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正文內(nèi)容

基于plc和組態(tài)軟件的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(編輯修改稿)

2025-01-12 09:29 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 idth Modulation(脈沖寬度調(diào)制 )縮寫,按一定規(guī)律改變脈沖列的脈沖寬度,以調(diào)節(jié)輸出量和波形的一種調(diào)值方式。 PAM 是英文 Pulse Amplitude Modulation (脈沖幅度調(diào)制 )縮寫,是按一定規(guī)律改變脈沖列的脈沖幅度,以調(diào)節(jié)輸出量值和波形的一種調(diào)制方式。 變頻調(diào)速的基本原理 當(dāng)在一臺三相異步電動機的定予繞組上加上三相交流電壓時,該電壓將產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場,其速度由定子電壓 的頻率所決定。當(dāng)磁場旋轉(zhuǎn)時,位于該磁場中的轉(zhuǎn)予繞組將切割磁力線,并在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流,而此感應(yīng)電流又將受到旋轉(zhuǎn)磁場的作用而產(chǎn)生電磁力,即轉(zhuǎn)矩,使轉(zhuǎn)子跟隨旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn).當(dāng)將三相異步電動機繞組的任意兩相進行交換時,所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的方向?qū)l(fā)生改變。因此,電動機的轉(zhuǎn)向也將發(fā)生改變。異步電動機定了磁場的轉(zhuǎn)速被稱為異步電動機的同步轉(zhuǎn)速,其同步轉(zhuǎn)速由電動機的磁極個數(shù)和電源頻率所決定: nz pfn 60? (式 ) zn —— 同步頻率 f —— 電源頻率 np —— 磁極對數(shù) 第 11 頁 共 38 頁 異步電動機的轉(zhuǎn)速總是小于其同步轉(zhuǎn)速,異步電機的實際轉(zhuǎn)速可由下式給出: ? ? ? ? psfsnnz ???? 1601 (式 ) 式中: n —— 電動機實際轉(zhuǎn)速 s —— 異步電動機的轉(zhuǎn)差率 由式 ()可知,改變參數(shù) f, s 中的任意一個就可以改變電動機的轉(zhuǎn)速,即對異步電動機進行調(diào)速控制。因此,可以通過改變該電源的頻率來實現(xiàn)對異步電動機的調(diào)速控制。從某種意義上說,變頻器就是一個可以任意改變頻率的交流電源。 在電動機調(diào)速時,一個重要的因素是希望保持每極磁通量 Фm為額定值不變。磁通太弱,沒有充分利用電機的磁心,是一種浪費;若要增大磁通,又會使磁通飽和,從而導(dǎo)致過大的勵磁電流,嚴(yán)重時會因為繞組過熱而損壞電機。對于直流電機來說,勵磁系統(tǒng)是獨立的,所以只要對電樞反應(yīng)的補償合 適,保持 Фm不變是很容易做到的。在交流異步電機種,磁通是定子和轉(zhuǎn)子合成產(chǎn)生的。 三相異步電機定子每相電動勢的有效值是: mNg KNf ?? (式 ) 式中: gE —— 氣隙磁通在定了每相中感應(yīng)電動勢有效值,單位為 V; 1f —— 定子頻率,單位為 H:; 1N —— 定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù); 1NK —— 基波繞組系數(shù); m? —— 每極氣隙磁通量,單位為嘸; 由公式可知,只要控制好 gE 和 1f ,便可以控制磁通 m? 不變。需要考慮基頻 (額定頻率 )以下和基頻以上兩種情況: : 即采用恒定的電動勢。由上式可知,要保持 m? 不變,但頻率 1f 從額定值 1f n向下調(diào)節(jié)時,必須同時降低 gE 。 第 12 頁 共 38 頁 然而繞組中的感應(yīng)電動勢是難以控制的,但電動勢較高時,可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降,而認為定了相電壓 U≈E,則得 u1/f=常數(shù)。 