电气自动控制知识

机床电气自动控制知识第一节常用低压电器介绍第二节饲服驱动系统概述第三节各类饲服电机介绍第一节常用低压电器介绍低压电器通常是指工作在交流电压小于1200V，直流电压小于1500V的电路中起通、断、保护、控制或调节作用的电器设备。低压电器的种类繁多，就其用途或所控制的对象可概括为两大类：低压配电电器:这类电器包括刀开关、转换开关、熔断器和断路器。低压控制电器:包括接触器、控制继电器、启动器、控制器、主令电器和电磁铁等,主要用于电气传动系统中。按低压电器的动作方式可分为：自动切换电器：如接触器、继电器等。非自动切换电器：如按钮、刀开关等。按电器的执行机构可分为：有触点电器和无触点电器。本节主要介绍开关电器、接触器、继电器、熔断器、主令电器一、开关电器刀开关:结构简单，应用广泛的手控电器。用于低压电路不频繁动作。转换开关（组合开关）：受控电器。在机床电气设备中，作为电源引入开关，或直接用于控制非频繁启动和停止的小容量非同步电动机。自动开关（自动断路器）：低压电路中常用的具有保护环节的断合电器。二、接触器接触器是一种自动的电磁式开关，它通过电磁力作用下的吸合和反力弹簧作用下的释放使触头闭合和分断，导致电路的接通和断开。交流接触器：当吸引线圈两端加上额定电压时，动、静铁芯间产生大于反作用弹簧弹力的电磁吸力，动、静铁芯吸合，带动动铁芯上的触头动作；当吸引线圈端电压消失后，电磁吸力消失，触头在反弹力作用下恢复常态。直流接触器：直流接触器主要用于远距离接通和分断直流电路，还用于直流电动机的频繁起动、停止、反转和反接制动。接触器的主要技术指标1.额定电压；2.额定电流；3.吸引线圈额定电压；4.通断能力；5.操作频率；6.交直流接触器的额定操作频率；7.寿命。接触器的选择接触器的选择原则：1.根据电路中负载电流的种类选择接触器的类型。一般直流电路用直流接触器控制，当直流电动机和直流负载容量较小时，2.接触器的额定电压应大于或等于负载回路的额定电压；3.吸引线圈的额定电压应与所接控制电路的额定电压等级一致；4.额定电流应大于或等于被控主回路的额定电流。根据负载额定电流，接触器安装条件及电流流经触头的持续情况来选定接触器的额定电流。三、继电器继电器是根据某种输入物理量的变化，来接通和分断控制电路的电器。1、热继电器2、中间继电器3、电流继电器4、电压继电器5、时间继电器6、速度继电器7、压力继电器四、熔断器熔断器在低压配电线路中主要起短路保护作用。熔断器主要由熔体和放置熔体的绝缘管或绝缘底座组成。常用的熔断器有瓷插式、螺旋式、有填料密封管式、无填料管式等几种类型。五、主令电器主令电器是在自动控制系统中发出指令或信号的操纵电器。控制按钮：是一种简单电器，不直接控制主电路，而在控制电路发出手动控制信号。按钮按用途和触头的结构不同可分为停止按钮、启动按钮及复合按钮。位置开关：又称行程开关或限位开关，它的作用是将机械位移转变为电信号，使电动机运行状态发生改变，位置开关包括：行程开关、限位开关、微动开关及由机械部件或机械操作的其它控制开关。位置开关有两种类型：直动式（按钮式）和旋转式。接近开关：无触点行程开关又称接近开关，是当某种物体与之接近到一定距离时就发出“动作”信号，它不须施以机械力。接近开关按工作原理分：高频振荡型（检测各种金属）、永磁型及磁敏元件型、电磁感应型、电容型、光电型和超生波型等几种。常用的接近开关是高频振荡型，由振荡、检测、晶闸管等部分组成。万能转换开关：可同时控制许多条（最多可达32条）通断要求不同的电路，而且具有多个档位。万能转换开关以手柄旋转的方式进行操作，操作位置有2～12个，分定位式和自动复位式两种。第二节伺服驱动系统概述伺服系统是一种机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，它的输出变量通常是机械或位置的运动。根本任务:实现执行机构对给定指令的准确跟踪，即实现输出变量的某种状态能够自动、连续、精确地复现输入指令信号的变化规律。数控机床的伺服系统按其控制原理和有无位置反馈装置分为开环、闭环、半闭环伺服系统；按其用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统；按其驱动执行元件的动作原理分为电液伺服驱动系统和电气伺服驱动系统。电气伺服驱动系统又分为直流伺服驱动系统、交流伺服驱动系统及直线电动机伺服系统。一、开环和闭环伺服系统开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件，它没有位置反馈回路和速度反馈回路，因此设备投资低，调试维修方便，但精度差，高速扭矩小，被用于中、低档数控机床及普通机床改造。齿轮箱步进电机指令脉冲图6-2开环伺服系统简图工作台驱动控制线路位置控制模块速度控制单元伺服电机工作台位置检测测量反馈速度环速度检测位置环闭环进给伺服系统结构闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工作台上，检测装置测出实际位移量或者实际所处位置，并将测量值反馈给CNC装置，与指令进行比较，求得差值，依此构成闭环位置控制。