机械设备电气控制课件

绪论一、机床电气控制技术的发展概况电力拖动系统的发展成组拖动→单电机拖动→多电机拖动交、直流拖动系统电气控制系统的发展手动控制→继电接触器控制—→顺序控制器→可编程控制器数字控制→微机控制数字控制：

NC→CNC（或MNC）→AC→DNCCIMS是机械加工自动化的最高形式

二、机床电力拖动自动控制的基本概念机床电力拖动系统：以电动机为动力源的机床拖动系统。电力拖动部分：电动机及与其关联的传动机构部分。电气控制部分：满足加工工艺要求，使电动机起动、制动、反向、调速等电气控制和电气操纵部分。控制装置电动机传动机构工作机构电气自动控制部分电力拖动部分三、本课程的内容及要求内容：继电接触器控制PLC控制交、直流调速要求：具备对机械设备电气控制的综合分析与设计能力。机械设备电气控制

1南通工学院机械工程系1继电接触器控制线路的基本环节继电接触器控制线路组成：接触器、继电器、按钮、行程开关等（有触点）触点：闭合（吸合）、断开（释放）线圈：得电（通电）、失电（断电）继电接触器控制线路作用：运行控制系统保护加工自动化1.分类（1）按适用的电压范围分类可分为低压电器和高压电器。（2）低压电器按所控制的对象分类可分为低压配电电器和低压控制电器。（3）按所起作用分类可分为控制电器和保护电器。（4）按动作性质分类可分为自动控制电器和非自动控制电器。机床常用电器元件（作用、选用、符号）

2.常用电器元件下面分别以控制按钮和接触器为例介绍手动电器和自动电器的结构和工作原理。（1）按钮按钮是手动控制电器的一种，用来发出信号和接通或断开控制电路。图1.1是按钮的结构示意图和图文符号，图（a）中1、2是动断（常闭）触点，3，4是动合（常开）触点，5是复位弹簧，6是按钮帽。图（b）为图文符号。（a）结构示意（b）图文符号图1.1按钮（2）接触器接触器是利用电磁吸力的原理工作的，主要由电磁机构和触头系统组成。电磁机构通常包括吸引线圈、铁心和衔铁三部分。图1.2为接触器的结构示意图与图文符号，（a）图中，1、2，3、4是静触点，5、6是动触点，7、8是吸引线圈，9、10分别是动、静铁心，11是弹簧。（b）图中，1、2之间是常闭触点，3、4之间是常开触点，7、8之间是线圈。

（a）结构示意

（b）图文符号图1.2接触器（3）常用电器元件

行程开关：ST按钮：SB刀开关：Q熔断器：FU热继电器：KR接触器：KM中间继电器：K时间继电器：KT变压器：TC、TD、TR速度继电器：KV

（a）结构示意

（b）图文符号空气阻尼通电延时型时间继电器

（a）感受部分结构示意

（b）图文符号热继电器

热继电器是利用电流的热效应来切断电路的保护电器，它在控制电路中，用作电动机的过载保护，既能保证电动机不超过容许的过载，有可以最大限度地保证电动机的过载能力。当然，首先要保证电动机的正常起动。速度继电器用来感受转速。它的感受部分主要包括转子和定子两大部分，执行机构是触头系统。当被控电机转动时，带动继电器转子以同样速度旋转而产生电磁转矩，使定子克服外界反作用力转动一定角度，转速越高角度越大。当转速高于设定值时，速度继电器的触点发生动作，当速度小于这一设定值时，触点又复原。速度继电器常用于电机的降压起动和反接制动，其图文符号如图所示。速度继电器图文符号电气控制线路图分类：电气原理图电气设备安装图电气设备接线图有关国家标准：GB4728-84、85《电气图用图形符号》GB7159-87《电气技术中的文字符号制定通则》1.1电气原理图的画法及阅读方法一、电气原理图定义：电气原理图是用图形符号和文字符号等绘制出来的、表示各个电器元件的作用和连接关系的线路图，用来描述全部或部分电气设备的工作原理。原则：电气原理图依据简单、清晰的原则，采用电气元件展开的形式绘制。规则：主电路用粗线画在左侧，辅助电路用细线画在右侧；同一电器各部件常常不画在一起，但须用同一文字符号标明；所有电器均为平常状态；主电路的电源电路水平绘制；辅助电路（控制电路、保护电路、信号电路）一般竖直绘制；标注有关数据及说明；分成若干图区，下方为图区号，上方为用途栏。二、电气设备安装图表示电气控制系统中各电器元件在机械设备及电气控制柜中的实际安装位置。三、电气设备接线图用来表明电气设备之间的实际接线情况。应参照电气原理图，与其保持一致。1.2电动机起动控制线路起动方式：直接起动、降压起动一、直接起动控制线路开关直接起动控制

