《机电传动控制教学课件（共9章）第一章 概述》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机电传动控制教学课件（共9章）第一章 概述（50页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、机 电 传 动 控 制第一章 概述 第一节 机电传动控制目的和任务 第二节 机电传动控制系统的发展 第三节 机电一体化系统的基本要素和功能 第四节 控制系统的基本概念 第五节 机电一体化系统的设计方法 第一节 机电传动控制目的和任务 机电传动控制又称电力传动控制或电力拖动控制，它的基本目的是将电能转化为机械能，并通过对其控制完成生产工艺过程的要求。 在现代工业中，为了实现生产过程自动化的要求，机电传动不仅包括拖动生产机械的电动机，而且还包含控制电机的一整套控制系统，也就是说，现代机电传动控制是由各种传感与检测元件、信息处理元件和控制元件组成的自动控制系统。根据现代化生产的要求，机电传动控制系统
2、所要完成的任务，从广义上讲，就是要使生产机械设备、生产线、车间，甚至整个车厂都实现自动化及智能化。 随着科学技术的发展，对机电传动控制系统提出了越来越高的要求，例如新一代CNC系统就是以“高速化、高精度、高效率、高可靠性”为满足生产急需而诞生的。它采用32位或者64位CPU结构，以多总线连接，高速数据传递。因而，在相当高的分辨力（0.1m）情况下，系统仍有高速度（100m/min），可控铣削加工中心及联动坐标达16轴，并且有丰富的图形功能和自动程序设计功能。如瑞士米克朗五轴联动的主轴转速最高可达600000r/min，重复定位精度1m；用于电子元器件贴装的高速贴片机的贴片速度可达2000片/m
3、in。又如，法国IBAG公司的磁悬浮轴承支承的高速主轴最高转速可达15104r/min，加工中心换刀速度快达1.5s等，这些高性能都是依靠机电传动控制来实现的。 第二节 机电传动控制系统的发展 最早的自动控制是20世纪2030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。该方式的优点包括所使用的控制器件结构简单、价廉、操控方式直观、易掌握、工作可靠、易维护等，因此，在设备控制上得到了广泛的应用。但是，经过长期的使用，人们发现这种控制方式存在许多的不足之处，如体积大、功能大、控制速度慢、改变控制程序困难。由于采用有触点控制，在控制系统复杂时可靠性降
4、低。所以，不适合生产工艺及流程经常变化的控制场合。一、继电接触器控制 第二节 机电传动控制系统的发展 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，具有程序改变容易、通用性好等优点，被广泛用于组合机床、自动生产线上。后来随着微电子技术和计算技术的发展，电气控制技术的发展出现了两个分支：可编程序控制器和数字控制技术。今天他们已成为典型的机电一体化产品和技术。二、顺序控制器控制 第二节 机电传动控制系统的发展 可编程序控制器（PLC）是计算机技术与机电接触器控制技术相结合的产物。它是以微处理器为核心，以顺序控制为主的控制器，不仅具有顺序控制器的
5、特点，而且还具有微处理器的运算功能。PLC的设计以工业控制为目的，因而具有功率级输出、接线简单、通用性好、编程容易、抗干扰能力强、工作可靠等一系列优点。它一经问世就以强大的生命力，大面积地占领了传统的控制领域。PLC的一个发展方向是微型、简易、价廉，以适应单机控制和机电一体化相结合的控制器，使PLC更广泛的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，实现PLC与管理计算机之间的通信网络，形成多层分布控制系统，对大规模复杂控制系统进行综合控制。三、可编控制器控制（PLC） 第二节 机电传动控制系统的发展 电气控制技术发展的另一个分支为数字控制技术，它是通过数控装置（专用
