机电传动控制 第1章绪论 第1章绪论 1.1机电传动控制的目的和任务 机电传动也称电力拖动或电力传动，是指以电动机为原动机驱动生产机械的系统的总称。其目的是将电能转变成机械能，实现生产机械的启动/停止和速度调节，以满足生产工艺过程的要求，保证生产过程正常进行。因此，机电传动控制包括用于拖动生产机械的电动机以及电动机控制系统两大部分。 在现代化生产中，生产机械的先进性和电气自动化程度反映了工业生产发展的水平。现代化机械设备和生产系统已不再是传统的单纯机械系统，而是机电一体化的综合系统。机电传动控制已成为现代化机械的重要组成部分。机电传动控制的任务从狭义上讲，是通过控制电动机驱动生产机械，实现产品数量的增加、产品质量的提高、生产成本的降低、工人劳动条件的改善以及能源的合理利用； 从广义上讲，则是使生产机械设备、生产线、车间乃至整个工厂实现自动化。 随着现代化生产的发展，生产机械或生产过程对机电传动控制的要求越来越高。例如： 一些精密机床要求加工精度达百分之几毫米，甚至几微米； 为了保证加工精度和粗糙度，重型镗床要求在极低的速度下稳定进给，因此要求系统的调速范围很宽； 轧钢车间的可逆式轧机及其辅助机械操作频繁，要求在不到1s的时间内就能完成正反转切换，因此要求系统能够快速启动、制动和换向； 对于电梯等提升机构，要求启停平稳，并能够准确地停止在给定的位置上； 对于冷、热连轧机或造纸机，要求各机架或各部分之间保持一定的转速关系，以便协调运转； 为了提高效率，要求对由数台或数十台设备组成的自动生产线实行统一控制和管理。上述这些要求都要依靠机电传动控制来实现。 随着计算机技术、微电子技术、自动控制理论、精密测量技术、电动机和电器制造业及自动化元件的发展，机电传动控制正在不断创新与发展，如直流或交流无级调速控制系统取代了复杂笨重的变速箱系统，简化了生产机械的结构，使生产机械向性能优良、运行可靠、体积小、重量轻、自动化方向发展。因此，在现代化生产中，机电传动控制具有极其重要的地位。 1.2机电传动控制的发展 1.2.1机电传动的发展 机电传动及其控制系统总是随着社会生产的发展而发展的。20世纪初，由于电动机的出现，使得机床的传动方式发生了深刻的变革，电动机替代了蒸汽机。而后，它的发展大体上经历了成组拖动、单电机拖动、多电机拖动和交、直流无级调速4个阶段。 1. 成组拖动 成组拖动是用一台电动机拖动一根天轴，然后再由天轴通过皮带轮和皮带分别拖动各生产机械，这种传动方式生产效率低、劳动条件差，一旦电动机发生故障，将造成成组的生产机械停车。 2. 单电机拖动 单电机拖动是用一台电动机拖动一台生产机械。较之成组拖动，单电机拖动简化了传动机构，缩短了传动路线，提高了传动效率，至今仍有一些中小型通用机床采用单电机拖动。 3. 多电机拖动 多电机拖动是指一台生产机械的每一个运动部件分别由一台专门的电动机拖动，例如龙门刨床的刨台、左右垂直刀架与侧刀架、横梁及其夹紧机构，均分别由一台电动机拖动，这种传动方式不仅大大简化了生产机械的传动机构，而且控制灵活，为生产机械的自动化提供了有利的条件，所以现代化机电传动基本上均采用这种传动形式。 4. 交、直流无级调速 电气无级调速具有可灵活选择最佳切削速度和极大简化机械传动结构的优点。由于直流电动机具有良好的启动、制动和调速性能，可以很方便地在宽范围内实现平滑无级调速，所以20世纪30年代以后直流调速系统在重型和精密机床上得到广泛应用。60年代以后，由于大功率晶闸管的问世，大功率整流技术和大功率晶体管的发展，晶闸管直流电动机无级调速系统和采用脉宽调制的直流调速系统获得广泛应用。