机械电气自动控制 全套课件（上）.pptx

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出版社机械电气自动控制主编廖映华出版社理工分社机械电气自动控制第2章机电传动系统的动力学基础第1章绪论第3章电动机的工作原理及机械特性第4章常用低压电器及其选择第5章接触器继电器控制系统第6章可编程控制器（PLC）控制系统第7章交、直流调速系统第8章步进电动机控制系统出版社理工分社机械电气自动控制第1章绪论页退出目录1.1机械电气自动控制的研究目的和研究任务生产机械一般由工作机构、传动机构、原动机以及机械电气自动控制系统等部分组成。

由于一般的生产机械都是采用电动机作为原动机,因此机械电气自动控制主要研究解决与以电动机作为原动机的机械设备启动、制动、反向、调速、快速定位的电气自动控制有关的问题。

其目的是使生产机械满足加工工艺过程要求,确保生产过程能正常进行。

电气自动控制系统根据生产机械的生产工艺过程的要出版社理工分社机械电气自动控制求,设计合适的自动控制功能,以获得最优的技术经济指标。

因此,它是整个生产机械中的重要组成部分之一。

它的性能和质量在很大程度上影响到产品的质量、产量、生产成本及工人劳动条件。

随着制造技术发展,对现代化生产机械的生产工艺不断提出了新的要求,使得生产机械的功能从简单到复杂,而操作上则要求由复杂到简单,因而对生产机械的电气自动控制系统提出了越来越高的要求。

例如,在大批大量生产中使用专用机械设备以及自动化生产线,既要求自动化程度和加工效率高,又要求加工质量好,同时自动化生产线还要求统一控制和管理;轧钢车间的可逆式轧机及其辅助机械,操作频繁,要求在极短的时间内完成正转到反转的过程,即要求能迅速启动、制动和反转;对电梯和升降机之类的载运机械设备,则要求其启动和制动平稳,并能准确地停靠在预定的位置;加工中心由于工序的集中,则要求控制系统能控制机床按不同的工序,自动选择和更换刀具,自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助功能,依次完成工件几个面上多工序的加工。

要页退出目录出版社理工分社机械电气自动控制满足诸如此类机械设备的要求,除了依靠机械设备设计水平和制造质量之外,在很大程度上还取决于电气自动控制系统的完善功能和优良性能。

页退出目录1.2机械电气自动控制系统的组成和分类就硬件而言,生产机械的电气自动控制系统可以包括电动机、控制电器、检测元件、功率半导体器件、微电子器件及微型计算机等。

一个复杂机械设备的电气自动控制系统可能需要采用多层微型计算机控制多台电动机,以满足设备的加工工艺要求。

按照不同的分类方式,机械电气自动控制系统有如下分类:

1.2.1断续控制、连续控制和数字控制系统按照控制系统处理的信号的不同,电动机自动控制方式大致可分为断续控制、连续控制和数字控制3种。

在断续控制方式中,控制出版社理工分社机械电气自动控制系统处理的信号为断续变化的开关量,如异步电动机的接触器继电器控制系统。

在连续控制方式中,控制系统处理的信号为连续变化的模拟量,如交流电动机变频调速系统和直流电动机调速系统。

在数字控制方式中,控制系统处理的信号为离散的数字量,如机床的数控系统。

页退出目录1.2.2开环和闭环控制系统按组成原理,机械电气自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。

如图1.1所示为开环控制系统。

这种系统输入的控制信号保持不变,但在某种扰动作用下,会使输出量偏离给定值,因此系统的抗干扰能力弱。

如图1.2所示为闭环控制系统。

当输出量的反馈值偏离给定输入值时,由于系统输出量信息反馈到系统输入端,使得作用到调节器的输入量发生变化,调节器根据这一信息产生控制信号,作用到变流器,确保系统输出量变化具有预期的特性。

出版社理工分社机械电气自动控制图1.1开环控制系统框图页退出目录图1.2闭环控制系统框图出版社理工分社机械电气自动控制1.3.1页退出目录电力拖动技术的发展电力拖动经历了成组拖动、单电机拖动和多电机拖动3个阶段成组拖动是一台电动机拖动一个天轴,再由天轴通过带传动分别拖动多台生产机械;单电机拖动是一台电动机拖动一台生产机械;多电机拖动是一台生产机械的每个运动部件分别由一台专门的电动机拖动。

