機電傳動控制 第三版 課件 第4、5章 電氣控制系統(tǒng)、可編程序控制器及其應(yīng)用

機電傳動控制第4章

電氣控制系統(tǒng)學(xué)習(xí)目標(biāo)

熟悉電氣制圖規(guī)范

熟練掌握籠型三相異步電動機的基本控制環(huán)節(jié)熟悉典型機電設(shè)備的電氣控制原理，掌握電氣控制電路的分析方法4.1電氣制圖規(guī)范4.1.1電氣制圖標(biāo)準(zhǔn)與圖形文字符號

電氣制圖用圖形符號和文字符號必須符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,并盡可能與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌。國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會是負(fù)責(zé)組織國家標(biāo)準(zhǔn)的制定、修訂和管理的政府主管部門。

我國是國際電工委員會(InternationalElectrotechnicalCommission，IEC)和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(InternationalOrganizationforStandardization，ISO)的成員國。

因此，我國的電氣電工類國家標(biāo)準(zhǔn)大多是在參照IEC和ISO所頒布標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上制定和實施的。ISO一詞源于希臘語“ISOS”，對應(yīng)英文“EQUAL”——本意為相等或相同，引申為標(biāo)準(zhǔn)之意。ISO國際標(biāo)準(zhǔn)組織成立于1947年，中國是ISO的正式成員，代表中國參加ISO的政府機構(gòu)是國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會和國家質(zhì)量檢驗檢疫總局。序號標(biāo)準(zhǔn)代號標(biāo)準(zhǔn)名稱1GB/T4728電氣簡圖用圖形符號2GB/T5465電氣設(shè)備用圖形符號3GB/T20063簡圖用圖形符號4GB/T5094工業(yè)系統(tǒng)、裝置與設(shè)備以及工業(yè)產(chǎn)品——結(jié)構(gòu)原則與參照代號5GB/T20939技術(shù)產(chǎn)品及技術(shù)產(chǎn)品文件結(jié)構(gòu)原則字母代碼——按項目用途和任務(wù)劃分的主類和子類6GB/T6988電氣技術(shù)用文件的編制表4-1我國現(xiàn)行的與電氣制圖有關(guān)的主要國家標(biāo)準(zhǔn)

我國現(xiàn)行的繪制電氣簡圖用的圖形符號標(biāo)準(zhǔn)是GB/T4728《電氣簡圖用圖形符號》。

我國現(xiàn)行的繪制電氣系統(tǒng)圖用的圖形符號標(biāo)準(zhǔn)是GB/T5465《電氣設(shè)備用圖形符號》。

電氣電工類元器件的文字符號一般由2個字母組成。第一個字母為主類代碼，主類代碼的使用按照GB/T5094.2-2003《工業(yè)系統(tǒng)、裝置與設(shè)備以及工業(yè)產(chǎn)品——結(jié)構(gòu)原則與參照代號第2部分項目的分類與分類碼》的規(guī)定執(zhí)行；第二個字母為子類代碼，子類代碼的使用按照GB/T20939-2007《技術(shù)產(chǎn)品及技術(shù)產(chǎn)品文件結(jié)構(gòu)原則字母代碼按項目用途和任務(wù)劃分的主類和子類》的規(guī)定執(zhí)行。2.電氣制圖用圖形符號和文字符號

早年間，我國電氣制圖用文字符號執(zhí)行的國家標(biāo)準(zhǔn)是GB/T7159-1987《電氣技術(shù)中的文字符號制訂通則》。

目前，我國電氣制圖用文字符號執(zhí)行的國家標(biāo)準(zhǔn)是GB/T5094.2-2003《工業(yè)系統(tǒng)、裝置與設(shè)備以及工業(yè)產(chǎn)品——結(jié)構(gòu)原則與參照代號第2部分項目的分類與分類碼》和GB/T20939-2007《技術(shù)產(chǎn)品及技術(shù)產(chǎn)品文件結(jié)構(gòu)原則字母代碼按項目用途和任務(wù)劃分的主類和子類》。

盡管GB/T7159-1987《電氣技術(shù)中的文字符號制訂通則》已于2005年10月14日正式廢止，但由于國內(nèi)電氣電工行業(yè)參與國際貿(mào)易的能力不足，特別是國內(nèi)教育界的標(biāo)準(zhǔn)意識普遍較為薄弱，在國內(nèi)大多數(shù)電氣電工專業(yè)和機電專業(yè)教材中，仍然采用GB/T7159-1987作為電氣電工類元器件的文字符號標(biāo)準(zhǔn)。

為貫徹落實新國家標(biāo)準(zhǔn)（指GB/T5094.2-2003和GB/T20939-2007），增強學(xué)生的標(biāo)準(zhǔn)意識，本書全部采用最新國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電氣制圖用文字符號。

我國現(xiàn)行的電氣制圖用圖形符號國家標(biāo)準(zhǔn)是GB/T4728《電氣簡圖用圖形符號》。4.1.2電氣系統(tǒng)圖的繪制

常用的電氣控制系統(tǒng)圖有三種，即電氣原理圖、電器位置圖、安裝接線圖。

電氣原理圖、電器位置圖、安裝接線圖分別以不同角度和不同的表達方式反映同一工程問題的不同側(cè)面，其間又有一定的對應(yīng)關(guān)系，一般情況下需要互相對照，才能很好地繪制和閱讀。1.電氣原理圖

電氣原理圖是電氣控制系統(tǒng)圖中最重要的工程圖。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在繪制電氣控制系統(tǒng)的電氣原理圖時，必須按其工作順序排列，用圖形和文字符號詳細表示控制裝置、電路的基本構(gòu)成和連接關(guān)系，但并不反映電器元件的實際尺寸和安裝位置。圖4-1某液壓機床的電氣原理圖2.電器位置圖

電器位置圖（圖4-2）表達各個電器元件的實際安裝位置，電器位置圖的設(shè)計依據(jù)是電氣原理圖。

電器位置圖是按照電器元件的實際安裝位置繪制的，根據(jù)電器元件布置最合理、連接導(dǎo)線少等原則進行設(shè)計。圖4-2電器位置圖3.安裝接線圖

安裝接線圖（圖4-3）是按照電器元件的實際位置和實際接線繪制的，是表達電器元件、部件、組件或成套裝置之間的連接關(guān)系的圖紙，同時也是電氣安裝接線、線路檢查及維修的依據(jù)。

為表明電氣設(shè)備各單元之間的接線關(guān)系，要標(biāo)出所需的數(shù)據(jù)（如接線端子號，連接導(dǎo)線參數(shù)等），以便于安裝接線、線路檢查、線路維修和故障處理。

電氣原理圖以表明電氣設(shè)備、裝置和控制元件之間的相互控制關(guān)系為出發(fā)點，使人能清晰明了地分析出電路工作原理和工作過程為目標(biāo)，而安裝線圖以表明電氣設(shè)備、裝置和控制元件的具體接線為出發(fā)點，以接線方便、布線合理為目標(biāo)。圖4-3安裝接線圖4.1.3電氣原理圖的閱讀方法1.看主電路的步驟2.看輔助電路的步驟3.查線看圖法的讀圖要點4.1.4安裝接線圖的閱讀方法1.注意事項2.讀圖方法4.2基本控制環(huán)節(jié)4.2.1全壓起動控制1.采用開啟式刀開關(guān)直接控制圖4-4開啟式刀開關(guān)控制電路

該電路沒有電動機的過載保護功能，一旦發(fā)生長時間的過載，電動機有被燒毀的可能。

另外，當(dāng)電源系統(tǒng)出現(xiàn)失電壓、欠電壓故障時，該電路也無法實施有效的保護。圖4-5組合開關(guān)控制電路

采用開啟式刀開關(guān)或組合開關(guān)直接控制電動機的起動與停車，控制方法簡單、經(jīng)濟、實用。

但其缺點也是顯而易見的，即保護功能不完善，操作也不方便。特別是對于某些需要頻繁操作、且電源電壓波動較大的電動機，上述電路難以保障使用安全。

采用開啟式刀開關(guān)只能控制容量在10kW以下的電動機，如三相電風(fēng)扇、砂輪機、排灌水泵等容量較小，且操作不頻繁的設(shè)備。2.采用接觸器進行控制

這是最基本的，也是最經(jīng)典的電動機控制電路，任何具有其它特點的電動機控制電路，均可在該電路的基礎(chǔ)上衍生出來。任何一個電氣工程師都要將該控制電路牢記于心。圖4-6采用接觸器對電動機進行起-保-?？刂?.采用接觸器進行點動控制（1）單純的電動機的點動控制電路圖4-7單純的電動機的點動控制電路（2）既可點動又可長動的控制電路圖4-8既可點動又可長動的控制電路（轉(zhuǎn)換開關(guān)SF3）

