《电气传动数字控制概述.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电气传动数字控制概述.ppt（40页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、电气传动数字控制系统,第一章 概述,第一章 概述,1.1 电气传动技术概述1.2 电机概述1.3 电机数字控制概述,电气传动技术以运动机械的驱动装置电动机为控制对象，以微电子装置为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成电气传动自动控制系统，控制电动机的转矩和转速，将电能转换成机械能，实现工作机械的旋转运动或往复运动。电气传动系统亦即运动控制系统。1.把转速作为被控参数的称为调速系统。2.把直线位移或角位移作为被控参数称为位置随动系统。3.带动工作机械的原动机是直流电动机，则称为直流电气传动。4.带动工作机械的原动机是交流电动机，则称为交流电气传动。,1.1电气传动技
2、术概述,通信、计算机、软件等信息（大脑、神经）电气传动技术（肌肉和骨骼）机器（四肢）,1.1电气传动技术概述,1.2 电机概述,一、电机的概念 电机是一种能实现机电能量转换的电磁装置，是电动机和发电机的统称。将电能转换为机械能的电机称为电动机；将机械能转换为电能的电机称为发电机。工作原理：电磁感应定律、电磁力定律及电流的磁效应。构造的一般原则：用适当的导磁和导电材料构成能互相进行电磁感应的电路和磁路，以产生电磁功率和电磁转矩，达到能量转换的目的。,二、电机的分类 按照能量转换方式分 电动机将电能转换为机械能 发电机将机械能转换为电能 电能转换装置将一种形式的电能转换为另一种形式的电能，包括变压
3、器(输入和输出的电压不同)、变频器(输入和输出的频率不同)、移相器(输入和输出的相位不同)。控制电机不以功率转换为主要职能，在电气、机械系统中起调节、放大和控制作用。（测速 伺服）,1.2 电机概述,根据运动方式分 旋转电机产生旋转运动 静止电机不产生运动 直线电机产生直线(应用：物流传输 数控机床 办公 磁悬浮列车）根据供电电源分 直流电机使用或产生直流电 交流电机使用或产生交流电 在交流电机中，根据供电电源相数的不同，又可将电机分为单相电机和三相电机。,1.2 电机概述,根据同步速度分 直流电机没有固定的同步速度的电机 变压器静止设备 同步电机转速等于同步速度的电机 感应电机作为电动机运行
4、时，速度总低于同步速；作为发电机运行时，速度大于同步速,1.2 电机概述,1.2 电机概述,电能是现代生产和人们生活中最主要的能源，而电能的生产、输送、转换及使用过程中的核心设备就是电机，所以电机在国民经济各行各业以及人们的日常生活中的应用都非常广泛。现在有90%以上的动力源来自于电动机，我国生产的电能大约有60%用于电动机。电动机与人们的生活息息相关。,电能的生产，传输和分配,水电站截面图,水电站大坝,变电站及输电线路,电力传输过程,发电机发出的电能首先经升压变压器升高到输电电压，进行高压远距离输电，到了用户端，再通过降压变压器将电压降低到用户所需电压，供用户使用。在电能的生产、输送、分配和
5、消费中，发电机、变压器、电力线路、负载和开关设备等连接在一起，构成了统一整体，即电力系统。在电力系统中，作为与电能的生产、输送、分配及使用有关的能量转换装置发电机和变压器，是电力系统中最重要的设备。,拖动生产机械如金属切削、矿山机械、交通运输机械、起重机械、化工机械、农用机械、电动工具、家用电器等。,驱动生产机械和装备,电动机的应用,控制系统和智能化装置的重要元件,控制系统中的电机应用,我们周围的电机,我们周围的电机举例：,1.3 电机数字控制概述,一、电机的数字控制得以发展的基础 工控机、单片机、DSP、PLC的发展 集成电路的发展 电力电子技术的发展 先进控制策略,二、电动机的控制：1.简
6、单控制（小型电动机）对电动机的启动、制动、正反转控制 可以用：继电器、PLC、开关元件实现。2.复杂控制 对电动机的转速、转角、转矩、电压、电流等物理量进行控制，而且有时往往需要非常精确的控制。应用广泛，是电机控制的主流。军事上：雷达天线、火炮瞄准；工业上：数控机床、工业机器人；计算机外围设备：磁盘驱动器、光盘驱动器、绘图仪；家用电器：录音机、数码照相机、洗衣机、电动自行车。,1.3 电动机数字控制概述,三、控制系统的硬件基础 常用微处理器及微型计算机 工控机 单片机 数字信号处理器 可编程控制器,1.3 电动机数字控制概述,工控机（Industrial Personal ComputerIP