现代化的生产机械基本上均采用这种拖动形式。

早期的电动机的输出为旋转运动,当电机拖动工作机构做直线往复运动时,必须通过一套传动机构将电动机的旋转运动转换为工作机构的直线往复运动。

为了提高传动效率和速度,20世纪80年代发展了直线电动机,实现了直线往复运动的直接电力拖动。

对于旋转运动机构的电力拖动,近年又推出了运动机构和电动机融为一体的电主轴直接拖动方式,这种拖动方式的运动机构的转速可高达60000r/min。

在电动机无级调速方面,20世纪30年代出现了直流发电机直1.3机械电气自动控制技术的发展出版社理工分社机械电气自动控制流电动机的直流调速系统。

20世纪60年代以后,随着电力电子元件的出现及其应用技术的发展,出现了采用大功率晶体管、晶闸管和大功率整流技术的直流调速系统,取代了直流发电机直流电动机的直流调速系统。

20世纪80年代开始,发展了大功率半导体变流技术,使交流电动机调速技术取得突破性进展,以交流异步电动机为对象和以交流变频调速器为控制器的交流调速系统目前已经得到广泛的应用。

由于脉宽调制技术和矢量控制技术的发展及其在交流调速系统中的应用,交流调速系统的性能已与直流调速系统相媲美,并有取代直流调速系统的趋势。

页退出目录1.3.2逻辑控制技术的发展最早机械电气控制系统出现在20世纪20年代,最初采用按钮和开关进行手动控制,后来出现了接触器和继电器及其控制系统,实现了对控制对象的启动、停止、有级调速及自动工作循环控制。

这种控制装置结构简单、直观易懂、维护方便、价格低廉,因此在机械设备控出版社理工分社机械电气自动控制制上得到广泛的应用,而且一直应用至今。

其缺点是,控制系统难以改变控制程序,采用机械触点实现开关控制,触点容易出现松动和电磨损,若控制系统稍为复杂一些,则可靠性较低。

20世纪60年代中期,随着成组技术的出现,要求在同一台自动机床加工工艺相似而结构不同的零件,生产工艺及流程经常变化,接触器继电器控制系统已经不能满足这种需要,于是出现了以逻辑门电路和继电器组成的顺序控制器。

这种控制器利用二极管矩阵或二极管矩阵插销板编制程序,可方便地改变程序,同时这种控制系统克服了接触器继电器控制系统寿命短、工作频率低、功能简单、可靠性差等缺点,是常用的顺序控制系统之一。

随着计算机技术和自动控制技术的飞速发展,20世纪60年代末,出现了具有运算功能和功率输出能力的可编程逻辑控制器（PLC）。

它是由大规模集成电路、电子开关、功率输出器件等组成的专用微型电子计算机,具有逻辑控制、定时、计数、算术运算、编程及存储功能,程序编制和修改容易,输入输出接线简单,通用灵活,抗干页退出目录出版社理工分社机械电气自动控制扰能力强,适用于工业环境,工作可靠性高,以及体积小等一系列优点。

到20世纪80年代中期,PLC已广泛地应用到各行各业的机械设备的自动控制上,成为工业自动化领域的主流控制器。

目前,PLC总的发展趋势是高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能。

页退出目录1.3.3数字控制技术的发展1952年,美国的帕森斯与麻省理工学院合作研制出了世界上第一台三坐标直线插补数控铣床,并获得专利。

1954年底,美国本迪克斯公司在帕森斯专利基础上生产出了第一台工业用的数控机床。

此时的数控机床的数控系统采用的电子管,其体积大、功耗高。

到了20世纪60年代,晶体管技术应用于数控系统中,提高了数控系统的可靠性,而且价格降低,这一时期,点位控制的数控机床得到了很大的发展。

到了70年代中期,随着微电子技术的发展,微处理机得以出现。

美、日、德等国都迅速推出了以微处理器为核心的数控系统,数控系统的功能也从硬件数控进入了软件数控的新阶段,这种数控系统成出版社理工分社机械电气自动控制为计算机数控系统（CNC）。