圖4-9是一種利用復(fù)合按鈕實現(xiàn)的既可點動又可長動的控制電路。

復(fù)合按鈕在結(jié)構(gòu)上可以確保達成以下要求：當(dāng)按下復(fù)合按鈕時，其常閉觸點先行斷開，此后，其常開觸點才會閉合，即存在一個時間差；當(dāng)松開復(fù)合按鈕時，其常開觸點先行斷開，此后，其常閉觸點才會閉合，也存在一個時間差。

復(fù)合按鈕的兩對觸點狀態(tài)切換的時間差，遠大于接觸器觸點狀態(tài)切換所需要的時長，足以確保接觸器觸點狀態(tài)完成切換。圖4-9既可點動又可長動的控制電路（復(fù)合按鈕SF3）4.采用接觸器進行多地點控制

對于某些大型機電設(shè)備，出于操作方便并確保運行安全的考慮，往往需要對電動機進行多地點的起動和停車控制。例如大型龍門刨床、數(shù)控加工中心的操作及機電設(shè)備進行調(diào)整、檢修時，均有上述要求。（1）常規(guī)的多地點控制電路圖4-10多地點控制電路（常規(guī)）（2）具有“剝奪控制權(quán)”功能的多地點控制電路

起動按鈕SF2和停止按鈕SF1布置在甲地（如大型機電設(shè)備的操作臺），而起動按鈕SF4和停止按鈕SF3布置在乙地（如檢修人員所在的機電設(shè)備內(nèi)部），藉此可在甲、乙地對電動機進行起動—保持—停車控制。

位置開關(guān)BG安裝在機電設(shè)備檢修門的門框上，用于檢測檢修門是否打開。只要檢修人員打開檢修門，則位置開關(guān)BG的常閉觸點即斷開，常開觸點即閉合。圖4-11具有“剝奪控制權(quán)”功能的多地點控制電路4.2.2正、反轉(zhuǎn)控制

在機電傳動系統(tǒng)設(shè)計中，經(jīng)常會遇到生產(chǎn)機械的運動部件需要做正、反兩個方向運動的情況，如機床工作臺的前進與后退、機床主軸的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)、起重機吊鉤的上升與下降等。

為解決這一問題，可以在傳動系統(tǒng)中設(shè)置倒擋，也可以設(shè)置正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)離合器。但比較而言，通過電路設(shè)計，使電動機可以根據(jù)實際需要做正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，這一方案才是最優(yōu)的。

由電機學(xué)可知，對于三相異步電動機而言，只要將三相電源中任意兩相的相序進行調(diào)換，電動機輸出軸的運轉(zhuǎn)方向即可改變。

也就是說，只要將三相電源中任意兩相的相序進行調(diào)換，就可以實現(xiàn)三相異步電動機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制。1.采用倒順開關(guān)進行正、反轉(zhuǎn)控制

倒順開關(guān)（亦稱順逆開關(guān)或可逆轉(zhuǎn)換開關(guān)，圖4-12）是一種專門用于進行電動機正、反轉(zhuǎn)控制的手動電器。

銑床主軸電動機的正、反轉(zhuǎn)控制就是采用倒順開關(guān)實現(xiàn)的。圖4-12倒順開關(guān)（亦稱順逆開關(guān)或可逆轉(zhuǎn)換開關(guān)）實物照片

倒順開關(guān)的操作手柄具有順、停、倒三個位置，可以實現(xiàn)電動機的正轉(zhuǎn)、停車和反轉(zhuǎn)控制，其控制電路如圖4-13所示。圖4-13采用倒順開關(guān)實現(xiàn)電動機的正、反轉(zhuǎn)控制

該電路不允許越程操作*，否則會造成劇烈的機械沖擊和反向電流沖擊（相當(dāng)于存在一個電動機反接制動的過程）。2.采用接觸器進行正、反轉(zhuǎn)控制

基于“只要將三相電源中任意兩相的相序進行調(diào)換，就可以實現(xiàn)三相異步電動機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制”這一原理，可以采用兩個接觸器對電動機進行正、反轉(zhuǎn)控制，其控制電路如圖4-14所示。圖4-14正、反轉(zhuǎn)控制電路（無互鎖功能）

具有正、反轉(zhuǎn)互鎖功能，安全、實用的三相異步電動機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制電路，如圖4-15所示。圖4-15正、反轉(zhuǎn)控制電路（有互鎖功能）圖4-15正、反轉(zhuǎn)控制電路（有互鎖功能的正—停—反控制電路）在機電傳動控制電路中，這種“勢不兩立，不共戴天”，互相壓制、互相制約的控制關(guān)系稱為互鎖（亦稱聯(lián)鎖）關(guān)系，能夠?qū)崿F(xiàn)互鎖關(guān)系的觸點稱為互鎖觸點。

通過設(shè)置互鎖觸點來構(gòu)建互鎖關(guān)系，以確保在控制邏輯上彼此對立的電路能夠正常工作，而不致出現(xiàn)故障隱患，這一設(shè)計思想，在機電傳動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用極為普遍。接觸器觸點QA1和QA2互為互鎖觸點。圖4-16正、反轉(zhuǎn)控制電路（有互鎖的正—反—?？刂齐娐罚?/p>

正—?！纯刂齐娐吩诓僮魃媳容^麻煩，生產(chǎn)機械的準(zhǔn)備工時較長，不利于生產(chǎn)效率的提高，而正—反—?？梢詫崿F(xiàn)對電動機正反轉(zhuǎn)的直接切換，而不再需要中間的停車環(huán)節(jié)，但換向沖擊較大。4.2.3順序控制

在某些機電傳動系統(tǒng)中，出于生產(chǎn)工藝的需要，往往要求多臺電動機必須按照一定的先后順序進行起動或停車。

例如，在磨床上要求潤滑油泵電動機起動之后，主軸電動機方能起動；在龍門刨床上要求工作臺移動之前，導(dǎo)軌潤滑油泵電動機必須先行起動（兵馬未動，糧草先行）；在銑床上要求主軸旋轉(zhuǎn)之后，工作臺方可移動等。

上述機電設(shè)備均對其自身的多臺電動機的起動順序提出了要求。

對多臺電動機進行控制，使之按照既定的工作順序進行起動和停車，稱為順序控制。

順序控制可以是基于事件的，也可以是基于時間的。1.基于事件的順序控制

下面以磨床潤滑油泵電動機（MA1）和主軸電動機（MA2）的控制為例，闡述基于事件的順序控制電路的工作原理。圖4-17基于事件的順序控制（合理的設(shè)計）圖4-18基于事件的順序控制（不合理的設(shè)計）

如此設(shè)計電路，會極大地加重接觸器QA1和熔斷器FA1的負(fù)擔(dān)，使其使用壽命顯著縮短。因此，該電路既不合理，也不可行。2.基于時間的順序控制

當(dāng)生產(chǎn)機械要求兩臺電動機既有起動順序的要求，又有起動間隔時間的要求時，則可采用時間繼電器，設(shè)計基于時間的順序控制（簡稱時序控制）電路，以實現(xiàn)上述要求。

例如，要求電動機MA1必須先行起動，且電動機MA1起動10s后，電動機MA2自動起動。圖4-19所示的時序控制電路就能實現(xiàn)上述要求。圖4-19基于時間的順序控制電路（棄之如敝履，過河拆橋、卸磨殺驢）

時間繼電器KF的延時時間可以根據(jù)實際需要，在其延時范圍內(nèi)事先設(shè)定。對于本例而言，可事先將延時時間t1設(shè)定為10s，即可達成控制要求。4.2.4減壓起動控制1.起動方式判據(jù)

電動機接通電源后轉(zhuǎn)子軸由靜止?fàn)顟B(tài)逐漸加速到穩(wěn)定運行狀態(tài)的過程，稱為電動機的起動。

前面介紹的控制電路，都屬于全壓起動電路。所謂全壓起動，是指電動機起動伊始，就將額定電壓接在電動機的定子繞組上。

采用全壓起動時，控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，但由于電動機的起動電流大（可達額定電流的5~7倍），會造成電網(wǎng)電壓下降（俗稱搶電），影響與該電動機同網(wǎng)工作的其他電氣設(shè)備（包括電動機）的正常工作。

特別是多臺電動機共用一個電源變壓器、且全壓起動的電動機容量較大時，這一問題就顯得尤為突出，甚至可能導(dǎo)致已經(jīng)處于工作狀態(tài)的電動機因電網(wǎng)電壓下降太多而自動停車。

為避免上述問題，對于容量較大的電動機，就不允許采用全壓起動方式進行起動，而應(yīng)采用減壓起動（亦稱降壓起動）方式——即在起動時，主動降低加在電動機定子繞組上的電壓，待完成起動過程之后，再使電動機在額定電壓下運轉(zhuǎn)。起動方式判據(jù)

