自动控制元件16

自动控制元件自动控制元件的分类按作用分类：功率元件和信号元件功率元件：进行电－机能量转换的元件，如力矩电机、伺服电机、步进电机等。信号元件：进行机－电能量转换的元件。如测速发电机、控制式自整角机、旋转变压器等。自动控制系统对控制元件的主要要求

自动控制元件作为自动控制系统中的一类重要元件，其性能好坏将直接影响到整个控制系统的工作性能。现代自动控制系统对自动控制元件除了要求其体积小、重量轻、耗电少外，还要求它具有：高可靠性、高精度和快速响应。圆柱面磁场间的力矩课程的主要内容第一章直流伺服电动机第二章直流测速发电机第三章步进电动机第四章旋转变压器第五章自整角机第六章交流伺服电动机第七章无刷直流电动机第一章直流伺服电动机直流电动机在自动控制系统中作为执行系统控制信号命令的元件，被称作执行元件。直流电动机的优点：1）调速范围广，易于平滑调节；2）过载、起动、制动转矩大；3）特性好，控制方便；直流电电动机的铭牌数据额定功率Pe(W)额定电压Ue(V)额定电流Ie（A)额定转速Ne(rpm)额定转矩Te(N.m)转矩、转速和功率之间的关系直流电机的基本关系电势平衡关系式静态发电机电动机动态发电机电动机直流电机的基本关系转矩平衡关系式静态发电机电动机动态发电机电动机直流伺服电动机的静态关系式其中，直流伺服电动机的静态特性或机械特性Ua保持不变时，n=f(Tem)的关系式中机械特性理想空载转速斜率和硬度堵转转矩直流伺服电动机的控制特性负载转矩不变时，n=f(Ua)的关系或式中控制特性直流伺服电动机的工作状态阶跃控制电压作用下直流伺服电动机的过渡过程动态方程阶跃控制电压作用下直流伺服电动机的过渡过程代入电压平衡方程，消去中间变量后，得规化为标准形式如下：阶跃控制电压作用下直流伺服电动机的过渡过程过渡过程曲线阶跃控制电压作用下直流伺服电动机的过渡过程过渡过程曲线阶跃控制电压作用下直流伺服电动机的过渡过程过渡过程曲线阶跃控制电压作用下直流伺服电动机的过渡过程动态参数：机电时间常数第二章直流测速发电机直流测速发电机是一种把机械转速变换成电压信号的测量元件。实际上，它就是一台微型的直流发电机。直流测速发电机除了在控制系统中作为测速元件之外，还能当作阻尼元件，以及解算装置中的微分元件和积分元件。是控制系统中的一个重要测量转换元件。直流测速发电机直流发电机的静态关系式直流测速发电机的输出特性输出特性的误差分析一、电枢反应考虑电枢反应的去磁作用时的气隙合成磁通输出特性方程式输出特性的误差分析考虑电枢反应影响时的输出特性输出特性的误差分析二、电刷与换向器的接触电阻与接触电压输出特性的误差分析同时考虑电枢反应和电刷与换向器接触压降影响后，直流测速发电机的输出特性第三章步进电动机步进电动机是一种将数字式电脉冲信号转换成机械位移（角位移或线位移）的机电元件，它的机械位移与输入的数字脉冲信号有着严格的对应关系，即一个脉冲信号可使步进电动机前进一步，故称为步进电动机。由于它的输入信号为脉冲电压，因此又被称作脉冲电动机。步进电动机作为数字控制系统的佳配，它是一种比较理想的执行元件。步进电动机的分类步进电动机的种类很多，按工作原理可分为三大类：1）反应式步进电动机2）永磁式步进电动机3）永磁感应子式步进电动机（混合式步进电动机）步进电动机的常用术语绕组相数定子磁极对数转子齿数齿距角步距角失调角零位或初始稳定平衡位置矩角特性步进电动机的常用术语最大静转矩最大静转矩特性精度起动频率运行频率起动矩频特性起动惯频特性运行矩频特性径向分相反应式步进电动机极对数等于相数，或相邻相极定转子之间错齿（每个极距所跨的齿距数不是整数）极距角齿距角齿数拍、拍数和运行方式把每一次通电状态的换接称为拍，每一拍转子相应旋转一个步距角；把完成一个通电状态循环所需要换接的控制绕组通电状态数称作拍数，用N表示。