80年代以后，由于半导体交流技术的发展，使得交流电动机调速系统有突破性进展。交流调速有许多优点： 单机容量和转速可大大高于直流电动机； 无电刷与换向器，易于维护，可靠性高； 与直流电动机相比，还具有体积小、重量轻、制造简单、坚固耐用等优点。目前，交流调速已突破关键性技术，从实用阶段进入了扩大应用、系列化的新阶段。以鼠笼式交流伺服电动机为对象的矢量控制技术，是近年来新兴的控制技术，它能使交流调速具有直流调速的优越调速性能。交流变频调速器、矢量控制伺服单元及交流伺服电动机已日益广泛地应用于工业生产中。交流调速的发展必将对机床行业产生深远影响，必须引起充分重视。 1.2.2机电传动控制系统的发展 自从以电动机作为原动机以来，伴随着电气拖动的发展，机电传动控制系统的发展经历了以下几个阶段。 1. 继电接触器控制 最早的自动控制是20世纪20～30年代出现的传统继电接触器控制，它可以实现对控制对象的启动、停车、调速、自动循环以及保护等控制。其优点是所用控制器件结构简单、价格低廉、控制方式直观、易于掌握、工作可靠、维护方便，在机电传动控制中得到广泛的应用。但是经过长期使用，这种控制方式的不足之处也日益显现，即体积大、功耗大、控制速度慢、改变控制程序困难； 由于是有触点控制，在控制系统复杂时可靠性降低。因此不适合对生产工艺及流程经常变化的机械进行控制。 2. 顺序控制器控制 在20世纪60年代，随着半导体技术的发展，出现了顺序控制器。它是继电器和半导体元件综合应用的控制装置，具有易于修改程序、通用性较强等优点，广泛用于组合机床和自动线上。 3. 可编程控制器 可编程控制器（PLC）是计算机技术与继电接触器控制技术相结合的产品。它是以微处理器为核心、顺序控制为主的控制器，不仅具有顺序控制器的特点，而且具有微处理器的运算功能。PLC 的设计以工业控制为目标，因而具有功率级输出、接线简单、通用性强、编程容易、抗干扰能力强、工作可靠等优点。它一经问世便以强大的生命力，迅速地占领了传统的控制领域。PLC的发展方向之一是微型、简易、价廉，以图取代传统的继电接触器控制； 而它的另一个发展方向是大容量、高速、高性能、对大规模复杂控制系统能进行综合控制。 4. 数字控制技术 数字控制技术（NC）是以数字化的信息，通过数控装置（专用或通用计算机）实现控制的技术，数控机床是其最典型的产品。数控机床集高效率、高柔性、高精度于一身，特别适合多品种、小批量的加工自动化。早期的数控装置实质上就是一台专用计算机，由固定的逻辑电路来实现专门的控制运算功能，可以实现插补运算。 在数字控制的基础上，又出现了以下几种控制方式。 1） 计算机数字控制技术 计算机数字控制技术（CNC）利用小型通用计算机来实现数控装置的运算功能，其运算功能更强。 2） 加工中心机床 加工中心机床（MC）是采用计算机数字控制技术，集铣床、镗床、钻床三种功能于一体的加工机床，它单轴加工，配有刀库和自动换刀装置，大大地提高了加工效率，是多工序自动换刀数控机床。 3） 自适应数控机床 自适应数控机床（AC）可针对加工过程中加工条件的变化（如材料变化、刀具磨损、切削温度变化等），自动进行适应调整，使加工过程处于合理的最佳状态。自适应数控机床基于最优控制及自适应控制理论，可在扰动条件下实现最优。 4） 柔性制造系统 柔性制造系统（FMS）将一组数控机床与工件、刀具、夹具以及自动传输线、机器人、运输装置相配合，并由一台中心计算机（上位机）统一管理，使生产多样化，为生产机械赋予柔性，可实现多级控制。