闭环方式被大量用在精度要求较高的大型数控机床上。半闭环伺服系统一般将位置检测元件安装在电动机轴上，用以精确控制电机的角度。因为坐标运动的传动链有一部分在位置闭环以外，其传动误差没有得到系统的补偿，因而半闭环伺服系统的精度低于闭环系统。目前在精度要求适中的中小型数控机床上，使用半闭环系统较多。位置比较速度控制工作台伺服电机指令+—--速度反馈位置反馈半闭环伺服系统简图二、进给驱动与主轴驱动进给伺服系统包括速度控制环和位置控制环，用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需转矩。主轴伺服系统只是一个速度控制系统，控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力，且保证任意转速的调节。三、直流伺服系统、交流伺服系统与直线电动机伺服系统直流伺服系统就是控制直流电机的系统。目前使用比较多的是永磁式直流伺服电机。永磁直流伺服电机（也称为大惯量宽调速直流伺服电机），调速范围宽，输出转矩大，过载能力强，而且电机转动惯量较大，应用较方便，但直流电机有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂，价格也高。进入80年代后，由于交流电机调速技术的突破，交流伺服驱动系统进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服电机，转子惯量比直流电机小，动态响应好。而且容易维修，制造简单，适合于在较恶劣环境中使用，易于向大容量、高速度方向发展，其性能更加优异，已达到或超过直流伺服系统，交流伺服电机已在数控机床中得到广泛应用。直线电动机的实质是把旋转电动机沿径向剖开，然后拉直演变而成，利用电磁作用原理，将电能直接转换成直线运动动能的一种推力装置，是一种较为理想的驱动装置。在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与旋转电动机的最大区别是取消了从电动机到工作台之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零。正由于这种传动方式，带来了旋转电动机驱动方式无法达到的性能指标和优点。由于直线电动机在机床中的应用目前还处于初级阶段，还有待进一步研究和改进。随着各相关配套技术的发展和直线电动机制造工艺的完善，相信用直线电动机作进给驱动的机床会得到广泛应用。第三节各类伺服电机介绍一、步进电机步进电机伺服系统是典型的开环控制系统，由于该系统没有反馈检测环节，其精度主要由步进电机来决定，速度也受到步进电机性能的限制。步进电机每次转过的角度称为步距角。一个脉冲产生的进给量称为脉冲当量。步距角和步进电机的相数、通电方式及电机转子齿数的关系如下：α—步进电机的步距角；m—电机相数；Z—转子齿数；K—系数，相邻两次通电相数相同，K＝1；相邻两次通电相数不同，K＝2。δ—脉冲当量；S—丝杠螺距；a—步距角；i—是电动机与丝杠间的齿轮传动减速比,i是大于1的树。δ=S*α/(360*i)二、直流伺服电机1、调速方式:直流伺服电机的机械特性方程为：式中，Uc——电枢控制电压R——一电枢回路电阻Φ——每极磁通；Ce、Ct——分别为电动机的结构常数。由上式知，直流伺服电机的控制方式如下：（1）调压调速（变电枢电压，恒转矩调速）（2）调磁调速（变励磁电流，恒功率调速）（3）改变电枢回路电阻调速常用的是前面2种调速方式。三、交流伺服电机在交流伺服系统中，按电机种类可分为同步型和异步型（感应电机）两种。数控机床进给伺服系统中多采用永磁式同步电机，同步电机的转速是由供电频率所决定的，即在电源电压和频率固定不变时，它的转速是稳定不变的。由变频电源供电给同步电机时，能方便地获得与频率成正比的可变速度，可以得到非常硬的机械特性及宽的调速范围。交流主轴电机多采用交流异步电机，很少采用永磁同步电机，主要因为永磁同步电机的容量做得不够大，且电机成本较高。另外主轴驱动系统不象进给系统那样要求很高的性能，调速范围也不要太大。因此，采用异步电机完全可以满足数控机床主轴的要求，笼型异步电机多用在主轴驱动系统中。交流电机的调速据电机学知，交流异步电机的转速表达式为：（r/min）式中f1—定子电源频率（Hz）；p—磁极对数；s—转差率。由上式可知异步电机的调速方法，可以有变转差率、变极对数及变频三种。靠改变转差率对异步电机进行调速时，低速时转差率大，转差损耗功率也大，效率低。变极调速只能产生二种或三种转速，不可能做成无级调速，应用范围较窄。变频调速是从高速到低速都可以保持有限的转差率，故它具有高效率、宽范围和高精度的调速性能，可以认为是一种理想的调速方法。变频调速的方式：通常在基频以下采用恒转矩调速，基频以上采用恒功率调速。恒转矩调速：U/f=常数恒功率调速：f变化，U=额定电压，P=UI=常数。交流电机调速种类很多，应用最多的是变频调速。变频调速的主要环节是能为交流电机提供变频电源的变频器。变频器的功用是，将频率固定（电网频率为50Hz）的交流电，变换成频率连续可调（0～400Hz）的交流电。变频器可分为交-直-交变频器和交-交变频器两大类。