kW，传动效率

0.92，安全系数取

1.2，则所需电机额定功率应不小于15/

0.92×

1.2=

13.6kW，选择标准电机PN=15kW考虑到工作环境为室外潮湿场所，应选择IP54及以上防护等级，绝缘等级F级以上的电机机械传动方式与结构齿轮传动带传动传递转矩大，传动比精确，效率高运行平稳，有缓冲减震作用，效率中等η=

0.96~

0.99η=

0.85~

0.96适用于高速、重载场合适用于轴距较大的传动丝杠传动链传动可实现旋转运动与直线运动的转换，自锁性好承载能力强，传动比稳定，效率较高η=

0.92~

0.97适用于精密定位系统适用于中速、中载场合维护要点定期检查机械传动部件的润滑状况，确保润滑油脂质量和用量符合要求；检查齿轮啮合间隙、带的张紧度、链条的松紧度是否合适；观察运行中的噪声和振动情况，及时发现并处理异常；定期检测轴承温度和磨损状况，预防性更换已达到使用寿命的部件变压器基础知识工作原理变压器是利用电磁感应原理实现电压变换、电流变换和阻抗变换的静止电气设备当原边绕组通入交流电流时，在铁芯中产生交变磁通，这一磁通在副边绕组中感应出电压理想变压器的电压和电流关系其中U

1、U2分别为原、副边电压；N

1、N2分别为原、副边匝数；I

1、I2分别为原、副边电流变压器损耗•铁损包括磁滞损耗和涡流损耗•铜损绕组电阻产生的焦耳热损耗•杂散损耗包括漏磁通、绝缘损耗等在控制系统中的作用•电压变换提供系统所需的各种电压等级•电气隔离提高系统安全性继电接触器控制电路基本元件介绍•继电器小功率控制大功率的电磁开关•接触器专用于频繁通断大电流的继电器•按钮操作控制元件•指示灯显示系统工作状态•熔断器/断路器过流保护装置基本控制回路•点动控制按下按钮电机运行，松开按钮停止•自锁控制按下启动按钮后，电机持续运行自锁控制回路工作原理•互锁控制防止正反转同时投入按下SB2（启动按钮）后，线圈KM通电吸合，主触点闭合接通电机电源，同时辅助触点KM也闭合，形成自锁回路即使松开SB2，只要SB1（停止按钮）未按下，KM线圈仍保持通电状态，电机继续运行按下SB1后，KM线圈断电，所有触点恢复原位，电机停止运行常见机电联锁控制正反转联锁时间联锁通过辅助触点和按钮互锁，防止正反转同时接通利用时间继电器实现延时启动或延时停止接触器线圈KM1和KM2互锁，确保电气和机械安全常用于星三角启动、泵阀顺序控制等场合条件联锁顺序联锁利用传感器信号作为运行条件确保多台设备按特定顺序启动和停止如温度、压力、液位等超限时自动保护停机如生产线各段、主辅机等必须按顺序运行安全防护措施示例在起重机控制系统中，设置多重联锁保护，包括重量超限联锁、行程限位联锁、门限位联锁等；采用双通道紧急停止回路设计，确保在任何情况下都能可靠停机；设置声光报警装置，在设备启动前发出警告信号；关键部位配置冗余传感器，防止单点故障导致安全事故可编程控制器（）基础PLCPLC组成结构•CPU中央处理器，执行程序和数据处理•存储器包括程序存储器和数据存储器•输入接口接收外部信号•输出接口控制外部设备•电源模块提供系统所需电源•通信模块实现与其他设备的数据交换PLC工作原理PLC按照输入采样→程序执行→输出刷新的扫描周期循环工作，一般扫描周期为几毫秒至几十毫秒编程语言•梯形图LD最常用，类似继电器控制线路•功能块图FBD用方框表示功能，适合过程控制•指令表IL类似汇编语言，适合小型PLC•结构化文本ST类似高级语言，适合复杂算法•顺序功能图SFC描述顺序控制过程，直观明了现代PLC通常提供多种编程语言，工程师可根据不同应用需求选择最合适的语言在传动控制中的应用PLC电动机基本控制PLC实现电动机的启停、正反转控制，相比继电器控制更灵活、可靠梯形图示例|--[X0]--+--[X2]--[Y0]--|||--[Y0]--+--[X1]----------|X0为启动按钮，X1为停止按钮，X2为安全条件，Y0为输出继电器控制接触器顺序控制与联锁通过程序实现多电机顺序启动、延时控制、互锁保护等功能典型应用生产线各段传送带顺序启动控制，水泵与阀门联锁控制过程控制结合模拟量I/O模块，实现变频器速度控制、温度控制、压力控制等闭环控制功能典型应用恒压供水系统、混合反应釜温度控制通信与集成通过工业以太网、现场总线等实现PLC与变频器、伺服驱动器、人机界面等设备的通信集成典型应用分布式控制系统、柔性制造系统电力电子技术基础整流变频逆变斩波主要电力电子器件•二极管单向导通，无控整流•晶闸管SCR可控整流，触发导通•IGBT高频开关特性好，应用广泛•MOSFET超高频应用，导通电阻小•GTO可关断晶闸管，无需换流电路电力电子器件选型主要考虑电压、电流、频率、功耗、驱动复杂度等因素变频调速技术（）VVVF变频调速原理变频器基本结构异步电机转速与电源频率和极对数的关系•整流单元将交流电转换为直流电•直流回路滤波和能量储存•逆变单元将直流电转换为可变频率交流电•控制单元实现各种控制算法和保护功能通过改变电源频率f可实现电机转速调节为保持电机磁通恒定，需同时调整电压，即V/f恒定控制应用案例控制方式•风机水泵变频节能节电30%~50%•V/f控制简单实用，开环控制•提升机软启动减小冲击，延长机械寿命•矢量控制性能优越，可实现转矩控制•生产线速度精确匹配提高生产效率•直接转矩控制动态响应快，无需位置传感器•恒压供水系统根据用水量自动调节水泵转速伺服控制系统速度环通过检测电机转速并与给定速度比较，计算速度误差速度环PI调节器输出转矩指令，控制电流大小典型响应时间1-10ms电流环最内环，控制电机的电磁转矩通过PWM技术控制功率器件的导通时间典型响应时间