7、C）是一种加固的增强型个人计算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。早在80年代初期，美国AD公司就推出了类似IPC的MAC-150工控机，随后美国IBM公司正式推出工业个人计算机IBM7532。由于IPC的性能可靠、软件丰富、价格低廉，而在工控机中异军突起，后来居上，应用日趋广泛。目前，IPC已被广泛应用于通讯、工业控制现场、路桥收费、医疗、环保及人们生活的方方面面 工控机即工业控制计算机，但现在，更时髦的叫法是产业电脑或工业电脑，英文简称IPC，全称Industrial Personal Computer。工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机。,1.3 电动机数字控制
8、概述,RACK-410S 系列,RACK-400L 系列,研祥、华北工控、研华等。国外的工控机西门子的很出名,常见工控机,1、采用符合“EIA”标准的全钢化工业机箱，增强了抗电磁干扰能力2、采用总线结构和模块化设计技术。CPU及各功能模块皆使用插板式结构，并带有压杆软锁定，提高了抗冲击、抗振动能力。3、机箱内装有双风扇，正压对流排风，并装有滤尘网用以防尘。4、配有高度可靠的工业电源，并有过压、过流保护。5、电源及键盘均带有电子锁开关，可防止非法开、关和非法键盘输入。6、具有自诊断功能。7、可视需要选配I/O模板。8、设有“看门狗”定时器，在因故障死机时，无需人的干预而自动复位9、开放性好，兼容
9、性好，吸收了PC机的全部功能，可直接运行PC机的各种应用软件。10、可配置实时操作系统，便于多任务的调度和运行。11、可采用无源母板（底板），方便系统升级。（底板可插接各种板卡，包括CPU卡、显示卡、控制卡、I/O卡等。）,IPC的技术特点：,常用单片机,单片机是微型计算机发展的一个分支，是一种专门面向控制的微处理器件，故又称之为微控制器(Micro Controller Unit，MCU)。单片机通常以单一芯片的形式出现，但是它已具有了微型计算机所包含的基本组成结构和特有的控制应用功能，是一种芯片级的微型计算机。,单片机的使用环境及产品等级,1.军用级运行温度范围为-50+125，适用于军用
10、品要求苛刻的应用环境，芯片的价格比较昂贵。例如Intel公司的MCS-51系列单片机MD80C51FB。型号以MD表示开头的，M代表军品，D代表直插封装。,2.商业级运行温度范围为070，主要限于机房、办公及住宅环境，适用于民用产品，例如家电、玩具等。商业级产品价格低廉，品种齐全，应用最为广泛。3.工业级早期的单片机产品大多为工业级，运行温度范围为4585，介于商业级和军用级之间，适宜在工业生产环境下使用。其特点是可靠性远高于商业级，但价格远低于军用级。MCS-51系列单片机的普通产品均属于工业级。,单片机的使用环境及产品等级,几种常用的单片机,ATMEL公司的AVR单片机 AVR单片机采用增
11、强的RISC结构,使其具有高速处理能力,单片机工作电压为2.7-6.0V,可以实现耗电最优化。AVR的单片机广泛应用于计算机外部设备,工业实时控制,仪器仪表,通讯设备,家用电器,宇航设备等各个领域。Motorola单片机 世界上最大的单片机厂商其中典型的代表有:8位机M6805,M68HC05系列,8位增强型M68HC11,M68HC12,16位机M68HC16,32位机M683XX.Motorola单片机的特点之一是在同样的速度下所用的时钟频率较Intel类单片机低得多,因而使得高频噪声低,抗干扰能力强,更适合于工控领域及恶劣的环境.,8051单片机 8051单片机最早由Intel公司推出,
12、其后,多家公司购买了8051的内核,使得以8051为内核的MCU系列单片机在世界上产量最大,应用也最广泛,有人推测8051可能最终形成事实上的标准MCU芯片.MicroChip单片机 主要产品是PIC 16C系列和17C系列8位单片机,CPU采用RISC结构,运行速度快,低工作电压,低功耗,较大的输入输出直接驱动能力,价格低,一次性编程,小体积.适用于用量大,档次低,价格敏感的产品.在办公自动化设备,消费电子产品,电讯通信,智能仪器仪表,汽车电子,金融电子,工业控制不同领域都有广泛的应用,PIC系列单片机在世界单片机市场份额排名中逐年提高.发展非常迅速。,几种常用的单片机,C8051单片机 美
13、国Cygnal公司推出的C8051F系列单片机就是在MCS-51系列单片机基础之上进行更新开发的一种产品。C8051F实际上是一种以8051为内核集成的混合信号系统级芯片。熟悉MCS-51系列单片机的工程技术人员可以很容易地掌握C8051F的应用技术并能进行软件的移植。MSP430单片机 MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)公司1996年开始推向市场的一种16位单片机，采用精简指令集，是一种超低功耗的混合型单片机。MSP430系列单片机的主要特点是，具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段。,几种常用的单片机,数字信号处理器DSP,通用DSP芯片的代表性产品包括TI公司的TM