仅有主电路而无控制电路，无法实现自动控制和远程控制接触器直接起动控制自锁：凡是接触器或继电器利用其自身的辅助触点来保持其线圈吸合的环节。二、降压起动控制线路星—三角形（Y-△）降压起动注意：KM2、KM3不能同时闭合，否则主电路三相电源发生短路。定子绕组串电阻（电抗）起动二、降压起动控制线路星—三角形（Y-△）降压起动定子绕组串电阻（电抗）起动延边三角形降压起动自耦变压器降压起动1.3电动机正反转控制线路一、电动机正反转控制线路将电动机定子三相绕组中任意对调两相接到电源，电动机转向发生改变。实际电路构成中，可在主电路中用两组接触器主触点分别控制正转相序接线和反转相序接线。a）接触器控制b）电气互锁c）机械及电气双重互锁互锁：将接触器的动断辅助触点互相串联在对方的工作线路中，使两个电器不能同时得电工作，这种互相制约的关系称为“互锁”。1.3电动机正反转控制线路二、电动机正反转自动循环控制线路用行程开关控制电动机正反转属于机动控制，一般是由运动部件上的挡铁在工作中碰压行程开关，来实现电动机正反转的自动切换。利用行程开关代替人按按钮1.4电动机制动控制线路制动目的：强迫电动机立即停车，满足机械设备工艺要求。制动方法：①机械制动（如电磁制动器、液压抱闸）②电气制动（能耗制动、反接制动）

过程：切除三相电源的同时，将定子的两相绕组接通直流电源，当转速降为零时再切除直流电源。一、能耗制动控制线路二、反接制动控制线路过程：首先切换三相电源，然后当转速接近零时再切除电源。比较：能耗制动：制动准确，平稳，能量消耗小；但制动力矩小，需直流电源。用于制动要求高的场合。反接制动：制动力矩大，迅速；但冲击较大，能量消耗大。用于不太经常起制动的场合。

作业P.231-21-3

1.5双速电动机高低速控制线路电机转速公式:

n=（1-s）n0=60（1-s）f/p其中s—转差率；

n0—同步转速；

f—电源电压频率；

p—磁极对数。双速电机通过改变定子绕组的磁极对数p来改变其转速。双速电机定子绕组接线方式：△/YY接法Y/YY接法一、△/YY接法（定子绕组为△接法）D1、D2、D3接电源，D4、D5、D6悬空→△接法（4极，低速）D1、D2、D3短接，D4、D5、D6接电源→YY接法（2极，高速）上图：KML闭合→低速KMH闭合→高速

注意：KML、

KMH不能同时闭合

图1-11a）：采用开关S实现高低速转换

图1-11b）：采用复合按钮SB2、SB3实现高低速

转换

上图：KML闭合→低速KMH、KM闭合→高速注意：KML与KMH、不能同时闭合图1-11c）：采用开关S和时间继电器KT实现高低速转换△/YY接法可近似看成恒功率调速，适用于一般金属切削机床。图a）、b）适用于功率较小的双速电机；图c）适用于功率较大的双速电机。二、Y/YY接法（定子绕组为Y接法）D1、D2、D3接电源，D4、D5、D6悬空→Y接法（4极，低速）D1、D2、D3短接，D4、D5、D6接电源→YY接法（2极，高速）Y/YY接法为恒转矩调速，适用于电梯、起重机、皮带运输机等。要求会设计控制线路1.6控制线路的其他基本环节一、点动与长动点动：按下按钮，电机转动；松开按钮，电机停止。方法：不加自锁触点长动：按下并松开按钮后，电机连续转动。方法：加自锁触点点动与长动区别：控制电器是否自锁二、联锁与互锁联锁：一电器动作后，另一电器才能动作。方法：在后一动作电器线路中串接先动作电器线路中继电器（或接触器）的动合触点互锁：两电器不能同时动作。方法：在两动作电器线路中互串对方线路中继电器（或接触器）的动断触点互锁属于联锁的一种，联锁的含义更广。三、多点控制多点分别起动：任一处均可起动方法：并联动合触点多点分别停止：任一处均可停止方法：串联动断触点多点共同起动：多处同时动作才可起动方法：串联动合触点多点共同停止：多处同时动作才可停止方法：并联动断触点四、工作循环自动控制方法：行程开关1、正反向自动循环控制行程开关ST1、ST2实现正反向自动切换行程开关ST3、ST4实现终端保护2、动力头的自动循环控制1.7电动机的保护短路保护：当发生短路时迅速切断电源。（熔断器、自动空气开关）过载保护：当电动机长时间过载时切断电源。（热继电器）过流保护：当直流电动机或绕线转子异步电动机发生过流时切断电流。（过电流继电器）失压保护：防止断电后重新恢复供电时电动机的自行起动。（电压继电器）欠压保护：当电源电压下降到一定程度时切断电源。（欠电压继电器）由按钮和自锁触点组成的起动电路兼有失压与欠压保护作用。弱磁保护：防止磁场突然减弱或消失时直流电动机转速迅速升高，甚至发生飞车。（弱磁继电器）

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1.8电液控制线路一、电磁换向阀液压传动系统组成：动力装置（液压泵）执行机构（液压缸或液压马达）控制调节装置（溢流阀、节流阀、换向阀等）辅助装置（油箱、油管、滤油器、压力计等）换向阀：用以改变液流方向，实现运动换向，接通和关断油路。电磁换向阀：利用电磁铁推动滑阀移动，控制液流方向。电磁换向阀种类：二位二通、二位三通、二位四通、三位四通、三位五通方格表示位，箭头“↑”表示阀内液流方向，符号“⊥”表示阀内通道堵塞。电磁阀哪一侧电磁铁得电，则电磁阀处于相应一边的“位”状态；如双侧电磁铁同时得电或失电，则电磁阀处于中间“位”状态。电液控制系统的任务就是完成电磁换向阀电磁铁的得电与失电控制。二、液压动力头（滑台）控制线路动力头：既能完成进给运动，又能完成刀具切削运动。液压动力头进给运动的动力来自压力油；机械动力头进给运动的动力来自电动机。图1-14工作循环过程：快进→工进→快退（回原位）液压系统组成：YV1、YV2为电磁换向阀YB为变量液压泵YG为液压缸1U、2U为过滤器L为调速阀差动联接：回油腔的油又回到进油腔，加大了油的流量。电气控制系统工作过程：动力头原位停止动力头快进动力头工进动力头快退动力头点动调整自动工作循环控制线路（图1-15）自行分析

