机电一体化教案5-16K

机电一体化教案（讲稿）第五章淮南联合大学教师授课教案教学过程及时间分配：5.1.1 顺序控制与时间控制的基本概念1.顺序时间控制的主要特点：①具有对动作顺序的一定要求②具有记忆功能（对控制顺序有条件约束）2.顺序时间控制信号的特点：①仅仅对离散信号进行处理控制②对可能出现的模拟信号应首先进行模数转换，转化为离散信号再处理③仅仅对离散信号进行定性处理3.小结与定义顺序时间控制是借助于记忆元件，对离散信号进行定性的关于动作顺序及时间时序配合处理的自动控制过程4. 两个关键问题：①控制工作状态的设计②动作过程的时序处理顺序时间控制例：多级平皮带传送设备控制5.1.2顺序控制与时间控制的系统组成1. 控制器：关键部件，接受输入信号并判断分析加工，输出符合要求的控制信号，顺序、时序、记忆的控制过程均由该部件功能体现2. 输入接口：接受来自现场的状态和命令信号，进行点评和数据格式转换后传送给控制器3. 输出接口：将控制信号传送给执行部件，同时完成输出信号的功率放大、隔离及电平转换4.检测部分：防止系统软、硬件故障引发的事故，保证系统正常高运行，（本例可在执行部件装备速度传感器，工作中只有当上一级的运输带运动正常，速度继电器的动作信号才可以启动下一级的运输带电机——闭环控制系统5.显示与报警：调试，运行监控，故障提示的辅助功能部件5.1.3 顺序控制与时间控制系统的分类1. 继电器控制系统：由继电接触及其相关的有触点硬件元件组成的硬件控制器2. 无触点逻辑元件控制系统由晶体二极管和三极管开关元件组成的硬件控制器3. 数字集成电路控制系统由中小规模的数字集成电路逻辑单元组成的硬件控制器4. 矩阵式逻辑控制系统：在数字集成电路控制起的基础上扩展的具有一定的柔性控制功能的集成逻辑控制器5. 可编程控制器控制系统：以计算机控制为基础的通用柔性工业控制器6. 计算机控制系统：以计算机硬件为基础，开发专用控制接口和控制软件组成的控制系统5.1.4 顺序控制与时间控制的实例1.液压自动上料装置（1）控制要求：1.启动后向右移向料仓在SQ1停2.延时n秒装料结束，向左移向加工位置，在SQ2停3.P秒后再次向左，反复循环4.KP作系统压力检测5.停止时运动立即静止（2）工作原理图：（3）液压自动上料装置---继电器控制系统电路（4）液压自动上料装置---单片机控制系统（5）液压自动上料装置---PLC控制系统多级皮带运输传送设备的作原理及控制要求顺序时间控制系统构成原理往复运动液压工作台系统原理往复运动液压工作台继电器控制系统原理往复运动液压工作台单片机控制系统原理往复运动液压工作台PLC控制系统原理其他：①相关标题，主要内容要点等按常规进行书写②要求板书清晰整洁美观，图面大小适度规范，无错字别字和不规范文字符号作业：1．简述往复运动液压工作台单片机控制系统的硬件促成特点和工作原理2．简述往复运动液压工作台继电器控制系统的硬件促成特点和工作原理课后教学小结：1．讲清时间顺序控制的概念和基本原理，有助于后续教学内容的讲授2．通过对比方法讲述时间顺序控制继电器、单片机、PLC系统的特点，有助于对时间顺序控制的的认识和理解3．通过课件图片和加工过程录相资料片的播放，加深对时间顺序控制系统的感性理解淮南联合大学教师授课教案教学过程及时间分配：5.2 速度控制5.2.1 步进电机的速度控制1. 步进电机的技术特点：①角位置控制精度高，步距角0.36度～90度/步②无累积误差③转速和输入的脉冲频率成正比④角位移量严格的和脉冲的数量成正比⑤转动方向和绕组的通电方式有关⑥直接将计算机数字信号转换为方向，位置，速度机械信号⑦无需任何检测，即可组成开环轨迹数字控制系统⑧在计算机外设，经济型数控技术中广泛应用⑨输出转矩，运行速度，噪音等技术指标低于交流，直流伺服电机2. 步进电机结构和工作原理按电磁吸引原理工作（以反应式步进电机为例）反应式步进电机的定子上有磁极，每个磁极上有激磁绕组，转子无绕组，有周向均布的齿，依靠磁极对齿的吸合工作。

