機電控制技術第三章

1、第三章 機電控制對象 直流電機控制 交流變頻電機控制 步進電機控制 常用低壓控制電器 直流電機調(diào)速 方法 v勵磁控制法(改變勵磁電流) v改變電樞電壓(PWM調(diào)速) v改變電樞電阻 PWM產(chǎn)生控制信號的方法 v分立電子元件組成的PWM信號發(fā)生器 v軟件模擬 v專用PWM集成電路 v單片機等的PWM輸出口 n轉矩控制 改變電樞電流 aT ICT E aaa C RIU n 當開關管的柵極輸入高電平，開關管導 通，直流電機電樞繞組有電壓Us t1秒后，開關管柵極輸入變?yōu)榈碗娖剑?開關管截止，電樞電壓為0 t2秒后，開關管柵極輸入重新變?yōu)楦唠?平，開關管導通，電樞電壓為Us 電機電樞繞組兩端電壓平均

2、值為Uo，取 決于占空比。 定寬調(diào)頻法：保持t1不變，只改變t2， T也隨之改變 調(diào)寬調(diào)頻法：保持t2不變，只改變t1， T也隨之改變 定頻調(diào)寬法：保持T不變，同時改變t1 和t2（用得多） 占空比: 0 1 21 1 SS S a UU T t tt Ut U E aaa C RIU n 三相異步電動機 旋轉磁場 v方向控制 速度控制 v轉差率s v極對數(shù)p v頻率f1 基頻以下，電壓頻率比不變 SPWM(正弦脈寬調(diào)制波)：將等寬的脈沖變成寬度漸變的 脈沖波，其寬度變化規(guī)律符合正弦變化規(guī)律 基頻以上，電壓不變，磁通下降 轉矩控制(定子相電壓) 變頻調(diào)速 伺服控制 )1 ( 60 1 s p

3、f n 111 44. 4NfU 變頻控制的發(fā)展 是適應交流電機無級調(diào)速的需要而發(fā)展起來的 20世紀70年代，開始研究脈寬調(diào)制變壓變頻調(diào)速（西門子公司） 20世紀80年代后半期開始，美、日、德、英等發(fā)達國家的VVVF 變頻器已投入市場并廣泛應用。 分類 交直交變頻 v將交流電經(jīng)過整流、濾波變成直流電 v將直流電轉變成頻率可調(diào)的交流電 交交變頻 特點 調(diào)速范圍，調(diào)速精度，動態(tài)響應，低速轉矩，通訊功能，智能 控制，功率因數(shù)，節(jié)約電能，工作效率，使用方便 控制方式 V/f 控制 矢量控制 直接轉矩控制 原理 V/f控制是為了得到理想的轉矩-速度特性，基 于在改變電源頻率進行調(diào)速的同時，又要保證 電動

4、機的磁通不變的思想而提出的，通用型變 頻器基本上都采用這種控制方式。 特點 變頻器結構非常簡單。 采用開環(huán)控制方式，不能達到較高的控制性能。 在低頻時，必須進行轉矩補償，以改變低頻轉 矩特性。 對異步電動機在三相坐標系下的定子電流Ia、Ib、 Ic，通過三相二相變換，等效成兩相靜止坐標 系下的交流電流Ia1、Ib1。 再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步 旋轉坐標系下的直流電流Im1、It1， Im1相當于 直流電動機的勵磁電流；It1相當于與轉矩成正 比的電樞電流。 然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電 動機的控制量，經(jīng)過相應的坐標反變換，實現(xiàn) 對異步電動機的控制。 基于轉差頻率控制

5、的矢量控制方式 （早期采用） 在進行V / f基礎上，通過檢測異步電動機實際速度 n，得到對應的控制頻率f，然后根據(jù)希望得到的轉 矩，分別控制定子電流矢量及兩個分量間的相位， 對通用變頻器的輸出頻率f進行控制。 無速度傳感器矢量控制方式 基本控制思想是根據(jù)輸入的電動機的銘牌參數(shù)，按 照轉矩計算公式分別對作為基本控制量的勵磁電流 （或者磁通）和轉矩電流進行檢測，并通過控制電 動機定子繞組上的電壓的頻率使勵磁電流（或者磁 通）和轉矩電流的指令值和檢測值達到一致，并輸 出轉矩，從而實現(xiàn)矢量控制。 有速度傳感器的矢量控制方式 原理 利用空間矢量、定子磁場定向的分析方法，直接在定子坐 標系下分析異步電動

