電氣自動(dòng)控制知識(shí)

電氣自動(dòng)控制知識(shí)第一頁，共二十一頁，2022年，8月28日第一節(jié)常用低壓電器介紹低壓電器通常是指工作在交流電壓小于1200V，直流電壓小于1500V的電路中起通、斷、保護(hù)、控制或調(diào)節(jié)作用的電器設(shè)備。低壓電器的種類繁多，就其用途或所控制的對象可概括為兩大類：低壓配電電器:這類電器包括刀開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)、熔斷器和斷路器。低壓控制電器:包括接觸器、控制繼電器、啟動(dòng)器、控制器、主令電器和電磁鐵等,主要用于電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中。按低壓電器的動(dòng)作方式可分為：自動(dòng)切換電器：如接觸器、繼電器等。非自動(dòng)切換電器：如按鈕、刀開關(guān)等。按電器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為：有觸點(diǎn)電器和無觸點(diǎn)電器。本節(jié)主要介紹開關(guān)電器、接觸器、繼電器、熔斷器、主令電器第二頁，共二十一頁，2022年，8月28日一、開關(guān)電器刀開關(guān):結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用廣泛的手控電器。用于低壓電路不頻繁動(dòng)作。轉(zhuǎn)換開關(guān)（組合開關(guān)）：受控電器。在機(jī)床電氣設(shè)備中，作為電源引入開關(guān)，或直接用于控制非頻繁啟動(dòng)和停止的小容量非同步電動(dòng)機(jī)。自動(dòng)開關(guān)（自動(dòng)斷路器）：低壓電路中常用的具有保護(hù)環(huán)節(jié)的斷合電器。第三頁，共二十一頁，2022年，8月28日二、接觸器接觸器是一種自動(dòng)的電磁式開關(guān)，它通過電磁力作用下的吸合和反力彈簧作用下的釋放使觸頭閉合和分?jǐn)?，?dǎo)致電路的接通和斷開。交流接觸器：當(dāng)吸引線圈兩端加上額定電壓時(shí)，動(dòng)、靜鐵芯間產(chǎn)生大于反作用彈簧彈力的電磁吸力，動(dòng)、靜鐵芯吸合，帶動(dòng)動(dòng)鐵芯上的觸頭動(dòng)作；當(dāng)吸引線圈端電壓消失后，電磁吸力消失，觸頭在反彈力作用下恢復(fù)常態(tài)。直流接觸器：直流接觸器主要用于遠(yuǎn)距離接通和分?jǐn)嘀绷麟娐罚€用于直流電動(dòng)機(jī)的頻繁起動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)和反接制動(dòng)。第四頁，共二十一頁，2022年，8月28日第五頁，共二十一頁，2022年，8月28日接觸器的主要技術(shù)指標(biāo)

1.額定電壓；2.額定電流；

3.吸引線圈額定電壓；

4.通斷能力；5.操作頻率；

6.交直流接觸器的額定操作頻率；

7.壽命。接觸器的選擇

接觸器的選擇原則：

1.根據(jù)電路中負(fù)載電流的種類選擇接觸器的類型。一般直流電路用直流接觸器控制，當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)和直流負(fù)載容量較小時(shí)，也可用交流接觸器控制，但觸頭的額定電流應(yīng)適當(dāng)選擇大些。

2.接觸器的額定電壓應(yīng)大于或等于負(fù)載回路的額定電壓；

3.吸引線圈的額定電壓應(yīng)與所接控制電路的額定電壓等級(jí)一致；

4.額定電流應(yīng)大于或等于被控主回路的額定電流。根據(jù)負(fù)載額定電流，接觸器安裝條件及電流流經(jīng)觸頭的持續(xù)情況來選定接觸器的額定電流。

第六頁，共二十一頁，2022年，8月28日三、繼電器繼電器是根據(jù)某種輸入物理量的變化，來接通和分?jǐn)嗫刂齐娐返碾娖鳌?、熱繼電器2、中間繼電器3、電流繼電器4、電壓繼電器5、時(shí)間繼電器6、速度繼電器7、壓力繼電器第七頁，共二十一頁，2022年，8月28日四、熔斷器熔斷器在低壓配電線路中主要起短路保護(hù)作用。熔斷器主要由熔體和放置熔體的絕緣管或絕緣底座組成。常用的熔斷器有瓷插式、螺旋式、有填料密封管式、無填料管式等幾種類型。第八頁，共二十一頁，2022年，8月28日五、主令電器主令電器是在自動(dòng)控制系統(tǒng)中發(fā)出指令或信號(hào)的操縱電器。控制按鈕：是一種簡單電器，不直接控制主電路，而在控制電路發(fā)出手動(dòng)控制信號(hào)。按鈕按用途和觸頭的結(jié)構(gòu)不同可分為停止按鈕、啟動(dòng)按鈕及復(fù)合按鈕。位置開關(guān)：又稱行程開關(guān)或限位開關(guān)，它的作用是將機(jī)械位移轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生改變，位置開關(guān)包括：行程開關(guān)、限位開關(guān)、微動(dòng)開關(guān)及由機(jī)械部件或機(jī)械操作的其它控制開關(guān)。