6、或通用计算机）实现控制的一种技术，它最典型的产品就是数控装置。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。最初的数控装置实质上是一台专用计算机，由固定的逻辑电路来实现专门的控制运算功能，进行插补运算。 在数字控制的基础上，又出现了以下几种高级的电气控制方式。四、数字控制技术（NC） 第二节 机电传动控制系统的发展 计算机数字控制技术（CNC）将数控装置的运算功能采用小型通用计算机来实现，运算功能更强，加工中心机床采用的就是这种控制技术。五、计算机数字控制技术（CNC） 第二节 机电传动控制系统的发展 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
7、体的加工机床。它配有刀库和自动换刀装置，大大提高了加工效率，是多工序自动换刀数控机床。六、加工中心机床（MC） 第二节 机电传动控制系统的发展 自适应数控机床可针对加工过程中加工条件的变化（材料变化、刀具磨损、切削温度变化等），做自动适应调整，使用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。七、自适应数控机床（AC） 第二节 机电传动控制系统的发展 柔性制造系统将一群数控机床与工件、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，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
8、自动化加工系统，有些较大的FMS由一些很小的FMS组成，而这些较小的FMS就称为柔性加工单元。八、柔性制造系统（FMS） 第二节 机电传动控制系统的发展 柔性制造系统虽具有柔性，但不能保证及时生产（边设计边生产），因为缺少计算机辅助设计等环节。在柔性制造的基础上，再加上计算机辅助设计环节，使设计与制造一体化，便形成了计算机集成制造系统。它是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，从而保证生产既多样化，又能“及时生产”，从而使整个生产过程完全自动化。CIMS是根据系统工程的观点将整个车间或工厂作为一个系统，用计算机对产品的设计、制造、装配和检验的全过程实行管理和控制。因此
9、，只要在CIMS中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过检验合格的产品。可以说，CIMS是机电传动控制发展的方向。 综上所述，可以看到当今的机电传动控制技术是微电子、电力电子、计算机、信息处理、通信、检测、过程控制、伺服传动、精密机械及自动控制等多种技术相互交叉、相互渗透、有机结合而成的一种机电一体化综合性技术。九、计算机集成制造系统（CIMS） 第三节 机电一体化系统的基本要素和功能 机械是由机械零件组成的、能够传递运动并完成某些有效的工作装置。机械由输入部分、转换部分、传动部分、输出部分及固定安装部分组成等。通用的传递运动的机械零件有齿轮、齿条、链条、蜗杆、蜗轮、带、带轮、
10、曲柄及凸轮等零件和部件组成。两个零件互相接触并相对运动就形成了运动副。由若干的运动副组成的具有确定运动的装置称为机构。就传动而言，机构就是传动链。 为了实现机电一体化系统整体最佳的目标，从系统动力学方面来考虑，传动链越短越好。因为在传动副中存在“间隙非线性”，根据理论分析，这种间隙非线性会影响系统的动态性能和稳定性。另外，传动件本身的转动惯量也会影响系统的响应速度及系统的稳定性。数控机床中之所以存在“半闭环控制”，其原因就在于此。 据此，提出了“轴对轴转动（d-d传动）”，如电动机直接传动机床的主轴，轴就是电动机的转子，从而出现了各种电主轴。这对执行装置提出了更高的要求：如机械装置、执行装置、
11、及驱动装置之间的协调与匹配问题。必须保留一定的传动件时，应在满足强度和刚度的前提下，力求传动装置细、小、巧，这就要求采用特种材料和特种加工工艺。一、机械装置（结构功能） 第三节 机电一体化系统的基本要素和功能 执行装置包括以电、气压和液压等作为主力源的各种原器件及装置。例如，以电作为动力源的直流电动机、直流伺服电动机、三相交流异步电动机、变频三相交流电动机、三相交流永磁伺服电动机、步进电动机、比例电磁铁、电磁粉末离合器/制动器、电动调节阀及电磁泵等；以气压作为动力源的气动马达和气缸；以液压作为动力源的液压马达和液压缸等。 选择执行装置时，要考虑执行装置与机械装置之间的协调与匹配，如在需要低速、