6、機的數(shù)學模型，計算與控制異步電動 機的磁鏈和轉矩。 采用離散的兩點式調(diào)節(jié)器（BandBand控制），把轉矩檢 測值與轉矩給定值作比較，使轉矩波動限制在一定的容差 范圍內(nèi)，容差的大小由頻率調(diào)節(jié)器來控制。 產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號，直接對逆變器的開關狀態(tài)進行 控制，以獲得高動態(tài)性能的轉矩輸出。 特點 不需要旋轉坐標變換，由靜止坐標系上控制轉矩和磁鏈 與PWM技術并用 轉矩響應快 國外 安川 Varispeed G5/G7 西門子 SIMOVERT MASTERDRIVERS 富士 G11S、P11S ABB ACS-550 三菱 FR E500 東芝 日立 愛默生 TD3000 國內(nèi) 森蘭 華為 動

7、力線 L1、L2、L3 U、V、W 輸入 正反轉控制 vSTF、STR 速度控制（頻率控制） vRH、RM、RL v模擬輸入 輸出 報警輸出 頻率檢測 模擬量輸出 通信 RS485 動力線 R、T、S U、V、W 輸入 正反轉控制 速度控制（頻率控制） v多級速度指令 v模擬輸入 輸出 報警輸出 頻率檢測 模擬量輸出 通信 RS485 G5變頻器主回路端子功能 功能 端子 主回路電源輸入R、S、T 變頻器輸出U、V、W 直流電源輸入+1、- 制動電阻連接B1、B2 直流電抗器連接+1、+2 制動單元連接+3、- 冷卻風扇電源輸入r、 G5變頻器控制回路端子功能1 功能端子說明 正轉/停止1由開

8、關量信號控制正轉 反轉/停止2由開關量信號控制反轉 外部故障輸入3 速度指令1輸入5由開關量選擇內(nèi)部速度1 速度指令2輸入6由開關量選擇內(nèi)部速度2 點動指令7由開關量信號控制點動 外部封鎖8 輸入端子公共端11 模擬量輸入電源15V15 模擬量輸入電源15V33 模擬量輸入公共端17 G5變頻器控制回路端子功能2 功能端子說明 電機運行中指示輸出 9、10常開接點輸出指示電機運行 零速信號輸出25、27開關量輸出指示電機零速 速度一致輸出26、27開關量輸出指示速度一致 變頻器故障輸出18、19、 20 常開、常閉接點輸出指示故 障 頻率模擬量輸出21、22 電流模擬量輸出23、22 動力線

9、輸入、輸出 3個開關量輸入 5個雙向開關量 2個模擬量輸入 2個模擬量輸出 一個PG輸入 通信 RS485(USS) 制動單元 用途 用于交流異步電動機，實現(xiàn)伺服控制 通過編程，可以對電動機的位置、轉速、加速度和轉矩實 行高性能的靈活控制 特點 采用32位專用CPU進行全數(shù)字化控制，采用位置控制方式， 可以實現(xiàn)精確定位（1個脈沖） 具有零伺服鎖定功能 采用專用的QMCL語言進行編程控制，簡單 具有通信功能，可以由PC、PLC、單片機等上位機進行 控制和監(jiān)測 豐富的輸入輸出口 v16個數(shù)字輸入、13個數(shù)字輸出，2個模擬量輸入、2個模擬量輸出 vRS232、RS422/485通信接口（可由上位機控

10、制15個控制器） v單/雙PG輸入（雙軸聯(lián)動同步），脈沖輸出 q脈沖方向；A/B相脈沖 具有電子齒輪功能 主回路的連接 控制回路 編程QMCL 在PC上用編輯器編寫IMS語言代碼 用專用的編譯工具轉換成IMS中間代碼 人工或通過RS232將中間代碼傳到控制器 工作原理 定子（電樞繞組）：通入三相交流電，產(chǎn)生旋 轉磁場 轉子（勵磁繞組）：通入直流電，產(chǎn)生磁場 定子磁場與轉子磁場異性相吸，使得轉子與定 子磁場同步旋轉 調(diào)速方式 極對數(shù) 三相交流電頻率 步進電機概述（脈沖電機，輸入為脈沖電壓， 不是交流/直流電源） 將電脈沖信號轉換成直線或角位移的執(zhí)行機構。 對電機施加一個電脈沖，轉軸轉過一個角度（

11、一 步） v脈沖數(shù)增加，位移增加；脈沖頻率提高，速度提高； 分配脈沖的相序改變，方向改變 特點 控制特性好：速度取決于脈沖頻率，位移取決于 脈沖數(shù)量 誤差不累計，步距角不受干擾影響，具有良好的 跟隨性：一個脈沖一個角度 動態(tài)響應快，易于啟動、停止，正反轉，調(diào)速 精度比較差，存在失步和震蕩現(xiàn)象 定子 由硅鋼片疊成，裝上一定數(shù)量的控制繞組，電脈 沖對繞組輪流勵磁 轉子 軟磁材料構成，無繞組（用得多）反應式 步進電機 v結構簡單，成本低，步距角可以很小，動態(tài)性能差 永磁材料構成永磁式步進電機 v輸出轉矩大，動態(tài)性能好，步距角大，需要供給正負 脈沖信號 U相通電：轉子齒1、3吸引到定子U極 V1/V2

