本书分为5篇,共10章,主要包括机电传动控制基础、继电接触器控制技术、PLC控制技术、电动机无级调速控制技术、系统设计,书后附有实用技术资料,包括控制电动机、低压电器元件、变频器的主要技术数据、常用图形/文字符号新旧标准对照、PLC重要信息等。本书可作为高等院校机械设计制造及其自动化专业和机械电子工程专业教材,也可供从事电气控制技术工作的工程技术人员参考。

第1篇机电传动控制基础




第1章绪论

1.1机电传动控制的目的和任务
机电传动也称电力拖动或电力传动,是指以电动机为原动机驱动生产机械的系统的总称。其目的是将电能转变成机械能,实现生产机械的启动/停止和速度调节,以满足生产工艺过程的要求,保证生产过程正常进行。因此,机电传动控制包括用于拖动生产机械的电动机以及电动机控制系统两大部分。
在现代化生产中,生产机械的先进性和电气自动化程度反映了工业生产发展的水平。现代化机械设备和生产系统已不再是传统的单纯机械系统,而是机电一体化的综合系统。机电传动控制已成为现代化机械的重要组成部分。机电传动控制的任务,从狭义上讲,是通过控制电动机驱动生产机械,实现产品数量的增加、产品质量的提高、生产成本的降低、工人劳动条件的改善以及能源的合理利用; 从广义上讲,则是使生产机械设备、生产线、车间乃至整个工厂实现自动化。
随着现代化生产的发展,生产机械或生产过程对机电传动控制的要求越来越高。例如: 一些精密机床要求加工精度达百分之几毫米,甚至几微米; 为了保证加工精度和粗糙度,重型镗床要求在极低的速度下稳定进给,因此要求系统的调速范围很宽; 轧钢车间的可逆式轧机及其辅助机械操作频繁,要求在不到1s的时间内就能完成正反转切换,因此要求系统能够快速启动、制动和换向; 对于电梯等提升机构,要求启停平稳,并能够准确地停止在给定的位置上; 对于冷、热连轧机或造纸机,要求各机架或各部分之间保持一定的转速关系,以便协调运转; 为了提**率,要求对由数台或数十台设备组成的自动生产线实行统一控制和管理。上述这些要求都要依靠机电传动控制来实现。
随着计算机技术、微电子技术、自动控制理论、精密测量技术、电动机和电器制造业及自动化元件的发展,机电传动控制正在不断创新与发展,如直流或交流无级调速控制系统取代了复杂笨重的变速箱系统,简化了生产机械的结构,使生产机械向性能优良、运行可靠、体积小、质量轻、自动化方向发展。因此,在现代化生产中,机电传动控制具有极其重要的地位。