0.1-1ms位置环最外环，通过编码器反馈实现精确定位位置环P调节器输出速度指令典型响应时间10-100ms数字伺服技术发展趋势高分辨率编码器技术不断提高，从10000脉冲/转发展到百万脉冲/转；控制算法更加智能化，引入自适应控制、模糊控制、神经网络等先进算法；通信接口标准化，支持EtherCAT、SERCOS III等高速实时通信协议；伺服系统功能更加丰富，集成振动抑制、负载观测器、自动调谐等功能工业现场总线与通信主要现场总线类型系统集成实际问题•异构系统互联互通需要网关或OPC技术Modbus•实时性保证选择合适的通信协议和参数简单实用，成本低，主从式通信•电磁兼容性正确接地和屏蔽•网络拓扑选择总线、星型、环网各有优缺点速率

9.6Kbps~

115.2Kbps•通信故障诊断需要专业工具和方法应用小型控制系统，设备互联Profibus高可靠性，确定性通信速率

9.6Kbps~12Mbps应用大型过程控制，复杂工厂自动化CAN高抗干扰能力，多主控制速率10Kbps~1Mbps现代工业通信正向工业以太网方向发展，如PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT等，实现应用汽车电子，移动机械了高速率、大数据量的实时通信，为工业互联网和智能制造奠定了基础智能传动控制最新发展传统机电系统数字化控制网络化系统智能化传动物联网技术与机电集成•传感器网络实时监测设备运行状态•边缘计算减少数据传输，提高响应速度•大数据分析挖掘设备运行规律，预测性维护人工智能应用•自学习控制算法适应负载变化，自动优化参数•故障诊断专家系统自动判断故障原因•优化决策能效优化、运行成本最小化机电传动系统的故障分析38%42%20%电气故障比例机械故障比例其他故障比例包括过电压、过电流、短路、断包括轴承磨损、齿轮损坏、传动包括控制系统故障、传感器故路等电气类故障部件断裂等机械类故障障、人为操作错误等电动机常见故障控制系统故障•绕组短路过载、绝缘老化•电子元器件失效老化、过压•轴承损坏润滑不良、对中不准•接触不良振动、松动、氧化•转子断条频繁启动、制造缺陷•干扰问题电磁干扰、接地不良•过热通风不良、环境温度高•软件bug参数设置错误、程序逻辑错误快速诊断方法•感官检查异常声音、气味、温度•测量检查电压、电流、绝缘电阻•专用仪器振动分析仪、红外热像仪•软件诊断读取故障代码、数据分析机电传动系统维护与保养1日常检查频率每班/每天•运行声音、温度异常检查•电机通风情况检查•传动部件润滑状况检查•控制柜温度、指示灯检查2一级保养频率每月•电机轴承润滑•传动链条、皮带张紧度调整•电气接线检查紧固•控制参数检查和记录3二级保养频率每季度•绝缘电阻测量•振动、温度等数据采集分析•润滑油脂更换•紧固件全面检查4三级保养频率每年•电机拆检和清洗•轴承检查或更换•传动部件全面检查•控制系统全面测试实际保养案例某水泥厂回转窑主传动系统采用定期预防性维护与状态监测相结合的策略，通过振动监测系统实时监测齿轮箱和电机状态在一次例行检查中，振动分析显示齿轮箱输入轴轴承振动值逐渐增大，通过频谱分析判断为轴承内圈故障及时安排停机更换轴承，避免了更大范围的损坏和生产停机此案例说明科学的预防性维护和先进的状态监测技术对保障设备可靠运行的重要性行业典型应用案例解析机器人关节驱动系统工业机器人通常有6个自由度，每个关节均采用高精度伺服驱动系统关键技术•高精度伺服电机高响应性、低惯量•高分辨率编码器实现精确位置控制•高刚性减速器RV减速器或谐波减速器•多轴协同控制实现复杂轨迹运动案例亮点某焊接机器人通过伺服控制实现±