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2典型机械设备电气控制系统分析分析机床电气控制系统时应注意的问题：了解机床主要技术性能及工作原理；弄清电机安装部位、作用、规格和型号；初步掌握各电器的安装部位、作用及各操纵手柄、开关、控制按钮的功能和操纵方法；了解与机床动作发生联系的各电器安装部位及作用；结合机床的有关技术资料将整个电气线路划分成几个部分逐一进行分析。机床电气控制系统分析方法：先从主回路入手，了解电机的动作要求；然后将控制电路分解为各种基本电路或局部电路，即化整为零，逐一分析；最后综观整个电路，注意各基本电路之间的联锁、互锁关系以及主电路、控制电路之间的对应关系。2.1C650普通车床电气控制线路基本运动：主运动（主轴回转运动）进给运动（刀架移动）调速：齿轮箱（有级）正反转：电动机、离合器主电机起动：直接起动（5kW以下）

降压起动（10kW以上）主电机制动：电气制动（能耗制动、反接制动）机械制动（摩擦离合器）一、主电路M1：主电动机（主轴旋转及刀架移动）M2：冷却泵电动机（冷却液）M3：快速移动电动机（刀架快速移动）KM1：M2起动用接触器KM2：M3起动用接触器KM3、KM4：M1正反转用接触器KM：M1反接制动（串入限流R）用接触器二、控制电路1、主电动机点动调整按住SB6→KM3得电→KM3主触点闭合→M1低速转动→松开SB6→KM3失电→KM3主触点断开→M1停止关键：KM3不能自锁2、主电动机的正反转更正：P.31第6行第2个“，”后插入以下内容：

它的辅助触点（13-7）闭合，使接触器KM3得电吸合，KM3的主触点闭合，电动机接通电源正转。按下SB2时，也是接触器KM首先得电动作，其辅助触点闭合使中间继电器K得电，3、主电动机的反接制动

BV1：速度继电器的正转动合触点BV2：速度继电器的反转动合触点4、刀架的快速移动

5、冷却泵的控制

电流表A与时间继电器KT的作用

电流表A的作用：监视主电路负载情况（电动机绕组工作时的电流变化）。通过电流互感器TA接入。

时间继电器KT作用：起动和制动时将电流表短接，防止起动电流和制动电流冲击电流表A。C650车床控制线路特点：主电机能正反转，省掉了机械换向装置；主电机采用了反接制动，能迅速停车；刀架能快速移动，提高了工作效率；主轴可以点动调整。作业

2.2X62W万能升降台铣床电气控制线路主运动：刀具（主轴）的旋转分为顺铣、逆铣，故主电动机有正反转主轴上装有飞轮，故采用电磁离合器制动调速由齿轮变速箱实现进给运动：工作台前后（横向）运动工作台左右（纵向）运动工作台上下（垂直）运动辅助运动：工作台的快速移动圆形工作台的旋转运动一、主电路M1：主轴电动机（正反转接线由组合开关SA5手动切换，接触器KM1控制电源的接入与断开）M2：进给电动机（正反转由接触器KM2、KM3控制）M3：冷却泵电动机（由刀开关Q2直接控制）电气联锁措施：主轴旋转后，工作台才能进给和快速移动；进给运动停止后，主轴才能停止或同时停止；同一时刻，进给运动只能为六个方向中的一个，采用机械操纵手柄和行程开关配合实现；主轴运动和进给运动采用变速孔盘选择速度，并要求瞬时点动；主电动机或冷却泵电动机过载时，进给运动必须立即停止；圆形工作台工作时，工作台不允许前后、左右、上下运动。二、控制电路1、主轴电动机的控制线路主轴电动机起动主轴电动机制动主轴变速时的瞬时点动主轴换刀制动2、进给电动机的控制三部分：①顺序控制部分（KM1辅助动合触点闭合后，进给电机控制线路方能通电）②各进给运动间以及与圆工作台间的互锁部分；③进给电机的正反转控制部分。工作台左右（纵向）运动工作台左右（纵向）运动工作台前后（横向）运动工作台前后（横向）运动工作台上下（垂直）运动工作台上下（垂直）运动工作台进给变速时的瞬时点动工作台的快速移动进给运动方向上的极限位置保护（机械与电气相配合）机械方式：到达极限位置时，挡铁将操纵手柄自动回到零位。电气方式：操纵手柄自动回到零位时将行程开关复位。3、圆形工作台的控制条件：圆形工作台工作时，工作台选择开关SA1的SA1-1和SA1-3断开，SA1-2闭合4、其它控制冷却泵电机控制照明电路电磁离合器电源电路2.3T68卧式镗床电气控制线路