步距角一般反应式步进电动机可按两种基本方式进行：其一为整步运行：运行拍数等于相数，称为单拍制（N=m）；其二为半步运行：运行拍数等于相数的2倍（N=2m），称为双拍制。步进电动机的转速步进电动机的转速可见，步进电动机的转速将由控制脉冲频率（）、运行拍数（N）和转子齿数（Zr）决定。改变控制脉冲频率可对步进电动机实现均匀而宽范围的调速，快速起动、反转和制动也可由控制脉冲的频率变化灵活地实现。因此，步进电动机是数字控制系统良好的执行元件。步进电动机的转速步进电动机的转速表示控制绕组中的电流交变频率步进电动机的静态特性

静态转矩矩角特性通电相极产生的电磁转矩（矩角特性）用电角度表示的齿距角从步进电动机工作原理可看出，无论以何种方式通电，完成一个通电循环，转子将转过一个齿距角。因此步进电动机的特性完全可由一个齿距范围内的特性来代表。我们定义电角度等于机械角度与转子齿数的乘积。三相反应式步进电动机绕组通电时的矩角特性A相通电B相通电C相通电A、B相同时通电矩角特性曲线族三相反应式步进电机矩角特性曲线族四相反应式步进电动机单相通电时的矩角特性A相通电B相通电C相通电D相通电三相反应式步进电动机的转矩矢量三相反应式步进电机绕组通电方式双三拍单双六拍三相反应式步进电动机多相通电时的矩角特性三相混合式步进电机绕组通电方式12－2通电方式，6拍三相混合式步进电机绕组通电方式23－3通电方式，6拍三相混合式步进电机绕组通电方式32－3通电方式，12拍四相反应式步进电机绕组通电方式双四拍单双八拍四相反应式步进电动机矩角特性曲线族二相混合式步进电机绕组通电方式双四拍单双八拍步距角与负载能力三相反应式空载情况下三相反应式负载情况下，比较a’,q,a”三种负载三相反应式多拍情况下，负载能力提高四相反应式步进电动机矩角特性曲线族最大负载转矩（极限起动转矩）某种通电方式下，各相矩角特性曲线的交点——曲线族包络线的最低点Temq乃是步进电动机单步运行所能带动的最大负载转矩，称为极限起动转矩，实际电机所带的负载Tf必须小于这个转矩才能正常运转。对于不同的运行方式，由于步距角和最大静态转矩的不同，矩角特性曲线的交点位置也将不同。因此，对应的步进电动机的起动转矩Temq也必将不同。不同通电方式时的最大负载转矩三相反应式步进电动机三相单三拍三相双三拍三相单双六拍不同通电方式时的最大负载转矩三相混合式步进电动机2－2通电方式3－3通电方式2－3通电方式三相混合式步进电机负载能力第四章旋转变压器旋转变压器是一种输出电压与角位移呈连续函数关系的感应式微电机。它的结构与绕线式异步电动机相似，由定子和转子两大部分组成，从物理本质上看，旋转变压器也可以看成一种可以转动的变压器。这种变压器的原边绕组放置在定子上，而副边绕组放置在转子上，原、副边绕组之间的电磁耦合程度与转子的转角有关，因而，当它的原边绕组外施单相交流电压励磁时，副边绕组输出电压的幅值将与转子的转角有关。正余弦旋转变压器旋转变压器可以看作是原边（定子）与副边（转子）绕组之间的电磁耦合程度能随转子转角改变而改变的变压器。正、余弦旋转变压器则能满足输出电压与转子转角保持正、余弦函数关系。正余弦旋转变压器的负载运行引起输出电压畸变的主要原因是副边电流所产生的交轴磁密分量所对应的磁通正余弦旋转变压器的负载运行可见，交轴磁通是旋转变压器负载后输出特性曲线畸变的主要原因。为了改善系统性能，就应该消除交轴磁通的影响。消除输出特性畸变的方法也称为补偿。补偿的方法有：1）副边补偿2）原边补偿副边补偿的正余弦旋转变压器转子绕组中的电势转子绕组中的电流副边补偿的正余弦旋转变压器副边完全补偿的条件：或得原边补偿的正余弦旋转变压器原边补偿的正余弦旋转变压器可以证明，当定子两相绕组的参数相同，阻抗与交流励磁电源内阻抗相等时，则转子输出绕组电流产生的交轴磁通对输出电压的影响就能得到完全补偿，从而消除了输出电压的畸变。