两个相对的磁极组成一相。

注意：这里的“相”和三相交流电中的“相”的概念不同。

步进电机通的是电脉冲，主要是指线图的联接和组数的区别。

步进电机的工作方式(通电顺序)可分为：三相单三拍、三相六拍、三相双三拍等。

1）三相单三拍：（1）三相绕组联接方式：Y 型（2）三相绕组中的通电顺序为： A 相相相C 相相相三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过 30 。

（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序。

(3）每次定子绕组只有一相通电，在切换瞬间失去自锁转矩，容易产生失步，只有一相绕组产生力矩吸引转子，在平衡位置易产生荡。

（4）输出转矩小3)三相双三拍工作方式及特定子绕组通电顺序为AB→BC→CA→AB…（转子逆时针旋转）AC→BC→CA→…（转子顺时针旋转）有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引，每步仍旋转30°。

特点：始终有一相定子绕组通电，工作比较平稳。

避免了单三拍通电方式的缺点，步距角大于三相六拍方式。

2)三相六拍工作方式通电顺序为：六拍。

三相六拍的特点通电顺序A→AB→B→BC→C→CA→A…（逆时针）A→AC→C→BC→B→CA→A…（顺时针）每步转过15°，步距角是三相三拍工作方式的一半，特点：电机运转中始终有一相定子绕组通电，运转比较平稳。

输出转矩大，同样结构电机步距角小，控制精度高。

步进电机组成（开环）伺服系统应用特点采用功率步进电机没有位移检测反馈装置的数控机床。

数控装置发出的控制指令直接通过驱动装置控制功率步进电机的运转，然后通过机械传动系统转化成刀架或工作台的位移。

机床结构简单，制造成本较低，价格便宜，在我国有广泛的应用。

但是，由于这种控制系统没有检测反馈，无法通过反馈自动进行误差检测和校正，因此位移精度一般不高。

步进电机的速度控制²步进电机是开环伺服系统（步进式伺服系统）的驱动元件。

²功率步进电机盛行于20世纪70年代，控制系统结构简单、控制容易、维修方便， ²控制为全数字化（即数字化的输入指令脉冲对应着数字化的位置输出），除功率驱动电路之外，其它硬件电路均可由软件实现，从而简化了系统结构，降低成本，提高了系统的可靠性。

²步进电机是一种用电脉冲信号进行控制、并将电脉冲信号转换成角位移的执行器。

²每给步进电机输入一个电脉冲信号，其转轴就转过一个角度，称为步距角， (1)来一个脉冲，转一个步距角。

(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。

(3)改变脉冲顺序，改变方向。

（4）控制脉冲数量，可控制电机角位移量。

步进电机的速度控制硬件系统步进电机功率驱动器1）单电源驱动电路这种电路采用单一电源供电，结构简单，成本低，但电流波形差，效率低，输出力矩小，主要用于对速度要求不高的小型步进电动机的驱动，图5-19所示步进电动机的一相绕组驱动电路（每相绕组的电路相同）。

当环形分配器的脉冲输入信号uU 为低电平（逻辑0，约1V ）时，虽然VT 1、VT 2管都导通，但只要适当选择R l 、R 3、R 5的阻值，使U b3<0（约为-1V ），那么VT 3管就处于截止状态，该相绕组断电。