式中，

——電動機的起動電流，A；

——電動機的額定電流，A；

——電源變壓器的容量，kVA；

——電動機的容量，kW。

若滿足上述判據(jù)，則電動機可以直接進行全壓起動；若不滿足上述判據(jù)，則電動機就應(yīng)進行減壓起動。（式4-1）

大量的工程實踐表明，容量在10kW以下的三相異步電動機，通?？梢圆捎萌珘浩饎臃绞剑萘吭?0kW以上的電動機，必須采用減壓起動方式。

常用的減壓起動方法有：定子串電阻（或電抗器）減壓起動、星形—三角形（Y/Δ）轉(zhuǎn)換減壓起動、自耦變壓器減壓起動、延邊三角形減壓起動、軟起動器減壓起動和變頻器減壓起動等。

隨著機電控制技術(shù)的進步，定子串電阻減壓起動（能耗過大）、自耦變壓器減壓起動（設(shè)備成本高）、延邊三角形減壓起動（電動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜）等減壓起動方法已經(jīng)被逐步淘汰。

目前，應(yīng)用較多的只有星形—三角形（Y/Δ）轉(zhuǎn)換減壓起動、軟起動器減壓起動和變頻器減壓起動等幾種方式。2.星形—三角形（Y/Δ）轉(zhuǎn)換減壓起動

所謂Y/Δ轉(zhuǎn)換減壓起動是指，在起動時，首先利用接觸器將三相定子繞組接成星形。

此時，起動電壓為額定電壓的

，即220V；起動電流為全電壓起動電流的

，實現(xiàn)了減壓起動。待完成起動過程之后，再利用接觸器將定子繞組接成三角形，恢復(fù)380V的正常工作電壓。

采用Y/Δ減壓起動控制時，在起動過程中，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩（亦即起動轉(zhuǎn)矩）為電動機全電壓工作時的

。

因此，該方法只適合電動機的空載或輕載起動，對于重載起動，則有可能造成電動機“悶車”，需審慎處理。a）三相定子繞組的實際連接關(guān)系b）接線盒內(nèi)各個接線端子的接線方法圖2-39星形（Y形）接法

a）三相定子繞組的實際連接關(guān)系b）接線盒內(nèi)各個接線端子的接線方法圖2-40三角形（Δ形）接法

圖4-20Y/Δ轉(zhuǎn)換減壓起動電路

時間繼電器KF的定時時間可根據(jù)受控電動機的起動時間進行設(shè)定。3.軟起動器減壓起動

所謂軟起動和軟停車是指，在電動機起動時，將通入電動機定子繞組的電壓從零值或某一較小的初始值按照一定的規(guī)律，綿軟地、柔和地增加，以使電動機柔和地實現(xiàn)起動，待電動機達到額定轉(zhuǎn)速之后，再在額定電壓下正常工作；在電動機停車時，并不是突然撤掉全部電源電壓，而是按照一定的規(guī)律，綿軟地、柔和地降低電壓，以使電動機柔和地實現(xiàn)停車。

在對三相異步電機進行全壓起動時，電源電壓是突然地、簡單粗暴地加在電動機定子繞組上的，屬于硬起動。

相應(yīng)地，將通過完全撤除電源電壓，使電動機自己逐漸停止轉(zhuǎn)動的停車方法，稱為自由停車；而將對電動機實施反接制動，使之迅速停止轉(zhuǎn)動的停車方法，稱為硬停車。

但在某些對電動機的起動特性要求較高的場合（如自來水泵站），為避免水錘效應(yīng)，就需要采用軟起動和軟停車裝置對電動機進行控制。

能夠?qū)崿F(xiàn)電動機軟起動和軟停車的裝置，一般稱為軟起動器。目前，基于移相控制原理的晶閘管式軟起動器的應(yīng)用極為普遍。（1）晶閘管式軟起動器的結(jié)構(gòu)原理

軟起動器內(nèi)部設(shè)有基于單片機的控制電路。

該控制電路可以根據(jù)生產(chǎn)機械的實際需要，按照既定的控制程序，動態(tài)調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通相位（導(dǎo)通角），即基于移相控制原理，實現(xiàn)對軟起動器輸出電壓的動態(tài)調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)電動機的軟起動和軟停車。圖4-23晶閘管式軟起動器結(jié)構(gòu)示意圖

使用軟起動器起動電動機時，晶閘管的導(dǎo)通角逐漸加大，相應(yīng)地，其輸出電壓也逐漸增加，電動機逐漸加速，直到晶閘管全導(dǎo)通，電動機便工作在額定電壓的機械特性上，實現(xiàn)了綿軟、平滑的起動，降低了起動電流，避免了起動過流跳閘。

待電動機達到額定轉(zhuǎn)速時，起動過程結(jié)束，軟起動器自動用旁路接觸器（圖4-24）取代已完成任務(wù)的軟起動器，為電動機正常運轉(zhuǎn)提供額定電壓，以降低晶閘管的熱損耗，延長軟起動器的使用壽命，既提高了電動機的工作效率，又使電網(wǎng)避免了諧波污染。（2）軟起動器的起動方式

運用不同的方法，控制三相反并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通角，使被控電動機的輸入電壓按不同的要求而變化，就可實現(xiàn)不同的功能。1）斜坡升壓軟起動方式。

斜坡升壓軟起動方式適用電動機的空載或輕載起動。圖4-25常用的斜坡升壓軟起動曲線2）斜坡恒流軟起動方式。

在起動過程中，電流上升的變化速率（亦即電流上升曲線的斜率）可以根據(jù)電動機負(fù)載的具體情況做動態(tài)調(diào)整和設(shè)定。電流上升速率越大，則起動轉(zhuǎn)矩也就越大，起動時間也就越短。

斜坡恒流軟起動方式是應(yīng)用最多的軟起動方式，尤其適用于風(fēng)機、水泵類負(fù)載的起動。圖5-26恒流軟起動曲線圖3）脈沖沖擊起動方式（突跳沖擊起動方式）。

在起動初始階段，通過控制程序使晶閘管在極短的時間內(nèi)，以較大的導(dǎo)通角導(dǎo)通一段時間，然后再迅速減小導(dǎo)通角，之后再按既定速率線性地加大晶閘管的導(dǎo)通角，轉(zhuǎn)入恒流起動階段。圖4-27脈沖沖擊起動曲線

脈沖沖擊起動方式有短促的機械沖擊，主要用于驅(qū)動重載并需克服較大靜摩擦力矩的場合，不宜驅(qū)動一般負(fù)載。（3）軟起動器的停車方式1）自由停車。

采用自由停車方式時，軟起動器在接到停車命令后，即斷開旁路接觸器，并禁止晶閘管的調(diào)壓輸出，使電動機依負(fù)載慣性逐漸停車。

自由停車方式適用于對停車時間和停車位置（距離）無特殊要求的負(fù)載。

軟停車方式適用于對停車時間有明確要求的場合，特別適用于控制具有柔性停車要求的泵類負(fù)載。圖4-28軟停車的停車曲線

晶閘管調(diào)壓器的輸出電壓由全壓逐漸減小，使電動機轉(zhuǎn)速平穩(wěn)降低，直至停止。

軟起動器在接到停車命令后，電動機的供電電路即由旁路接觸器切換到晶閘管調(diào)壓器輸出。2）軟停車。3）精確停車。

精確停車亦稱直流制動停車，一般的軟起動器不具備精確停車功能。

精確停車適用于對停車時間和停車位置（距離）有特殊要求的工作場合，目前已經(jīng)在一定程度上取代了反接制動停車。（4）軟起動的特點

與傳統(tǒng)降壓起動方式相比，軟起動的特點主要有以下幾個方面：1）無沖擊電流。2）恒流起動。3）可根據(jù)負(fù)載情況及電網(wǎng)繼電保護特性，自由地、無級地調(diào)整至最佳的起動電流。（5）軟起動器的保護功能

軟起動器除了能對電動機進行軟起動和軟停車之外，還具有豐富的保護功能。（6）軟起動器適用場合

對于控制籠型異步電動機而言，凡是不需要調(diào)速的應(yīng)用場合，都適合采用軟起動器。

目前軟起動器的應(yīng)用范圍是交流380V（也可660V），電動機功率從幾千瓦到800kW。

軟起動器特別適用于各種泵類負(fù)載或風(fēng)機類負(fù)載，以及需要軟起動與軟停車的場合。

對于變負(fù)載工況、電動機長期處于輕載運行，只有短時或瞬間處于重載的應(yīng)用場合，采用軟起動器（不帶旁路接觸器）對電動機實施控制，則具有明顯的節(jié)能的效果。（7）軟起動器的具體應(yīng)用圖4-31所示的電路為用一個軟起動器分時起動三臺電動機，俗稱“一拖三”軟起動。4.2.5制動控制

常用的制動方法有機械制動和電氣制動兩大類。1.機械制動

機械制動是用電磁鐵操縱電磁抱閘或電磁制動器，進而對電動機實施制動。按照制動裝置的促動器件不同，可分為電磁抱閘制動、電磁制動器制動等幾種，但其基本的控制原理是一致的。（a）實物照片

