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(zhuǎn)矩控制 改變電樞電流aTICTEaaaCRIUn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Ust1秒后，開關管柵極輸入變?yōu)榈碗娖?，開關管截止，電樞電壓為0t2秒后，開關管柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?，開關管導通，電樞電壓為Us電機電樞繞組兩端電壓平均值為Uo，取決于占空比。定寬調(diào)頻法：保持t1不變，只改

2、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:01211SSSaUUTtttUtUEaaaCRIUn三相異步電動機旋轉(zhuǎn)磁場v方向控制速度控制v轉(zhuǎn)差率sv極對數(shù)pv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(zhuǎn)矩控制(定子相電壓)變頻調(diào)速伺服控制)1 (601spfn11144. 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

3、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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩控制原理V/f控制是為了得到理想的轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)矩補償，以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性。對異步電動機

4、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(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式 （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(zhuǎn)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

5、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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩電流的指令值和檢測值達到一致，并輸出轉(zhuǎn)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機的數(shù)學模型，計算與控制異步電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。采用離散的兩點式調(diào)節(jié)器（BandBand控制），把轉(zhuǎn)矩檢測值與轉(zhuǎn)矩給定值作比較，使轉(zhuǎn)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

6、獲得高動態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩輸出。 特點不需要旋轉(zhuǎn)坐標變換，由靜止坐標系上控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈與PWM技術并用轉(zhuǎn)矩響應快國外安川 Varispeed G5/G7西門子 SIMOVERT MASTERDRIVERS富士 G11S、P11SABB ACS-550三菱 FR E500東芝日立愛默生 TD3000國內(nèi)森蘭華為動力線L1、L2、L3U、V、W輸入正反轉(zhuǎn)控制vSTF、STR速度控制（頻率控制）vRH、RM、RLv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、SU、V、W輸入正反轉(zhuǎn)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RS485G5變頻器主回

7、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(zhuǎn)/停止1由開關量信號控制正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)/停止2由開關量信號控制反轉(zhuǎn)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17G5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、2

8、7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(zhuǎn)速、加速度和轉(zhuǎn)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

9、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(zhuǎn)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(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)子（勵磁繞組）：通入直流電，產(chǎn)生磁場定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場異性相吸，使得轉(zhuǎn)子與定子磁場同步旋轉(zhuǎn)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

10、流電源）將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行機構(gòu)。對電機施加一個電脈沖，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過一個角度（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(zhuǎn)，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(zhuǎn)子軟磁材料構(gòu)成，無繞組（用得多）反應式步進電機v結(jié)構(gòu)簡單，成本低，步距角可以很小，動態(tài)性能差永磁材料構(gòu)成永磁式步進電機v輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好，步距角大，需要供給正負脈沖信號

11、U相通電：轉(zhuǎn)子齒1、3吸引到定子U極V1/V2定子齒與轉(zhuǎn)子齒2、4錯開30度V相通電：轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)30度，與V相定子對齊W1/W2定子齒與轉(zhuǎn)子齒1、3錯開30度W相通電：轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)30度，與W相定子對齊U1/U2定子齒與轉(zhuǎn)子2、4錯開30度U/V/W輪流通電，磁場轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一個齒距轉(zhuǎn)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)：UVVWWUUV單雙相輪流通電(三相六拍)： UUVVVWWWUU步距角（定子通電一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過角度）三相三拍、三相雙三拍：120/轉(zhuǎn)子齒數(shù)（如轉(zhuǎn)子齒數(shù)為40，則步距角為3度）三相六拍：6

12、0/轉(zhuǎn)子齒數(shù)（如轉(zhuǎn)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(gòu)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 Pcl836a1

13、.DioWriteBit 0, 0, Dir1 Pcl836a1.FreqOutStart 0, S*6/StepAngle Else Pcl836a1.FreqOutReset 0 End IfEnd Sub將輸入的電壓信號（控制電壓）轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)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(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)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 ?？刂齐妷嚎梢约釉诙ㄗ永@組，也可以加在轉(zhuǎn)子繞組。交流伺服電機：兩相異步電動機 ，轉(zhuǎn)子采用永磁材料，而定子裝有兩個在空間相差90度的繞組：勵磁繞組和控制繞組 控制繞組的電壓大小決定其旋轉(zhuǎn)速度，電

14、壓極性決定旋轉(zhuǎn)方向。 幅值控制。通過改變控制電壓的大小來控制電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)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(qū)動器控制接收計算機或PLC輸出的脈沖信號控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動角度。轉(zhuǎn)矩控制方式：由外部輸入的模擬量確定伺服電機的輸出轉(zhuǎn)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)部定義的伺服電機速度。脈沖輸入方式符號脈沖方式CW脈沖（正轉(zhuǎn)）CCW脈沖（反轉(zhuǎn)）方式

15、 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10/62048413853，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)表示電子齒輪比 機械速比傳動軸每圈的脈沖數(shù)編碼器脈沖線數(shù)4AB液壓系統(tǒng)組成動力元件：液壓泵 執(zhí)行元件 ：

16、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。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)）

17、分為單極、雙極和三極按結(jié)構(gòu)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(gòu)和電動操作機構(gòu)按轉(zhuǎn)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(cè)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、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

18、電流的3倍。組合開關又叫轉(zhuǎn)換開關，是一種轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)軸上，隨轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)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（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

19、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?cè)垠w：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(gòu)和保護元件3部分組成v主觸點靠操作機構(gòu)（手動或電動）來閉合。v開關的脫扣機構(gòu)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)生嚴重過載或短路故障，線