位置開關(guān)有兩種類型：直動(dòng)式（按鈕式）和旋轉(zhuǎn)式。

第九頁，共二十一頁，2022年，8月28日接近開關(guān)：無觸點(diǎn)行程開關(guān)又稱接近開關(guān)，是當(dāng)某種物體與之接近到一定距離時(shí)就發(fā)出“動(dòng)作”信號(hào)，它不須施以機(jī)械力。

接近開關(guān)按工作原理分：高頻振蕩型（檢測各種金屬）、永磁型及磁敏元件型、電磁感應(yīng)型、電容型、光電型和超生波型等幾種。常用的接近開關(guān)是高頻振蕩型，由振蕩、檢測、晶閘管等部分組成。萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)：可同時(shí)控制許多條（最多可達(dá)32條）通斷要求不同的電路，而且具有多個(gè)檔位。萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)以手柄旋轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行操作，操作位置有2～12個(gè)，分定位式和自動(dòng)復(fù)位式兩種。第十頁，共二十一頁，2022年，8月28日第二節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述伺服系統(tǒng)是一種機(jī)械位置或角度作為控制對象的自動(dòng)控制系統(tǒng)，它的輸出變量通常是機(jī)械或位置的運(yùn)動(dòng)。根本任務(wù):實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對給定指令的準(zhǔn)確跟蹤，即實(shí)現(xiàn)輸出變量的某種狀態(tài)能夠自動(dòng)、連續(xù)、精確地復(fù)現(xiàn)輸入指令信號(hào)的變化規(guī)律。數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)按其控制原理和有無位置反饋裝置分為開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)；按其用途和功能分為進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；按其驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的動(dòng)作原理分為電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電氣伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電氣伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)又分為直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及直線電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)。第十一頁，共二十一頁，2022年，8月28日一、開環(huán)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)

開環(huán)伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，它沒有位置反饋回路和速度反饋回路，因此設(shè)備投資低，調(diào)試維修方便，但精度差，高速扭矩小，被用于中、低檔數(shù)控機(jī)床及普通機(jī)床改造。

齒輪箱

步進(jìn)電機(jī)指令脈沖

圖6-2開環(huán)伺服系統(tǒng)簡圖

工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)控制線路第十二頁，共二十一頁，2022年，8月28日位置控制模塊速度控制單元伺服電機(jī)工作臺(tái)

位置檢測測量反饋速度環(huán)速度檢測位置環(huán)閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第十三頁，共二十一頁，2022年，8月28日閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置檢測裝置安裝在機(jī)床的工作臺(tái)上，檢測裝置測出實(shí)際位移量或者實(shí)際所處位置，并將測量值反饋給CNC裝置，與指令進(jìn)行比較，求得差值，依此構(gòu)成閉環(huán)位置控制。閉環(huán)方式被大量用在精度要求較高的大型數(shù)控機(jī)床上。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)一般將位置檢測元件安裝在電動(dòng)機(jī)軸上，用以精確控制電機(jī)的角度。因?yàn)樽鴺?biāo)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)鏈有一部分在位置閉環(huán)以外，其傳動(dòng)誤差沒有得到系統(tǒng)的補(bǔ)償，因而半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度低于閉環(huán)系統(tǒng)。目前在精度要求適中的中小型數(shù)控機(jī)床上，使用半閉環(huán)系統(tǒng)較多。位置比較速度控制

工作臺(tái)伺服電機(jī)指令+—--速度反饋位置反饋半閉環(huán)伺服系統(tǒng)簡圖第十四頁，共二十一頁，2022年，8月28日二、

進(jìn)給驅(qū)動(dòng)與主軸驅(qū)動(dòng)進(jìn)給伺服系統(tǒng)包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)，用于數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)或刀架坐標(biāo)的控制系統(tǒng)，控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并提供切削過程所需轉(zhuǎn)矩。主軸伺服系統(tǒng)只是一個(gè)速度控制系統(tǒng)，控制機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為機(jī)床主軸提供驅(qū)動(dòng)功率和所需的切削力，且保證任意轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。三、直流伺服系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)與直線電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)直流伺服系統(tǒng)就是控制直流電機(jī)的系統(tǒng)。目前使用比較多的是永磁式直流伺服電機(jī)。永磁直流伺服電機(jī)（也稱為大慣量寬調(diào)速直流伺服電機(jī)），調(diào)速范圍寬，輸出轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)，而且電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，應(yīng)用較方便，但直流電機(jī)有電刷，限制了轉(zhuǎn)速的提高，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格也高。

