機(jī)電傳動(dòng)控制-1

1、1 緒論1.1 機(jī)電傳動(dòng)控制的目的和任務(wù)機(jī)電傳動(dòng)也稱電力拖動(dòng)或電力傳動(dòng)，是指以電動(dòng)機(jī)為原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的系統(tǒng)的總稱。其目的是將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)機(jī)械的起動(dòng)/停止和速度調(diào)節(jié)，以滿足生產(chǎn)工藝過程的要求，保證生產(chǎn)過程正常進(jìn)行。因此，機(jī)電傳動(dòng)控制包括用于拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的電動(dòng)機(jī)以及電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)兩大部分。在現(xiàn)代化生產(chǎn)中，生產(chǎn)機(jī)械的先進(jìn)性和電氣自動(dòng)化程度反映了工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的水平?，F(xiàn)代化機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)系統(tǒng)已不再是傳統(tǒng)的單純機(jī)械系統(tǒng)，而是機(jī)電一體化的綜合系統(tǒng)。機(jī)電傳動(dòng)控制已成為現(xiàn)代化機(jī)械的重要組成部分。機(jī)電傳動(dòng)控制的任務(wù)從狹義上講，是通過控制電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)量的增加、產(chǎn)品質(zhì)量的提高、生產(chǎn)

2、成本的降低、工人勞動(dòng)條件的改善以及能源的合理利用；而從廣義上講，則是使生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備、生產(chǎn)線、車間乃至整個(gè)工廠實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)的發(fā)展，生產(chǎn)機(jī)械或生產(chǎn)過程對(duì)機(jī)電傳動(dòng)控制的要求越來(lái)越高。例如：一些精密機(jī)床要求加工精度達(dá)百分之幾毫米，甚至幾微米；為了保證加工精度和粗糙度，重型鏜床要求在極低的速度下穩(wěn)定進(jìn)給，因此要求系統(tǒng)的調(diào)速范圍很寬；軋鋼車間的可逆式軋機(jī)及其輔助機(jī)械操作頻繁，要求在不到1s的時(shí)間內(nèi)就能完成正反轉(zhuǎn)切換，因此要求系統(tǒng)能夠快速起動(dòng)、制動(dòng)和換向；對(duì)于電梯等提升機(jī)構(gòu)，要求起停平穩(wěn)，并能夠準(zhǔn)確地停止在給定的位置上；對(duì)于冷、熱連軋機(jī)或造紙機(jī)，要求各機(jī)架或各部分之間保持一定的轉(zhuǎn)速關(guān)系，以便協(xié)

3、調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)；為了提高效率，要求對(duì)由數(shù)臺(tái)或數(shù)十臺(tái)設(shè)備組成的自動(dòng)生產(chǎn)線實(shí)行統(tǒng)一控制和管理。上述這些要求都要依靠機(jī)電傳動(dòng)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)控制理論、精密測(cè)量技術(shù)、電動(dòng)機(jī)和電器制造業(yè)及自動(dòng)化元件的發(fā)展，機(jī)電傳動(dòng)控制正在不斷創(chuàng)新與發(fā)展，如直流或交流無(wú)級(jí)調(diào)速控制系統(tǒng)取代了復(fù)雜笨重的變速箱系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)機(jī)械的結(jié)構(gòu)，使生產(chǎn)機(jī)械向性能優(yōu)良、運(yùn)行可靠、體積小、重量輕、自動(dòng)化方向發(fā)展。因此，在現(xiàn)代化生產(chǎn)中，機(jī)電傳動(dòng)控制具有極其重要的地位。1.2 機(jī)電傳動(dòng)控制的發(fā)展1.2.1 機(jī)電傳動(dòng)的發(fā)展機(jī)電傳動(dòng)及其控制系統(tǒng)總是隨著社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展而發(fā)展的。20世紀(jì)初，由于電動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)，使得機(jī)床的傳動(dòng)方式發(fā)生