低頻時, U1和 Eg 都較小,定予阻抗壓降所占的份量都比較顯著,不能在忽略。這時,可以人為的把電壓 U1抬高一些,以便近似的補償定子壓降。帶定子壓降補償?shù)暮銐侯l比控制特性為 b 線,無補償?shù)臑?a 線。 在基頻以上調(diào)速時,頻率可以從 f 1n 往上增高,但電壓 U1磁通與頻率成反比的降低,相當(dāng)于直流電機弱磁升速的情況。 把基頻以下和基頻以上兩種情況合起來,可得到異步電動機的變頻調(diào)速控制特性。如果電動機在不同的轉(zhuǎn)速下都具有額定電流,則電動機都能在溫升容許的條件下長期運行,這時轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。在基頻以下,屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”的調(diào)速,而在基頻以上,基本上屬于“恒功率調(diào)速”。 變頻調(diào)速的優(yōu)點 由于采用變頻調(diào)速后,風(fēng)機、泵類負載的節(jié)能效果最明顯,節(jié)電率可達到20%~ 60%,這是因為風(fēng)機水泵的耗用 功率與轉(zhuǎn)速的三次方成比例,當(dāng)用戶需要的平均流量較小時,風(fēng)機、水泵的轉(zhuǎn)速較低,其節(jié)能效果也是十分可觀的。而傳統(tǒng)的擋板和法門進行流量調(diào)節(jié)時,耗用功率變化不大。由于這類負載很多,約占交流電動機總?cè)萘康?20%~ 30%,它們的節(jié)能就具有非常重要的意義。 [27] 對于一些在低速運行的恒轉(zhuǎn)矩負載,如傳送帶等,變頻調(diào)速也可節(jié)能。除此之外,原有調(diào)速方式耗能較大者 (如繞線轉(zhuǎn)子電動機等 ),原有調(diào)速方式比較龐雜,效率較低者 (如龍門刨床等 ),采用了變頻調(diào)速后,節(jié)能效果也很明顯。 變頻調(diào)速很容易實現(xiàn) 電動機的正、反轉(zhuǎn)。只需要改變變頻器內(nèi)部逆變管的開關(guān)順序,即可實現(xiàn)輸出換相,也不存在因換相不當(dāng)而燒毀電動機的問題。 變頻調(diào)速系統(tǒng)起動大都是從低速開始,頻率較低。加、減速時間可以任意設(shè)定,故加、減速時間比較平緩,起動電流較小,可以進行較高頻率的起停。 變頻調(diào)速系統(tǒng)制動時,變頻器可以利用自己的制動回路,將機械負載的能量消耗在制動電阻上,也可回饋給供電電網(wǎng),但回饋給電網(wǎng)需增加專用附件,投資 第 13 頁 共 38 頁 較大。 [27]除此之外,變頻器還具有直流制動功能,需要制動時,變頻器給電動機加上一個直流電壓,進行制動,則無需另加制動控制電路。 變頻調(diào)速除了在風(fēng)機、泵類負載上的應(yīng)用以外,還可以廣泛應(yīng)用于傳送、卷繞、起重、擠壓、機床等各種機械設(shè)備控制領(lǐng)域。它可以提高奇特的產(chǎn)成品率,延長設(shè)備的正常工作周期和使用壽命,使操作和控制系統(tǒng)得以簡化,有的甚至可以改變原有的工藝規(guī)范,從而提高了整個設(shè)備控制水平。 變頻器技術(shù)是一門綜合性的技術(shù),它建立在控制技術(shù)、電子電力技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的基礎(chǔ)上。容易實現(xiàn)對現(xiàn)有電動機的調(diào)速控制、可以實現(xiàn)大范圍內(nèi)的高效連續(xù)調(diào)速控制、實現(xiàn)速度的精確控制;容易實現(xiàn)電動機的正反轉(zhuǎn)切換,可以進行高額度的起停運轉(zhuǎn),可以進行電氣制動,可以對電動機進行高速驅(qū)動??梢詫崿F(xiàn)軟肩動,減小沖擊電流,解決大負載的啟動問題。電源功率因數(shù)大,所需容量小,可以組成高性能的控制系統(tǒng)等。變頻器保護功能很強,在運行過程中能隨時檢測到各種故障,并顯示故障類別 (如電網(wǎng)瞬時電壓降低,電網(wǎng)缺相,直流過電壓,功率模塊過熱 ,電機短路等 ),并立即封鎖輸出電壓.這種“自我保護”的功能,不僅保護了變頻器,還保護了電機不易損壞。 