控制电机-第00章-绪论.ppt

控 制 电 机 任课教师：赵 晴 通讯方式邮 箱：zhaoqing99_99163.com 辅导时间：每周二下午4：00-4：50 刘小亮老师办公室 1 图 1 - 1 雷达天线控制系统原理线路 2 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。 3 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 4 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。 5 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。 6 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、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。 7 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： 8 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 9 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。 10 绪 论 控制电机 一、一、控制电机课程的学习方法和要求控制电机课程的学习方法和要求 二、二、控制电机的种类和特点控制电机的种类和特点 三、三、控制电机的发展历程和趋势控制电机的发展历程和趋势 11 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 12 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 13 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 14 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 15 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 16 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 17 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：18 (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 19 (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 20 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 21 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 22 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 23 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 24 (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 25 (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。