控制电机-第00章-绪论

控 制 电 机 任 课 教 师 ： 赵 晴 通 讯 方 式 ： 15511336151 邮 箱 ： zhaoqing99_ 辅 导 时 间 ： 每 周 二 下 午 4： 00-4： 50 刘 小 亮 老 师 办 公 室 图 1 - 1 雷 达 天 线 控 制 系 统 原 理 线 路 1 雷 达 天 线 控 制 系 统 的 搜 索 状 态 在 搜 索 飞 机 时 ， 我 们 希 望 雷 达 天 线 按 照 要求 在 空 间 不 断 旋 转 ， 使 雷 达 发 射 机 发 出 的 强 大的 电 磁 波 束 跟 着 天 线 的 转 动 在 空 中 进 行 扫 描 。 由 于 雷 达 天 线 又 大 又 重 ， 人 是 摇 不 动 的 ， 这 时雷 达 操 纵 手 只 需 要 摇 动 手 把 7， 使 自 整 角 发 送机 1的 转 子 旋 转 ， 通 过 自 动 控 制 系 统 的 作 用 ， 就 可 使 雷 达 天 线 3 跟 着 自 整 角 发 送 机 的 转 角 自 动 地 旋 转 。 发 送 机 转 几 度 ， 天 线 也 转 几 度 ； 发 送 机 正 转 ， 天 线 也 正 转 ； 发 送 机 反 转 ， 天 线也 反 转 。 雷 达 天 线 控 制 系 统 的 原 理 线 路 如 图 1-1 所 示 。 这 个 系 统 有 两 种 工 作 状 态 。 一 种是 当 雷 达 还 没 有 捕 捉 到 飞 机 时 ， 要 由 雷达 操 纵 手 操 作 ， 使 天 线 旋 转 去 搜 索 飞 机 ，这 就 是 雷 达 的 搜 索 过 程 。 这 时 图 1 - 1 上的 闸 刀 S合 在 位 置 。 第 二 种 状 态 是 当 天线 捕 捉 到 目 标 时 ， 把 闸 刀 立 即 合 向 位 置 。 这 时 雷 达 天 线 作 自 动 跟 踪 飞 机 的 运动 ， 系 统 处 于 自 动 跟 踪 状 态 。 下 面 分 别讨 论 系 统 的 这 两 种 状 态 。举 例 说 明 控 制 电 机 在 自 动 控 制 系 统 中 的 应 用 自 整 角 接 收 机 2 的 转 轴 是 和 天 线 的 转轴 联 结 在 一 起 的 。 自 整 角 发 送 机 和 自 整 角 接 收机 一 般 不 单 独 使 用 而 是 成 对 地 使 用 。 当 发 送 机的 转 角 和 接 收 机 的 转 角 相 等 ， 也 就 是 转 角差 =- 等 于 零 时 ， 接 收 机 的 输 出 电 压 U1也 等于 零 。 当 转 角 和 不 等 时 ， 接 收 机 就 有 和 转角 差 成 正 比 的 交 流 电 压 U1 输 出 。 这 样 ， 自整 角 接 收 机 就 好 像 自 动 控 制 系 统 的 眼 睛 一 样 ， 可 以 很 灵 敏 地 感 觉 出 天 线 的 转 角 是 否 跟 上 自 整角 发 送 机 的 转 角 。 当 跟 上 时 ， 转 角 等 于 转 角， 没 有 电 压 输 出 ； 当 没 有 跟 上 ， 即 转 角 和转 角 不 等 时 ， 通 过 自 整 角 接 收 机 输 出 电 压 U 1, 就 可 把 转 角 差 测 量 出 来 ， 因 此 自 动 控 制 系 统中 的 自 整 角 机 被 称 为 敏 感 元 件 。 假 如 雷 达 手 向 某 一 方 向 摇 动 手 轮 7， 产 生一 个 转 角 差 ， 这 时 自 整 角 接 收 机 就 有 交流 电 压 U1输 出 ， 这 个 电 压 经 过 交 流 放 大器 放 大 后 ， 由 环 形 解 调 器 转 换 成 直 流 电压 U2， 并 送 入 直 流 放 大 器 放 大 ， 放 大 后的 直 流 电 压 U3被 输 入 到 可 控 硅 控 制 线 路的 差 动 放 大 器 ， 去 控 制 可 控 硅 的 导 通 和截 止 。 当 可 控 硅 VD和 VD导 通 时 ， 就 有 一定 极 性 的 信 号 电 压 通 入 直 流 伺 服 电 动 机 5，直 流 伺 服 电 动 机 就 立 即 向 一 个 方 向 旋 转 。 