1.2机电传动控制技术的发展
1.2.1传动方式的发展

机电传动及其控制系统总是随着社会生产的发展而发展。20世纪初,由于电动机的出现,使得设备的驱动方式发生了深刻的变革,电动机替代了蒸汽机。机电传动的发展大体上经历了成组拖动、单电机拖动和多电机拖动3个阶段。
1. 成组拖动
成组拖动是用一台电动机拖动一根天轴,然后再由天轴通过皮带轮和皮带分别拖动各生产机械,这种传动方式生产效率低、劳动条件差,一旦电动机发生故障,将造成成组的生产机械停车。
2. 单电机拖动
单电机拖动是用一台电动机拖动一台生产机械。较之成组拖动,单电机拖动简化了传动机构,缩短了传动路线,提高了传动效率,至今仍有一些中小型通用机床采用单电机拖动。
3. 多电机拖动
多电机拖动是指一台生产机械的每一个运动部件分别由一台专门的电动机拖动,例如龙门刨床的刨台、左右垂直刀架与侧刀架、横梁及其夹紧机构,均分别由一台电动机拖动,这种传动方式不仅大大简化了生产机械的传动机构,而且控制灵活,为生产机械的自动化提供了有利的条件,所以现代化机电传动基本上均采用这种传动形式。
1.2.2控制方式的发展
自从以电动机作为原动机以来,伴随着电气拖动的发展,机电传动控制方式的发展经历了以下几个阶段。
1. 继电接触器控制
*早的自动控制是20世纪20—30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启动、停车、调速、自动循环以及保护等控制。其优点是所用控制器件结构简单、价格低廉、控制方式直观、易于掌握、工作可靠、维护方便,在机电传动控制中得到广泛的应用。但是经过长期使用,这种控制方式的不足之处也日益显现,即体积大、功耗大、控制速度慢、改变控制程序困难; 由于是有触点控制,在控制系统复杂时可靠性降低。因此不适合对生产工艺及流程经常变化的机械进行控制。
2. 顺序控制器控制
在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,具有易于修改程序、通用性较强等优点,广泛用于组合机床和自动线上。
3. 可编程控制器
可编程控制器(PLC)是计算机技术与继电接触器控制技术相结合的产品。它是以微处理器为核心、顺序控制为主的控制器,不仅具有顺序控制器的特点,而且具有微处理器的运算功能。PLC 的设计以工业控制为目标,因而具有功率级输出、接线简单、通用性强、编程容易、抗干扰能力强、工作可靠等优点。它一经问世便以强大的生命力,迅速地占领了传统的控制领域。PLC的发展方向之一是微型、简易、价廉,以图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、对大规模复杂控制系统能进行综合控制。
4. 数字控制技术
数字控制技术(NC)是以数字化的信息,通过数控装置(专用或通用计算机)实现控制的技术,数控机床是其*典型的产品。数控机床集**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。早期的数控装置实质上就是一台专用计算机,由固定的逻辑电路来实现专门的控制运算功能,可以实现插补运算。
在数字控制的基础上,又出现了以下几种控制方式。
1) 计算机数字控制技术
计算机数字控制技术(CNC)利用小型通用计算机来实现数控装置的运算功能,其运算功能更强。
2) 加工**机床
加工**机床(MC)是采用计算机数字控制技术,集铣床、镗床、钻床三种功能于一体的加工机床,它单轴加工,配有刀库和自动换刀装置,大大地提高了加工效率,是多工序自动换刀数控机床。
3) 自适应数控机床
自适应数控机床(AC)可针对加工过程中加工条件的变化(如材料变化、刀具磨损、切削温度变化等),自动进行适应调整,使加工过程处于合理的*佳状态。自适应数控机床基于*优控制及自适应控制理论,可在扰动条件下实现*优。
4) 柔性制造系统
柔性制造系统(FMS)将一组数控机床与工件、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**计算机(上位机)统一管理,使生产多样化,为生产机械赋予柔性,可实现多级控制。FMS是适应中小批量生产的自动化加工系统。有些较大的FMS是由一些较小的FMS组成,而这些较小的FMS系统也称为柔性加工单元(FMC)。
5) 计算机集成制造系统
虽然柔性制造系统具有柔性,但是由于缺少计算机辅助设计等环节,因此不能保证“及时生产”(即边生产边设计)。计算机集成制造系统(CIMS)是在柔性制造系统的基础上,增加计算机辅助设计环节,从而使设计和制造一体化。它利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,从而既保证了生产的多样化,又能保证“及时生产”,使整个生产过程完全自动化。只要向CIMS系统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检验合格的产品。因此,CIMS是今后机电传动控制系统的发展方向。
1.3机电传动控制系统的组成和分类
1.3.1机电传动控制系统的组成