当输入信号u U 为高电平3.6V （逻辑1）时。

U b3>0（约为0.7V ），VT 3管饱和导通，该相绕组通电。

2）双电源驱动电路速度模式要求：（1）如果加工速度低于电机的最高允许起动频，则可直接起/停，无须进行加减速控制 （2）如果加工速度高于电机的最高允许起动频，则不可直接起/停，必须须进行加减速控制 ※直接启动会丢步※直接停止会因系统惯性原因超程 （3）正确的速度曲线模式：启动—— 加速至工作速度—— 恒速进给—— 减速至最高允许起动频以下—— 停止2）升降速度方式（1）直线规律升降速：处理简单（1）指数规律升降速：处理复杂，但根据步进电机的矩频特性，速度越高转矩越低，所以随速度上升，转矩下降，增速的幅度应随之减小，指数规律升降速曲线符合要求3）处理方法（1）原则上是改变脉冲周期（2）可以通过修改定时计数器的装载初值改变脉冲周期（3）一般将离散的初值数据组固化在EPROM中调用，以提高效率（4）设计升降速度方式控制程序应该考虑：①加减速曲线斜率②升速的总步数③恒速的总步数④降速的总步数5.2.2直流伺服电机的速度控制直流伺服电动机具有良好的调速特性，较大的起动转矩，相对功率大及快速响应等优点。

尽管其结构复杂，成本较高，在机电控制系统中作为执行元件还是获得了广泛的应用。

直流电机作为驱动元件的伺服系统称为直流伺服系统。

因为直流伺服电机实现调速容易，为一般交流电机所不及，尤其是他励和永磁直流伺服电机，其机械特性比较硬，所以直流电机自20世纪70年代以来，在数控机床上得到了广泛的应用。

直流伺服电动机按激磁方式可分为电磁式和永磁式两种。

电磁式的磁场由激磁绕组产生；永磁式的磁场由永磁体(永久磁铁)产生。

电磁式直流伺服电动机是一种目前巳普遍使用的伺服电动机，特别是在大功率范围内(100w以上)。

永磁式直流伺服电动机由于尺寸小、重量轻、效率高、出力大、结构简单，无需激磁等一系列优点而被越来越重视。

一、特点1、稳定性好2、可控性好3、响应迅速4、控制功率低，损耗小5、转矩大主要类型根据磁场产生的方式：直流电机可分为他励式、永磁式、并励式、串励式和复励式五种。

永磁式用氧化体、铝镍钴、稀土钴等软磁性材料建立激磁磁场。

按结构：直流伺服电机有一般电枢式、无槽电枢式、印刷电枢式、绕线盘式和空心杯电枢式等，无刷直流伺服电机。

根据控制方式：直流伺服电机可分为磁场控制方式和电枢控制方式。

永磁直流伺服电机只能采用电枢控制方式，一般电磁式直流伺服电机大多也用电枢控制方式。

在机电一体化设备中：进给系统常用的直流伺服电机主要有以下几种：1．小惯性直流伺服电机2．大惯量宽调速直流伺服电机（较多采用）直流伺服电机的工作原理直流电机是由磁极（定子）、电枢（转子）和电刷与换向片三部分组成。

以他励式直流伺服电机为例，研究直流电机的机械特性。

直流电机的工作原理是建立在电磁定律的基础上，即电流切割磁力线，产生电磁转矩，如图7-14所示。

电磁电枢回路的电压平衡方程式为：a a a a R I E U += （7-2）MI aI fU fU a（a ） 工作原理 （b ） 等效电路图7-14 他励直流电机工作原理图式中 R a ——电机电枢回路的总电阻； U a ——电机电枢的端电压；I a ——电机电枢的电流；E a ——电枢绕组的感应电动势。

当励磁磁通Φ恒定时，电枢绕组的感应电动势与转速成正比，则n C E E a Φ= （7-3）式中 CE ——电动势常数，表示单位转速时所产生的电动势； n ——电机转速。