（b）結(jié)構(gòu)示意圖圖4-32電磁抱閘制動器（1）工作原理

如圖4-33所示，對于斷電制動型電磁抱閘制動器，當(dāng)制動電磁鐵（圖中虛線框所示）線圈未得電時，在彈簧的拉力作用下，閘輪被閘瓦抱住，與之同軸的電動機則不能轉(zhuǎn)動，此時，電動機處于制動狀態(tài)；當(dāng)電磁鐵的線圈得電時，電磁鐵克服彈簧的拉力，使閘瓦與閘輪松開，電動機可以轉(zhuǎn)動。圖4-33斷電制動型電磁抱閘制動器

如圖4-34所示，對于通電制動型電磁抱閘制動器，當(dāng)電磁鐵的線圈未得電時，則閘瓦與閘輪松開，電動機可以轉(zhuǎn)動；當(dāng)電磁鐵線圈通電時，閘輪被閘瓦抱住，與之同軸的電動機則不能轉(zhuǎn)動。圖4-34通電制動型電磁抱閘制動器（2）斷電制動型電磁抱閘制動器控制電路

斷電制動型電磁抱閘制動器在電磁鐵線圈一旦斷電或未通電時電動機都處于抱閘制動狀態(tài)，安全性較高。

斷電制動型電磁抱閘制動器在電梯，吊車、起重機、卷揚機等設(shè)備中應(yīng)用廣泛。（3）通電制動型電磁抱閘制動器控制電路

對于通電制動型電磁抱閘制動器而言，在制動電磁鐵線圈未通電時，其制動閘總是處在松開狀態(tài)，通電后才對電動機實施制動。

通電制動型電磁抱閘制動器在機床等需要經(jīng)常調(diào)整加工件位置的設(shè)備應(yīng)用廣泛，以便在電動機未通電時，工人用手扳動機床主軸，進行調(diào)整和對刀等操作。圖4-36通電制動型電磁抱閘制動器控制電路（請讀者自行分析其工作原理）2.電氣制動

電氣制動是在電動機切斷電源后，利用控制電路使電動機產(chǎn)生一個與慣性運轉(zhuǎn)方向相反的制動力矩，促使電動機迅速停車。

按照產(chǎn)生制動力矩的方法不同，電氣制動又可分為反接制動、能耗制動、發(fā)電回饋制動等幾種。（1）反接制動

反接制動是在電動機被按下停止按鈕斷開三相電源后，改變其三相電源的相序再接入電動機定子繞組中，即產(chǎn)生與轉(zhuǎn)動方向相反的制動力矩，使電動機制動。

在電動機轉(zhuǎn)速接近零時，應(yīng)及時將反接電源切除，否則電動機會反向旋轉(zhuǎn)。

采用反接制動時，制動效果顯著、制動動作迅速，但是，制動沖擊也大，故僅適用于10kW以下的小容量電動機。圖4-37反接制動控制電路實例為了減小制動沖擊電流，一般需要在電路中串入電阻R，該電阻稱為反接制動電阻，其阻值可根據(jù)實際需要事先調(diào)整好。（2）能耗制動

能耗制動是一種應(yīng)用廣泛的電氣制動方法。當(dāng)電動機脫離三相交流電源以后，立即將直流電源接入定子的兩相繞組，使繞組中流過直流電流，產(chǎn)生了一個恒定的靜止直流磁場。

而此時電動機的轉(zhuǎn)子切割直流磁場，在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流。

在靜止磁場和感應(yīng)電流相互作用下，產(chǎn)生一個阻礙轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的制動力矩，因此電動機轉(zhuǎn)速迅速下降，從而達到制動的目的。

當(dāng)電動機轉(zhuǎn)速降至零時，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與磁場之間無相對運動，感應(yīng)電流消失，電動機停轉(zhuǎn)，再將直流電源切除，制動過程即告結(jié)束。1）基于時間原則的能耗制動電路。圖4-38基于時間原則的能耗制動電路

基于時間原則的能耗制動，適用于負(fù)載轉(zhuǎn)速比較穩(wěn)定的生產(chǎn)機械。2）基于速度原則的能耗制動電路。

基于速度原則的能耗制動，適用于存在機械變速機構(gòu)，或者加工零件經(jīng)常變化的生產(chǎn)機械。圖4-39基于速度原則的能耗制動電路（請讀者自行分析其工作原理）（4）采用軟起動器或變頻器進行制動控制

采用軟起動器或變頻器對三相異步電動機進行制動控制，可以獲得令人滿意的效果，只是總體成本會大大增加。

關(guān)于具體的控制方法，請讀者參閱軟起動器和變頻器的相關(guān)內(nèi)容，在此不再贅述。（3）反接制動與能耗制動的比較制動方式反接制動能耗制動制動特點能量消耗大，制動力矩大，制動效果顯著，但制動過程中的沖擊較大（需要在主回路中串入電阻RA來抑制反接制動電流），不易停在精準(zhǔn)的位置上，停車精度較差。能量消耗小，制動力矩較弱，制動平穩(wěn)、停車位置精確，但需要額外配置直流電源，電路較為復(fù)雜。適用場合適合于電動機容量較?。?0kW以下）和不頻繁起動、制動的場合。適用于電動機容量較大，起動、制動頻繁的場合，或者要求制動平穩(wěn)，要求精準(zhǔn)停車的場合。表4-9反接制動與能耗制動的比較4.2.6自動循環(huán)控制1.應(yīng)用場合

在機電傳動系統(tǒng)中，往往需要控制某些生產(chǎn)設(shè)備的運動部件的行程，并使其在一定范圍內(nèi)做自動往復(fù)循環(huán)運動，如混凝土攪拌機的提升與降位、橋式吊車的自動往返、龍門刨床和導(dǎo)軌磨床的工作臺、動力頭滑臺以及軍警訓(xùn)練用的循環(huán)靶車等。

這種基于運動部件行走位置的自動循環(huán)控制，亦稱位置控制或行程控制，多用行程開關(guān)來實現(xiàn)其要求。循環(huán)移動靶車2.系統(tǒng)布置圖4-40機床工作臺自動循環(huán)示意圖

由于機械式行程開關(guān)的故障率較高，故近年來多用光電開關(guān)或接近開關(guān)取代機械式行程開關(guān)，但其控制電路的工作原理是一樣的。左側(cè)限位開關(guān)BG1，右側(cè)限位開關(guān)BG2，左側(cè)極限位置保護開關(guān)BG3，右側(cè)極限位置保護開關(guān)BG4。圖4-41機床工作臺自動循環(huán)控制電路

電動機每次換向，都經(jīng)歷一次反接制動過程，該控制電路只適用于電動機容量較小、循環(huán)周期較長且生產(chǎn)機械（包括電動機轉(zhuǎn)子軸）的剛度較大的機電傳動系統(tǒng)中。4.2.7速度控制1.調(diào)速方法及應(yīng)用場合（1）調(diào)速方法異步電動機的實際轉(zhuǎn)速——異步電動機的實際轉(zhuǎn)速，r/min；——異步電動機的轉(zhuǎn)差率；——磁極對數(shù)（簡稱極對數(shù)）；——電源頻率（Hz）。

異步電動機可通過以下三種方法進行調(diào)速，即改變轉(zhuǎn)差率

的變轉(zhuǎn)差率調(diào)速、改變極對數(shù)

的變極調(diào)速和改變電動機電源頻率

的變頻調(diào)速。

（式4-2）（2）應(yīng)用場合調(diào)速方法調(diào)速特點及應(yīng)用變轉(zhuǎn)差率調(diào)速（1）轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速。調(diào)速范圍較小，消耗功率多，效率較低，適用于繞線式異步電動機，特別適用于起重機械。（2）改變電源電壓調(diào)速。調(diào)速范圍較小，輸出轉(zhuǎn)矩會隨著電源電壓的降低而大幅度地下降，僅適用于單相電動機（如驅(qū)動風(fēng)扇的電動機）調(diào)速，三相電動機一般不采用該方法。（3）串級調(diào)速。串級調(diào)速只適用于繞線式電動機，但電動機的效率得到提高。（4）電磁調(diào)速。電磁調(diào)速只適用于滑差電動機，且不宜長期低速運行。變極調(diào)速通過改變電動機定子繞組的磁極對數(shù)進行調(diào)速。變極調(diào)速屬于有級調(diào)速，調(diào)速平滑度差，一般多用于金屬切削機床，如銑床、鏜床、磨床等。變頻調(diào)速利用變頻器，改變施加在電動機上的電源頻率進行調(diào)速。變頻調(diào)速的調(diào)速范圍大，調(diào)速的穩(wěn)定性、平滑性均屬優(yōu)良，機械特性較硬。變頻調(diào)速屬于無級調(diào)速，適用于絕大部分三相籠型異步電動機。表4-10異步電動機三種調(diào)速方法的特點及應(yīng)用2.變極調(diào)速（1）變極原理