FMS是适应中小批量生产的自动化加工系统。有些较大的FMS是由一些较小的FMS组成，而这些较小的FMS系统也称为柔性加工单元（FMC）。 5） 计算机集成制造系统 虽然柔性制造系统具有柔性，但是由于缺少计算机辅助设计等环节，因此不能保证“及时生产”（即边生产边设计）。计算机集成制造系统（CIMS）是在柔性制造系统的基础上，增加计算机辅助设计环节，从而使设计和制造一体化。它利用计算机对产品的初始构思设计、加工、装配和检验的全过程实行管理，从而既保证了生产的多样化，又能保证“及时生产”，使整个生产过程完全自动化。只要向CIMS系统输入所需产品的有关信息和原始材料，就可以自动地输出经检验合格的产品。因此，CIMS是今后机电传动控制系统的发展方向。 1.3机电传动控制系统的组成和分类 1.3.1机电传动控制系统的组成 机电传动控制系统是一种实现预定的自动控制功能，以满足生产工艺和生产过程的要求，并达到最优技术经济指标的控制系统，是现代化生产机械中的重要组成部分，其性能和质量在很大程度上影响着产品的质量、产量、生产成本和工人劳动条件。 机电传动控制系统以电动机为控制对象，按工艺要求对生产机械进行控制，因此机电传动控制系统的硬件组成可以包括电动机、控制电器、检测元件、功率半导体器件及微型计算机等。大型的机电传动控制系统往往需要控制多台电动机，可以采用多层微型计算机构成网络来实现控制。 1.3.2机电传动控制系统的分类 1. 按组成原理分类 按组成原理，机电传动控制系统可分为开环系统和闭环系统。 在开环控制的传动系统中，虽然系统输入的控制信号保持不变，但是在扰动的作用下，输出量将偏离给定值。如图1.1所示，一个机电传动开环控制系统由晶闸管变流器、电动机和工作机械组成，其中工作机械包含传动机构和执行机构。在该系统中，晶闸管变流器向电动机供电并控制其运行状态。当电网电压波动、负载转矩变化等扰动作用于系统时，将导致系统输出量偏离给定值，此时系统的静态和动态特性将由晶闸管变流器、电动机和工作机械的特性决定。 图1.1机电传动开环控制系统 如图1.2所示的机电传动闭环控制系统采用测速发电机、位置传感器等检测装置来测量系统的输出量，并将其转换成与被测量成正比的电信号。当输出量的反馈值偏离给定输入值时，控制器将根据偏差信息产生控制信号，并作用到晶闸管变流器上，以确保系统输出具有预期的特性。 图1.2机电传动闭环控制系统 2. 按控制目的分类 按控制的目的，机电传动控制系统又可分为定值控制、位置随动控制和程序控制。 定值控制可以保持受控量恒定，最常见的机电传动定值控制系统是稳速控制系统。当然，这种系统也可以控制生产过程中的其他工艺参数，如带形物料卷取时的张力控制。 位置随动控制可以用来控制工作机构的位移，即电动机的转角按事先规定的或者未知的规律变化。其典型例子是雷达天线的方位控制系统，其功能是将天线对准所跟踪的目标。 程序控制可以使受控量按预先确定的规律变化。如机床上刀具的位移控制系统就属于程序控制，其功能是实现切削刀具和工件之间的复杂运动轨迹。 由此可见，将机电传动控制系统按控制目的进行分类，主要取决于给定量的变化特性，而与系统的构成原理无关。 习题与思考题 1.1机电传动控制的主要目的和任务是什么？ 1.2机电传动以及机电传动控制技术的发展分别经历了哪几个阶段？今后的发展方向是什么？ 1.3机电传动开环系统和闭环系统的优缺点是什么？ 1.4按控制目的分类，机电传动控制系统分为哪几种？试简要说明。 