4、了深刻的變革，電動(dòng)機(jī)替代了蒸汽機(jī)。而后，它的發(fā)展大體上經(jīng)歷了成組拖動(dòng)、單電機(jī)拖動(dòng)、多電機(jī)拖動(dòng)和交、直流無(wú)級(jí)調(diào)速四個(gè)階段。1. 成組拖動(dòng)成組拖動(dòng)是用一臺(tái)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)一根天軸，然后再由天軸通過皮帶輪和皮帶分別拖動(dòng)各生產(chǎn)機(jī)械，這種傳動(dòng)方式生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)條件差，一旦電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障，將造成成組的生產(chǎn)機(jī)械停車。2. 單電機(jī)拖動(dòng)單電機(jī)拖動(dòng)是用一臺(tái)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)一臺(tái)生產(chǎn)機(jī)械。較之成組拖動(dòng)，單電機(jī)拖動(dòng)簡(jiǎn)化了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，縮短了傳動(dòng)路線，提高了傳動(dòng)效率，至今仍有一些中小型通用機(jī)床采用單電機(jī)拖動(dòng)。3. 多電機(jī)拖動(dòng)多電機(jī)拖動(dòng)是指一臺(tái)生產(chǎn)機(jī)械的每一個(gè)運(yùn)動(dòng)部件分別由一臺(tái)專門的電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，例如龍門刨床的刨臺(tái)、左右垂直刀架與側(cè)刀架、

5、橫梁及其夾緊機(jī)構(gòu)，均分別由一臺(tái)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，這種傳動(dòng)方式不僅大大簡(jiǎn)化了生產(chǎn)機(jī)械的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，而且控制靈活，為生產(chǎn)機(jī)械的自動(dòng)化提供了有利的條件，所以現(xiàn)代化機(jī)電傳動(dòng)基本上均采用這種傳動(dòng)形式。4. 交、直流無(wú)級(jí)調(diào)速電氣無(wú)級(jí)調(diào)速具有可靈活選擇最佳切削速度和極大簡(jiǎn)化機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。由于直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速性能，可以很方便地在寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑無(wú)級(jí)調(diào)速，所以30年代以后直流調(diào)速系統(tǒng)在重型和精密機(jī)床上得到廣泛應(yīng)用。60年代以后，由于大功率晶閘管的問世，大功率整流技術(shù)和大功率晶體管的發(fā)展，晶閘管直流電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)和采用脈寬調(diào)制的直流調(diào)速系統(tǒng)獲得廣泛應(yīng)用。80年代以后，由于半導(dǎo)體交流技術(shù)的發(fā)展

6、，使得交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)有突破性進(jìn)展。交流調(diào)速有許多優(yōu)點(diǎn)。單機(jī)容量和轉(zhuǎn)速可大大高于直流電動(dòng)機(jī)。交流電動(dòng)機(jī)無(wú)電刷與換向器，易于維護(hù)，可靠性高。與直流電動(dòng)機(jī)相比，交流電動(dòng)機(jī)還具有體積小、重量輕、制造簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)。目前，交流調(diào)速已突破關(guān)鍵性技術(shù)，從實(shí)用階段進(jìn)入了擴(kuò)大應(yīng)用、系列化的新階段。以鼠籠式交流伺服電動(dòng)機(jī)為對(duì)象的矢量控制技術(shù)，是近年來(lái)新興的控制技術(shù)，它能使交流調(diào)速具有直流調(diào)速的優(yōu)越調(diào)速性能。交流變頻調(diào)速器、矢量控制伺服單元及交流伺服電動(dòng)機(jī)已日益廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。交流調(diào)速的發(fā)展必將對(duì)機(jī)床行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，必須引起充分重視。1.2.2 機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展 自從以電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)以來(lái)

7、，伴隨著電氣拖動(dòng)的發(fā)展，機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：1. 繼電接觸器控制最早的自動(dòng)控制是20世紀(jì)2030年代出現(xiàn)的傳統(tǒng)繼電接觸器控制，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的起動(dòng)、停車、調(diào)速、自動(dòng)循環(huán)以及保護(hù)等控制。其優(yōu)點(diǎn)是所用控制器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、控制方式直觀、易于掌握、工作可靠、維護(hù)方便，在機(jī)電傳動(dòng)控制中得到廣泛的應(yīng)用。但是經(jīng)過長(zhǎng)期使用，這種控制方式的不足之處也日益顯現(xiàn)，即體積大、功耗大、控制速度慢、改變控制程序困難；由于是有觸點(diǎn)控制，在控制系統(tǒng)復(fù)雜時(shí)可靠性降低。因此不適合對(duì)生產(chǎn)工藝及流程經(jīng)常變化的機(jī)械進(jìn)行控制。2.順序控制器控制在20世紀(jì)60年代，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了順序控制器