（自学）作业

P.231-71-101-112.3T68卧式镗床电气控制线路主运动：镗杆或花盘的旋转运动进给运动：工作台前后运动工作台左右运动主轴箱上下运动镗杆进出运动一、主电路M1：主电动机（实现主运动与进给运动）高、低速转换正、反转长动与点动串电阻制动低速直接起动，高速控制先低后高变速时，主电机缓慢转动M2：快速移动电动机（实现工作台、主轴箱、主轴的快速移动）二、控制电路1、主电动机的控制高低速正反转点动反接制动2、主轴或进给变速时主电机的缓慢控制主轴变速进给变速3、快速移动控制4、主轴进给与工作台互锁2.5组合机床电气控制线路组合机床通用部件：动力部件：动力头、动力滑台支承部件：滑座、床身、立柱、中间底座输送部件：回转分度工作台、回转鼓轮、自动线工作台、零件输出装置控制部件：液压元件、控制板、按钮台、电气挡铁其它部件：机械扳手、气动扳手、排屑装置、润滑装置动力头：能同时完成切削运动和进给运动的动力部件。机械动力头液压动力头动力滑台：只能完成进给运动的动力部件。机械动力滑台液压动力滑台DU型组合机床组成：液压动力头液压回转工作台DU型组合机床自动工作循环：回转台抬起→回转台回转→回转台反靠→回转台夹紧→动力头快进→动力头工进→延时停留→动力头快退一、主电路M1：主电动机（实现动力头切削运动）M2：液压泵电动机（实现动力头进给与回转工作台转位）M3：冷却泵电动机（实现切削加工时的冷却）M1、M2、M3

均为单向转动，且不采用制动措施。二、电动机控制线路作业P.492-63继电接触器控制系统设计3.1电气设计的主要内容确定电气设计的技术条件和任务书；选择电力拖动与控制方案；选择电动机及其它电器元件，制定电器元件明细表；设计电气控制原理图；绘制机电设备的电气装配图和接线图；设计电气柜、操作台、电气安装板以及非标准电器和专用安装零件；编写设计计算说明书和使用说明书。一、电气设计的技术条件任务书中，除简要说明所设计的机电设备名称、型号、用途、工艺过程、技术性能、传动参数以及现场工作条件外，还须说明：用户供电电网的种类、电压、频率及容量；有关电力拖动的基本特性；有关电气控制的特性；有关操作方面的要求；机电设备主要电器元件的布置草图。二、电力拖动形式的选择1、传动方式单电机拖动（单独拖动）多电机拖动（分立拖动）2、调速性能重型或大型设备：电气无级调速精密机械设备：电气无级调速一般中小型设备：①三相笼型异步电动机+齿轮变速箱；②双速或多速笼型异步电动机二、电力拖动形式的选择3、负载特性机床主运动为恒功率负载，进给运动为恒转矩负载；电动机的调速特性应与负载特性相适应。双速异步电动机：△→YY为恒功率调速

Y→YY为恒转矩调速他励直流电动机：改变励磁为恒功率调速改变电压为恒转矩调速4、起动、制动和反向要求三、电气控制方式的选择1、可靠性系统应尽可能简化2、方案继电接触器可编程控制器（PLC）数控微机控制3、方式时间控制速度控制行程控制电流控制3.2电动机的选择一、电动机容量的选择电动机的额定容量由允许温升决定，选择电动机功率的依据是负载功率1、主拖动电动机容量的选择统计类比法分析计算法2、进给拖动电动机容量的选择进给拖动与主拖动共用一台电动机时，计算主拖动电动机功率即可；进给拖动采用单独电动机时，按快速移动所须功率选择。二、电动机额定电压的选择1、直流电动机（与电源电压相一致）直流发电机供电：常用220V或110V，大功率电动机可提高到600～800V，甚至1000V晶闸管整流装置供电：Z3型电动机增加160V、440V电压等级，Z2型电动机增加180V、340V、440V电压等级2、交流电动机（与供电电网电压相一致）一般车间电网电压为380V，因此，中小型异步电动机额定电压为220/380（△/Y联结）及380/600（△/Y联结）两种三、电动机额定转速的选择额定功率相同的电动机，额定转速愈高，其体积愈小，重量愈轻，价格愈低。因此，选用高速电动机较为经济。但机械传动机构复杂。对于工作于长期工作制（即连续工作时很少起、制动）的工作机械：原则上应选用额定转速较高的电动机，但应考虑初始投资、占地面积和维护费用。对于工作于短时工作制（即经常起、制动及反转）的工作机械：应考虑额定转速对起、制动时间和起、制动过程中能量损耗的影响，以过渡过程能量损耗最小为选择依据。异步电动机常用额定转速：3000，1500，1000，750，600r/min同步电动机常用额定转速：1500r/min四、电动机结构型式的选择按安装位置分：卧式、立式按工作环境分：开启式、防护式、封闭式、防爆式机床电气设备通用技术条件中规定：机床应采用全封闭扇冷式电动机。机床上推荐使用防护等级最低为IP44的交流电动机。某些场合必须采用强迫通风。常用Y系列三相异步电动机为封闭自扇冷式笼型异步电动机，安装尺寸和功率等级完全符合IEC标准和DIN42673标准。YD系列三相异步电动机的功率等级和安装尺寸与国外同类先进产品相当，供配套出口及引进设备替换。3.3电气控制线路的设计一、电气控制线路设计的一般要求1）满足生产机械的工艺要求，能按照工艺要求准确、可靠地工作；2）线路结构力求简单、经济；3）安全、可靠，具有必要的保护装置和联锁环节，误操作时不致于发生重大事故；4）操作、维修方便。二、电气控制线路电源的选择控制电路类型常用电压值（V）电源设备交流电力拖动的控制电路比较简单者交流380、220直接采用动力电源交流电力拖动的制电路比较复杂者220、110采用控制变压器照明及信号指示电路48、36、24、6采用电源变压器直流电力拖动的控制电路直流220、110整流器直流电磁铁及离合器的控制电路24整流器三、电气控制线路的设计方法经验设计法：从满足生产工艺要求出发，按照电动机的控制方法，利用各种基本控制环节和基本控制原则，借鉴典型的控制线路，把它们综合地组合成一个整体来满足生产工艺要求。逻辑设计法：根据生产工艺的要求，利用逻辑代数方法这一数学工具来分析、化简、设计控制线路。

