机电控制技术第三章

1、第三章 机电控制对象 直流电机控制 交流变频电机控制 步进电机控制 常用低压控制电器 直流电机调速 方法 v励磁控制法(改变励磁电流) v改变电枢电压(PWM调速) v改变电枢电阻 PWM产生控制信号的方法 v分立电子元件组成的PWM信号发生器 v软件模拟 v专用PWM集成电路 v单片机等的PWM输出口 n转矩控制 改变电枢电流 aT ICT E aaa C RIU n 当开关管的栅极输入高电平，开关管导 通，直流电机电枢绕组有电压Us t1秒后，开关管栅极输入变为低电平， 开关管截止，电枢电压为0 t2秒后，开关管栅极输入重新变为高电 平，开关管导通，电枢电压为Us 电机电枢绕组两端电压平均

2、值为Uo，取 决于占空比。 定宽调频法：保持t1不变，只改变t2， T也随之改变 调宽调频法：保持t2不变，只改变t1， T也随之改变 定频调宽法：保持T不变，同时改变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 三相异步电动机 旋转磁场 v方向控制 速度控制 v转差率s v极对数p v频率f1 基频以下，电压频率比不变 SPWM(正弦脉宽调制波)：将等宽的脉冲变成宽度渐变的 脉冲波，其宽度变化规律符合正弦变化规律 基频以上，电压不变，磁通下降 转矩控制(定子相电压) 变频调速 伺服控制 )1 ( 60 1 s p

3、f n 111 44. 4NfU 变频控制的发展 是适应交流电机无级调速的需要而发展起来的 20世纪70年代，开始研究脉宽调制变压变频调速（西门子公司） 20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的VVVF 变频器已投入市场并广泛应用。 分类 交直交变频 v将交流电经过整流、滤波变成直流电 v将直流电转变成频率可调的交流电 交交变频 特点 调速范围，调速精度，动态响应，低速转矩，通讯功能，智能 控制，功率因数，节约电能，工作效率，使用方便 控制方式 V/f 控制 矢量控制 直接转矩控制 原理 V/f控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基 于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证 电动

4、机的磁通不变的思想而提出的，通用型变 频器基本上都采用这种控制方式。 特点 变频器结构非常简单。 采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能。 在低频时，必须进行转矩补偿，以改变低频转 矩特性。 对异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、 Ic，通过三相二相变换，等效成两相静止坐标 系下的交流电流Ia1、Ib1。 再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步 旋转坐标系下的直流电流Im1、It1， Im1相当于 直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正 比的电枢电流。 然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电 动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现 对异步电动机的控制。 基于转差频率控制

5、的矢量控制方式 （早期采用） 在进行V / f基础上，通过检测异步电动机实际速度 n，得到对应的控制频率f，然后根据希望得到的转 矩，分别控制定子电流矢量及两个分量间的相位， 对通用变频器的输出频率f进行控制。 无速度传感器矢量控制方式 基本控制思想是根据输入的电动机的铭牌参数，按 照转矩计算公式分别对作为基本控制量的励磁电流 （或者磁通）和转矩电流进行检测，并通过控制电 动机定子绕组上的电压的频率使励磁电流（或者磁 通）和转矩电流的指令值和检测值达到一致，并输 出转矩，从而实现矢量控制。 有速度传感器的矢量控制方式 原理 利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定子坐 标系下分析异步电动

6、机的数学模型，计算与控制异步电动 机的磁链和转矩。 采用离散的两点式调节器（BandBand控制），把转矩检 测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的容差 范围内，容差的大小由频率调节器来控制。 产生PWM脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行 控制，以获得高动态性能的转矩输出。 特点 不需要旋转坐标变换，由静止坐标系上控制转矩和磁链 与PWM技术并用 转矩响应快 国外 安川 Varispeed G5/G7 西门子 SIMOVERT MASTERDRIVERS 富士 G11S、P11S ABB ACS-550 三菱 FR E500 东芝 日立 爱默生 TD3000 国内 森兰 华为 动