多速電動機是采用改變電動機定子繞組極數(shù)的方法來改變電動機的同步轉(zhuǎn)速的，這種調(diào)速方法稱為變極調(diào)速。

籠型異步電動機常用的變極調(diào)速方法有兩種：其一是改變定子繞組的接線，即改變定子繞組中每相繞組的電流方向（即電流反向法）；其二是在定子繞組上設(shè)置具有不同極對數(shù)的兩套互相獨立的繞組，且使每套繞組均具有改變電流方向的能力。

變極調(diào)速是有級調(diào)速，速度變化是階躍式的，一般只適用于籠型異步電動機。

用變極調(diào)速方式構(gòu)成的多速電動機一般有雙速、三速、四速等幾種。雙速電動機具有一套定子繞組，而三速、四速電動機具則有兩套繞組。

下面以單相繞組為例，說明電流反向法的變極原理。

（a）兩個半相繞組串聯(lián)

（b）生成4個磁極（極對數(shù)

）圖4-42電流反向法的變極原理（兩個半相繞組串聯(lián)，生成4個磁極）

（a）兩個半相繞組并聯(lián)

（b）生成2個磁極（極對數(shù)

）

圖4-43電流反向法的變極原理（兩個半相繞組并聯(lián)，生成2個磁極）

由此可見，籍由電流反向法，通過改變定子繞組的接線方法，就可以改變電動機定子繞組的磁極數(shù)目，實現(xiàn)定子繞組的變極，進而實現(xiàn)變極調(diào)速。（2）雙速異步電動機定子繞組的聯(lián)結(jié)

（a）三角形聯(lián)結(jié)（4個磁極，低速運行）

（b）雙星形聯(lián)結(jié)（2個磁極，高速運行）圖4-44雙速異步電動機定子繞組的三角形—雙星形聯(lián)結(jié)（恒功率調(diào)速）結(jié)論：雙速異步電動機定子繞組采用三角形聯(lián)結(jié)時，具有4個磁極，用于低速運行；采用雙星形聯(lián)結(jié)時，具有2個磁極，用于高速運行。雙速異步電動機采用三角形—雙星形聯(lián)結(jié)進行調(diào)速，適用于需要恒功率調(diào)速的場合。

（a）星形聯(lián)結(jié)（4個磁極，低速運行）

（b）雙星形聯(lián)結(jié)（2個磁極，高速運行）圖4-45雙速異步電動機定子繞組的星形—雙星形聯(lián)結(jié)（恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速）結(jié)論：雙速異步電動機定子繞組采用星形聯(lián)結(jié)時，具有4個磁極，用于低速運行；采用雙星形聯(lián)結(jié)時，具有2個磁極，用于高速運行。雙速異步電動機采用星形—雙星形聯(lián)結(jié)進行調(diào)速，適用于需要恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速的場合。（3）變極之后的反轉(zhuǎn)與調(diào)換電源相序

雙速異步電動機完成變極之后，必須改變繞組的相序，否則，電動機將反向運轉(zhuǎn)。

雙速異步電動機完成變極之后，之所以會改變運轉(zhuǎn)方向，是因為各相繞組在電動機定子內(nèi)的機械角度是固定不變的（即各相繞組在空間相差的機械角度是恒定的），而各相繞組的電角度卻隨著磁極數(shù)目的變化而變化。

例如，當(dāng)磁極數(shù)目降低一半時，將使各相繞組在空間相差的電角度增加一倍，原來相差120°電角度的繞組，現(xiàn)在相差240°電角度。

如果相序不變，氣隙磁場就會反轉(zhuǎn)。相應(yīng)地，電動機也就會反轉(zhuǎn)。圖4-46利用時間繼電器控制雙速電動機進行調(diào)速（4）雙速異步電動機自動變速控制電路4.2.8電氣控制系統(tǒng)的保護環(huán)節(jié)

為了確保機電傳動系統(tǒng)能夠長期、安全、可靠地運行，電氣控制系統(tǒng)必須設(shè)置保護環(huán)節(jié)，用以保護電動機、電網(wǎng)、電氣設(shè)備及人身安全。1.短路保護

常用保護器件是熔斷器和低壓斷路器（自動空氣開關(guān)）。

發(fā)生短路事故時，熔斷器由于熔體熔斷而切斷電路，起保護作用；低壓斷路器在電路發(fā)生短路事故時能自動跳閘，起保護作用。

近年來，具有漏電保護功能的低壓斷路器的使用日益廣泛，對保證人身安全發(fā)揮了重要作用。2.過載保護

過載保護常用的保護元件是熱繼電器和斷路器。

熱繼電器具有過載保護作用而不具有短路保護作用。選擇時注意，作為短路保護，熔斷器熔體的額定電流一般不應(yīng)超過熱繼電器發(fā)熱元件額定電流的4倍。3.過電流保護

在頻繁正反、轉(zhuǎn)，頻繁起動、制動的重復(fù)、短時工作中，電動機出現(xiàn)過電流現(xiàn)象的幾率比發(fā)生短路故障的幾率更大，應(yīng)視情加裝過電流保護裝置。

在工程實踐中，常將過電流繼電器和與接觸器配合使用，以實現(xiàn)電動機的過電流保護。

過電流保護多用于直流電動機或繞線式異步電動機?；\型異步電動機對過電流有較強的耐受能力，可不設(shè)置過電流保護裝置。4.零電壓保護

為防止電網(wǎng)停電后，恢復(fù)供電時電動機的自行起動而實行的保護，稱為零電壓保護，亦稱失電壓保護。

多利用繼電器、接觸器或低壓斷路器實現(xiàn)零電壓保護功能，不必單獨設(shè)置零電壓保護措施。5.欠電壓保護

為防止電源電壓降低到允許值以下，造成電動機的損壞而實行的保護，稱為欠電壓保護。

常用的欠電壓保護器件是欠電壓繼電器和接觸器。當(dāng)電源電壓下降到額定電壓的85%以下時，接觸器（或欠電壓繼電器）觸點就會釋放，自動實現(xiàn)欠電壓保護。6.弱磁保護

對于直流電動機，必須設(shè)置弱磁保護措施。弱磁保護一般通過欠電流繼電器實現(xiàn)。4.3典型機電設(shè)備電路分析4.3.1分析方法與步驟1.分析電氣控制系統(tǒng)的方法

對生產(chǎn)設(shè)備電氣控制系統(tǒng)進行分析時，首先需要對設(shè)備整體有所了解，才能有效地針對設(shè)備的控制要求，分析電氣控制系統(tǒng)的組成與功能。（1）機械設(shè)備概況調(diào)查（2）電氣控制系統(tǒng)及電器元件的狀況分析（3）機械系統(tǒng)與電氣控制系統(tǒng)的關(guān)系分析

掌握了機械及電氣系統(tǒng)的基本情況之后，即可對設(shè)備電氣控制系統(tǒng)進行具體的分析。2.分析電氣控制系統(tǒng)的步驟（1）設(shè)備運動分析基本方法：化整為零，集零為整。

分析生產(chǎn)工藝要求的各種運動及其實現(xiàn)方法，對有液壓驅(qū)動的設(shè)備要進行液壓系統(tǒng)工作狀態(tài)分析。（2）主電路分析

確定動力電路中用電設(shè)備的數(shù)目、接線狀況及控制要求，控制執(zhí)行件的設(shè)置及其動作要求，如接觸器主觸點的位置，各主觸點閉合、斷開的動作要求，限流電阻的接入與拋除等。（3）控制電路分析

分析各種控制功能的實現(xiàn)方法及其電路工作原理和特點。4.3.2臥式車床電路分析1.CA6140臥式車床的主要運動形式及控制要求

在金屬切削機床中，車床是一種應(yīng)用極為廣泛的通用機床，能夠車削各種工件的外圓、內(nèi)圓、端面、螺紋、螺桿、定型表面，并可以裝上鉆頭、鉸刀等進行鉆孔和鉸孔等加工。

這些加工工作必須要由電氣控制系統(tǒng)控制電動機工作，進而驅(qū)動機械部件運行來完成。圖4-47CA6140臥式車床型號含義國產(chǎn)金屬切削機床的型號命名方法應(yīng)符合GB/T15375-2008《金屬切削機床型號編制方法》的規(guī)定。圖4-48CA6140臥式車床（1）主運動CA6140臥式車床的主運動是電動機驅(qū)動主軸，主軸通過卡盤或頂尖帶動工件的旋轉(zhuǎn)運動。（2）進給運動CA6140臥式車床的進給運動是刀架帶動刀具的直線運動。（3）輔助運動

刀架的快速移動由刀架快速移動電動機驅(qū)動，該電動機可直接起動，不需要正、反轉(zhuǎn)和調(diào)速。

加工過程中刀具的冷卻，由冷卻泵電動機泵送的冷卻液來完成。

對冷卻泵電動機和主軸電動機要實現(xiàn)順序控制，冷卻泵電動機也不需要正、反轉(zhuǎn)和調(diào)速控制。2.CA6140臥式車床電路分析圖4-49CA6140臥式車床電氣原理圖4.3.3搖臂鉆床電路分析