第2章机电传动控制系统中的控制电动机 第2章机电传动控制系统中的控制电动机 控制电动机一般用于自动控制、随动系统以及计算装置中，它是在一般旋转电动机的基础上发展起来的小功率电动机，其电磁过程及所遵循的基本规律与一般旋转电动机没有本质区别，只是所起的作用不同： 传动电动机主要是将电能转换为机械能，以达到拖动生产机械的目的，因此需要具有较高的力能指标，如输出转矩、传动效率和功率因数等； 而控制电动机则主要用来完成控制信号的传递和变换，要求技术性能稳定可靠、动作灵敏、精度高、体积小、重量轻、耗能少等。事实上，传动电动机与控制电动机之间并无严格的界限， 同一台电动机有时既起到控制电动机的作用，也起到传动电动机的作用。 2.1伺服电动机 伺服电动机又称为执行电动机，是控制电动机中的一种。它在控制系统中用作执行元件，将输入的受控电压信号转换成电动机轴上的角位移或角速度等机械信号输出。按控制电压来分，伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。直流伺服电动机的输出功率一般为1~600W，也可达数千瓦，多用于功率较大的控制系统中。交流伺服电动机的输出功率较小，一般在100W以下，常用于功率较小的控制系统中。 2.1.1直流伺服电动机及其控制 1. 直流伺服电动机的种类和结构 直流伺服电动机的种类很多。按励磁方式，直流伺服电动机可分为电磁式和永磁式两种； 按控制方式，可分为磁场控制和电枢控制； 按电枢形式，可分为一般电枢式、无槽电枢式、绕线盘式和空心杯电枢式等。为了避免电刷和换向器的接触，还有无刷直流伺服电动机。 1） 普通型直流伺服电动机 根据励磁方式不同，普通型直流伺服电动机分为电磁式和永磁式两种： 电磁式直流伺服电动机的定子磁极上装有励磁绕组，励磁绕组接励磁控制电压产生磁通，它实质上就是他励直流电动机； 永磁式直流伺服电动机的定子磁极由永久磁铁或磁钢制成，其磁通不可控。这两种直流伺服电动机的性能接近，其惯性比其他类型直流伺服电动机大。 与普通直流电动机相同，直流伺服电动机的转子一般由硅钢片叠压而成。转子外圆有槽，槽内装有电枢绕组，绕组通过电刷和换向器与电枢控制电路相连。为了提高控制精度和响应速度，伺服电动机的电枢铁芯长度与直径之比要比普通直流电动机的大，定子和转子间的空气隙也较小。 2） 无槽电枢直流伺服电动机 与普通伺服电动机不同，无槽电枢直流伺服电动机的电枢铁芯上不开齿槽，是光滑圆柱体，电枢绕组直接用环氧树脂粘在电枢铁芯表面，气隙较大，其结构如图2.1所示。 3） 空心杯电枢直流伺服电动机 空心杯电枢直流伺服电动机有两个定子，一个是由软磁材料制成的内定子，另一个是由永磁材料制成的外定子，外定子用于产生磁通，而内定子主要起导磁作用。电枢绕组用环氧树脂浇注成空心杯形，在内、外定子间的气隙中旋转。图2.2是空心杯电枢直流伺服电动机的结构图。 图2.1无槽电枢直流伺服电动机结构 图2.2空心杯电枢直流伺服电动机结构 4） 盘形电枢直流伺服电动机 盘形电枢直流伺服电动机的电枢由线圈沿转轴的径向圆周排列，并用环氧树脂浇注成圆盘形。定子由永久磁铁和前、后铁轭共同组成，磁铁可以在圆盘电枢的一侧或两侧。盘形绕组中通过的电流是径向的，而磁通是轴向的，二者共同作用产生电磁转矩，从而使伺服电动机旋转。图2.3是盘形电枢直流伺服电动机的结构图。 图2.3盘形电枢直流伺服电动机结构 与普通型直流伺服电动机相比，无槽电枢、空心杯电枢和盘形电枢直流伺服电动机的转动惯量和机电时间常数小，因此动态特性较好，适用于需要快速动作的直流伺服系统。 