目录 CONTENTS 第1篇机电传动控制基础 第1章绪论 1.1机电传动控制的目的和任务 1.2机电传动控制技术的发展 1.2.1传动方式的发展 1.2.2控制方式的发展 1.3机电传动控制系统的组成和分类 1.3.1机电传动控制系统的组成 1.3.2机电传动控制系统的分类 习题与思考题 第2章控制电动机及其驱动 2.1伺服电动机 2.1.1直流伺服电动机及其驱动 2.1.2交流伺服电动机及其驱动 2.2步进电动机 2.2.1步进电动机的分类和工作原理 2.2.2步进电动机的特点 2.2.3步进电动机的运行特性和性能指标 2.2.4步进电动机的驱动与控制 习题与思考题 第2篇继电接触器控制技术 第3章继电接触器控制基础 3.1常用低压电器元件 3.1.1接触器和继电器 3.1.2保护电器 3.1.3信号电器 3.1.4开关电器 3.1.5主令电器 3.2电气原理图 3.2.1电气原理图的绘制原则 3.2.2电气原理图中的图形符号和文字符号 习题与思考题 第4章电动机的继电接触器控制 4.1单电动机的继电接触器控制 4.1.1电动机启动的继电接触器控制 4.1.2电动机正反转的继电接触器控制 4.1.3电动机制动的继电接触器控制 4.1.4其他控制 4.2多电动机的继电接触器控制 4.2.1电动机顺序启停控制 4.2.2按时间原则的电动机顺序启停控制 习题与思考题 第5章继电接触器控制系统设计 5.1继电接触器控制系统设计的基本原则 5.1.1**性原则 5.1.2经济性原则 5.1.3保护性原则 5.2低压电器元件的选择 5.2.1接触器的选择 5.2.2电磁式继电器的选择 5.2.3时间继电器的选择 5.2.4热继电器的选择 5.2.5熔断器的选择 5.2.6常用信号电器及其型号说明 5.2.7开关电器的选择 5.2.8主令电器的选择 5.3继电接触器控制系统设计方法及实例 5.3.1继电接触器控制系统设计方法 5.3.2继电接触器控制系统设计实例 习题与思考题 第3篇PLC控制技术 第6章PLC基础 6.1PLC概述 6.1.1PLC的产生和发展 6.1.2PLC的分类 6.1.3PLC的编程语言 6.1.4PLC控制与继电接触器控制的区别 6.1.5PLC的基本组成 6.1.6PLC的工作过程 6.2S7200系列PLC 6.2.1S7200系列PLC的模块 6.2.2S7200系列PLC的存储器单元 6.2.3S7200系列PLC的寻址方式 6.2.4S7200系列PLC的地址分配 6.2.5S7200系列PLC的编程软件 6.3S7200系列PLC常用指令 6.3.1S7200系列PLC的基本指令 6.3.2S7200系列PLC的数据处理指令 6.3.3S7200系列PLC的数学运算指令 6.3.4S7200系列PLC的程序控制指令 6.3.5S7200系列PLC的高速处理指令 6.3.6S7200系列PLC的PID回路控制指令 习题与思考题 第7章电动机的PLC控制 7.1单电动机的PLC控制 7.1.1电动机启动的PLC控制 7.1.2电动机正反转的PLC控制 7.1.3电动机制动的PLC控制 7.2多电动机的PLC控制 7.2.1手动操作电动机顺序启停控制 7.2.2手动/自动操作电动机顺序启停控制 7.2.3自动操作电动机顺序启停控制 习题与思考题 第8章PLC控制系统设计 8.1PLC控制系统设计的基本步骤 8.2PLC控制系统设计的主要内容 8.2.1PLC控制系统硬件设计 8.2.2PLC控制系统软件设计 8.3PLC控制系统设计实例 习题与思考题 第4篇电动机无级调速控制技术 第9章直流电动机无级调速控制 9.1电动机调速的基本概念和性能指标 9.1.1电动机调速的基本概念 9.1.2电动机调速的性能指标 9.2直流电动机无级调速系统 9.2.1直流电动机的无级调速及其调速特性 9.2.2晶闸管电动机直流调速系统 习题与思考题 第10章交流电动机无级调速控制 10.1三相异步电动机调速系统的基本类型 10.2三相异步电动机无级调速系统 10.2.1变压调速系统 10.2.2串级调速系统 10.2.3变频调速系统 10.3异步电动机矢量变换控制 10.4变频器 10.4.1变频器的分类与基本结构 10.4.2正弦波脉宽调制变频器 10.4.3变频器的使用与选择 10.4.4西门子MM440通用型变频器 习题与思考题 第5篇系 统 设 计 第11章机电传动控制系统设计 11.1机电传动控制系统设计的基本原则 11.2机电传动控制系统设计的一般步骤和主要内容 11.3机电传动控制系统设计要点 11.4机电传动控制系统设计实例 习题与思考题 附录A控制电动机技术数据 附录B电气简图常用图形符号 附录C常用低压电器元件主要技术数据 附录DS7200系列PLC重要信息 附录EMM440变频器技术数据 参考文献