8、。它是繼電器和半導(dǎo)體元件綜合應(yīng)用的控制裝置，具有易于修改程序、通用性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于組合機(jī)床和自動(dòng)線上。3. 可編程序控制器PLC 可編程序控制器PLC是計(jì)算機(jī)技術(shù)與繼電接觸器控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)品。它是以微處理器為核心、順序控制為主的控制器，不僅具有順序控制器的特點(diǎn)，而且具有微處理器的運(yùn)算功能。PLC 的設(shè)計(jì)以工業(yè)控制為目標(biāo)，因而具有功率級(jí)輸出、接線簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)、編程容易、抗干擾能力強(qiáng)、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。它一經(jīng)問世便以強(qiáng)大的生命力，迅速地占領(lǐng)了傳統(tǒng)的控制領(lǐng)域。PLC的發(fā)展方向之一是微型、簡(jiǎn)易、價(jià)廉，以圖取代傳統(tǒng)的繼電接觸器控制；而它的另一個(gè)發(fā)展方向是大容量、高速、高性能、對(duì)大規(guī)模復(fù)雜控制系

9、統(tǒng)能進(jìn)行綜合控制。4. 數(shù)字控制技術(shù)NC數(shù)字控制技術(shù)是以數(shù)字化的信息，通過數(shù)控裝置（專用或通用計(jì)算機(jī)）實(shí)現(xiàn)控制的技術(shù)，數(shù)控機(jī)床是其最典型的產(chǎn)品。它集高效率、高柔性、高精度于一身，特別適合多品種、小批量的加工自動(dòng)化。早期的數(shù)控裝置實(shí)質(zhì)上就是一臺(tái)專用計(jì)算機(jī)，由固定的邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)專門的控制運(yùn)算功能，可以實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)運(yùn)算。在數(shù)字控制的基礎(chǔ)上，又出現(xiàn)了以下幾種控制方式：1）計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)CNCCNC又稱計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)，它是利用小型通用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)控裝置的運(yùn)算功能，其運(yùn)算功能更強(qiáng)。2）加工中心機(jī)床MC加工中心機(jī)床是采用計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)，集銑床、鏜床、鉆床三種功能于一體的加工機(jī)床，它單軸加工，配有

10、刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置，大大地提高了加工效率，是多工序自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床。3）自適應(yīng)數(shù)控機(jī)床AC自適應(yīng)數(shù)控機(jī)床可針對(duì)加工過程中加工條件的變化（如材料變化、刀具磨損、切削溫度變化等），自動(dòng)進(jìn)行適應(yīng)調(diào)整，使加工過程處于合理的最佳狀態(tài)。自適應(yīng)數(shù)控機(jī)床基于最優(yōu)控制及自適應(yīng)控制理論，可在擾動(dòng)條件下實(shí)現(xiàn)最優(yōu)。4）柔性制造系統(tǒng)FMS柔性制造系統(tǒng)將一組數(shù)控機(jī)床與工件、刀具、夾具以及自動(dòng)傳輸線、機(jī)器人、運(yùn)輸裝置相配合，并由一臺(tái)中心計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）統(tǒng)一管理，使生產(chǎn)多樣化，為生產(chǎn)機(jī)械賦予柔性，可實(shí)現(xiàn)多級(jí)控制。FMS是適應(yīng)中小批量生產(chǎn)的自動(dòng)化加工系統(tǒng)。有些較大的FMS是由一些較小的FMS組成，而這些較小的FMS系統(tǒng)也稱為柔