光電編碼器 光電編碼器的簡單認識 光電編碼器,是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器,光電編碼器的工作原理是在圓盤上有規(guī)則地刻有透光和不透光的線條,在圓盤兩側(cè),安放發(fā)光元件和光敏元件。當(dāng)圓盤旋轉(zhuǎn)時,光敏元件接收的光通量隨透光線條同步變化,光敏元件輸出波形經(jīng)過整形后變?yōu)槊}沖,碼盤上有之相標(biāo)志,每轉(zhuǎn)一圈輸出一個脈沖。此外,為判斷旋 轉(zhuǎn)方向,碼盤還可提供相位相差 90186。 的兩路脈沖信號。 [28] 根據(jù)檢測原理,編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式,可分為增量式、絕對式以及混合式三種。 A、 B 和 Z 相;A、 B 兩組脈沖相位差 90186。,從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向,而 Z 相為每轉(zhuǎn)一個脈沖,用于基準(zhǔn)點定位。它的優(yōu)點是原理構(gòu)造簡單,機械平均壽命可在幾萬小時 第 14 頁 共 38 頁 以上,抗干擾能力強,可靠性高,適合于長距離傳輸。其缺點是無法輸出軸轉(zhuǎn)動的絕對位置信息。 用自然二進制或循環(huán)二進制(葛萊碼)方式進行光電轉(zhuǎn)換的。絕對式編碼器與增量式編碼器不同之處在于圓盤上透光、不透光的線條圖形,絕對編碼器可有若干編碼,根據(jù)讀出碼盤上的編碼,檢測絕對位置。編碼的設(shè)計可采用二進制碼、循環(huán)碼、二進制補碼等。它的特點是: ( 1)可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對值; ( 2)沒有累積誤差; ( 3)電源切除后位置信息不會丟失。但是分辨率是由二進制的位數(shù)來決定的,也就是說精度取決于位數(shù),目前有 10 位、 14 位等多種。 ,它輸出兩組信息:一組信息用于檢測磁極位置,帶有絕對信息功 能;另一組則完全同增量式編碼器的輸出信息。 光電編碼器是一種角度(角速度)檢測裝置,它將輸入給軸的角度量,利用光電轉(zhuǎn)換原理 轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖或數(shù)字量,具有體積小,精度高,工作可靠 ,接口數(shù)字化等優(yōu)點。它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、回轉(zhuǎn)臺、伺服傳動、機器人、雷達、軍事目標(biāo)測定等需要檢測角度的裝置和設(shè)備中。 光電編碼器的測量方法 光電編碼器在電機控制中可以用來測量電機轉(zhuǎn)子的磁場位置和機械位置以及轉(zhuǎn)子的磁場和機械位置的變化速度與變化方向。下面就光電編碼器在這幾方面的應(yīng)用方法做一下介紹。 使用光電編碼器來測量電機 的轉(zhuǎn)速: 可以利用定時器 /計數(shù)器配合光電編碼器的輸出脈沖信號來測量電機的轉(zhuǎn)速。具體的測速方法有 M 法、 T 法和 M/T 法 3 種。 M 法又稱之為測頻法,其測速原理是在規(guī)定的檢測時間 Tc 內(nèi),對光電編碼器輸出的脈沖信號計數(shù)的測速方法。在實際的測量中,時間 Tc 內(nèi)的脈沖個數(shù)不一定正好是整數(shù),而且存在最大半個脈沖的誤差。如果要求測量的誤差小于規(guī)定的范圍,比如說是小于百分之一,那么 M1就應(yīng)該大于 50。在一定的轉(zhuǎn)速下要增大檢測脈沖數(shù) M1以減小誤差,可以增大檢測時間 Tc 單考慮到實際的應(yīng)用檢測時間很短,例如伺服系統(tǒng)中的測量速度用于反 饋控制,一般應(yīng)在 秒以下。由此 第 15 頁 共 38 頁 可見,減小測量誤差的方法是采用高線數(shù)的光電編碼器。 M 法測速適用于測量高轉(zhuǎn)速,因為對于給定的光電編碼器線數(shù) N 機測量時間 Tc 條件下,轉(zhuǎn)速越高,計數(shù)脈沖 M1越大,誤差也就越小。 T 法也稱之為測周法,該測速方法是在一個脈沖周期內(nèi)對時鐘信號脈沖進行計數(shù)的方法。為了減小誤差,希望盡可能記錄較多的脈沖數(shù),因此 T 法測速適用于低速運行的場合。但轉(zhuǎn)速太低,一個編碼器輸出脈沖的時間太長,時鐘脈沖數(shù)會超過計數(shù)器最大計數(shù)值而產(chǎn)生溢出 。