当 手 轮 7 向 另 一 方 向 转 动 ， 电 压 U1的 相 位 就相 反 了 ， 因 而 使 电 压 U2、 U3的 极 性 相 反 ， 这时 可 控 硅 VD和 VD导 通 ， 通 入 直 流 伺 服 电 动 机 的信 号 电 压 极 性 也 随 之 相 反 ， 直 流 伺 服 电 动 机 就立 即 向 另 一 方 向 旋 转 。 这 里 直 流 伺 服 电 动 机 将电 信 号 变 为 转 轴 转 动 ， 执 行 了 电 信 号 所 给 予 的控 制 任 务 ， 所 以 常 称 为 执 行 元 件 。 直 流 伺 服 电动 机 转 动 以 后 ， 经 过 变 速 箱 4 带 动 天 线 3 旋 转 ，同 时 也 带 动 自 整 角 接 收 机 。 直 流 伺 服 电 动 机 应该 是 朝 着 天 线 和 发 送 机 之 间 的 转 角 差 减 小 的方 向 旋 转 ， 直 到 转 角 和 转 角 相 等 。 这 时 U1、U 2、 U3都 等 于 零 ， 伺 服 电 动 机 才 停 止 转 动 。 这样 ， 雷 达 天 线 的 转 角 就 能 自 动 地 跟 随 手 轮 而 转动 ， 以 达 到 手 控 天 线 的 目 的 。 为 了 改 善 自 动 控 制 系 统 的 品 质 ， 在 系 统 中 还 采 用 了 校 正 元 件直 流 测 速发 电 机 。 测 速 发 电 机 的 输 出 电 压 U4与 它的 转 速 n成 正 比 ， 并 把 它 反 馈 到 直 流 放 大器 中 。 整 个 控 制 系 统 的 工 作 原 理 可 以 用图 1 - 2 这 样 的 方 框 图 来 表 示 。 图 上 各 个元 件 和 实 际 线 路 对 应 如 下 ： 敏 感 元 件自 整 角 发 送 机 和 接 收 机 。 转 换 元 件放 大 器 和 解 调 器 。 放 大 元 件直 流 放 大 器 和 可 控 硅 控 制 线 路 。 执 行 元 件直 流 伺 服 电 动 机 。 校 正 元 件直 流 测 速 发 电 机 。 控 制 对 象雷 达 天 线 。图 1 - 2 雷 达 天 线 控 制 系 统 方 框 图 2 雷 达 天 线 控 制 系 统 的 自 动 跟 踪 状 态 当 雷 达 手 从 显 示 器 的 荧 光 屏 上 看 到 雷 达已 经 捕 捉 到 飞 机 以 后 ， 立 即 把 闸 刀 S合 向 位 置 ， 系 统 就 工 作 在 跟 踪 状 态 。 这 时 ， 雷 达 接 收机 收 到 从 飞 机 反 射 回 来 的 回 波 ， 并 把 它 转 换 成电 信 号 直 接 输 入 到 放 大 器 去 控 制 天 线 的 旋 转 ， 此 时 天 线 不 需 要 手 控 而 自 动 作 跟 踪 飞 机 的 运 动 。 上 述 控 制 系 统 中 所 用 的 自 整 角 发 送 机 、 自整 角 接 收 机 、 直 流 伺 服 电 动 机 、 直 流 测 速 发 电机 都 属 于 电 机 类 型 ， 统 称 为 控 制 电 机 。 可 以 看出 ， 这 些 电 机 在 自 动 控 制 系 统 中 起 到 了 很 重 要的 作 用 ， 是 必 不 可 少 的 元 件 。 绪 论 控 制 电 机 一 、 控 制 电 机 课 程 的 学 习 方 法 和 要 求 1.课 程 性 质 “ 控 制 电 机 ” 是 电 气 工 程 及 其 自 动 化 专 业 的 一 门 重要 课 程 ， 其 任 务 是 使 学 生 掌 握 主 要 类 别 控 制 电 机 的 基 本结 构 、 工 作 原 理 和 运 行 特 性 ， 为 今 后 的 工 作 实 践 准 备 必要 的 专 业 基 础 知 识 。 绪 论 2.先 修 及 后 续 课 程 学 习 本 课 程 必 须 具 备 “ 电 路 原 理 ” 及 “ 电 机 与 拖 动基 础 ” 课 程 的 基 础 知 识 。 控 制 电 机 的 许 多 分 析 方 法 均 来源 于 普 通 电 机 的 基 本 原 理 ， 既 要 注 意 它 们 之 间 的 区 别 ，又 要 注 意 它 们 之 间 的 联 系 ， 以 及 不 同 控 制 电 机 之 间 的 关联 ， 达 到 举 一 反 三 的 效 果 。 