5） 无刷直流伺服电动机 无刷直流伺服电动机由电动机主体、位置传感器、晶体管开关电路三部分组成。电动机主体由具有二极或多极结构的永久磁铁转子和一个多相式电枢绕组定子组成。晶体管开关电路和位置传感器代替了电刷和换向器。位置传感器是由传感器转子和传感器定子绕组串联而成的无机械接触的检测装置，用于检测转子位置，其信号决定了开关电路中各功率元件的导通和截止状态。 这种电动机既保持了一般直流伺服电动机的优点，又克服了电刷和换向器带来的缺点，使用寿命长，噪声低，适用于要求噪声低、对无线电不产生干扰的控制系统。 2. 直流伺服电动机的控制特性 直流伺服电动机的机械特性公式与他励直流电动机的相同，即 n=UcKeΦ－RKeKtΦ2T（2.1） 式中，n——电动机转速； T——电动机转矩； Uc——电枢控制电压； R——电枢回路电阻； Φ——每极磁通； Ke、Kt——电动机结构常数。 由此可见，通过改变电枢控制电压Uc或磁通Φ都可以控制直流伺服电动机的转速，前者称为电枢控制，后者称为磁场控制。电枢控制具有响应迅速、机械特性硬、调速特性线性度好的优点，因此在实际应用中大多采用电枢控制方式，而很少采用磁场控制，磁场控制只是在功率很小的场合采用。对于永磁式直流伺服电动机，则只能采用电枢控制。 针对式（2.1）考虑以下两种特殊情况。 （1） 转矩为零： 此时的电动机转速称为直流伺服电动机的理想空载转速，它仅与电枢电压Uc有关，并与之成正比。 （2） 转速为零： 此时的电动机转矩称为电动机的堵转转矩，它也仅与电枢电压Uc有关，并与之成正比。 图2.4直流伺服电动机的机械特性 由此可以得到不同电枢电压下的直流伺服电动机的机械特性曲线，如图2.4所示。 从图2.4可以看出，不同电枢电压下的直流伺服电动机的机械特性曲线是一组平行线，在一定负载转矩下，如果磁通Φ不变，升高电枢电压Uc，则电动机的转速上升，反之，转速下降； 当电枢电压为零时，电动机立即停止，因此不会产生自转现象。 目前，直流伺服电动机常用晶闸管直流调速驱动和晶体管脉宽调制（PWM）调速驱动两种方式。 晶闸管直流调速驱动通过调节触发装置控制晶闸管的导通角来移动触发脉冲的相位，以改变整流电压的大小，使直流伺服电动机电枢电压发生变化，从而实现平滑调速。由于晶闸管本身的工作原理和交流电源的特点，晶闸管导通后利用交流过零来关闭，因此在整流电压较低时，其输出是很小的尖峰值的平均值，这就导致了电流的不连续性。 图2.5是晶闸管直流调速驱动系统，其中CF为晶闸管触发电路，KZ为晶闸管整流电路，L为整流线圈。 图2.5晶闸管直流调速驱动 如图2.6所示，PWM直流调速驱动是在电枢回路中串入功率晶体管或晶闸管，功率晶体管或晶闸管工作在开关状态，这样就在电动机电枢两端得到一系列矩形波，矩形波电压的平均值就是电动机的工作电压，改变矩形波的脉冲宽度或周期，就可以改变平均电压的大小，从而达到控制转速的目的。采用PWM调速驱动系统，其开关频率较高（通常达2000~3000Hz），伺服机构能够响应的频带范围也较宽。与晶闸管直流驱动相比，其输出电流脉动非常小，接近于纯直流。图2.6中KZ为晶闸管整流电路，L为整流线圈。 图2.6PWM直流调速驱动 3. 直流伺服电动机的特点 直流伺服电动机主要有以下优点。 （1） 稳定性好： 直流伺服电动机具有较硬的机械特性，因此能够在较宽的速度范围内稳定运行。 （2） 可控性好： 直流伺服电动机具有线性的调节特性，通过控制电枢电压的大小和极性，可以控制直流伺服电动机的转速和转动方向； 当电枢电压为零时，由于转子惯量很小，因此直流伺服电动机能立即停止。 （3） 响应迅速： 直流伺服电动机具有较大的启动转矩和较小的转动惯量，在控制信号输入、增加、减小或消失的瞬间，直流伺服电动机能够快速启动、增速、减速或停止。 2.1.2交流伺服电动机及其控制 1. 交流伺服电动机的种类和特点 交流伺服电动机分为同步型（SM）和感应型（IM）两种。同步型伺服电动机实质上是采用永磁结构的同步电动机，又称为无刷直流伺服电动机。它具有直流伺服电动机的全部优点，转矩产生机理与直流伺服电动机相同，但是没有接触换向部件。同步型伺服电动机需要编码器等检测装置来检测磁铁转子的位置。感应型伺服电动机指笼形感应电动机，它可以将定子电流矢量分解为产生磁场的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位。 2. 交流伺服电动机的结构 交流伺服电动机一般是两相交流电动机，由定子和转子两部分组成。两相定子绕组在空间相差90°电角度，其结构完全相同，但作用不同： 一个绕组作励磁之用，称为励磁绕组（WF）； 而另一个作控制之用，称为控制绕组（WC）。两相交流伺服电动机的转子一般有笼形和杯形两种结构形式。笼形转子和三相鼠笼式异步电动机的转子结构相似，采用高电阻率材料（如黄铜、青铜或镍铝等）制成。杯形转子通常用铝合金或铜合金制成空心薄壁圆筒，放置在内定子和外定子之间。从实质上讲，杯形转子只是笼形转子的一种特殊形式。为了降低转动惯量，这两种形式的转子都制成细而长的形状，而且电阻都做得比较大，其目的是使电动机在控制绕组不施加电压时能及时制动，以防止发生“自转”。目前用得最多的是笼形转子的交流伺服电动机。 3. 交流伺服电动机的工作原理 两相交流伺服电动机以单相电容式异步电动机原理为基础，其工作原理如图2.7所示。图2.7中，U·f为励磁电压，U·c为控制电压，二者均为交流， 图2.7两相交流伺服电动机 且频率相同，但相位相差90°。励磁绕组（WF）接到交流电网上，控制绕组（WC）接到控制电压U·c上。在没有控制信号时，电动机气隙中只有励磁绕组产生的脉动磁场，因此转子静止不动。当有控制信号输入时，两相绕组中分别流过在相位上相差90°的励磁电流和控制电流，从而在电动机的气隙中产生旋转磁场。该磁场与转子中的感应电流相互作用而产生电磁转矩，带动转子以一定的转速转动起来。由于电动机的转动方向与旋转磁场的方向相同，因此当控制电压反相时，伺服电动机便反向旋转。 根据单相异步电动机的原理，在电动机开始转动以后，如果取消控制电压而仅由励磁电压单相供电，电动机仍将按原来的运行方向继续转动，即存在“自转”现象，这就意味着对电动机失去控制作用，必须采取措施加以克服。 为了消除自转现象，需要将电动机的转子电阻设计得很大，以便在电动机单相运行时，最大电磁转矩出现在临界转差率Sm>1的地方，如图2.8所示。图中曲线1为Uc≠0时交流伺服电动机的机械特性曲线，曲线2和3分别为去掉控制电压后，由脉动磁场分解的正、反两个旋转磁场所产生的转矩曲线，曲线4为单相运行时的合成转矩曲线。很显然，单相运行时的机械特性曲线与异步电动机的机械特性曲线不同，它位于第二和第四象限内，这就意味着在去掉控制电压而仅由励磁电压单相供电时，电磁转矩的方向始终与转子转向相反，所以是一个制动转矩。由于存在制动转矩，转子能够迅速停转，从而避免了自转现象的产生。与同时取消两相电压、仅凭摩擦实现制动相比，此时停转所需要的时间要少得多。因此，在两相交流伺服电动机工作时，励磁绕组应始终接在电源上。