另外,時間太長也會影響控制的快速性。與M 法測速一樣,選用線數(shù)較 多的光電編碼器可以提高對電機轉(zhuǎn)速測量的快速性與精度。 M/T 法測速是將 M 法和 T 法兩種方法結(jié)合在一起使用,在一定的時間范圍內(nèi),同時對光電編碼器輸出的脈沖個數(shù) M1和 M2進行計數(shù),實際工作時,在固定的 Tc 時間內(nèi)對光電編碼器的脈沖計數(shù),在第一個光電編碼器上升沿定時器開始定時,同時開始記錄光電編碼器和時鐘脈沖數(shù),定時器定時 Tc 時間到,對光電編碼器的脈沖停止計數(shù),而在下一個光電編碼器的上升沿到來時刻,時鐘脈沖才停止記錄。采用 M/T 法既具有 M 法測速的高速優(yōu)點,又具有 T 法測速的低速的優(yōu)點,能夠覆蓋較廣的轉(zhuǎn)速范圍,測量的精度 也較高,在電機的控制中有著十分廣泛的應(yīng)用。 增量式光電編碼器結(jié)構(gòu)及其原理 增量式光電編碼器主要由光源、碼盤、檢測光柵、光電檢測器件和轉(zhuǎn)換電路組成,碼盤上刻有節(jié)距相等的輻射狀透光縫隙,相鄰兩個透光縫隙之間代表一個增量周期;檢測光柵上刻有 A、 B 兩組與碼盤相對應(yīng)的透光縫隙,用以通過或阻擋光源和光電檢測器件之間的光線。它們的節(jié)距和碼盤上的節(jié)距相等,并且兩組透光縫隙錯開 1/4 節(jié)距,使得光電檢測器件輸出的信號在相位上相差 90176。電度角。當(dāng)碼盤隨著被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時,檢測光柵不動,光線透過碼盤和檢測光柵上的透過 縫隙照射到光電檢測器件上,光電檢測器件就輸出兩組相位相差 90176。電度角的近似于正弦波的電信號,電信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路的信號處理,可以得到被測軸的轉(zhuǎn)角或速度信息。增量式光電編碼器的優(yōu)點是:原理構(gòu)造簡單、易于實現(xiàn);機械平均壽命長,可達到幾萬小時以上;分辨率高;抗干擾能力較強,信號傳輸距離較長,可靠性較高。其缺點是它無法直接讀出轉(zhuǎn)動軸的絕對位置信息。 第 16 頁 共 38 頁 增量式光電編碼器的工作原理,是由旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動帶動在徑向有均勻窄縫的主光柵碼盤旋轉(zhuǎn),在主光柵碼盤的上面有與其平行的鑒向盤,在鑒向盤上有兩條彼此錯開 90176。相位的窄縫,并分別有光 敏二極管接收主光柵碼盤透過來的信號。工作時,鑒向盤不動,主光柵碼盤隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),光源經(jīng)透鏡平行射向主光柵碼盤,通過主光柵碼盤和鑒向盤后由光敏二極管接收相位差 90176。的近似正弦信號,再由邏輯電路形成轉(zhuǎn)向信號和計數(shù)脈沖信號。為了獲得絕對位置角,在增量式光電編碼器有零位脈沖,即主光柵每旋轉(zhuǎn)一周,輸出一個零位脈沖,使位置角清零。利用增量式光電編碼器可以檢測電機的位置和速度。 增量式光電編碼器的特點是每產(chǎn)生一個輸出脈沖信號就對應(yīng)于一個增量位移,但是不能通過輸出脈沖區(qū)別出在哪個位置上的增量。它能夠產(chǎn)生與位移增量等值的脈沖信 號,其作用是提供一種對連續(xù)位移量離散化或增量化以及位移變化(速度)的傳感方法,它是相對于某個基準(zhǔn)點的相對位置增量,不能夠直接檢測出軸的絕對位置信息。一般來說,增量式光電編碼器輸出 A、 B 兩相互差 90176。電度角的脈沖信號(即所謂的兩組正交輸出信號),從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向。同時還有用作參考零位的 Z 相標(biāo)志(指示)脈沖信號,碼盤每旋轉(zhuǎn)一周,只發(fā)出一個標(biāo)志信號。標(biāo)志脈沖通常用來指示機械位置或?qū)Ψe累量清零。 第 17 頁 共 38 頁 3 系統(tǒng)的調(diào)試 MCGS的設(shè)計及與 PLC的調(diào)試 MCGS 軟件
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