12、定子齒與轉子齒2、4錯開30度 V相通電：轉子順時針轉30度，與V相定子對齊 W1/W2定子齒與轉子齒1、3錯開30度 W相通電：轉子順時針轉30度，與W相定子對齊 U1/U2定子齒與轉子2、4錯開30度 U/V/W輪流通電，磁場轉一周，轉子轉一個齒距 轉子4個齒，齒距角90度（步距角30度齒距角/相數(shù)） 通電方式 單相輪流通電(三相三拍)：UVW U 雙相輪流通電(三相雙三拍)：UVVW WUUV 單雙相輪流通電(三相六拍)： UUVV VWWWUU 步距角（定子通電一次，轉子轉過角度） 三相三拍、三相雙三拍：120/轉子齒數(shù)（如 轉子齒數(shù)為40，則步距角為3度） 三相六拍：60/轉子齒數(shù)（

13、如轉子齒數(shù)為40， 則步距角為1.5度） 控制系統(tǒng)組成 控制器：產(chǎn)生指定頻率的電脈沖信號 環(huán)形分配器：將電脈沖信號按一定順序加到電 機的各相繞組 v硬件環(huán)形分配器，如CH250芯片、8713芯片 v軟件環(huán)形分配，如采用三個脈沖輸出口，按指定相 序定時輸出脈沖 功率放大器：使電機能夠輸出足夠的功率 步進電機：執(zhí)行機構 控制內(nèi)容 位置控制 速度控制 方向控制 利用計算機串口的RTS和DTR引腳 脈沖輸出卡（研華、研祥公司的PCL836） Sub Control_Step2(OnOff As Boolean, Dir1 As Byte, S As Single) If OnOff=True then

14、 Pcl836a1.DioWriteBit 0, 0, Dir1 Pcl836a1.FreqOutStart 0, S*6/StepAngle Else Pcl836a1.FreqOutReset 0 End If End Sub 將輸入的電壓信號（控制電壓）轉變?yōu)檗D軸 的角位移或角速度輸出 改變輸入信號的大小和極性可以改變伺服電動機的轉速 與轉向，故輸入的電壓信號又稱為控制信號或控制電壓。 伺服電機類型 直流伺服電機：他勵直流電動機 。控制電壓可以加在定 子繞組，也可以加在轉子繞組。 交流伺服電機：兩相異步電動機 ，轉子采用永磁材料， 而定子裝有兩個在空間相差90度的繞組：勵磁繞組和控 制繞

15、組 控制繞組的電壓大小決定其旋轉速度，電壓 極性決定旋轉方向。 幅值控制。通過改變控制電壓的大小來控制電機轉速。 相位控制。通過改變控制電壓與勵磁電壓之間的相位差 來實現(xiàn)對電機轉速和轉向的控制，而控制電壓的幅值保 持不變。 幅值相位控制。綜合幅值和相位控制。 采用伺服驅動器控制 接收計算機或PLC輸出的脈沖信號控制電機的轉速和轉 動方向 檢測編碼器的脈沖輸入 控制方式 速度控制方式：由外部輸入的模擬量確定伺服電機的速 度。 位置控制方式：由外部輸入的脈沖確定電機轉動角度。 轉矩控制方式：由外部輸入的模擬量確定伺服電機的輸 出轉矩。 內(nèi)部設定速度控制方式：由外部輸入的開關量選擇內(nèi)部 定義的伺服電

16、機速度。 脈沖輸入方式 符號脈沖方式 CW脈沖（正轉）CCW脈沖（反轉）方式 A相B相正交脈沖方式 把控制器輸入的1個脈沖的運動位移量設置 成任意值，便于上位控制計算機計算 某伺服電機帶動絲杠運動，速比為1，絲杠節(jié)距為6mm， 采用2048線的增量編碼器，按照正交編碼4倍計數(shù)，每 圈的檢測脈沖數(shù)為204848192，如果希望移動10mm， 則上位控制計算機需要發(fā)送脈沖數(shù)量為10/620484 13853，如果采用電子齒輪方法，控制器內(nèi)部設置一個 齒輪比1.3853，輸入控制器的脈沖數(shù)都乘以這個齒輪比 再作為脈沖設定值，從上位控制計算機只需要發(fā)送 10000個脈沖。 采用B、A兩個參數(shù)表示電子齒