11、性加工單元（FMC）。5）計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS雖然柔性制造系統(tǒng)具有柔性，但是由于缺少計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，因此不能保證“及時(shí)生產(chǎn)”（即邊生產(chǎn)邊設(shè)計(jì)）。計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)是在柔性制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，從而使設(shè)計(jì)和制造一體化。它利用計(jì)算機(jī)對(duì)產(chǎn)品的初始構(gòu)思設(shè)計(jì)、加工、裝配和檢驗(yàn)的全過程實(shí)行管理，從而保證了生產(chǎn)既多樣化，又能“及時(shí)生產(chǎn)”，使整個(gè)生產(chǎn)過程完全自動(dòng)化。只要向CIMS系統(tǒng)輸入所需產(chǎn)品的有關(guān)信息和原始材料，就可以自動(dòng)地輸出經(jīng)檢驗(yàn)合格的產(chǎn)品。因此，CIMS是今后機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。1.3 機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和分類1.3.1 機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)的組成機(jī)電傳動(dòng)控制

12、系統(tǒng)是一種實(shí)現(xiàn)預(yù)定的自動(dòng)控制功能，以滿足生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)過程的要求，并達(dá)到最優(yōu)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的控制系統(tǒng)，是現(xiàn)代化生產(chǎn)機(jī)械中的重要組成部分，其性能和質(zhì)量在很大程度上影響著產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量、生產(chǎn)成本和工人勞動(dòng)條件。機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)以電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，按工藝要求對(duì)生產(chǎn)機(jī)械進(jìn)行控制，因此機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件組成可以包括電動(dòng)機(jī)、控制電器、檢測(cè)元件、功率半導(dǎo)體器件及微型計(jì)算機(jī)等。大型的機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)往往需要控制多臺(tái)電動(dòng)機(jī)，可以采用多層微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。1.3.2 機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)的分類按組成原理分，機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。在開環(huán)控制的傳動(dòng)系統(tǒng)中，雖然系統(tǒng)輸入的控制信號(hào)保持不變

13、，但是在擾動(dòng)的作用下，輸出量將偏離給定值。如圖1.1所示，一個(gè)機(jī)電傳動(dòng)開環(huán)控制系統(tǒng)由晶閘管變流器、電動(dòng)機(jī)和工作機(jī)械組成，其中工作機(jī)械包含傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在該系統(tǒng)中，晶閘管變流器向電動(dòng)機(jī)供電并控制其運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)、負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化等擾動(dòng)作用于系統(tǒng)時(shí)，將導(dǎo)致系統(tǒng)輸出量偏離給定值，此時(shí)系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性將由變流器、電動(dòng)機(jī)和工作機(jī)械的特性決定。圖1.1 機(jī)電傳動(dòng)開環(huán)控制系統(tǒng)如圖1.2所示的閉環(huán)機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)采用測(cè)速發(fā)電機(jī)、位置傳感器等檢測(cè)裝置來(lái)測(cè)量系統(tǒng)的輸出量，并將其轉(zhuǎn)換成與被測(cè)量成正比的電信號(hào)。當(dāng)輸出量的反饋值偏離給定輸入值時(shí)，控制器將根據(jù)偏差信息產(chǎn)生控制信號(hào)，并作用到變流器上，以確保系統(tǒng)輸出具有預(yù)期的特性。圖1.2 機(jī)電傳動(dòng)閉環(huán)控制系統(tǒng)按控制目的分，機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)又可分為定值控制、位置隨動(dòng)控制和程序控制。定值控制可以保持受控量恒定，最常見的機(jī)電傳動(dòng)定值控制系統(tǒng)是穩(wěn)速控制系統(tǒng)。當(dāng)然，這種系統(tǒng)也可以控制生產(chǎn)過程中的其他工藝參數(shù)，如帶形物料卷取時(shí)的張力控制。位置隨動(dòng)控制可以用來(lái)控制工作機(jī)構(gòu)的位移，即電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角按事先規(guī)定的或者未知的規(guī)律變化。典型例子是雷達(dá)天線的方位控制系統(tǒng)，其功能是將天線對(duì)準(zhǔn)所跟蹤的目標(biāo)。程序控制可以使受控量按預(yù)先確定的規(guī)律變化。如機(jī)床上刀