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電氣傳動數(shù)字控制系統(tǒng) 第一章概述 第一章概述 1 1電氣傳動技術概述1 2電機概述1 3電機數(shù)字控制概述 電氣傳動技術以運動機械的驅動裝置 電動機為控制對象 以微電子裝置為核心 以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機構 在自動控制理論的指導下組成電氣傳動自動控制系統(tǒng) 控制電動機的轉矩和轉速 將電能轉換成機械能 實現(xiàn)工作機械的旋轉運動或往復運動 電氣傳動系統(tǒng)亦即運動控制系統(tǒng) 1 把轉速作為被控參數(shù)的稱為調速系統(tǒng) 2 把直線位移或角位移作為被控參數(shù)稱為位置隨動系統(tǒng) 3 帶動工作機械的原動機是直流電動機 則稱為直流電氣傳動 4 帶動工作機械的原動機是交流電動機 則稱為交流電氣傳動 1 1電氣傳動技術概述 通信 計算機 軟件等信息 大腦 神經 電氣傳動技術 肌肉和骨骼 機器 四肢 1 1電氣傳動技術概述 1 2電機概述 一 電機的概念電機是一種能實現(xiàn)機電能量轉換的電磁裝置 是電動機和發(fā)電機的統(tǒng)稱 將電能轉換為機械能的電機稱為電動機 將機械能轉換為電能的電機稱為發(fā)電機 工作原理 電磁感應定律 電磁力定律及電流的磁效應 構造的一般原則 用適當?shù)膶Т藕蛯щ姴牧蠘嫵赡芑ハ噙M行電磁感應的電路和磁路 以產生電磁功率和電磁轉矩 達到能量轉換的目的 二 電機的分類按照能量轉換方式分電動機 將電能轉換為機械能發(fā)電機 將機械能轉換為電能電能轉換裝置 將一種形式的電能轉換為另一種形式的電能 包括變壓器 輸入和輸出的電壓不同 變頻器 輸入和輸出的頻率不同 移相器 輸入和輸出的相位不同 控制電機 不以功率轉換為主要職能 在電氣 機械系統(tǒng)中起調節(jié) 放大和控制作用 測速伺服 1 2電機概述 根據(jù)運動方式分旋轉電機 產生旋轉運動靜止電機 不產生運動直線電機 產生直線 應用 物流傳輸數(shù)控機床辦公磁懸浮列車 根據(jù)供電電源分直流電機 使用或產生直流電交流電機 使用或產生交流電在交流電機中 根據(jù)供電電源相數(shù)的不同 又可將電機分為單相電機和三相電機 1 2電機概述 根據(jù)同步速度分直流電機 沒有固定的同步速度的電機變壓器 靜止設備同步電機 轉速等于同步速度的電機感應電機 作為電動機運行時 速度總低于同步速 作為發(fā)電機運行時 速度大于同步速 1 2電機概述 1 2電機概述 電能是現(xiàn)代生產和人們生活中最主要的能源 而電能的生產 輸送 轉換及使用過程中的核心設備就是電機 所以電機在國民經濟各行各業(yè)以及人們的日常生活中的應用都非常廣泛 現(xiàn)在有90 以上的動力源來自于電動機 我國生產的電能大約有60 用于電動機 電動機與人們的生活息息相關 電能的生產 傳輸和分配 水電站截面圖 水電站大壩 變電站及輸電線路 電力傳輸過程 發(fā)電機發(fā)出的電能首先經升壓變壓器升高到輸電電壓 進行高壓遠距離輸電 到了用戶端 再通過降壓變壓器將電壓降低到用戶所需電壓 供用戶使用 在電能的生產 輸送 分配和消費中 發(fā)電機 變壓器 電力線路 負載和開關設備等連接在一起 構成了統(tǒng)一整體 即電力系統(tǒng) 在電力系統(tǒng)中 作為與電能的生產 輸送 分配及使用有關的能量轉換裝置 發(fā)電機和變壓器 是電力系統(tǒng)中最重要的設備 拖動生產機械如金屬切削 礦山機械 交通運輸機械 起重機械 化工機械 農用機械 電動工具 家用電器等 驅動生產機械和裝備 電動機的應用 控制系統(tǒng)和智能化裝置的重要元件 控制系統(tǒng)中的電機應用 我們周圍的電機 我們周圍的電機舉例 