1、第第1章章 绪论绪论 1.1 控制电机在自动控制系统中的作用控制电机在自动控制系统中的作用 1.2 控制电机的种类和特点控制电机的种类和特点 1.3 如何学习如何学习“控制电机控制电机”这门课程这门课程 教学目标教学目标 理解控制电机是自动控制系统中重要的执行元件掌握按照在自控系统中的作用可以把控制电机分为：执行元件(功率元件)和测量元件（信号元件）知道控制电机这门课主要讲什么和怎么学1.1 控制电机在自动控制系统中的作用控制电机在自动控制系统中的作用 在各类自动控制系统、遥控和解算装置中，需要用到大量的各种各样的元件。控制电机就是其中的重要元件之一。它属于机电元件，在系统中具有执行、检测和解
2、算的功能。虽然从基本原理来说，控制电机与普通旋转电机没有本质上的差别，但后者着重于对电机的力能指标方面的要求，而前者则着重于对特性、高精度和快速响应方面的要求，满足系统对它提出的要求。控制电机已经成为现代工业自动化系统、现代科学技术和现代军事装备中不可缺少的重要元件。它的应用范围非常广泛，例如，火炮和雷达的自动定位，舰船方向舵的自动操纵，飞机的自动驾驶，遥远目标位置的显示，机床加工过程的自动控制和自动显示，阀门的遥控，以及机器人、电子计算机、自动记录仪表、医疗设备、录音录像设备等中的自动控制系统。下面以雷达扫描及自动跟踪飞机的过程为例，具体说明控制电机在自动控制系统中所起的作用和所处的地位。雷
3、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。图 1-1 雷达天线控制系统原理线路 1.1.1 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，
4、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。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
5、角和转角不等时，通过自整角接收机输出电压U1,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VD1和VD4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VD2和VD3导通，通入直流
6、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、U2、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
7、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 1.1.2 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
8、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。自动控制系统和它所用到的控制电机的关系是整体和局部的关系，是一对矛盾的两个对立面。一方面控制电机的性能和作用要服从于整个系统对它的要求，控制电机性能好坏要看它能不能满足系统的要求；另一方面控制电机的性能又直接影响整个控制系统的性能，控制电机的性能不好或者使用不恰当，整个控制系统的性能就无法提高；控制电机的革新又可以带来整个系统的革新。既然自动控制系统和控制电机是整体和局部的关系，因此，从事自动控制系统工作的技术人员，不但要了解控制系统的整体以及系统中各个元件的相互
9、关系，而且对系统中的各个元件和控制电机也要熟悉，只有这样，才能恰当地选择和使用各种元件，并有可能了解整个自动控制系统。控制电机在自动控制系统中的作用（小结）控制电机在自动控制系统中的作用（小结）控制电机是在自动控制系统中具有执行、检测和解算功能的机电元件（既有机械又有电气），普通电机主要注重电机力能方面的指标，控制电机则着重于对特性、高精度和快速响应方面的要求。控制电机的应用领域：现代工业自动化系统、现代科学技术和现代军事装备。讨论：说一说你周围都有那些控制电机。雷达天线控制系统的搜索状态雷达天线控制系统的搜索状态输入信号：自整角发送机和自整角接收机之间的转角差雷达天线控制系统的自动跟踪状态雷
10、达天线控制系统的自动跟踪状态 输入信号：雷达接收机接收到的从飞机反射回来的回波控制电机和自动控制系统的关系是局部和整体的关系：一、对于物来说：1.控制系统的性能和作用要服从与整个系统对它的要求 2.控制电机的性能直接影响整个控制系统的性能 二、对于人来说：1.要了解控制系统的整体和系统中各个元件的相互关系 2.要熟悉系统中的各个元件和控制电机（学会选择和使用）1.2 控制电机的种类和特点控制电机的种类和特点 1.2.1 控制电机的种类 控制电机的种类很多，除了自整角机、直流伺服电动机和测速发电机外，还有交流伺服电动机、交流测速发电机、旋转变压器、无刷直流电动机、步进电动机等。根据它们在自动控制
11、系统中的作用，可以作如下的分类。1.执行元件(功率元件)主要包括直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电动机和无刷直流电动机等。这些电动机的任务是将电信号转换成轴上的角位移或角速度以及直线位移和线速度，并带动控制对象运动。理想的直流伺服电动机和交流伺服电动机的转速与控制信号的关系如图 1-3 所示，转速和控制电压的关系成正比关系，而转速的方向由控制电压的极性来决定。步进电动机的转速与脉冲电压的频率成正比，如图 1-4 所示。图 1-3 伺服电动机的控制特性 图 1-4 步进电动机的控制特性 2.测量元件(信号元件)测量元件包括自整角机,交、直流测速发电机和旋转变压器等。它们能够用来测量机械转角、