逻辑表示方法：继电器等元件线圈通电为“1”，失电为“0”继电器等元件触点闭合为“1”，断开为“0”按钮、行程开关压下为“1”，复位为“0”

常用K、KM、ST…表示继电器、接触器、行程开关的常开触点，用K、KM、ST…表示继电器、接触器、行程开关的常闭触点逻辑代数运算法则：基本法则结合律吸收律0•A=01•A=1A•A=AA•A=00+A=A1+A=1A+A=AA+A=1A=AABC=（AB）C=A（BC）A+B+C=（A+B）+C=A+（B+C）A（A+B）=AA（A+B）=ABA+AB=AA+AB=A+BAB+AB=A（A+B）（A+B）=AAB=A+BA+B=AB分配律A（B+C）=AB+ACA+BC=（A+B）•（A+C）四、电气控制线路的设计规律f(KM)=K1K2K3f(K0)=K1K2K3…Knf(K10)=ST01ST02ST03…ST0n

f(K12)=ST1ST2ST3…STn1、动合触点串联（逻辑“与”）f(KM)=K1+K2+K3f(KM)=SB1(SB3+SB4+KM)SB22、动合触点并联（逻辑“或”）3、动断触点串联4、动断触点并联5、电路保护（逻辑“非”）f(KM)=K五、电气控制线路设计中应注意的问题1、尽量避免不必要的联锁动作现象；2、正确联接电器线圈；电器线圈的一端应接在电源的同一端交流电器线圈不能串联使用3、尽量减少电器触点数；4、避免出现寄生电路；5、尽量减少联接导线的数量与长度；6、尽量减少电器不必要的通电时间；7、应考虑各种联锁关系及完善的保护措施；8、应考虑有关操纵、故障检查、检测仪表、信号指示、报警以及照明等要求。3.4电气控制线路设计举例一、电气控制要求某机床有左、右两个动力头，用以铣削加工，它们各由一台交流电动机拖动，另外有一滑台，可以安装被加工的工件，它由另一交流电动机拖动。加工工艺要求：开始工作时，要求滑台先快速移动到加工位置，然后自动变为慢速进给，进给到指定位置自动停止，再由操作者发出指令使滑台快速返回，当回到原位时自动停车。两动力头电动机在滑台电动机正向起动后起动，而在滑台电动机正向停车时亦停车。二、电气控制线路设计1、主电路设计2、控制电路设计完整的控制线路改进的控制线路3.5机床常用电器元件的选择（自学）作业P.703-23-63-2补充：e)f)4直流调速系统4.1机床的速度调节一、机床对调速的要求及实现1、要求对于不同的工件材料、不同的刀具，应选择不同的切削速度；（加工精度、表面粗糙度要求）机床的快速进刀、快速退刀和对刀调整等辅助工作，也需要不同的运动速度。（生产率要求）2、实现机械有级调速电气-机械有级调速电气无级调速调速：用人为的办法有目的地改变机床工作机构的转速。电气调速：根据生产工艺要求，人为地改变电动机转速，以满足产品质量和生产率的要求。稳速：电动机应尽量不受各种干扰因素的影响，按要求以一定的精度稳定在某一速度下运转。二、调速指标1、调速范围（D）：电动机在额定负载下，最高转速nmax与最低转速nmin之比。系统要求的调速范围D越大越好2、静差度（S）：电动机在额定负载时的转速降落Δned与理想空载转速n0之比。系统要求的静差度S越小越好Δned=n0-n1n0

—

理想空载转速n1—

实际运行转速静差度S用来衡量调速系统在负载变化下转速相对稳定的程度。静差度与机械特性硬度的关系：机械特性硬度：单位负载下转速降落的程度，即转速—负载曲线的斜率。斜率越小，机械特性硬度越大。机械特性越硬，静差度越小，稳定精度越高；机械特性相同，静差度不一定相等。

系统静差度通常指最低额定转速时的静差度。（低速时能满足要求，高速时也就一定能满足要求）3、调速的平滑度（φ）以上为调速的静态性能指标

4、调速的动态性能指标

阶跃信号作用下的超调量，调节时间，上升时间，振荡次数等。5、经济性：投资，效益三、恒功率负载、恒转矩负载的速度调节恒功率调速：在输出功率不变情况下的的调速。

机床主运动、龙门刨床工作台的运动等属于恒功率负载。恒转矩调速：在输出转矩不变情况下的的调速。机床的进给运动属于恒转矩负载。他励直流电动机的调速即（电动机的机械特性）