17、輪比 機械速比 傳動軸每圈的脈沖數(shù) 編碼器脈沖線數(shù) 4 A B 液壓系統(tǒng)組成 動力元件：液壓泵 執(zhí)行元件 ：液壓缸和液壓馬達 控制元件：電液伺服閥和電液比例閥等 l放大器 （使能、電壓） 概念 對電動機和生產(chǎn)機械實現(xiàn)控制和保護的電 工設備叫做控制電器。 分類 手動電器：動作由工作人員手動操縱的， 如刀開關、組合開關、按鈕等。 自動電器：動作根據(jù)指令、信號或某個物 理量的變化自動進行的，如各種繼電器、 接觸器、行程開關等。 刀開關 組合開關 按鈕 作用 刀開關又叫閘刀開關，一般用于不頻繁操作的低壓電路 中，用作接通和切斷電源，或用來將電路與電源隔離，有 時也用來控制小容量電動機的直接起動與停機。

18、 一般與熔斷器串聯(lián)使用，以便在短路或過負荷時熔斷器 熔斷而自動切斷電路。 組成：閘刀（動觸點）、靜插座（靜觸點）、手柄和絕緣底 板 種類 按極數(shù)（刀片數(shù)）分為單極、雙極和三極 按結構分為平板式和條架式 按操作方式分為直接手柄操作、杠桿操作機構和電動操 作機構 按轉換方向分為單投和雙投 安裝刀開關時，電源線應接在靜觸點上，負荷 線接在與閘刀相連的端子上。對有熔斷絲的刀 開關，負荷線應接在閘刀下側熔斷絲的另一端， 以確保刀開關切斷電源后閘刀和熔斷絲不帶電。 在垂直安裝時，手柄向上合為接通電源，向下 拉為斷開電源，不能反裝，否則會因閘刀松動 自然落下而誤將電源接通。 刀開關的選用主要考慮回路額定電壓

19、、長期工 作電流以及短路電流所產(chǎn)生的動熱穩(wěn)定性等因 素。刀開關的額定電流應大于其所控制的最大 負荷電流。用于直接起停3 kW及以下的三相異 步電動機時，刀開關的額定電流必須大于電動 機額定電流的3倍。 組合開關又叫轉換開關，是一種轉動式的閘 刀開關，主要用于接通或切斷電路、換接電 源、控制小型鼠籠式三相異步電動機的起動、 停止、正反轉或局部照明。 組合開關有若干個動觸片和靜觸片，分別裝 于數(shù)層絕緣件內(nèi)，靜觸片固定在絕緣墊板上， 動觸片裝在轉軸上，隨轉軸旋轉而變更通、 斷位置。 按鈕主要用于遠距離操作繼電器、接觸器接通 或斷開控制電路，從而控制電動機或其他電氣設 備的運行。 按鈕的觸點分常閉觸點

20、（動斷觸點）和常開觸 點（動合觸點）兩種。常閉觸點是按鈕未按下時 閉合、按下后斷開的觸點。常開觸點是按鈕未按 下時斷開、按下后閉合的觸點。按鈕按下時，常 閉觸點先斷開，然后常開觸點閉合；松開后，依 靠復位彈簧使觸點恢復到原來的位置。按鈕內(nèi)的 觸點對數(shù)及類型可根據(jù)需要組合，最少具有一對 常閉觸點或常開觸點。 熔斷器 斷路器 行程開關 交流接觸器 繼電器 中間繼電器 時間繼電器 熱繼電器 熔斷器主要作短路或過載保護用，串聯(lián)在被保護的線路 中。線路正常工作時如同一根導線，起通路作用；當線路 短路或過載時熔斷器熔斷，起到保護線路上其他電器設備 的作用。 選擇熔體額定電流的方法如下： 電燈支線的熔體：熔體額定電流支線上所有電燈的工作電流之 和。 一臺電動機的熔體：熔體額定電流電動機的起動電流2.5 如果電動機起動頻繁，則為：熔體額定電流電動機的起動電流 (1.62) 幾臺電動機合用的總熔體：熔體額定電流=(1.52.5)容量最大 的電動機的額定電流+其余電動機的額定電流之和 作用 斷路器又叫自動空氣開關或自動開關 具有自動保護功能，能夠自動切斷電路 v短路；過載；欠電壓 組成 斷路器主要由觸點系統(tǒng)、操作機構和保護元件3部分組成 v主觸點靠操作機構（手動或電動）來閉合。 v開關的脫扣機構是一套連桿裝置，有過流脫扣器和欠壓脫扣器等 q過流脫扣器的銜鐵正常情況下是釋放著的，一旦發(fā)生嚴重過載或短