机电传动控制-1

1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，实现生产机械的起动/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；而从广义上讲，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起动、制动和换向；对于电梯等提升机构，要求起停平稳，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、直流无级调速四个阶段。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起动、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。交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，交流电动机还具有体积小、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起动、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.可编程序控制器PLC可编程序控制器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NC数字控制技术是以数字化的信息，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。它集高效率、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CNCCNC又称计算机数字控制技术，它是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MC加工中心机床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AC自适应数控机床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FMS柔性制造系统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CIMS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，从而保证了生产既多样化，又能“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按组成原理分，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变流器、电动机和工作机械的特性决定。晶闸管变流器电动机工作机械给定输入系统输出扰动图1.1机电传动开环控制系统如图1.2所示的闭环机电传动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，并作用到变流器上，以确保系统输出具有预期的特性。晶闸管变流器电动机工作机械给定输入系统输出扰动控制器检测装置输出反馈―图1.2机电传动闭环控制系统按控制目的分，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。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。