電氣自動控制知識

電氣自動控制知識第一頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期一第一節(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、控制或調(diào)節(jié)作用的電器設備。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、轉換開關、熔斷器和斷路器。低壓控制電器:包括接觸器、控制繼電器、啟動器、控制器、主令電器和電磁鐵等,主要用于電氣傳動系統(tǒng)中。按低壓電器的動作方式可分為：自動切換電器：如接觸器、繼電器等。非自動切換電器：如按鈕、刀開關等。按電器的執(zhí)行機構可分為：有觸點電器和無觸點電器。本節(jié)主要介紹開關電器、接觸器、繼電器、熔斷器、主令電器第二頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期一一、開關電器刀開關:結構簡單，應用廣泛的手控電器。用于低壓電路不頻繁動作。轉換開關（組合開關）：受控電器。在機床電氣設備中，作為電源引入開關，或直接用于控制非頻繁啟動和停止的小容量非同步電動機。自動開關（自動斷路器）：低壓電路中常用的具有保護環(huán)節(jié)的斷合電器。第三頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期一二、接觸器接觸器是一種自動的電磁式開關，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斷，導致電路的接通和斷開。交流接觸器：當吸引線圈兩端加上額定電壓時，動、靜鐵芯間產(chǎn)生大于反作用彈簧彈力的電磁吸力，動、靜鐵芯吸合，帶動動鐵芯上的觸頭動作；當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常態(tài)。直流接觸器：直流接觸器主要用于遠距離接通和分斷直流電路，還用于直流電動機的頻繁起動、停止、反轉和反接制動。第四頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期一第五頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期一接觸器的主要技術指標

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，當直流電動機和直流負載容量較小時，也可用交流接觸器控制，但觸頭的額定電流應適當選擇大些。

2.接觸器的額定電壓應大于或等于負載回路的額定電壓；

3.吸引線圈的額定電壓應與所接控制電路的額定電壓等級一致；

4.額定電流應大于或等于被控主回路的額定電流。根據(jù)負載額定電流，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，編輯于2023年，星期一三、繼電器繼電器是根據(jù)某種輸入物理量的變化，來接通和分斷控制電路的電器。1、熱繼電器2、中間繼電器3、電流繼電器4、電壓繼電器5、時間繼電器6、速度繼電器7、壓力繼電器第七頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期一四、熔斷器熔斷器在低壓配電線路中主要起短路保護作用。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，編輯于2023年，星期一五、主令電器主令電器是在自動控制系統(tǒng)中發(fā)出指令或信號的操縱電器?？刂瓢粹o：是一種簡單電器，不直接控制主電路，而在控制電路發(fā)出手動控制信號。按鈕按用途和觸頭的結構不同可分為停止按鈕、啟動按鈕及復合按鈕。位置開關：又稱行程開關或限位開關，它的作用是將機械位移轉變?yōu)殡娦盘?，使電動機運行狀態(tài)發(fā)生改變，位置開關包括：行程開關、限位開關、微動開關及由機械部件或機械操作的其它控制開關。

位置開關有兩種類型：直動式（按鈕式）和旋轉式。

第九頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期一接近開關：無觸點行程開關又稱接近開關，是當某種物體與之接近到一定距離時就發(fā)出“動作”信號，它不須施以機械力。

接近開關按工作原理分：高頻振蕩型（檢測各種金屬）、永磁型及磁敏元件型、電磁感應型、電容型、光電型和超生波型等幾種。常用的接近開關是高頻振蕩型，由振蕩、檢測、晶閘管等部分組成。萬能轉換開關：可同時控制許多條（最多可達32條）通斷要求不同的電路，而且具有多個檔位。萬能轉換開關以手柄旋轉的方式進行操作，操作位置有2～12個，分定位式和自動復位式兩種。第十頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期一第二節(jié)伺服驅動系統(tǒng)概述伺服系統(tǒng)是一種機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)，它的輸出變量通常是機械或位置的運動。根本任務:實現(xiàn)執(zhí)行機構對給定指令的準確跟蹤，即實現(xiàn)輸出變量的某種狀態(tài)能夠自動、連續(xù)、精確地復現(xiàn)輸入指令信號的變化規(guī)律。數(shù)控機床的伺服系統(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給驅動系統(tǒng)和主軸驅動系統(tǒng)；按其驅動執(zhí)行元件的動作原理分為電液伺服驅動系統(tǒng)和電氣伺服驅動系統(tǒng)。電氣伺服驅動系統(tǒng)又分為直流伺服驅動系統(tǒng)、交流伺服驅動系統(tǒng)及直線電動機伺服系統(tǒng)。第十一頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期一一、開環(huán)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)

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

齒輪箱

步進電機指令脈沖

圖6-2開環(huán)伺服系統(tǒng)簡圖

工作臺驅動控制線路第十二頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期一位置控制模塊速度控制單元伺服電機工作臺