鉆床是一種用途廣泛的孔加工機床。

鉆床的種類很多，有臺式鉆床、立式鉆床、臥式鉆床、多軸鉆床、深孔鉆床及專用鉆床等。

因此，要求鉆床的主運動和進給運動要有較寬的調(diào)速范圍。

搖臂鉆床屬于立式鉆床范疇，適用于單件或批量生產(chǎn)中帶有多孔大型工件的孔加工，屬于機械加工車間中常見的機床。

除了可以鉆削精度要求不高的孔外，還可以用來進行擴孔、锪孔、鉸孔、鏜孔、刮平面及攻螺紋等機械加工。1.搖臂鉆床的基本結(jié)構(gòu)和控制要求（1）搖臂鉆床的基本結(jié)構(gòu)

如圖4-50所示，搖臂鉆床由底座、外立柱、內(nèi)立柱、搖臂、主軸箱、工作臺等部分組成。圖4-50搖臂鉆床結(jié)構(gòu)示意圖圖4-51搖臂鉆床各部分之間的安裝關(guān)系（2）搖臂鉆床的型號含義圖4-52Z3040型搖臂鉆床型號含義圖4-53Z3040型搖臂鉆床國產(chǎn)金屬切削機床的型號命名方法應(yīng)符合GB/T15375-2008《金屬切削機床型號編制方法》的規(guī)定。（3）搖臂鉆床的運動形式1）主運動。搖臂鉆床的主運動是主軸帶動鉆頭的旋轉(zhuǎn)運動。2）進給運動。搖臂鉆床的進給運動是主軸的垂直運動（向下運動）。3）輔助運動。搖臂鉆床的輔助運動包括搖臂沿外立柱的升降運動、搖臂與外立柱一起沿內(nèi)立柱的轉(zhuǎn)動以及主軸箱在搖臂上的水平移動（4）搖臂鉆床的控制要求1）由于搖臂鉆床的運動部件較多，為簡化傳動裝置，故使用4臺電動機進行驅(qū)動。主運動（鉆頭的鉆削運動）和進給運動由主軸電動機驅(qū)動；搖臂的上升、下降由搖臂升降電動機驅(qū)動；搖臂的夾緊、放松由液壓泵電動機驅(qū)動；冷卻液泵由冷卻泵電動機驅(qū)動。2）為了適應(yīng)多種加工方式的要求，主軸轉(zhuǎn)速及進給速度應(yīng)能在較大范圍內(nèi)調(diào)整。3）加工螺紋時要求主軸能正、反轉(zhuǎn)。搖臂鉆床主軸的正、反轉(zhuǎn)一般是用機械方法實現(xiàn)的，電動機只需單方向運轉(zhuǎn)即可。4）搖臂的上升、下降由搖臂升降電動機驅(qū)動，要求搖臂升降電動機能實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)。5）搖臂的夾緊與放松以及立柱的夾緊與放松由液壓泵電動機配合液壓裝置完成，要求液壓泵電動機能正、反轉(zhuǎn)。在中小型搖臂鉆床上，搖臂（連同外立柱）繞著內(nèi)立柱軸線的回轉(zhuǎn)運動和主軸箱沿著搖臂導(dǎo)軌的徑向移動，均采用手動控制。6）鉆削加工時，為對刀具及工件進行冷卻，需要一臺冷卻泵電動機驅(qū)動冷卻泵，以便泵送冷卻液。7）各部分電路之間有必要的保護和聯(lián)鎖。2.搖臂鉆床電路分析圖4-54Z3040型搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)原理圖4-55Z3040型搖臂鉆床夾緊與放松機構(gòu)的液壓原理4.3.4萬能銑床電路分析1.萬能銑床的基本結(jié)構(gòu)與控制要求

銑床可以用來加工平面、斜面和溝槽等，如果裝上分度頭還可以銑削直齒齒輪和螺旋面。

銑床的種類很多，有臥式銑床、立式銑床、龍門銑床、仿形銑床及各種專用銑床。其中，臥式萬能銑床在機械加工領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛。（1）臥式萬能銑床的基本結(jié)構(gòu)

臥式萬能銑床主要由底座、床身、懸梁、刀桿掛腳、可升降的工作臺（簡稱升降臺）、滑座及工作臺等組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖4-56所示。1—底座；2—主軸電動機；3—床身；4—主軸；5—懸梁；6—刀桿掛腳；7—工作臺縱向進給手動手輪；8—左右進給手柄；9—滑座；10—工作臺橫向進給手動手輪；11—工作臺升降進給手動搖把；12—進給變速手柄及變速盤；13—升降臺；14—進給電動機；15—主軸變速盤；16—主軸變速手柄圖4-56臥式萬能銑床的基本結(jié)構(gòu)（2）臥式萬能銑床的型號含義圖4-59X6132型臥式萬能升降臺銑床（3）臥式萬能銑床的運動形式X6132型臥式萬能銑床共有三臺電動機，主軸電動機通過機械傳動帶動銑刀旋轉(zhuǎn)，對工件進行銑削，是銑床的主運動。

工件安裝在工作臺上，工件可隨工作臺作縱向進給運動，也可沿滑座導(dǎo)軌作橫向進給運動，還可隨升降臺作垂直方向的運動。因此工件在工作臺上能夠?qū)崿F(xiàn)三個方向的進給運動，由進給電動機通過機械傳動來實現(xiàn)。

銑床的輔助運動為工件與銑刀相對位置的調(diào)整及工作臺的回轉(zhuǎn)運動、懸梁及刀桿支架的水平移動。（4）臥式萬能銑床的驅(qū)動形式

銑床的電力驅(qū)動系統(tǒng)由主軸電動機、進給電動機和冷卻泵電動機組成。主軸電動機通過主軸變速箱驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)，并由齒輪變速箱變速，以適應(yīng)銑削工藝對轉(zhuǎn)速的要求，主軸電動機不需要調(diào)速。

銑床要求預(yù)先選定主軸電動機的運轉(zhuǎn)方向，在加工過程中則不需要主軸反轉(zhuǎn)。主軸上裝有飛輪，以提高主軸運轉(zhuǎn)時的均勻性，抑制銑削加工時產(chǎn)生的主軸振動。

進給電動機作為工作臺進給運動及快速移動的動力，要求能夠正、反轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)三個方向的正、反向進給運動；通過進給變速箱，可獲得不同的進給速度。（5）臥式萬能銑床的控制要求1）銑床的主運動由一臺籠型異步電動機驅(qū)動，直接起動，能夠正、反轉(zhuǎn)，并設(shè)有電氣制動環(huán)節(jié)，能夠進行變速沖動。2）工作臺的進給運動和快速移動均由同一臺籠型異步電動機驅(qū)動，直接起動，能夠正、反轉(zhuǎn)，也要求有變速沖動功能。3）冷卻泵電動機只要求單向運轉(zhuǎn)。4）三臺電動機之間有聯(lián)鎖控制，即主軸電動機起動之后，才能對其余兩臺電動機進行起動。2．萬能銑床電路分析（1）主電路分析X6132型臥式萬能銑床主電路共有三臺電動機。其中MA1是主軸電動機，由接觸器QA1控制起動與停車。MA1的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)在起動前用轉(zhuǎn)換開關(guān)SF10選擇。

接觸器QA2及電阻R和速度繼電器BS組成反接制動電路，熱繼電器BB1作為MA1的過載保護。

進給電動機MA2由接觸器QA3和QA4控制，用熱繼電器BB2作為MA2的過載保護。

冷卻泵電動機MA3由接觸器QA6控制，用熱繼電器BB3作為MA3的過載保護。

三相交流電源通過低壓斷路器QA0引入，熔斷器FA1為總電源的短路保護，MA2與MA3共用熔斷器FA2作為短路保護。圖4-60X6132型臥式萬能銑床電路原理圖（1/2）圖4-60X6132型臥式萬能銑床電路原理圖（2/2）（2）控制電路分析1）主軸電動機的控制。①主軸電動機的起動。②主軸電動機的停車及反接制動。③主軸變速時，主軸電動機MA1的瞬時點動控制。2）工作臺進給電動機的控制。①工作臺垂直（上下）和橫向（前后）運動的控制。②工作臺縱向（左右）運動的控制。③工作臺的快速移動。④進給變速時的瞬時點動控制。3）圓工作臺的控制。4）冷卻泵電動機的控制。（3）照明電路3.常見故障分析（1）主軸停車時沒有制動（2）主軸停車后產(chǎn)生短時反向運轉(zhuǎn)（3）工作臺各個方向都不能進給（4）工作臺不能左右進給GAMEOVER機電傳動控制第5章

可編程序控制器及其應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)