14、S320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等单片器件。TI的三大主力DSP产品系列为C2000系列主要用于数字控制系统；C5000（C54x、C55x）系列主要用于低功耗、便携的无线通信终端产品；C6000系列主要用于高性能复杂的通信系统。C5000系列中的TMS320C54x系列DSP芯片被广泛应用于通信和个人消费电子领域。,返回本节,可编程控制器（PLC）,可编程控制器，简称PLC，是采用微机技术制造的通用的自动控制设备，它能完成逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算等功能，既
15、能控制开关量，控制规模从几十个点到上万个点。它具有高可靠性，能适应工业现场的高温、冲击、振动等恶劣环境，特别适合于取代复杂的继电器控制逻辑电路。,PLC可用于单台机电设备的控制，也可用于生产流水线的控制。使用者可以根据生产过程和工艺要求制定控制程序，然后将程序送入PLC。程序投入运行后，PLC就在现场输入信号(行程开关、限位开关或其他传感信号)的作用下，按照预先送入的程序，控制现场的执行机构（电机、电磁阀等)按一定的规律动作。采用微型计算机技术制作的可编程控制器也是由CPU、ROM、RAM、I/O接口等构成的，但是它主要用于工业控制，提供给用户的编程语句数量较少，逻辑简单；如果要进行大量的数据
16、采集和复杂的数据处理，往往就不太能适应了。目前，可编程控制器已从小规模的顺序控制没备朝着能适应过程控制和数值控制的方向发展，在数据采集和数据处理方面的功能越来越强，使用的范围也越来越广了。常用PLC品牌是西门子、三菱和欧姆龙。,可编程控制器（PLC）,电气传动数字控制的基本结构,从系统总体结构看，可以把用微机控制的电气传动系统看成是由两个分系统组成的，如图所示。两个分系统之间通过信息交换连为一体。信息处理分系统从能量分系统(又可称为对象系统)获得各种状态量信息，能量分系统接受来自信息处理分系统的控制信息，完成由电能到机械能的转换，实现对工作机械的运动控制。,电气传动微数字机控制的基本结构,能量
17、分系统主要包括由电力电子功率变换器构成的功率驱动装置，含有或不含有减速器机械传动机构的电动机，以及系统中各种状态量的检测装置。各种功率变换器在信息处理分系统输出信息 的控制下，将电网的交流电能变换成电动机所需要的交流或直流电能。电能变换的品质指标的优劣直接影响到电动机的运行特性和传动系统的性能，因此，能量分系统是电气传动装置的重要组成部分之一。对各种功率变换器的微机控制是本课程重点讨论内容之一。,电气传动数字控制的基本结构,信息处理分系统由微机及其接口电路组成，它有两种输入信息：其一是接受由操作人员手动给出的或者由上级机的自动化功能装置发出的操作量信息，包括给定，启、停操作命令，与上级机的通讯
18、命令，显示或打印命令等等(图中的)，另一输入信息是通过各类传感器的变换电路送来的反映能量分系统运行状况的各种状态量信息，这些状态量包括反馈量、监测及故障诊断量等(图中的）。这两种输入信息由微机及时地收集(测量)到之后，按照一定的算法和程序实时地进行数学的和逻辑的判断、运算、处理，并输出控制信息量(图中），通过对功率变换器的控制，实现对被控对象电动机运行状态的及时控制，以达到给定所要求的控制目标。信息处理分系统的另一输出信息 包括显示、打印、联锁控制、故障切除以及向上级机传送的有关信息等。,电气传动数字控制的基本结构,电动机微机控制的优点 电动机控制技术由原来的模拟控制逐渐变为以单片机为主的微机
19、控制。1.电路简单 2.可以实现复杂的控制 3.具有较大的灵活性和适应性 4.无零点漂移，控制精度高 5.可提供人机界面，多机联网工作。,电气传动数字控制的基本结构,1.电气传动系统状态量的检测2.电机微机控制的软件基础3.步进电机的微机控制4.直流小功率位置伺服系统5.直流电动机调速系统的微机控制6.无刷直流电动机微机控制,本门课程主要介绍的内容,1.何耀三电气传动的微机控制重庆大学出版社2.李永东 交流电机数字控制系统机械工业出版社3.李仁定 电机的微机控制 上海交通大学4.王晓明电动机的单片机控制北京航天航空大学5.陈伯时 电力拖动自动控制系统机械工业出版社6.顾绳谷 电机及拖动基础机械工业出版社7.秦忆现代交流伺服系统华中理工大学出版社,主要参考书：,