调速方法

1、调压调速

（恒转矩调速）保持磁通φ和电阻RΣ不变，改变电枢电压uD

调速方法

2、调磁调速（恒功率调速）保持电枢电压uD和电阻RΣ不变，改变励磁φ（只能减小）

调速方法

3、调阻调速电枢回路中串联电阻

他励直流电动机与双速异步电动机调速

方法比较调速方式电机类型恒功率调速恒转矩调速双速异步电动机Δ→YYY→YY他励直流电动机改变励磁φ改变电枢电压uD4.2反馈控制的基本概念一、调速范围D与静差度S的关系同一个调速系统的特性硬度或Δned是相同的；一般调速系统总是希望D大、S小；上式表明静差度S与调速范围D两项指标是相互制约的。如果对静差度要求越严，即S越小时，系统能允许的调速范围D也越小。二、扩大调速范围的途径通常采用转速负反馈闭环调速系统，减小转速降落Δned，从而扩大调速范围D。4.3转速负反馈自动调速系统一、转速负反馈调速系统的组成及工作原理1、组成：SCR-M调压调速系统2、工作原理：稳态工作时，电动机在额定转速n下运行；负载↑→n↓→uTG↓→Δu↑→uk↑→α↓→Edα↑

n↑负载↓→n↑→uTG↑→Δu↓→uk↓→α↑→Edα↓

n↓2、特点：有差调节。根据给定量与反馈反馈量之差（误差）进行调节，以维持速度近似不变。（电动机电枢回路总电阻R∑的存在会消耗一部分压降）系统的总放大倍数越大，调节的准确度（静态精度）越高。静特性：稳态时电动机转速n与负载电流ID之间的关系。即分析静特性的目的：找出减小静态速降、扩大调速范围、改善系统调速性能的措施。二、转速负反馈调速系统静特性分析假设放大器、触发器、晶闸管、测速发电机的特性均为近似线性电动机电枢回路晶闸管整流装置二、转速负反馈调速系统静特性分析放大器转速反馈回路其中，速度反馈系数反馈电压比例系数闭环系统静特性方程：式中开环系统静特性方程：比较：

作业P.1054-14-34-5三、静特性计算举例4.4电压负反馈和电流正反馈自动调速系统一、电压负反馈调速系统1、组成：从并联在电枢两端电位器RP上取出一部分电压ur作为负反馈电压。2、工作原理：稳态时，电动机在额定转速n下运行；负载↑→n↓→uD↓→ur↓→Δu↑→uk↑→α↓

n↑←uD↑Edα↑

负载↓时情况相反

3、特点：电压负反馈的被控量是uD，只能维持uD近似不变；电压负反馈调速系统的静差度、调速范围比开环系统有所改善，但远不如转速负反馈调速系统。

二、电压负反馈加电流正反馈调速系统1、组成：在电压负反馈基础上，增加电流正反馈环节，即从串联在电枢回路中的电阻R上取出一部分电压降IDR作为电流正反馈电压加到输入端。2、特点：由IDR补偿电枢电阻压降，使系统静特性改善，扩大调速范围，但没有转速负反馈宽。3、注意点：电流正反馈不能过强，过补偿容易引起自激；电流正反馈不能单独采用。

三、调速系统静特性比较4—转速负反馈系统3—电压负反馈+电流正反馈系统2—电压负反馈系统1—开环系统4.5具有电流截止负反馈的自动调速系统一、电流截止负反馈的作用开环系统：闭环系统：

若ug不变，则，若要使，则应使为了满足闭环调速系统中电动机的快速起制动要求，同时限制起制动及堵转电流冲击过大，常采用电流截止负反馈环节来限制电枢电流，起限流保护作用。二、具有电流截止负反馈的自动调速系统1、组成：从电枢回路中串联电阻R上取出电流反馈信号uR与电压uB比较。 2、分析：当时，，二极管V截止，此时电流负反馈不起作用，，

相当于转速负反馈当时， ，二极管V导通，此时电流负反馈信号加到放大器上，

3、特点：n0—A段为正常工作阶段，电流负反馈被截止，具有转速负反馈静特性，比较硬；A—B段为电流负反馈起作用阶段，特性下垂。挖土机特性I0—截止电流IDW—堵转电流Ied—额定电流A—截止点B—堵转点

P.1054-64-74-8作业5交流调速系统交流调速原理异步电动机的转速式中n0—同步转速

f1—电源频率

p—磁极对数

s—转差率交流调速的方法1、改变定子电源频率f1变频调速2、改变转差率s调阻调速调压调速串级调速电磁离合器调速3、改变磁极对数多速电机5.1串级调速系统绕线转子异步电动机的调速方式串电阻调速：在转子回路中外串电阻，利用消耗于外串电阻中的功率来改变转差率，从而调节速度，属于耗能调速。缺点：效率低，机械特性硬度降低，有级调速。串级调速：在转子回路中串入附加电势，通过改变附加电势的大小，转子电流会发生变化，可改变电动机转速；同时，利用附加电势装置吸收转子的转差功率，将其变为机械功率送回到电动机轴上，或将其回馈交流电网，则提高设备效率。优点：效率高，无级调速，较硬的机械特性。一、串级调速的工作原理串入Ef前串入Ef（与sE20频率相同，相位相同或相反）后（同相取“+”，反相取“+”）一、串级调速的工作原理串入反相Ef→I2↓→M2↓→M2＜M→n↓→s↑→I2↑→M2↑→M2=M减速结束串入同相Ef→I2↑→M2↑→M2＞M→n↑→s↓→I2↓→M2↓→M2=M增速结束二、串级调速的主要类型1、机械串级调速系统利用直流电动机的反电动势E作为串级调速系统中的引入附加电势Ef二、串级调速的主要类型2、晶闸管串级调速系统利用利用晶闸管整流装置产生附加直流电势，作为引入附加电势Ef三、晶闸管串级调速系统的构成转速开环串级调速系统三、晶闸管串级调速系统的构成双闭环串级调速系统5.2变频调速系统一、晶闸管变频器工作1、单相交—直—交变频器整流器：将交流电源（恒频恒压）整流为幅值可调的直流电Ud.滤波器：减小直流电压Ud的波动。逆变器：将直流电Ud逆变为频率可调的交流电u0。2、三相交—直—交变频器交—直—交变频器类型（根据滤波方式分）电压型变频器（电容器滤波）电流型变频器（电抗器滤波）二、变频调速的原则1、恒磁通变频调速保持U1/f1=常数，实质为保持磁通基本不变二、变频调速的原则2、恒转矩变频调速保持E1/f1=常数，实质为保持转矩不变二、变频调速的原则3、恒功率变频调速保持常数，功率不变异步电动机变频调速时，在额定频率（转速）以下采用恒转矩调速，在额定频率（转速）以上采用恒功率调速。三、脉宽调制（PWM）变频器工作原理1、组成：二极管整流器：将交流电压转变为恒定不变的直流电压Ud滤波器：减小直流电压Ud的波动功率晶体管逆变器：将直流电压逆变为频率和电压同时可调的交流电压2、简单PWM逆变器的工作原理3、高频PWM逆变器的工作原理