7、力线 L1、L2、L3 U、V、W 输入 正反转控制 vSTF、STR 速度控制（频率控制） vRH、RM、RL v模拟输入 输出 报警输出 频率检测 模拟量输出 通信 RS485 动力线 R、T、S U、V、W 输入 正反转控制 速度控制（频率控制） v多级速度指令 v模拟输入 输出 报警输出 频率检测 模拟量输出 通信 RS485 G5变频器主回路端子功能 功能 端子 主回路电源输入R、S、T 变频器输出U、V、W 直流电源输入+1、- 制动电阻连接B1、B2 直流电抗器连接+1、+2 制动单元连接+3、- 冷却风扇电源输入r、 G5变频器控制回路端子功能1 功能端子说明 正转/停止1由开

8、关量信号控制正转 反转/停止2由开关量信号控制反转 外部故障输入3 速度指令1输入5由开关量选择内部速度1 速度指令2输入6由开关量选择内部速度2 点动指令7由开关量信号控制点动 外部封锁8 输入端子公共端11 模拟量输入电源15V15 模拟量输入电源15V33 模拟量输入公共端17 G5变频器控制回路端子功能2 功能端子说明 电机运行中指示输出 9、10常开接点输出指示电机运行 零速信号输出25、27开关量输出指示电机零速 速度一致输出26、27开关量输出指示速度一致 变频器故障输出18、19、 20 常开、常闭接点输出指示故 障 频率模拟量输出21、22 电流模拟量输出23、22 动力线

9、输入、输出 3个开关量输入 5个双向开关量 2个模拟量输入 2个模拟量输出 一个PG输入 通信 RS485(USS) 制动单元 用途 用于交流异步电动机，实现伺服控制 通过编程，可以对电动机的位置、转速、加速度和转矩实 行高性能的灵活控制 特点 采用32位专用CPU进行全数字化控制，采用位置控制方式， 可以实现精确定位（1个脉冲） 具有零伺服锁定功能 采用专用的QMCL语言进行编程控制，简单 具有通信功能，可以由PC、PLC、单片机等上位机进行 控制和监测 丰富的输入输出口 v16个数字输入、13个数字输出，2个模拟量输入、2个模拟量输出 vRS232、RS422/485通信接口（可由上位机控

10、制15个控制器） v单/双PG输入（双轴联动同步），脉冲输出 q脉冲方向；A/B相脉冲 具有电子齿轮功能 主回路的连接 控制回路 编程QMCL 在PC上用编辑器编写IMS语言代码 用专用的编译工具转换成IMS中间代码 人工或通过RS232将中间代码传到控制器 工作原理 定子（电枢绕组）：通入三相交流电，产生旋 转磁场 转子（励磁绕组）：通入直流电，产生磁场 定子磁场与转子磁场异性相吸，使得转子与定 子磁场同步旋转 调速方式 极对数 三相交流电频率 步进电机概述（脉冲电机，输入为脉冲电压， 不是交流/直流电源） 将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行机构。 对电机施加一个电脉冲，转轴转过一个角度（

11、一 步） v脉冲数增加，位移增加；脉冲频率提高，速度提高； 分配脉冲的相序改变，方向改变 特点 控制特性好：速度取决于脉冲频率，位移取决于 脉冲数量 误差不累计，步距角不受干扰影响，具有良好的 跟随性：一个脉冲一个角度 动态响应快，易于启动、停止，正反转，调速 精度比较差，存在失步和震荡现象 定子 由硅钢片叠成，装上一定数量的控制绕组，电脉 冲对绕组轮流励磁 转子 软磁材料构成，无绕组（用得多）反应式 步进电机 v结构简单，成本低，步距角可以很小，动态性能差 永磁材料构成永磁式步进电机 v输出转矩大，动态性能好，步距角大，需要供给正负 脉冲信号 U相通电：转子齿1、3吸引到定子U极 V1/V2