由于原边补偿条件为，故称这种补偿为原边对称补偿。因为一般电源内阻抗很小，所以实际应用中经常把交轴绕组直接短路，同样可以达到补偿的目的。原、副边补偿的正余弦旋转变压器第五章自整角机自整角机是一种感应式同步微型电机。它广泛应用于显示装置和随动系统中，使机械上互不相连的两根或多根轴能自动保持相同的转角变化，呈同步旋转，在系统中，通常是两台或多台组合使用。产生信号的一方称为发送机，接收信号的一方称为接收机。自整角机按使用要求不同可分为力矩式自整角机和控制式自整角机两大类。自整角机的分类一、力矩式自整角机力矩式自整角机按其用途可分为四种:（1）力矩式发送机（ZLF）（2）力矩式接收机（ZLJ）（3）力矩式差动发送机（ZCF）（4）力矩式差动接收机（ZCJ）自整角机的分类二、控制式自整角机控制式自整角机按其用途可分为三种：（1）控制式发送机（ZKF）（2）控制式自整角变压器（ZKB）（3）控制式差动发送机（ZKC）力矩式自整角机二、力矩式自整角机的工作原理1、一对力矩式自整角机系统力矩式自整角机整步转矩与失调角的关系比整步转矩：当失调角时，力矩式自整角机所具有的整步转矩力矩式差动自整角机（1）发送机－差动发送机－接收机系统力矩式差动自整角机（2）发送机－差动接收机－发送机系统控制式自整角机在随动系统中，广泛采用由伺服机构和控制式自整角机组成的系统。这种系统是闭环系统，具有较高的精度，通常可达几个角分。系统带负载的能力取决于伺服机构中的放大器和执行电机的功率。控制式自整角机只输出电压信号，属于信号元件，在工作时它的温升相当低。在一台发送机分别控制多个伺服机构的系统中，即使有一台接收机发生故障，通常也不致于影响其它接收机正常运行。控制式自整角机的结构及分类控制式自整角发送机控制式自整角变压器控制式差动发动机控制式自整角机的工作原理当自整角变压器输出绕组接上高输入阻抗的放大器时，输出绕组两端的输出电压与绕组中电势近似相等，即自整角变压器的输出电压控制式自整角机的工作原理第六章交流伺服电动机交流伺服电动机一般是指两相交流伺服电动机，又称为两相异步电动机，它和直流伺服电动机一样，作为控制系统的执行元件。根据交流伺服电动机在自动控制系统中的作用，自动控制系统对它的要求主要有：(1)转速和转向能很方便地接受控制信号的控制，调整范围要宽；(2)在整个运行范围内，特性应接近线性关系，并保证运行的稳定性；(3)当控制信号消失时，伺服电动机应停转，即无“自转”现象；(4)控制功率要小，起动转矩要大；(5)死区要小，机电时间常数要小，快速性要好。交流伺服电动机的工作原理圆形旋转磁场作用下的电动机特性机械特性1)理想空载时，即S=0时，电磁转矩Tem＝0。2)随着转子电阻的增大，机械特性曲线的最大转矩值不变，但取得最大转矩的转差率Sm在增大。3)S=1(n=0)时的电磁转矩叫做堵转转矩。4)稳定区和不稳定区。椭圆旋转磁场的分解克服自转现象时的机械特性椭圆旋转磁场作用下电动机的机械特性交流伺服电动机的控制方法作为控制系统执行元件的交流伺服电动机，在运行中，转速通常不是恒定不变的，而是随控制电压的改变在不断地变化着。从前面的分析我们知道，控制交流伺服电动机转速的过程，就是改变椭圆旋转磁场椭圆度的过程，从两相脉振磁场合成椭圆旋转磁场的分析，可以得出改变椭圆旋转磁场椭圆度的方法有三种：1）改变脉振磁场（通常是控制相）的幅值；2）改变两相脉振磁场的时间相位差；3）脉振磁场的幅值及相位差同时改变。第七章无刷直流电动机无刷直流电动机利用电子换向开关线路和位置传感器来代替电刷和换向器，使这种电机既具有直流电动机的特性，又具有交流电动机运行可靠、维护方便等优点，它的转速不再受机械换向的限制，若采用高速轴承，还可以在高达每分钟几十万转的转速中运行。其缺点是结构比较复杂，包括电子换向器在内的体积较大，转矩波动