位置檢測測量反饋速度環(huán)速度檢測位置環(huán)閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)結構第十三頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期一閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置檢測裝置安裝在機床的工作臺上，檢測裝置測出實際位移量或者實際所處位置，并將測量值反饋給CNC裝置，與指令進行比較，求得差值，依此構成閉環(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機軸上，用以精確控制電機的角度。因為坐標運動的傳動鏈有一部分在位置閉環(huán)以外，其傳動誤差沒有得到系統(tǒng)的補償，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)控機床上，使用半閉環(huán)系統(tǒng)較多。位置比較速度控制

工作臺伺服電機指令+—--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，編輯于2023年，星期一二、

進給驅動與主軸驅動進給伺服系統(tǒng)包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)，用于數(shù)控機床工作臺或刀架坐標的控制系統(tǒng)，控制機床各坐標軸的切削進給運動，并提供切削過程所需轉矩。主軸伺服系統(tǒng)只是一個速度控制系統(tǒng)，控制機床主軸的旋轉運動，為機床主軸提供驅動功率和所需的切削力，且保證任意轉速的調(diào)節(jié)。三、直流伺服系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)與直線電動機伺服系統(tǒng)直流伺服系統(tǒng)就是控制直流電機的系統(tǒng)。目前使用比較多的是永磁式直流伺服電機。永磁直流伺服電機（也稱為大慣量寬調(diào)速直流伺服電機），調(diào)速范圍寬，輸出轉矩大，過載能力強，而且電機轉動慣量較大，應用較方便，但直流電機有電刷，限制了轉速的提高，而且結構復雜，價格也高。

第十五頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期一進入80年代后，由于交流電機調(diào)速技術的突破，交流伺服驅動系統(tǒng)進入電氣傳動調(diào)速控制的各個領域。交流伺服電機，轉子慣量比直流電機小，動態(tài)響應好。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，已達到或超過直流伺服系統(tǒng)，交流伺服電機已在數(shù)控機床中得到廣泛應用。直線電動機的實質是把旋轉電動機沿徑向剖開，然后拉直演變而成，利用電磁作用原理，將電能直接轉換成直線運動動能的一種推力裝置，是一種較為理想的驅動裝置。在機床進給系統(tǒng)中，采用直線電動機直接驅動與旋轉電動機的最大區(qū)別是取消了從電動機到工作臺之間的機械傳動環(huán)節(jié)，把機床進給傳動鏈的長度縮短為零。正由于這種傳動方式，帶來了旋轉電動機驅動方式無法達到的性能指標和優(yōu)點。由于直線電動機在機床中的應用目前還處于初級階段，還有待進一步研究和改進。隨著各相關配套技術的發(fā)展和直線電動機制造工藝的完善，相信用直線電動機作進給驅動的機床會得到廣泛應用。第十六頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期一第三節(jié)各類伺服電機介紹一、步進電機步進電機伺服系統(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)，其精度主要由步進電機來決定，速度也受到步進電機性能的限制。步進電機每次轉過的角度稱為步距角。一個脈沖產(chǎn)生的進給量稱為脈沖當量。步距角和步進電機的相數(shù)、通電方式及電機轉子齒數(shù)的關系如下：α

—步進電機的步距角；m—電機相數(shù)；Z—轉子齒數(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—脈沖當量；S—絲杠螺距；a—步距角；i—是電動機與絲杠間的齒輪傳動減速比,i是大于1的樹。δ=S*α/(360*i)第十七頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期一二、直流伺服電機1、調(diào)速方式:直流伺服電機的機械特性方程為：式中，Uc——電樞控制電壓R——一電樞回路電阻Φ——每極磁通；Ce、Ct——分別為電動機的結構常數(shù)。由上式知，直流伺服電機的控制方式如下：（1）調(diào)壓調(diào)速（變電樞電壓，恒轉矩調(diào)速）（2）調(diào)磁調(diào)速（變勵磁電流，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，編輯于2023年，星期一三、交流伺服電機在交流伺服系統(tǒng)中，按電機種類可分為同步型和異步型（感應電機）兩種。數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)中多采用永磁式同步電機，同步電機的轉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，它的轉速是穩(wěn)定不變的。由變頻電源供電給同步電機時，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械特性及寬的調(diào)速范圍。交流主軸電機多采用交流異步電機，很少采用永磁同步電機，主要因為永磁同步電機的容量做得不夠大，且電機成本較高。另外主軸驅動系統(tǒng)不象進給系統(tǒng)那樣要求很高的性能，調(diào)速范圍也不要太大。因此，采用異步電機完全可以滿足數(shù)控機床主軸的要求，籠型異步電機多用在主軸驅動系統(tǒng)中。第十九頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期一交流電機的調(diào)速據(jù)電機學知，交流異步電機的轉速表達式為：（r/min）式中f1—定子電源頻率（Hz）；

p—磁極對數(shù)；

s—轉差率。由上式可知異步電機的調(diào)速方法，可以有變轉差率、變極對數(shù)及變頻三種?？扛淖冝D差率對異步電機進行調(diào)速時，低速時轉差率大，轉差損耗功率也大，效率低。變極調(diào)速只能產(chǎn)生二種或三種轉速，不可能做成無級調(diào)速，應用范圍較窄。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，可以認為是一種理想的調(diào)速方法