P.1315-15-5

作业6可编程序控制器及其应用6.1概述可编程序控制器PLC(ProgrammableLogicController)一、PLC的发展概况第一台PLC于1968年由美国通用汽车公司（GM）提出，美国数字设备公司（DEC）中标，于1969年研制成功（PDP-14）当前发展方向：①超小型②超大型二、PLC的特点通用性强编程方便功能完善扩展灵活构成简单可靠性高三、PLC的分类1、按容量分类小型机中型机大型机2、按结构分类整体式模块式3、按安装形式分类内置式外置式四、目前主要的PLC产品1、日本：三菱公司、OMRON（立石）公司、日立公司我国引进：三菱公司F、F1、F2、FX系列、

OMRON（立石）公司C系列2、美国：AB公司、GE公司、GM公司、TI公司、西屋电气公司、MIDICON公司我国引进：GE公司GE系列、MIDICON公司984系列3、德国：西门子公司、BBC公司我国引进：西门子公司S系列五、PLC的应用1、应用范围顺序控制运动控制过程控制数据处理通信联网2、应用方式和系统构成单机控制系统多机控制系统网络控制系统6.2PLC的基本结构和工作原理一、PLC的基本结构中央处理器（CPU）存储器（ROM/RAM）输入输出单元（I/O）电源单元编程器二、PLC的工作原理1、PLC的外部接线2、PLC的内部等效继电器系统输入部分作用：收集被控设备的外部输入信号和操作指令。内部控制电路作用：运算、处理输入部分得到的信息，并作出输出控制。输出部分作用：驱动外部负载。3、PLC的工作过程普通微机：等待命令工作方式PLC：循环扫描工作方式内部处理阶段（自诊断）通信操作阶段（联机通信）输入处理阶段（输入采样）程序执行阶段输出处理阶段（输出刷新）工作周期（扫描周期）：PLC依次执行每个工作阶段，如此往复循环，完成一个周期工作的时间。工作周期的长度主要取决于用户程序的长短。输入采样：以扫描方式将所有输入端子的通断状态顺序读入输入映象寄存器。程序执行：按用户编制的程序顺序进行扫描执行。输出刷新：在程序执行完后，将输出映象寄存器的内容集中送往输出锁存器，并通过输出端子向外输出控制信号，驱动外部负载。PLC输入输出处理的规则：输入映象寄存器的内容，由上一个输入采样期间输入端子的状态决定。输出映象寄存器的状态，由程序执行期间的执行结果所决定，随程序执行过程而变化。输出锁存器的状态，由程序执行期间输出映象寄存器的最后状态来确定。各输出端子的状态，由输出锁存器确定。程序如何执行，取决于输入、输出映象寄存器的状态。PLC与继电接触器系统在动作顺序上的区别：PLC的电器动作是“串行”的，按周期重复执行。继电接触器系统的电器动作是“并行”的，同时执行。（存在触点竞争和时序失配问题）三、FX2系列PLC及其编程器件1、FX2系列PLC日本三菱公司小型PLC：F、F1、F2、FX0、FX2、FX0N、FX2C、FX2NFX2系列PLC是整体式和模块式相结合的叠装式结构，有一个16位微处理器和一个专用逻辑处理器，执行速度0.48μs/步，是目前运行速度最快的小型PLC之一。6.2PLC的基本结构和工作原理FX系列PLC型号命名方式：FX□—□□□□

特殊品种的区别输出形式单元类型

I/O总点数系列序号系列序号：0、2、ON、2C、2NI/O总点数：14~256单元类型：M—基本单元，E—输入输出混合扩展单元及扩展模块，EX—输入专用扩展模块，EY—输出专用扩展模块输出形式：R—继电器输出，T—晶体管输出，S—晶闸管输出2、FX2系列PLC的编程器件FX2系列PLC涉及的“控制电器”主要有：输入继电器、输出继电器、辅助继电器、状态器、定时器、计数器、指针、常数、数据寄存器、变址寄存器等。（均为“软器件”）FX2系列PLC中除输入继电器、输出继电器采用八进制编号外，其余器件均采用十进制编号。