熟悉可編程序控制器的結(jié)構(gòu)組成和工作原理

熟練掌握可編程序控制器的常用指令和編程方法能夠根據(jù)機電傳動系統(tǒng)的需要，構(gòu)建以PLC為核心的控制系統(tǒng)5.1概述5.1.1PLC的特點與分類1．PLC的定義

可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicalController，PLC）是微型計算機技術(shù)與繼電接觸器常規(guī)控制理念相結(jié)合的產(chǎn)物，即采用了微型計算機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，同時，又融合了繼電器-接觸器系統(tǒng)的控制思想，在此基礎(chǔ)上構(gòu)成的一種新型控制器。PLC專為在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計，采用可編程序的存儲器，用來存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。2．PLC的產(chǎn)生和發(fā)展PLC的產(chǎn)生和發(fā)展基于消費市場對工業(yè)產(chǎn)品多樣化的需求，得益于工業(yè)生產(chǎn)的柔性化需求。特別是汽車制造業(yè)的激烈競爭，直接導(dǎo)致了PLC的誕生。1968年，美國美國通用汽車公司（GeneralMotorsCorporation，GM）面向全社會提出了對這一擬議中的新型控制器的采購計劃，并提出了十條招標(biāo)要求，簡稱“GM十條”：1）編程簡單，可在現(xiàn)場修改控制程序；2）維護方便，采用插件式結(jié)構(gòu)；3）可靠性高于繼電器控制系統(tǒng)；4）體積小于繼電器控制系統(tǒng)；5）數(shù)據(jù)可以直接輸入管理計算機；6）成本可與繼電器系統(tǒng)競爭；7）輸入可為工頻電源（AC115V）；8）輸出可直接驅(qū)動電磁閥、接觸器等現(xiàn)場設(shè)備（AC115V）；9）通用性強，系統(tǒng)易于擴展；10）用戶存儲器容量大于4K。

“GM十條”一經(jīng)提出，便引起強烈反響，直接引發(fā)了一場新型控制器的開發(fā)浪潮。1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司（DigitalEquipmentCorporation，DEC）率先研制出了滿足“GM十條”要求的、第一臺可編程序邏輯控制器，在美國通用汽車公司的生產(chǎn)線上試用成功，取得了滿意的控制效果，可編程序控制器PLC自此誕生。如今，PLC已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域中電子控制裝置的主導(dǎo)產(chǎn)品。3．PLC的特點圖5-1PLC技術(shù)是計算機技術(shù)與繼電器接觸器技術(shù)的高度融合1）通用性強。2）接線簡單。3）編程容易。4）抗干擾能力強、可靠性高。5）容量大，體積小，重量輕，功耗少，成本低，維修方便。

對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，采用繼電器、接觸器電路（簡稱繼電電路）控制時，接線繁雜、混亂，相應(yīng)地，故障率也高。采用繼電電路控制的控制系統(tǒng)

（a）繼電器、接觸器控制系統(tǒng)的接線

（b）PLC控制系統(tǒng)的接線圖5-2繼電電路與PLC電路的接線比較4．PLC的分類（1）按結(jié)構(gòu)形式分類

按結(jié)構(gòu)形式分類，PLC可分為整體式和模塊式兩大類。1）整體式PLC。整體式PLC將電源、中央處理器（CPU）、存儲器及輸入/輸出接口（I/O接口）等各個功能集成在一個機殼內(nèi)，其特點是結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價格低。

小型PLC多采用整體式結(jié)構(gòu)，如西門子（Siemens）公司的S7-200系列PLC、歐姆龍（OMRON）公司的CPM2A系列PLC、三菱FX系列PLC等。圖5-3西門子S7-200系列PLC（CPU224CN）

整體式PLC一般都配有許多專用的特殊功能模塊，如模擬量I/O模塊、通信模塊等。2）模塊式PLC。模塊式PLC將電源、CPU、存儲器及I/O接口等各個功能系統(tǒng)各自做成獨立的模塊，再將這些獨立模塊安裝在同一底板或框架上。圖5-4西門子SIMATICS7-300系列PLC（CPU313C-2DP）（2）按I/O點數(shù)和存儲容量分類1）小型PLC。小型PLC的I/O點數(shù)一般在256點以下，存儲器容量一般為2K左右。2）中型PLC。中型PLC的I/O點數(shù)一般在256～2048點之間，存儲器容量一般在2K～8K。3）大型PLC。大型PLC的I/O點數(shù)一般在2048點以上，存儲器容量一般為8K以上。5.1.2PLC的結(jié)構(gòu)組成PLC由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成，兩者互相配合、協(xié)同工作，共同完成PLC的控制任務(wù)。1．PLC的硬件系統(tǒng)PLC硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖5-5所示。從宏觀上看，PLC大體由輸入部分、邏輯處理部分、輸出部分、外部設(shè)備等組成。圖5-5PLC硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

具體來說，PLC硬件系統(tǒng)包括以下幾個部分：（1）中央處理器（2）存儲器（3）電源（4）輸入/輸出接口PLC內(nèi)部輸入電路的作用是將PLC外部電路（如行程開關(guān)、按鈕、傳感器等）提供的符合PLC輸入要求的電壓信號，通過光電耦合電路送至PLC內(nèi)部電路。輸入電路有直流輸入電路、交流輸入電路和交直流輸入電路三種。

輸入電路通常以光電耦合（光電隔離）和阻容濾波（用電阻和電容組合構(gòu)成的濾波電路）的方式提高抗干擾能力，根據(jù)輸入信號形式的不同，可分為模擬量I/O單元、數(shù)字量I/O單元兩大類。1）輸入接口電路。

由于生產(chǎn)過程中使用的各種開關(guān)、按鈕、傳感器等輸入器件是直接接到PLC輸入接口電路上的，為防止由于觸點抖動或干擾脈沖引起錯誤的輸入信號，輸入接口電路必須具有很強的抗干擾能力。

在PLC中，一般采用光電耦合和阻容濾波方式提高抗干擾能力。圖5-6直流輸入接口電路2）輸出接口電路。

根據(jù)驅(qū)動負(fù)載的元件不同，可將輸出接口電路分為繼電器輸出、晶體管（或場效應(yīng)管）輸出、雙向晶閘管輸出三種。①繼電器輸出接口電路。

輸出接口電路既可驅(qū)動交流負(fù)載，又可驅(qū)動直流負(fù)載。驅(qū)動負(fù)載的能力一般在2A左右。圖5-7繼電器輸出接口電路②晶體管輸出接口電路。

晶體管（或場效應(yīng)管）輸出接口電路只可驅(qū)動直流負(fù)載。其優(yōu)點是可靠性高，執(zhí)行速度快，壽命長；缺點是過載能力較差。適合在直流供電、輸出量變化快的場合選用。圖5-8晶體管輸出接口電路③雙向晶閘管輸出接口電路。

雙向晶閘管輸出接口電路適合驅(qū)動交流負(fù)載，其驅(qū)動能力為1A左右。

雙向晶閘管輸出接口電路適合在交流供電、輸出量變化快的場合選用。圖5-9雙向晶閘管輸出接口電路3）I/O電路的保護措施。①在PLC輸入端并聯(lián)一個旁路電阻來分流，使流入PLC的電流小于1.3mA，以避免PLC產(chǎn)生誤動作。②應(yīng)在輸出回路串聯(lián)熔斷器。③對于大電感或頻繁關(guān)斷的感性負(fù)載，應(yīng)使用外部抑制電路。一般采用阻容濾波電路或二極管吸收電路，即可解決上述問題。（5）外部設(shè)備接口（6）I/O擴展接口（7）編程器2．PLC的軟件系統(tǒng)（1）系統(tǒng)程序PLC的系統(tǒng)程序有三種，即系統(tǒng)管理程序、用戶程序編輯和指令解釋程序、標(biāo)準(zhǔn)子程序和調(diào)用管理程序。

系統(tǒng)管理程序用于系統(tǒng)管理，包括PLC的運行管理（各種操作的時間分配），存儲空間的管理（生成用戶數(shù)據(jù)區(qū)）和系統(tǒng)自診斷管理（如電源、系統(tǒng)出錯、程序語法等）。

用戶程序編輯程序用于將用戶程序變成內(nèi)碼形式，以便于程序的修改和調(diào)試；指令解釋程序用于將編程語言變成機器語言，以便CPU操作。

為提高運行速度，在程序執(zhí)行中，某些信息處理（如I/O處理）或特殊運算等，是通過調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)子程序來完成的。（2）用戶程序

用戶根據(jù)系統(tǒng)配置和控制要求編寫的程序稱為用戶程序。用戶程序是PLC用于工業(yè)控制的重要環(huán)節(jié)。PLC的編程語言多種多樣，不同的PLC廠家、不同系列的PLC，采用的編程語言不盡相同。