1 3電機數(shù)字控制概述 一 電機的數(shù)字控制得以發(fā)展的基礎工控機 單片機 DSP PLC的發(fā)展集成電路的發(fā)展電力電子技術的發(fā)展先進控制策略 二 電動機的控制 1 簡單控制 小型電動機 對電動機的啟動 制動 正反轉控制可以用 繼電器 PLC 開關元件實現(xiàn) 2 復雜控制對電動機的轉速 轉角 轉矩 電壓 電流等物理量進行控制 而且有時往往需要非常精確的控制 應用廣泛 是電機控制的主流 軍事上 雷達天線 火炮瞄準 工業(yè)上 數(shù)控機床 工業(yè)機器人 計算機外圍設備 磁盤驅動器 光盤驅動器 繪圖儀 家用電器 錄音機 數(shù)碼照相機 洗衣機 電動自行車 1 3電動機數(shù)字控制概述 三 控制系統(tǒng)的硬件基礎常用微處理器及微型計算機工控機單片機數(shù)字信號處理器可編程控制器 1 3電動機數(shù)字控制概述 工控機 IndustrialPersonalComputer IPC 是一種加固的增強型個人計算機 它可以作為一個工業(yè)控制器在工業(yè)環(huán)境中可靠運行 早在80年代初期 美國AD公司就推出了類似IPC的MAC 150工控機 隨后美國IBM公司正式推出工業(yè)個人計算機IBM7532 由于IPC的性能可靠 軟件豐富 價格低廉 而在工控機中異軍突起 后來居上 應用日趨廣泛 目前 IPC已被廣泛應用于通訊 工業(yè)控制現(xiàn)場 路橋收費 醫(yī)療 環(huán)保及人們生活的方方面面工控機即工業(yè)控制計算機 但現(xiàn)在 更時髦的叫法是產業(yè)電腦或工業(yè)電腦 英文簡稱IPC 全稱IndustrialPersonalComputer 工控機通俗的說就是專門為工業(yè)現(xiàn)場而設計的計算機 1 3電動機數(shù)字控制概述 RACK 410S系列 RACK 400L系列 研祥 華北工控 研華等 國外的工控機西門子的很出名 常見工控機 1 采用符合 EIA 標準的全鋼化工業(yè)機箱 增強了抗電磁干擾能力2 采用總線結構和模塊化設計技術 CPU及各功能模塊皆使用插板式結構 并帶有壓桿軟鎖定 提高了抗沖擊 抗振動能力 3 機箱內裝有雙風扇 正壓對流排風 并裝有濾塵網用以防塵 4 配有高度可靠的工業(yè)電源 并有過壓 過流保護 5 電源及鍵盤均帶有電子鎖開關 可防止非法開 關和非法鍵盤輸入 6 具有自診斷功能 7 可視需要選配I O模板 8 設有 看門狗 定時器 在因故障死機時 無需人的干預而自動復位9 開放性好 兼容性好 吸收了PC機的全部功能 可直接運行PC機的各種應用軟件 10 可配置實時操作系統(tǒng) 便于多任務的調度和運行 11 可采用無源母板 底板 方便系統(tǒng)升級 底板可插接各種板卡 包括CPU卡 顯示卡 控制卡 I O卡等 IPC的技術特點 常用單片機 單片機是微型計算機發(fā)展的一個分支 是一種專門面向控制的微處理器件 故又稱之為微控制器 MicroControllerUnit MCU 單片機通常以單一芯片的形式出現(xiàn) 但是它已具有了微型計算機所包含的基本組成結構和特有的控制應用功能 是一種芯片級的微型計算機 單片機的使用環(huán)境及產品等級 1 軍用級運行溫度范圍為 50 125 適用于軍用品要求苛刻的應用環(huán)境 芯片的價格比較昂貴 例如Intel公司的MCS 51系列單片機MD80C51FB 型號以MD表示開頭的 M代表軍品 D代表直插封裝 2 商業(yè)級運行溫度范圍為0 70 主要限于機房 辦公及住宅環(huán)境 適用于民用產品 例如家電 玩具等 商業(yè)級產品價格低廉 品種齊全 應用最為廣泛 3 工業(yè)級早期的單片機產品大多為工業(yè)級 運行溫度范圍為 45 85 介于商業(yè)級和軍用級之間 適宜在工業(yè)生產環(huán)境下使用 