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aTICTEaaaCRIUn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Ust1秒后，开关管栅极输入变为低电平，开关管截止，电枢电压为0t2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值为Uo，取决于占空比。定宽调频法：保持t1不变，只改

2、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:01211SSSaUUTtttUtUEaaaCRIUn三相异步电动机旋转磁场v方向控制速度控制v转差率sv极对数pv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 (601spfn11144. 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

3、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

4、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

5、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

6、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、P11SABB ACS-550三菱 FR E500东芝日立爱默生 TD3000国内森兰华为动力线L1、L2、L3U、V、W输入正反转控制vSTF、STR速度控制（频率控制）vRH、RM、RLv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、SU、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RS485G5变频器主回

7、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17G5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、2

8、7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

9、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

10、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（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

11、U相通电：转子齿1、3吸引到定子U极V1/V2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)：UVVWWUUV单双相轮流通电(三相六拍)： UUVVVWWWUU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：6

12、0/转子齿数（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 Pcl836a1

13、.DioWriteBit 0, 0, Dir1 Pcl836a1.FreqOutStart 0, S*6/StepAngle Else Pcl836a1.FreqOutReset 0 End IfEnd 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：励磁绕组和控制绕组 控制绕组的电压大小决定其旋转速度，电

14、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

15、 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10/62048413853，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轮比 机械速比传动轴每圈的脉冲数编码器脉冲线数4AB液压系统组成动力元件：液压泵 执行元件 ：

16、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。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）

17、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、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

18、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（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

19、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路故障，线