12、定子齿与转子齿2、4错开30度 V相通电：转子顺时针转30度，与V相定子对齐 W1/W2定子齿与转子齿1、3错开30度 W相通电：转子顺时针转30度，与W相定子对齐 U1/U2定子齿与转子2、4错开30度 U/V/W轮流通电，磁场转一周，转子转一个齿距 转子4个齿，齿距角90度（步距角30度齿距角/相数） 通电方式 单相轮流通电(三相三拍)：UVW U 双相轮流通电(三相双三拍)：UVVW WUUV 单双相轮流通电(三相六拍)： UUVV VWWWUU 步距角（定子通电一次，转子转过角度） 三相三拍、三相双三拍：120/转子齿数（如 转子齿数为40，则步距角为3度） 三相六拍：60/转子齿数（

13、如转子齿数为40， 则步距角为1.5度） 控制系统组成 控制器：产生指定频率的电脉冲信号 环形分配器：将电脉冲信号按一定顺序加到电 机的各相绕组 v硬件环形分配器，如CH250芯片、8713芯片 v软件环形分配，如采用三个脉冲输出口，按指定相 序定时输出脉冲 功率放大器：使电机能够输出足够的功率 步进电机：执行机构 控制内容 位置控制 速度控制 方向控制 利用计算机串口的RTS和DTR引脚 脉冲输出卡（研华、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 将输入的电压信号（控制电压）转变为转轴 的角位移或角速度输出 改变输入信号的大小和极性可以改变伺服电动机的转速 与转向，故输入的电压信号又称为控制信号或控制电压。 伺服电机类型 直流伺服电机：他励直流电动机 。控制电压可以加在定 子绕组，也可以加在转子绕组。 交流伺服电机：两相异步电动机 ，转子采用永磁材料， 而定子装有两个在空间相差90度的绕组：励磁绕组和控 制绕

15、组 控制绕组的电压大小决定其旋转速度，电压 极性决定旋转方向。 幅值控制。通过改变控制电压的大小来控制电机转速。 相位控制。通过改变控制电压与励磁电压之间的相位差 来实现对电机转速和转向的控制，而控制电压的幅值保 持不变。 幅值相位控制。综合幅值和相位控制。 采用伺服驱动器控制 接收计算机或PLC输出的脉冲信号控制电机的转速和转 动方向 检测编码器的脉冲输入 控制方式 速度控制方式：由外部输入的模拟量确定伺服电机的速 度。 位置控制方式：由外部输入的脉冲确定电机转动角度。 转矩控制方式：由外部输入的模拟量确定伺服电机的输 出转矩。 内部设定速度控制方式：由外部输入的开关量选择内部 定义的伺服电

16、机速度。 脉冲输入方式 符号脉冲方式 CW脉冲（正转）CCW脉冲（反转）方式 A相B相正交脉冲方式 把控制器输入的1个脉冲的运动位移量设置 成任意值，便于上位控制计算机计算 某伺服电机带动丝杠运动，速比为1，丝杠节距为6mm， 采用2048线的增量编码器，按照正交编码4倍计数，每 圈的检测脉冲数为204848192，如果希望移动10mm， 则上位控制计算机需要发送脉冲数量为10/620484 13853，如果采用电子齿轮方法，控制器内部设置一个 齿轮比1.3853，输入控制器的脉冲数都乘以这个齿轮比 再作为脉冲设定值，从上位控制计算机只需要发送 10000个脉冲。 采用B、A两个参数表示电子齿