12、转角差和转速，一般在自动控制系统中作为敏感元件和校正元件。自整角机可以把发送机和接收机之间的转角差转换成与角差成正弦关系的电信号，如图 1-5 所示。测速发电机可以把转速转换成电信号，它的输出电压与转速成正比，如图 1-6 所示。旋转变压器的输出电压与转子相对于定子的转角成正、余弦或线性关系，如图 1-7 所示。图 1-5 自整角机的控制特性 图 1-6 测速发电机的控制特性 图 1-7 旋转变压器的控制特性 控制电机的种类控制电机的种类(小结）小结）按照控制电机在自动控制系统中的作用，可以把控制电机分为：执行元件和测量元件执行元件（功率元件），主要包括：直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电
13、动机和无刷直流 电动机伺服电动机的输入信号：控制电压 输出信号：转速步进电机的输入信号：脉冲频率 输出信号：转速测量元件（信号元件），主要包括：自整角机，交、直流测速发电机和旋转变压器自整角机的输入信号：发送机和接收机之间的转角差 输出信号：电信号（输出电压）测速发电机的输入信号：转速 输出信号：电信号（输出电压）旋转变压器的输入信号：转子相对于定子的转角 输出信号：电信号（输出电压）1.2.2 控制电机的特点 人们在日常的工作和生活中也经常要用到电机，例如电灯所用的电是由发电机发出的，抽水机要用电动机来带动，工厂里车床要用电动机才能旋转，手电钻里装的也是电机。这些电机与上面研究的控制电机有些
14、什么不同呢?从所举的例子中可以看出，日常生活和工作中遇到的电机一般是作为动力来使用的，它们的主要任务是能量转换，发电机是把机械能转换成电能，电动机是把电能转换成机械能，它们的主要问题是提高能量转换的效率。控制电机在自动控制系统中，只起一个元件的作用，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。根据它们使用的场合及所完成任务的特点，决定了对它们的主要要求是运行可靠、动作迅速和准确度高。众所周知，自动控制系统由成百个、成千个各种各样的元件所组成，每个元件都按照系统对它的特定要求而工作。因此，每个元件工作的好坏，直接影响到整个系统的工作。为了使整个自动控制系统能够敏捷地、准确地按照人们
15、的要求而动作，这就要求组成系统的每一个元件都要动作迅速、准确和可靠。同时，控制电机的使用范围很广，从地下、水面、海洋到高空、太空以至原子能反应堆等地方都在使用，而且工作环境条件常常十分复杂，如高温、低温、盐雾、潮湿、冲击、振动、辐射等，这就要求电机在各种恶劣的环境条件下仍能准确、可靠地工作。另外，很多使用场合(尤其在航空航天技术中使用)还要求控制电机体积小、重量轻、耗电少，所以我们常见到的控制电机很多都是体积很小的微电机。像电子手表中用的步进电动机，直径只有6 mm，长度为 4 mm左右，耗电仅几微瓦，重量只有十几克。控制电机的特点（小结）控制电机的特点（小结）普通电机，主要任务：能量转换 主
16、要问题：提高能量转换的效率控制电机，主要任务：完成控制信号的传递和转换 主要要求：运行可靠、动作迅速和准确度高 使用范围很广，工作条件复杂 体积小、重量轻、耗电少1.如何学习如何学习“控制电机控制电机”这门课程这门课程 控制电机的种类虽然很多，可以列举出数十种来，但是这些电机的基本原理都是建立在以下两个基本规律的基础上的：一是电磁转化规律，就是在一定条件下电和磁可以相互转化；二是电流在磁场中要受到力的作用。因此在“控制电机”这门课程中，我们选择了直流伺服电动机、变压器和交流伺服电动机这三种最基本的电机作为典型，比较深入地研究和分析其中的电磁关系和它们的基本原理及特性。通过这三种电机的解剖和分析
17、，使大家对控制电机中普遍存在的电磁规律及其分析方法有所了解。读者在学习时要抓主要矛盾，以这三种电机作为重点进行学习。首先应将这三种电机中的一些电磁关系搞清楚，并掌握分析问题和解决问题的方法，这样学习其它几种电机就不困难了。即使在学习每一种电机时，也要掌握重点。每一种电机牵涉的问题也很多、很广，要集中精力掌握一些基本规律和一些主要的理论，对一些枝节问题可不必过于深究。由于各种控制电机的原理都是建立在基本的电磁规律基础上的，因而它们之间不是孤立的，它们既有共性，也有个性。在以后学习中就会发现，一种电机与另一种电机之间在电磁关系上、在基本特性上有很多相同之处，但它们各自又具有与众不同的特点。因此，在
18、学习时也要用辩证法的观点来学，将各种控制电机联系起来，着重分析和掌握一些共同规律，同时也要研究每个电机所具有的特殊性质。为了便于理解，本教材不是按控制电机的性质进行分类的，而是把电磁关系比较接近的放在一起，按照由浅入深、循序渐进的原则安排章、节次序。对自动控制系统专业的学生来说，今后的工作中主要是使用控制电机，所以通过本门课程主要是学习控制电机的特性和使用方法。但同时我们还需要学习电机的基本原理，因为对电机来说，其使用时的条件只是外因，电机之所以有各种特性的根本原因是在于电机本身的内部矛盾。我们要通过学习电机的基本原理，了解电机内部的基本矛盾，这样才能正确而主动地掌握控制电机的使用方法。如何学习如何学习“控制电机控制电机”这门课程（小结）这门课程（小结）1.注重对理论（电磁场的理论）的学习 两个基本规律：电磁转化规律：变化的电场可以产生磁场 变化的磁场可以产生电场（左手定则）电流在磁场中要受到力的作用（右手定则）科学家都是左撇子，所以他们：左手有力量，右手能发电。三个磁场：稳恒磁场、脉振磁场、旋转磁场 三种电机：直流伺服电动机、变压器、交流伺服电动机2.注意总结各种控制电机的共性和个性3.以学习控制电机的特性和使用方法为目的