0.05mm的定位精度，焊缝跟踪精度达到±

0.1mm，大幅提高了焊接质量和生产效率电梯主机及控制系统关键技术虚拟仿真与实训平台3D系统模拟采用三维可视化技术，构建虚拟的机电传动系统模型学生可以在虚拟环境中观察系统内部结构、运行过程和动态参数变化，深入理解系统工作原理支持任意视角观察、剖切显示、透明化处理等多种观察方式，克服了实物教学中的视觉局限性仿真实验模块包含电机特性测试、传动系统动态分析、PID控制参数整定、故障诊断与排除等多个仿真实验模块学生可以在虚拟环境中进行参数设置、运行仿真、数据采集和分析支持故障注入功能，可模拟各种故障现象，培养学生的故障分析与排除能力虚实结合实训采用虚拟现实技术与实物结合的方式，学生可以通过VR/AR设备与虚拟系统交互，也可以操作实物设备并观察虚拟系统的响应解决了实物实训中设备数量限制、安全风险和耗材成本高等问题，提高了实训效果和效率典型模拟实操任务示例变频器参数整定与调试实训学生需要在虚拟环境中为水泵负载选择合适的变频器型号，设置变频器参数，然后进行启动调试系统将模拟实际运行情况，包括加减速过程、过流保护触发等现象学生需要根据运行状况调整参数，直到系统达到最佳运行状态该任务综合考查学生的理论知识、参数计算能力和调试技能实验与课程设计要求1基础实验（必做）•电动机参数测定与特性分析•继电接触器控制电路设计与调试•PLC基本指令应用与编程•变频器参数设置与调速实验•伺服电机位置控制实验基础实验主要验证课堂所学理论知识，培养基本操作技能2提高实验（选做）•多电机协同控制系统设计•基于触摸屏的人机界面设计•工业网络通信实验•基于MATLAB的控制系统仿真提高实验侧重综合应用能力培养，要求学生融会贯通所学知识3创新设计（自选题目）•智能物流分拣系统设计•基于物联网的设备监控系统•柔性制造单元传动控制方案•新能源汽车驱动系统仿真创新设计鼓励学生结合最新技术发展趋势，提出创新性解决方案课程设计基本要求设计报告应包含需求分析、方案论证、系统设计、参数计算、控制策略、仿真验证等内容；鼓励学生采用现代设计工具进行辅助设计；强调理论与实际相结合，设计方案应具有可行性；要求学生在设计过程中注重节能环保、安全可靠性等工程因素常见考试题型与复习重点选择题计算题重点掌握基本概念、原理和计算公式掌握典型计算方法与步骤•电机工作原理与基本参数•电机参数计算与分析•各种控制方式的特点与应用场合•传动比、效率计算•电力电子器件的特性与选用原则•控制系统参数整定•变频器参数选择画图题综合分析题能够绘制并分析各种图形灵活运用所学知识解决工程问题•电机特性曲线•系统方案设计与论证•控制电路原理图•故障分析与处理•PLC梯形图程序•优化改进与创新设计•系统方框图历年高频考点梳理电机基本方程与特性曲线分析；直流和交流电机调速方法比较；PLC梯形图编程与应用；变频调速系统设计与参数计算；闭环控制系统稳定性分析；系统故障诊断与排除方法建议复习时注重理解而非死记硬背，多做例题和历年真题，加强实践操作经验，培养分析问题和解决问题的能力总结与展望课程主要收获•系统掌握机电传动控制基本原理与方法•了解主流控制技术及其应用领域•具备机电系统设计、调试与维护能力•培养工程思维与问题解决能力职业发展方向后续进阶学习建议•电气工程师负责电气系统设计与实施•深入学习现代控制理论与方法•自动化工程师开发与维护自动控制系统•掌握工业机器人技术•设备维护工程师负责设备保养与故障处理•学习人工智能与机器学习技术•技术支持工程师提供技术咨询与培训•了解工业互联网与数字孪生技术•研发工程师从事新产品、新技术研发•关注新能源与智能电网技术机电传动控制领域正在向数字化、网络化、智能化方向发展，未来工程师需要不断学习新知识、掌握新技能，以适应技术发展和产业变革的需要希望同学们在本课程的基础上，持续学习与实践，成为具有创新能力的高素质工程技术人才。