80年代以来,随着工业机器人的诞生,出现了数控机床、工业机器人、自动搬运车等,组成统一由中心计算机控制的机械加工自动线柔性制造系统（FMS）。

为了实现制造过程的高效率、高柔性和高质量,计算机集成生产系统（CIMS）成为数控技术发展的方向之一。

伺服驱动系统是数字控制系统的重要组成部分。

它是以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统,又称位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单元。

伺服系统的性能在很大程度上决定了设备的性能,如数控设备的最高移动速度、跟踪精度、定位精度等重要指标均取决于伺服驱动系统的动态和静态特性。

伺服驱动系统按调节理论,可分为开环和闭环。

开环伺服驱动系统的驱动元件是步进电动机,即步进电动机控制系统,其结构简单,易于控制,但是精度差,低速不平稳,高速扭矩小。

它主要用于轻载、负载变化不大或经济型数控机床上。

目前,高精度、硬特性的步进电动机及其驱动装置正在迅速发展中。

闭环伺服驱动系统可分为页退出目录出版社理工分社机械电气自动控制直流和交流伺服系统。

直流伺服驱动系统在20世纪七八十年代的设备中占据主导地位。

20世纪80年代以后,由于交流伺服电动机的材料结构、控制理论和方法均有突破性发展,促使交流伺服驱动系统发展迅速,大有逐步取代直流伺服驱动系统的趋势。

页退出目录出版社理工分社机械电气自动控制第2章机电传动系统的动力学基础页退出目录原动机带动负载运转称为拖动;以电动机带动生产机械运转的拖动方式称为电力拖动,其中电动机为原动机,生产机械是负载。

机电传动系统是一个由电动机拖动并通过传动机构带动生产机械运转的机电运动的动力学整体。

尽管机电传动系统中所用的电动机种类繁多、特性各异,生产机械的负载性质也各不相同,但从动力学的角度看,它们都应服从动力学的统一规律。

因此,在研究机电传动系统时,首先要分析机电传动系统的动力学问题,建立其运动方程式,进而分析机电传动系统稳定运行的条件。

出版社理工分社机械电气自动控制2.1页退出目录机电传动系统的运动方程式2.1.1运动方程式生产实践中,生产机械的结构和运动形式是多种多样的,其机电传动系统也有多种类型。

最简单的系统是单台电动机直接与生产机械同轴联接,即单轴机电传动系统（简称单轴系统）,如图2.1所示。

但是在多数情况下,由于生产机械转速较低或者具有直线运动部件,因此电动机必须通过传动机构（如齿轮减速箱、蜗轮蜗杆等）多根转轴的传动才能带动生产机械运动,称为多轴机电传动系统（简称多轴系统）,如图2.2和图2.3所示。

在少数场合,还有两台或多台电动机来带动一个或多个工作机构,称为多电机拖动系统,简称多机系统。

出版社理工分社机械电气自动控制图2.1单轴机电传动系统如图2.1所示,由电动机M产生的转矩TM（称为电磁转矩）,用来克服负载转矩TL,带动生产机械运动。

电力拖动系统中,通常把空载转矩考虑在负载转矩TL中,不再单独考虑。

当TM与TL这两个转矩平衡时,传动系统维持恒速转动,转速n或角速度不变,加速度dn/dt或角加速度d/dt等于零,即TM=TL时,n为常数,dn/dt=0,或为常数,d/dt=0。

这种运动状态称为静态（相对静止状态）或稳态（稳定运转状态）。

当TMTL时,速度n或角速度就要变化,产生加速或减速,速度变化的大小与传动系统的转动惯量J有关。

把上述关系用方程式表示,即页退出目录出版社理工分社机械电气自动控制页退出目录出版社理工分社机械电气自动控制页退出目录出版社理工分社机械电气自动控制页退出目录出版社理工分社机械电气自动控制页退出目录出版社理工分社机械电气自动控制或页退出目录TM=TL+Td（2.6）即电动机所产生的转矩在任何情况下,总是由轴上的负载转矩（即静态转矩）和动态转矩之和所平衡。

当TM=TL时,Td=0,表示没有动态转矩,系统恒速运转,即系统处于稳态。

稳态时电动机发出转矩的大小,仅由电动机所带的负载（生产机械）所决定。

2.1.2运动方程式中转矩方向的确定在机电传动系