后 续 课 程 “ 电 力 拖 动 自 动 控 制 系 统 ” 3.参 考 书绪 论 14 控 制 电 机 谢 卫 ， 中 国 电 力 出 版 社 控 制 电 机 李 光 友 ， 机 械 工 业 出 版 社 控 制 电 机 （ 第 三 版 ） 陈 隆 昌 ， 西 安 电子 科 技 大 学 出 版 社 电 机 学 电 机 原 理 及 拖 动 彭 鸿 才 ， 机 械 工 业 出版 社 4.通 过 本 课 程 的 学 习 ， 学 生 应 达 到 如 下 要 求 ： (1) 掌 握 主 要 控 制 电 机 （ 包 括 旋 转 变 压 器 、 自 整 角机 、 测 速 发 电 机 、 伺 服 电 动 机 、 步 进 电 动 机 ） 的 基 本 结构 和 工 作 原 理 ， 了 解 相 关 的 运 行 特 性 。 (2) 掌 握 各 类 控 制 电 机 的 选 用 原 则 ， 了 解 它 们 的 应用 情 况 。 (3) 了 解 新 结 构 、 新 原 理 控 制 电 机 的 发 展 趋 势 。绪 论 一 般 电 机 学 介 绍 的 直 流 电 机 、 异 步 电 机 和 同 步 电 机统 称 为 普 通 电 机 。 在 生 产 实 际 和 日 常 生 活 中 还 广 泛 使 用着 各 种 特 殊 结 构 和 特 殊 用 途 的 电 机 ， 特 别 是 随 着 新 技 术的 迅 猛 发 展 和 新 材 料 、 新 元 件 的 不 断 涌 现 ， 新 型 特 种 电机 的 研 究 和 应 用 处 在 快 速 发 展 之 中 。 由 于 特 种 电 机 较 多用 于 自 动 控 制 系 统 ， 功 率 较 小 ， 所 以 又 称 为 微 特 电 机 。控 制 电 机 就 是 微 特 电 机 的 主 要 分 支 ， 它 作 为 执 行 元 件 或测 量 元 件 ， 在 自 动 控 制 系 统 中 起 着 举 足 轻 重 的 作 用 。绪 论 从 本 质 上 讲 ， 控 制 电 机 的 基 本 理 论 和 分 析 方 法 与 普通 电 机 是 一 致 的 ， 但 又 有 其 特 殊 性 。 本 书 主 要 介 绍 目 前基 本 理 论 业 已 成 熟 ， 同 时 应 用 又 比 较 广 泛 的 控 制 电 机 。绪 论 控 制 电 机微 特 电 机特 种 电 机 同 步 电 机异 步 电 机交 流 电 机直 流 电 机普 通 电 机电 机 绪 论二 、 控 制 电 机 的 种 类 和 特 点 （ 回 忆 电 机 拖 动 的 相 关 内 容 ）1. 控 制 电 机 的 种 类 控 制 电 机 的 种 类 众 多 ， 比 较 传 统 的 有 旋 转 变 压 器 、自 整 角 机 、 测 速 发 电 机 、 伺 服 电 动 机 和 步 进 电 动 机 等 ，比 较 新 颖 的 有 无 刷 直 流 电 动 机 、 直 线 电 动 机 和 超 声 波 电动 机 等 。 根 据 在 自 动 控 制 系 统 中 的 作 用 ， 控 制 电 机 可 以 分 为以 下 两 大 类 ： (1) 执 行 元 件 主 要 包 括 交 、 直 流 伺 服 电 动 机 、 无 刷 直 流 电 动 机 、步 进 电 动 机 和 直 线 电 动 机 等 。 这 些 控 制 电 机 的 任 务 就 是将 输 入 的 电 信 号 转 换 为 转 轴 上 的 角 位 移 、 角 速 度 、 直 线位 移 或 线 速 度 等 ， 并 带 动 控 制 对 象 运 动 ， 所 以 又 称 为 功率 元 件 。绪 论 (2) 测 量 元 件 主 要 包 括 旋 转 变 压 器 、 自 整 角 机 和 交 、 直 流 测 速 发电 机 等 。 这 些 控 制 电 机 的 任 务 就 是 测 量 自 动 控 制 系 统 中的 角 位 移 、 转 角 差 或 转 速 ， 其 输 出 一 般 为 电 压 信 号 ， 可以 驱 动 执 行 电 动 机 完 成 校 正 或 测 量 任 务 ， 所 以 又 称 为 信号 元 件 。 绪 论 2. 