17、轮比 机械速比 传动轴每圈的脉冲数 编码器脉冲线数 4 A B 液压系统组成 动力元件：液压泵 执行元件 ：液压缸和液压马达 控制元件：电液伺服阀和电液比例阀等 l放大器 （使能、电压） 概念 对电动机和生产机械实现控制和保护的电 工设备叫做控制电器。 分类 手动电器：动作由工作人员手动操纵的， 如刀开关、组合开关、按钮等。 自动电器：动作根据指令、信号或某个物 理量的变化自动进行的，如各种继电器、 接触器、行程开关等。 刀开关 组合开关 按钮 作用 刀开关又叫闸刀开关，一般用于不频繁操作的低压电路 中，用作接通和切断电源，或用来将电路与电源隔离，有 时也用来控制小容量电动机的直接起动与停机。

18、 一般与熔断器串联使用，以便在短路或过负荷时熔断器 熔断而自动切断电路。 组成：闸刀（动触点）、静插座（静触点）、手柄和绝缘底 板 种类 按极数（刀片数）分为单极、双极和三极 按结构分为平板式和条架式 按操作方式分为直接手柄操作、杠杆操作机构和电动操 作机构 按转换方向分为单投和双投 安装刀开关时，电源线应接在静触点上，负荷 线接在与闸刀相连的端子上。对有熔断丝的刀 开关，负荷线应接在闸刀下侧熔断丝的另一端， 以确保刀开关切断电源后闸刀和熔断丝不带电。 在垂直安装时，手柄向上合为接通电源，向下 拉为断开电源，不能反装，否则会因闸刀松动 自然落下而误将电源接通。 刀开关的选用主要考虑回路额定电压

19、、长期工 作电流以及短路电流所产生的动热稳定性等因 素。刀开关的额定电流应大于其所控制的最大 负荷电流。用于直接起停3 kW及以下的三相异 步电动机时，刀开关的额定电流必须大于电动 机额定电流的3倍。 组合开关又叫转换开关，是一种转动式的闸 刀开关，主要用于接通或切断电路、换接电 源、控制小型鼠笼式三相异步电动机的起动、 停止、正反转或局部照明。 组合开关有若干个动触片和静触片，分别装 于数层绝缘件内，静触片固定在绝缘垫板上， 动触片装在转轴上，随转轴旋转而变更通、 断位置。 按钮主要用于远距离操作继电器、接触器接通 或断开控制电路，从而控制电动机或其他电气设 备的运行。 按钮的触点分常闭触点

20、（动断触点）和常开触 点（动合触点）两种。常闭触点是按钮未按下时 闭合、按下后断开的触点。常开触点是按钮未按 下时断开、按下后闭合的触点。按钮按下时，常 闭触点先断开，然后常开触点闭合；松开后，依 靠复位弹簧使触点恢复到原来的位置。按钮内的 触点对数及类型可根据需要组合，最少具有一对 常闭触点或常开触点。 熔断器 断路器 行程开关 交流接触器 继电器 中间继电器 时间继电器 热继电器 熔断器主要作短路或过载保护用，串联在被保护的线路 中。线路正常工作时如同一根导线，起通路作用；当线路 短路或过载时熔断器熔断，起到保护线路上其他电器设备 的作用。 选择熔体额定电流的方法如下： 电灯支线的熔体：熔体额定电流支线上所有电灯的工作电流之 和。 一台电动机的熔体：熔体额定电流电动机的起动电流2.5 如果电动机起动频繁，则为：熔体额定电流电动机的起动电流 (1.62) 几台电动机合用的总熔体：熔体额定电流=(1.52.5)容量最大 的电动机的额定电流+其余电动机的额定电流之和 作用 断路器又叫自动空气开关或自动开关 具有自动保护功能，能够自动切断电路 v短路；过载；欠电压 组成 断路器主要由触点系统、操作机构和保护元件3部分组成 v主触点靠操作机构（手动或电动）来闭合。 v开关的脱扣机构是一套连杆装置，有过流脱扣器和欠压脱扣器等 q过流脱扣器的衔铁正常情况下是释放着的，一旦发生严重过载或短