12、大推力或大转矩的场合下，可考虑选用液压缸或液压马达。 为了实现机电传动控制系统整体的最佳目标，实现各个要素之间的最佳匹配，已经研制出将电动机与专用控制芯片、传感器或减速器等合为一体的装置，如德国西门子公司的变频器与电动机一体化的高频电动机，日本东芝公司的电动机和传感一体化的永磁电动机等。 近年来，出现了许多新型驱动装置，如电压驱动器、超声波驱动器、静电驱动器、机械化学驱动器、光热驱动器、光化学驱动器、磁致伸缩驱动器、磁性流体驱动器、形状记忆合金驱动器等。特别是一些微型驱动器的出现，如直径为0.1mm的静电驱动器，这些新的机电传动技术的出现大大促进了微电子机械的发展。二、执行装置（驱动功能和能量
13、转换功能） 第三节 机电一体化系统的基本要素和功能 传感器是从被检测对象中提取信息的器件，用于检测机电传动控制系统工作时所要监视和控制的物理量、化学量和生物量。大多数传感器是将被检测的非电量转换为电信号，用于显示和构成闭环控制系统。 传感器的发展趋势是数字化、集成化和智能化。为了实现机电传动控制系统的整体优化，在选用或研制传感器时，要考虑传感器与其他要素之间的协调与匹配。例如，集传感检测、变送、信息处理及通信等功能为一体的智能化传感器，已广泛用于现场总线控制系统。三、传感器与检测装置（检测功能） 第三节 机电一体化系统的基本要素和功能 动力或能源是指驱动电机的“电源”、驱动液压系统的液压和驱动
14、气压系统的气压源。驱动电动机常用的“电源”包括直流调速器、变频器、交流伺服驱动器及步进电动机驱动器等。液压源通常称为液压站，气压源通常称为空压站。使用时应注意动力与执行器、机械部分的匹配。四、动力源（运转功能） 第三节 机电一体化系统的基本要素和功能 机电传动控制系统的核心是信息处理与控制。机电传动控制系统的各个部分必须以控制论为指导，由控制器（继电器、可编程序控制器、微处理器、单片机、计算机等）实现协调与匹配，是整体处于最优工况，实现响应的功能。在现代机电一体化产品中，机电传动系统中控制部分的成本已占总成本的50%。特别是近年来的微电子技术、计算机技术的迅速发展，目前，越来越多的控制器使用具
15、有微处理器、计算机的控制系统，输入/输出，通讯功能也越来越强大。五、信息处理与控制装置（控制功能） 第四节 控制系统的基本概念 控制系统通常由控制装置（控制器）和被控对象两大部分组成。其中，被控对象是指系统中需要加以控制的机器、设备或生产过程；控制器是指能够对被控制对象产生控制作用的设备总体。控制系统的任务就是使被控制的物理量按照预先给定的控制规律变化。控制系统的控制有人工控制和自动控制。 如果控制的任务直接由人工来完成、那么就称为人工控制，如图1-2所示。一、控制系统的基本概念工作原理图1-2 人工控制系统框图 第四节 控制系统的基本概念 如果控制的任务再没有人直接参与的情况下有一些自动控制
16、装置来完成，那么就称为自动控制。用技术装置和工程描述语言对图1-2进行替换，就得到如图1-3所示的自动控制系统框图。一、控制系统的基本概念工作原理图1-3 自动控制系统框图 第四节 控制系统的基本概念 通常，工作对象对应被控对象；实际执行结果对应被控量；期望达到目标对应给定量；分析与决策对应实现比较/计算功能的控制装置或计算机系统；人工测量对应测量元件或传感器及变速装置；执行机构对应操纵改变被控对象物理参量的执行装置。 从图1-2和图1-3中可以看出，控制装置应具备的三种基本功能是测量、计算和执行，并分别由相应的元器件来完成；系统控制的来源有三个，即给定量、干扰和被控量，是完成控制的主要依据。通过以上的分析，可以得出自动控制的基本步骤；按给定量进行操纵、测量元件将误差反馈给控制装置，控制装置按干扰造成的偏差进行补偿控制。其中，无反馈补偿控制装置的系统为开环控制方式，有反馈控制补偿控制装置的系统属于闭环控制方式。下面以实例分别来介绍这两种控制方式及其特点。一、控制系统的基本概念工作原理 第四节 控制系统的基本概念1.开环控制系统 如果系统的输出量和输入量之间没有反馈作用，输出量对系统的控