控 制 电 机 的 特 点 在 生 产 实 际 和 日 常 生 活 中 ， 各 类 普 通 电 机 的 应 用 是非 常 广 泛 的 ， 这 些 电 机 的 主 要 任 务 就 是 实 现 机 电 能 量 转换 ， 发 电 机 把 机 械 能 转 换 为 电 能 ， 电 动 机 把 电 能 转 换 为机 械 能 ， 它 们 的 核 心 问 题 是 如 何 提 高 能 量 转 换 的 效 率 。控 制 电 机 是 自 动 控 制 系 统 中 的 一 个 元 件 ， 其 主 要 任 务 是完 成 控 制 信 号 的 传 递 和 转 换 ， 而 能 量 转 换 是 次 要 的 。绪 论 因 此 ， 对 控 制 电 机 的 基 本 要 求 是 运 行 平 稳 、 响 应 迅速 、 准 确 可 靠 ； 另 外 ， 体 积 小 、 重 量 轻 也 是 某 些 应 用 领域 必 须 考 虑 的 重 要 因 素 ， 如 航 空 航 天 和 一 些 精 密 仪 器 中的 微 型 控 制 电 机 。绪 论 三 、 控 制 电 机 的 发 展 历 程 和 趋 势 1. 控 制 电 机 的 发 展 历 程l 控 制 电 机 的 基 础 理 论 主 要 源 于 电 磁 感 应 等 基 本 定 律 ， 因 此 它 与 普 通 电 机 一 样 ， 具 有 较 为 悠 久 的 发 展 历 史 。l 目 前 ， 世 界 上 控 制 电 机 的 生 产 基 地 以 美 国 、 英 国 、 法 国 、 日 本 、 德 国 、 俄 罗 斯 等 为 多 。 l 我 国 控 制 电 机 工 业 是 在 第 一 个 五 年 计 划 期 间 逐 步 建 立 并 完 善 起 来 的 。 绪 论 2. 控 制 电 机 的 发 展 趋 势 近 年 来 ， 随 着 高 新 技 术 的 不 断 涌 现 和 材 料 性 能 的 不断 提 高 ， 以 及 用 户 要 求 的 不 断 提 升 ， 控 制 电 机 在 高 性能 、 高 可 靠 性 和 高 精 度 等 方 面 快 速 发 展 ， 呈 现 出 以 下 的发 展 趋 势 ：绪 论 (1) 微 型 化 为 了 满 足 应 用 设 备 小 型 化 和 薄 型 化 的 要 求 ， 控 制 电机 正 向 体 积 小 、 重 量 轻 的 微 型 化 方 向 发 展 。 以 计 算 机 软盘 驱 动 器 为 例 ， 从 80年 代 初 的 8英 寸 发 展 到 5.25英 寸 ，再 到 90年 代 的 3.5英 寸 ， 充 分 表 明 软 盘 驱 动 器 小 型 化 的态 势 ， 其 中 的 伺 服 电 动 机 也 逐 步 小 型 化 、 薄 型 化 ， 并 对整 机 小 型 化 起 着 关 键 作 用 。绪 论 (2) 大 型 化 控 制 电 机 的 输 出 功 率 较 小 ， 一 般 从 数 百 毫 瓦 到 数 百瓦 ， 系 列 产 品 的 外 径 一 般 由 12.5mm到 130mm， 重 量 从 数十 克 到 数 千 克 。 但 是 在 大 功 率 的 现 代 运 动 控 制 系 统 中 ，有 些 控 制 电 机 的 功 率 也 可 达 数 十 千 瓦 ， 机 壳 外 径 也 可 达数 百 毫 米 ， 如 几 十 千 瓦 的 永 磁 同 步 电 动 机 、 开 关 磁 阻 电动 机 和 直 径 为 1米 以 上 的 旋 转 变 压 器 等 。绪 论 (3) 新 型 化 新 技 术 和 新 材 料 的 结 合 ， 正 在 全 面 改 变 传 统 电 机 的面 貌 ， 人 们 也 开 始 意 识 到 电 磁 式 电 机 的 一 些 局 限 。 近 年来 ， 电 机 研 发 人 员 借 助 于 微 电 子 技 术 、 精 密 制 造 技 术 、新 材 料 技 术 以 及 生 物 仿 生 技 术 等 ， 发 明 了 不 少 新 原 理 电机 ， 一 些 非 电 磁 原 理 的 控 制 电 机 应 运 而 生 ， 其 中 最 具 代表 性 并 已 实 用 化 的 当 属 超 声 波 电 动 机 。 此 外 ， 还 有 静 电电 机 、 光 热 电 机 、 微 波 电 机 、 仿 生 电 机 和 形 状 记 忆 合 金电 机 等 新 型 控 制 电 机 。 绪 论