其特點是可靠性遠高于商業(yè)級 但價格遠低于軍用級 MCS 51系列單片機的普通產品均屬于工業(yè)級 單片機的使用環(huán)境及產品等級 幾種常用的單片機 ATMEL公司的AVR單片機AVR單片機采用增強的RISC結構 使其具有高速處理能力 單片機工作電壓為2 7 6 0V 可以實現(xiàn)耗電最優(yōu)化 AVR的單片機廣泛應用于計算機外部設備 工業(yè)實時控制 儀器儀表 通訊設備 家用電器 宇航設備等各個領域 Motorola單片機世界上最大的單片機廠商其中典型的代表有 8位機M6805 M68HC05系列 8位增強型M68HC11 M68HC12 16位機M68HC16 32位機M683XX Motorola單片機的特點之一是在同樣的速度下所用的時鐘頻率較Intel類單片機低得多 因而使得高頻噪聲低 抗干擾能力強 更適合于工控領域及惡劣的環(huán)境 8051單片機8051單片機最早由Intel公司推出 其后 多家公司購買了8051的內核 使得以8051為內核的MCU系列單片機在世界上產量最大 應用也最廣泛 有人推測8051可能最終形成事實上的標準MCU芯片 MicroChip單片機主要產品是PIC16C系列和17C系列8位單片機 CPU采用RISC結構 運行速度快 低工作電壓 低功耗 較大的輸入輸出直接驅動能力 價格低 一次性編程 小體積 適用于用量大 檔次低 價格敏感的產品 在辦公自動化設備 消費電子產品 電訊通信 智能儀器儀表 汽車電子 金融電子 工業(yè)控制不同領域都有廣泛的應用 PIC系列單片機在世界單片機市場份額排名中逐年提高 發(fā)展非常迅速 幾種常用的單片機 C8051單片機美國Cygnal公司推出的C8051F系列單片機就是在MCS 51系列單片機基礎之上進行更新開發(fā)的一種產品 C8051F實際上是一種以8051為內核集成的混合信號系統(tǒng)級芯片 熟悉MCS 51系列單片機的工程技術人員可以很容易地掌握C8051F的應用技術并能進行軟件的移植 MSP430單片機MSP430系列單片機是美國德州儀器 TI 公司1996年開始推向市場的一種16位單片機 采用精簡指令集 是一種超低功耗的混合型單片機 MSP430系列單片機的主要特點是 具有極低的功耗 豐富的片內外設和方便靈活的開發(fā)手段 幾種常用的單片機 數(shù)字信號處理器DSP 通用DSP芯片的代表性產品包括TI公司的TMS320系列 AD公司ADSP21xx系列 MOTOROLA公司的DSP56xx系列和DSP96xx系列 AT T公司的DSP16 16A和DSP32 32C等單片器件 TI的三大主力DSP產品系列為C2000系列主要用于數(shù)字控制系統(tǒng) C5000 C54x C55x 系列主要用于低功耗 便攜的無線通信終端產品 C6000系列主要用于高性能復雜的通信系統(tǒng) C5000系列中的TMS320C54x系列DSP芯片被廣泛應用于通信和個人消費電子領域 返回本節(jié) 可編程控制器 PLC 可編程控制器 簡稱PLC 是采用微機技術制造的通用的自動控制設備 它能完成邏輯判斷 定時 計數(shù) 記憶和算術運算等功能 既能控制開關量 控制規(guī)模從幾十個點到上萬個點 它具有高可靠性 能適應工業(yè)現(xiàn)場的高溫 沖擊 振動等惡劣環(huán)境 特別適合于取代復雜的繼電器控制邏輯電路 PLC可用于單臺機電設備的控制 也可用于生產流水線的控制 使用者可以根據(jù)生產過程和工藝要求制定控制程序 然后將程序送入PLC 程序投入運行后 PLC就在現(xiàn)場輸入信號 行程開關 限位開關或其他傳感信號 的作用下 按照預先送入的程序 控制現(xiàn)場的執(zhí)行機構 電機 電磁閥等 按一定的規(guī)律動作 采用微型計算機技術制作的可編程控制器也是由CPU ROM RAM I