第十五頁，共二十一頁，2022年，8月28日進(jìn)入80年代后，由于交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)的突破，交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入電氣傳動(dòng)調(diào)速控制的各個(gè)領(lǐng)域。交流伺服電機(jī)，轉(zhuǎn)子慣量比直流電機(jī)小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。而且容易維修，制造簡單，適合于在較惡劣環(huán)境中使用，易于向大容量、高速度方向發(fā)展，其性能更加優(yōu)異，已達(dá)到或超過直流伺服系統(tǒng)，交流伺服電機(jī)已在數(shù)控機(jī)床中得到廣泛應(yīng)用。直線電動(dòng)機(jī)的實(shí)質(zhì)是把旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)沿徑向剖開，然后拉直演變而成，利用電磁作用原理，將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的一種推力裝置，是一種較為理想的驅(qū)動(dòng)裝置。在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，采用直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的最大區(qū)別是取消了從電動(dòng)機(jī)到工作臺(tái)之間的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，把機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長度縮短為零。正由于這種傳動(dòng)方式，帶來了旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式無法達(dá)到的性能指標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)。由于直線電動(dòng)機(jī)在機(jī)床中的應(yīng)用目前還處于初級(jí)階段，還有待進(jìn)一步研究和改進(jìn)。隨著各相關(guān)配套技術(shù)的發(fā)展和直線電動(dòng)機(jī)制造工藝的完善，相信用直線電動(dòng)機(jī)作進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的機(jī)床會(huì)得到廣泛應(yīng)用。第十六頁，共二十一頁，2022年，8月28日第三節(jié)各類伺服電機(jī)介紹一、步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)是典型的開環(huán)控制系統(tǒng)，由于該系統(tǒng)沒有反饋檢測環(huán)節(jié)，其精度主要由步進(jìn)電機(jī)來決定，速度也受到步進(jìn)電機(jī)性能的限制。步進(jìn)電機(jī)每次轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角。一個(gè)脈沖產(chǎn)生的進(jìn)給量稱為脈沖當(dāng)量。步距角和步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)、通電方式及電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)的關(guān)系如下：α

—步進(jìn)電機(jī)的步距角；m—電機(jī)相數(shù)；Z—轉(zhuǎn)子齒數(shù)；K—系數(shù)，相鄰兩次通電相數(shù)相同，K＝1；相鄰兩次通電相數(shù)不同，K＝2。δ—脈沖當(dāng)量；S—絲杠螺距；a—步距角；i—是電動(dòng)機(jī)與絲杠間的齒輪傳動(dòng)減速比,i是大于1的樹。δ=S*α/(360*i)第十七頁，共二十一頁，2022年，8月28日二、直流伺服電機(jī)1、調(diào)速方式:直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性方程為：式中，Uc——電樞控制電壓R——一電樞回路電阻Φ——每極磁通；Ce、Ct——分別為電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)。由上式知，直流伺服電機(jī)的控制方式如下：（1）調(diào)壓調(diào)速（變電樞電壓，恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速）（2）調(diào)磁調(diào)速（變勵(lì)磁電流，恒功率調(diào)速）（3）改變電樞回路電阻調(diào)速常用的是前面2種調(diào)速方式。第十八頁，共二十一頁，2022年，8月28日三、交流伺服電機(jī)在交流伺服系統(tǒng)中，按電機(jī)種類可分為同步型和異步型（感應(yīng)電機(jī)）兩種。數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中多采用永磁式同步電機(jī)，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由供電頻率所決定的，即在電源電壓和頻率固定不變時(shí)，它的轉(zhuǎn)速是穩(wěn)定不變的。由變頻電源供電給同步電機(jī)時(shí)，能方便地獲得與頻率成正比的可變速度，可以得到非常硬的機(jī)械特性及寬的調(diào)速范圍。交流主軸電機(jī)多采用交流異步電機(jī)，很少采用永磁同步電機(jī)，主要因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)的容量做得不夠大，且電機(jī)成本較高。另外主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不象進(jìn)給系統(tǒng)那樣要求很高的性能，調(diào)速范圍也不要太大。因此，采用異步電機(jī)完全可以滿足數(shù)控機(jī)床主軸的要求，籠型異步電機(jī)多用在主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。第十九頁，共二十一頁，2022年，8月28日交流電機(jī)的調(diào)速據(jù)電機(jī)學(xué)知，交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：（r/min）式中f1—定子電源頻率（Hz）；

p—磁極對數(shù)；

s—轉(zhuǎn)差率。由上式可知異步電機(jī)的調(diào)速方法，可以有變轉(zhuǎn)差率、變極對數(shù)及變頻三種?？扛淖冝D(zhuǎn)差率對異步電機(jī)進(jìn)行調(diào)速時(shí)，低速時(shí)轉(zhuǎn)差率大，轉(zhuǎn)差損耗功率也大，效率低。變極調(diào)速只能產(chǎn)生二種或三種轉(zhuǎn)速，不可能做成無級(jí)調(diào)速，應(yīng)用范圍較窄。變頻調(diào)速是從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，故它具有高效率、寬范圍和高精度的調(diào)速性能，可以認(rèn)為是一種理想的調(diào)速方