常用的編程語言有梯形圖、語句表、邏輯圖、功能表圖以及高級語言（如C語言）幾種。5.1.3PLC的工作原理1．PLC的工作特點PLC的工作方式有兩個顯著特點，其一是周期性順序掃描，其二是信號集中批處理。PLC通電后，需要對軟硬件做初始化工作。為了使PLC的輸出能及時地響應(yīng)各種輸入信號，初始化后反復(fù)不停地分步處理各種不同的任務(wù)，這種周而復(fù)始的循環(huán)工作方式稱為周期性順序掃描工作方式。PLC在運行過程中，總是處在不斷循環(huán)的順序掃描過程中，每次掃描所用的時間稱為掃描時間，又稱為掃描周期或工作周期。

由于PLC的I/O點數(shù)較多，采用集中批處理的方法，可簡化操作過程，便于控制，提高系統(tǒng)可靠性。

因此，PLC的另一個主要特點就是對輸入采樣、執(zhí)行用戶程序、輸出刷新實施集中批處理。2．PLC的工作流程PLC的工作流程如圖5-10所示。圖5-10PLC的工作流程圖PLC的工作流程（即掃描過程）主要包括輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新三個階段。（1）輸入采樣階段圖5-11PLC掃描過程的核心內(nèi)容（2）程序執(zhí)行階段

（3）輸出刷新階段5.1.4PLC的應(yīng)用領(lǐng)域

目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、冶金、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕工、輕紡、交通運輸、糧食加工、釀造、環(huán)境保護等各個行業(yè)。1.開關(guān)量的邏輯控制2.模擬量控制3.運動控制4.過程控制5.數(shù)據(jù)處理6.通信及聯(lián)網(wǎng)5.2西門子S7-200系列PLC

可編程序控制器產(chǎn)品眾多，不同廠家、不同系列、不同型號的PLC，具體的功能和結(jié)構(gòu)均有所不同，但其工作原理和基本組成是一致的。

德國西門子（SIEMENS）公司應(yīng)用微處理器技術(shù)生產(chǎn)的SIMATIC可編程序控制器主要有S5和S7兩大系列。5.2.1PLC的構(gòu)成S7-200系列PLC的使用范圍可以覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動控制系統(tǒng)，其應(yīng)用領(lǐng)域包括各種機床、紡織機械、印刷機械、食品、化工、環(huán)保、電梯、中央空調(diào)、實驗室設(shè)備、傳送帶系統(tǒng)和壓縮機控制系統(tǒng)等等。S7-200系列PLC有CPU21X和CPU22X兩代產(chǎn)品，其中CPU22X系列PLC有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226四個基本型號。下面以CPU224型PLC為重點，介紹小型PLC的組成。1.主機圖5-12CPU224型PLC主機的結(jié)構(gòu)外形1-輸入信號指示燈；2-通信接口；3-存儲器卡蓋板（內(nèi)有存儲器卡接口）；4-輸出信號指示燈；5-PLC工作狀態(tài)指示燈（SF/DIAG、RUN、STOP）；6-產(chǎn)品標(biāo)識（產(chǎn)品制造商及型號系列）；7-輸出端子接線蓋板（內(nèi)藏輸出接線端子及外部電源接線端子）；8-產(chǎn)品標(biāo)識（產(chǎn)品具體型號及輸出接口類型）；9-擴展I/O接口蓋板（內(nèi)藏擴展I/O接口、RUN/TERM/STOP開關(guān)及電位器）；10-產(chǎn)品標(biāo)識（產(chǎn)品系列號）；11-輸入端子接線蓋板（內(nèi)藏輸入接線端子及傳感器電源接線端子）圖5-13CPU224主機輸入/輸出端子的分布CPU224主機箱外部設(shè)有RS-485通訊接口，用于連接文本/圖形顯示器、PLC網(wǎng)絡(luò)等外部設(shè)備（圖5-14）；還設(shè)有工作方式選擇開關(guān)、模擬電位器、I/O擴展接口、工作狀態(tài)指示燈和用戶程序存儲卡、I/O接線端子排及發(fā)光指示燈等。圖5-14RS-485通訊接口與外部設(shè)備的連接2.基本I/OCPU22X系列PLC具有兩種不同的電源供電電壓，輸出電路分為繼電器輸出和晶體管DC輸出兩大類。CPU22X系列PLC可提供4個不同型號的CPU供用戶選用，其技術(shù)指標(biāo)見表5-1。3.I/O擴展模塊S7-200系列PLC的主機上已經(jīng)集成了一定數(shù)量的I/O點，可以滿足用戶的基本需求。如果用戶的實際控制I/O點多于主機自帶的I/O點時，則需要對系統(tǒng)做必要的擴展。CPU221無I/O擴展能力，CPU222最多可連接兩個擴展模塊（數(shù)字量或模擬量），CPU224和CPU226最多可連接7個擴展模塊。S7-200系列PLC的可供選擇的I/O擴展模塊的技術(shù)參數(shù)見表5-2。4.熱電偶/熱電阻擴展模塊

熱電偶/熱電阻擴展模塊EM231是為CPU222、CPU224和CPU226專門設(shè)計的，用于連接熱電偶/熱電阻。5.通信擴展模塊

除主機上集成有通信接口之外，S7-200系列PLC還可以通過通信擴展模塊（PROFIBUS-DP擴展從站模塊EM277或AS-i接口擴展模塊CP243-2）聯(lián)成更大的網(wǎng)絡(luò)。5.2.2數(shù)據(jù)類型和尋址方法1.數(shù)據(jù)類型S7-200系列PLC的指令參數(shù)所使用的基本數(shù)據(jù)有1位布爾型（BOOL）、8位字節(jié)型（BYTE）、16位無符號整數(shù)（WORD）、16位有符號整數(shù)（INT）、32位無符號雙字整數(shù)（DWORD）、32位有符號雙字整數(shù)（DINT）、32位實數(shù)型（REAL）等若干類型。2.尋址方式S7-200系列PLC采用分區(qū)與字節(jié)號相結(jié)合的方法對數(shù)據(jù)存儲區(qū)進行編排地址號。PLC處理的數(shù)據(jù)可以是二進制的某一位，也可以是一個字節(jié)或是多個字節(jié)。操作數(shù)不同，尋址方式亦不同。1）位尋址。位尋址（bit）亦稱字節(jié).位尋址，一個字節(jié)擁有8個位。位尋址的表達方法如圖5-15所示（a）數(shù)據(jù)存儲區(qū)中某一位的表示方法

（b）數(shù)據(jù)存儲區(qū)中某一位的具體地址

圖5-15位尋址的表達方法2）字節(jié)尋址。字節(jié)尋址（8bit）以存儲器標(biāo)識符、字節(jié)標(biāo)識符、字節(jié)地址組合而成。圖5-16輸入字節(jié)IB3（Byte）的構(gòu)成3）字尋址。字尋址（16bit）以存儲器標(biāo)識符、字標(biāo)識符、字節(jié)地址組合而成。

相鄰的兩個字節(jié)構(gòu)成一個字，一個字中的兩個字節(jié)的地址必須連續(xù)，且低位字節(jié)在一個字中應(yīng)該是高8位，高位字節(jié)在一個字中應(yīng)該是低8位。

如圖5-16所示，輸入字節(jié)IB3（Byte）由IB3.0~IB3.7這8位構(gòu)成。

如圖5-17所示，IW14表示由IB14和IB15組成的一個字。其中，I為寄存器的標(biāo)識符，W表示字（Word），14為起始字節(jié)的地址。IW14中的IB14應(yīng)該是高8位，IB15應(yīng)該是低8位。圖5-17輸入字IW14（Word）的構(gòu)成4）雙字尋址。

雙字尋址（32bit）以存儲器標(biāo)識符、雙字標(biāo)識符、字節(jié)地址組合而成。

相鄰的四個字節(jié)構(gòu)成一個雙字，一個雙字中的四個字節(jié)的地址必須連續(xù)，且最低位字節(jié)在一個雙字中應(yīng)該是最高8位，最高位字節(jié)在一個雙字中應(yīng)該是最低8位。

如圖5-18所示，ID12表示由IB12~IB15組成的一個雙字。其中，I為寄存器的標(biāo)識符，D表示雙字（DoubleWord），12為起始字節(jié)的地址。ID12中的IB12應(yīng)該是最高8位，IB15應(yīng)該是最低8位。圖5-18輸入雙字ID12（DoubleWord）的構(gòu)成5.2.3數(shù)據(jù)存儲區(qū)

根據(jù)數(shù)據(jù)存儲區(qū)存儲的數(shù)據(jù)性質(zhì)不同，PLC將數(shù)據(jù)存儲區(qū)劃分為若干個不同的區(qū)域，稱之為某某數(shù)據(jù)存儲區(qū)或某某寄存器。PLC采用通道的概念來存儲數(shù)據(jù)。用于存儲數(shù)據(jù)的單元稱為通道，每個通道具由8個存儲單元，每個存儲單元都有一個地