O接口等構成的 但是它主要用于工業(yè)控制 提供給用戶的編程語句數(shù)量較少 邏輯簡單 如果要進行大量的數(shù)據(jù)采集和復雜的數(shù)據(jù)處理 往往就不太能適應了 目前 可編程控制器已從小規(guī)模的順序控制沒備朝著能適應過程控制和數(shù)值控制的方向發(fā)展 在數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理方面的功能越來越強 使用的范圍也越來越廣了 常用PLC品牌是西門子 三菱和歐姆龍 可編程控制器 PLC 電氣傳動數(shù)字控制的基本結構 從系統(tǒng)總體結構看 可以把用微機控制的電氣傳動系統(tǒng)看成是由兩個分系統(tǒng)組成的 如圖所示 兩個分系統(tǒng)之間通過信息交換連為一體 信息處理分系統(tǒng)從能量分系統(tǒng) 又可稱為對象系統(tǒng) 獲得各種狀態(tài)量信息 能量分系統(tǒng)接受來自信息處理分系統(tǒng)的控制信息 完成由電能到機械能的轉換 實現(xiàn)對工作機械的運動控制 電氣傳動微數(shù)字機控制的基本結構 能量分系統(tǒng)主要包括由電力電子功率變換器構成的功率驅動裝置 含有或不含有減速器機械傳動機構的電動機 以及系統(tǒng)中各種狀態(tài)量的檢測裝置 各種功率變換器在信息處理分系統(tǒng)輸出信息的控制下 將電網的交流電能變換成電動機所需要的交流或直流電能 電能變換的品質指標的優(yōu)劣直接影響到電動機的運行特性和傳動系統(tǒng)的性能 因此 能量分系統(tǒng)是電氣傳動裝置的重要組成部分之一 對各種功率變換器的微機控制是本課程重點討論內容之一 電氣傳動數(shù)字控制的基本結構 信息處理分系統(tǒng)由微機及其接口電路組成 它有兩種輸入信息 其一是接受由操作人員手動給出的或者由上級機的自動化功能裝置發(fā)出的操作量信息 包括給定 啟 停操作命令 與上級機的通訊命令 顯示或打印命令等等 圖中的 另一輸入信息是通過各類傳感器的變換電路送來的反映能量分系統(tǒng)運行狀況的各種狀態(tài)量信息 這些狀態(tài)量包括反饋量 監(jiān)測及故障診斷量等 圖中的 這兩種輸入信息由微機及時地收集 測量 到之后 按照一定的算法和程序實時地進行數(shù)學的和邏輯的判斷 運算 處理 并輸出控制信息量 圖中 通過對功率變換器的控制 實現(xiàn)對被控對象 電動機運行狀態(tài)的及時控制 以達到給定所要求的控制目標 信息處理分系統(tǒng)的另一輸出信息包括顯示 打印 聯(lián)鎖控制 故障切除以及向上級機傳送的有關信息等 電氣傳動數(shù)字控制的基本結構 電動機微機控制的優(yōu)點電動機控制技術由原來的模擬控制逐漸變?yōu)橐詥纹瑱C為主的微機控制 1 電路簡單2 可以實現(xiàn)復雜的控制3 具有較大的靈活性和適應性4 無零點漂移 控制精度高5 可提供人機界面 多機聯(lián)網工作 電氣傳動數(shù)字控制的基本結構 1 電氣傳動系統(tǒng)狀態(tài)量的檢測2 電機微機控制的軟件基礎3 步進電機的微機控制4 直流小功率位置伺服系統(tǒng)5 直流電動機調速系統(tǒng)的微機控制6 無刷直流電動機微機控制 本門課程主要介紹的內容 1 何耀三 電氣傳動的微機控制 重慶大學出版社2 李永東 交流電機數(shù)字控制系統(tǒng) 機械工業(yè)出版社3 李仁定 電機的微機控制 上海交通大學4 王曉明 電動機的單片機控制 北京航天航空大學5 陳伯時 電力拖動自動控制系統(tǒng) 機械工業(yè)出版社6 顧繩谷 電機及拖動基礎 機械工業(yè)出版社7 秦憶 現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng) 華中理工大學出版社 主要參考書