（1）输入继电器（X）

输入继电器是PLC专门用来接收外部开关或敏感元件信号的接口；通过光电隔离与输入端子相连；只能由外部信号（一般为按钮、位置开关、接触器触点等）驱动，不能由程序指令驱动；每个输入继电器提供无数对常开、常闭软触点，供内部编程使用。地址编号（八进制，最多128点）：X0~X7，X10~X17，…，X70~X77X100~X107，X110~X117，…，X170~X177（2）输出继电器（Y）

输出继电器是PLC专门用来向外传送控制信号的接口，与输出端子相连；只能由程序指令驱动；每个输出继电器仅有一个常开物理（硬）触点，供外部使用；每个输出继电器还提供无数对常开、常闭软触点，供内部编程使用。地址编号（八进制，最多128点）：Y0~X7，Y10~X17，…，Y70~X77Y100~X107，Y110~X117，…，Y170~X177（3）辅助继电器（M）

辅助继电器是供PLC内部编程时作为记忆中间结果使用的中间继电器；不能直接驱动外部负载；具有无数对常开、常闭软触点，供内部编程使用。

分类及地址编号（十进制）：通用辅助继电器：M0~M499（共500点）断电保持辅助继电器：M500~M1023（共524点）特殊辅助继电器：M8000~M8255（共256点）只能利用其接点的特殊辅助继电器M8000：运行监控M8002：初始脉冲M8011：10ms时钟脉冲M8012：100ms时钟脉冲可驱动线圈型特殊辅助继电器M8030：锂电池电压指示M8033：PLC停止时输出保持M8034：禁止全部输出M8039：定时扫描（4）状态器（S）

状态器是构成状态转移图的重要软器件，与步进顺控指令配合使用；可以用作辅助继电器；具有无数对常开、常闭软触点，供内部编程使用。分类及地址编号（十进制）：初始状态器：S0~S9（共10点）回零状态器：S10~S19（共10点）通用状态器：S20~S499（共480点）保持状态器：S500~S899（共400点）报警状态器：S900~S999（共100点）（5）定时器（T）

定时器相当于时间继电器；具有无数对常开、常闭软触点，供限制时间操作使用；所有定时器均为延时接通型；定时器根据时钟脉冲累积计时，其设定值为用户程序存储器内常数K或数据寄存器D的内容。

分类及地址编号（十进制）：常规定时器（断电后，计数复位）100ms定时器：T0~T199（共200点，设定范围0.1~3276.7s）10ms定时器：T200~T245（共46点，设定范围0.01~327.67s）积算定时器（断电后再复电时，累积计数）1ms积算定时器：T246~T249（共4点，设定范围0.001~32.767s）100ms积算定时器：T250~T255（共6点，设定范围0.1~3276.7s）（6）计数器（C）

分类及地址编号（十进制）：（1）内部信号计数器：执行扫描操作时对内部器件的信号进行计数。16位递加计数器（设定值1~32767）通用型：C0~C99（共100点）断电保持型：C100~C199（共100点）

32位双向计数器（设定值-2147483648~2147483647）通用型：C200~C219（共20点）断电保持型：C220~C234（共15点）32位双向计数器的递加、递减形式由特殊辅助继电器8200~8234设定（置1递减，置0递加）

（2）高速计数器：只有X0~X5适用高速计数1相无启动/复位端子高速计数器：C235~C240（共6点）1相带启动/复位端子高速计数器：C241~C245（共6点）1相2输入（双向）高速计数器：C246~C250（共6点）2相输入（A-B相型）高速计数器：C251~C255（共6点）（7）指针（P/I）

指针作为标号，用来指定条件跳转、子程序调用等分支指令的跳转目标。分类及地址编号（十进制）：分支指针：P0~P63（共64点）中断指针：I0□□~I8□□（共9点）中断指针格式：

I□0□

输入中断0：下降沿中断，1：上升沿中断输入号：0~5

I□

□□

定时器中断10~99ms

定时器中断号：6~8（8）常数（K/H）

常数可看作器件，在存储器中占一定空间；分类：十进制用K表示，十六进制用H表示。（9）数据寄存器（D）

数据寄存器用于存储数据和参数；数据寄存器为16位，最高位为符号位，可用两个数据寄存器合并起来存放32位数据。分类及地址编号（十进制）：通用数据寄存器：D0~D199（共200点）断电保持数据寄存器：D200~D511（共312点）特殊数据寄存器：D8000~D8255（共256点）文件数据寄存器：D1000~D2999（共2000点）（10）变址寄存器（V/Z）变址寄存器用于用于修改器件的地址编号；变址寄存器为16位，可进行数据的读写；将V、Z合并使用进行32位操作时，指定Z为低位。四、PLC的常用编程语言PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程。1、梯形图（LAD）1、梯形图（LAD）梯形图按从上向下、从左往右的顺序排列；梯形图是一种虚拟物理电路，其左右母线不接电源，梯形图中没有真实物理电流，而只有概念电流（虚电流）；PLC运行时，对梯形图按扫描方式从左到右，从上到下顺序执行，不存在几条回路同时工作。梯形图编写原则：继电器线圈右边不能有触点，而其左边必须有触点；继电器线圈只能并联不能串联，而触点可以任意串联或并联；同一个继电器线圈不能重复使用，而触点可以重复使用，次数不受限制；梯形图中不能出现输入继电器线圈；梯形图中只有输出继电器能控制外部负载，其它器件只