控制電機(jī)第1章緒論

1、第第1 1章章 緒論緒論 第第1章章 緒論緒論 1.1 控制電機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的作用控制電機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的作用 1.2 控制電機(jī)的種類和特點(diǎn)控制電機(jī)的種類和特點(diǎn) 1.3 如何學(xué)習(xí)如何學(xué)習(xí)“控制電機(jī)控制電機(jī)”這門課程這門課程 第第1 1章章 緒論緒論 1.1 控制電機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的作用控制電機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的作用 在各類自動(dòng)控制系統(tǒng)、 遙控和解算裝置中， 需要用到大量的各種各樣的元件。 控制電機(jī)就是其中的重要元件之一。 它屬于機(jī)電元件， 在系統(tǒng)中具有執(zhí)行、 檢測(cè)和解算的功能。 雖然從基本原理來說， 控制電機(jī)與普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)沒有本質(zhì)上的差別， 但后者著重于對(duì)電機(jī)的力能指標(biāo)方面的要求， 而

2、前者則著重于對(duì)特性、 高精度和快速響應(yīng)方面的要求， 滿足系統(tǒng)對(duì)它提出的要求。第第1 1章章 緒論緒論 控制電機(jī)已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)、 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代軍事裝備中不可缺少的重要元件。 它的應(yīng)用范圍非常廣泛， 例如， 火炮和雷達(dá)的自動(dòng)定位， 艦船方向舵的自動(dòng)操縱， 飛機(jī)的自動(dòng)駕駛， 遙遠(yuǎn)目標(biāo)位置的顯示， 機(jī)床加工過程的自動(dòng)控制和自動(dòng)顯示， 閥門的遙控， 以及機(jī)器人、 電子計(jì)算機(jī)、 自動(dòng)記錄儀表、 醫(yī)療設(shè)備、 錄音錄像設(shè)備等中的自動(dòng)控制系統(tǒng)。 下面以雷達(dá)掃描及自動(dòng)跟蹤飛機(jī)的過程為例， 具體說明控制電機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中所起的作用和所處的地位。第第1 1章章 緒論緒論 雷達(dá)天線控制系統(tǒng)的原理線路

3、如圖 1 - 1 所示。 這個(gè)系統(tǒng)有兩種工作狀態(tài)。 一種是當(dāng)雷達(dá)還沒有捕捉到飛機(jī)時(shí)， 要由雷達(dá)操縱手操作， 使天線旋轉(zhuǎn)去搜索飛機(jī)， 這就是雷達(dá)的搜索過程。 這時(shí)圖 1 - 1 上的閘刀S合在位置。 第二種狀態(tài)是當(dāng)天線捕捉到目標(biāo)時(shí)， 把閘刀立即合向位置。 這時(shí)雷達(dá)天線作自動(dòng)跟蹤飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)， 系統(tǒng)處于自動(dòng)跟蹤狀態(tài)。 下面分別討論系統(tǒng)的這兩種狀態(tài)。第第1 1章章 緒論緒論 圖 1 - 1 雷達(dá)天線控制系統(tǒng)原理線路 第第1 1章章 緒論緒論 1.1.1 雷達(dá)天線控制系統(tǒng)的搜索狀態(tài) 在搜索飛機(jī)時(shí)， 我們希望雷達(dá)天線按照要求在空間不斷旋轉(zhuǎn)， 使雷達(dá)發(fā)射機(jī)發(fā)出的強(qiáng)大的電磁波束跟著天線的轉(zhuǎn)動(dòng)在空中進(jìn)行掃描。

4、由于雷達(dá)天線又大又重， 人是搖不動(dòng)的， 這時(shí)雷達(dá)操縱手只需要搖動(dòng)手把7， 使自整角發(fā)送機(jī)1的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)， 通過自動(dòng)控制系統(tǒng)的作用， 就可使雷達(dá)天線 3 跟著自整角發(fā)送機(jī)的轉(zhuǎn)角自動(dòng)地旋轉(zhuǎn)。 發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)幾度， 天線也轉(zhuǎn)幾度； 發(fā)送機(jī)正轉(zhuǎn)， 天線也正轉(zhuǎn)； 發(fā)送機(jī)反轉(zhuǎn)， 天線也反轉(zhuǎn)。第第1 1章章 緒論緒論 自整角接收機(jī) 2 的轉(zhuǎn)軸是和天線的轉(zhuǎn)軸聯(lián)結(jié)在一起的。 自整角發(fā)送機(jī)和自整角接收機(jī)一般不單獨(dú)使用而是成對(duì)地使用。 當(dāng)發(fā)送機(jī)的轉(zhuǎn)角和接收機(jī)的轉(zhuǎn)角相等， 也就是轉(zhuǎn)角差=- 等于零時(shí)， 接收機(jī)的輸出電壓U1也等于零。 當(dāng)轉(zhuǎn)角和不等時(shí)， 接收機(jī)就有和轉(zhuǎn)角差成正比的交流電壓U1 輸出。 這樣， 自整角接收機(jī)就好像

5、自動(dòng)控制系統(tǒng)的眼睛一樣， 可以很靈敏地感覺出天線的轉(zhuǎn)角是否跟上自整角發(fā)送機(jī)的轉(zhuǎn)角。 當(dāng)跟上時(shí)， 轉(zhuǎn)角等于轉(zhuǎn)角， 沒有電壓輸出； 當(dāng)沒有跟上， 即轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)角不等時(shí)， 通過自整角接收機(jī)輸出電壓U1, 就可把轉(zhuǎn)角差測(cè)量出來， 因此自動(dòng)控制系統(tǒng)中的自整角機(jī)被稱為敏感元件。第第1 1章章 緒論緒論 假如雷達(dá)手向某一方向搖動(dòng)手輪 7， 產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)角差， 這時(shí)自整角接收機(jī)就有交流電壓U1輸出， 這個(gè)電壓經(jīng)過交流放大器放大后， 由環(huán)形解調(diào)器轉(zhuǎn)換成直流電壓U2， 并送入直流放大器放大， 放大后的直流電壓U3被輸入到可控硅控制線路的差動(dòng)放大器， 去控制可控硅的導(dǎo)通和截止。 當(dāng)可控硅VD和VD導(dǎo)通時(shí)， 就有一定極性

6、的信號(hào)電壓通入直流伺服電動(dòng)機(jī) 5， 直流伺服電動(dòng)機(jī)就立即向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。 第第1 1章章 緒論緒論 當(dāng)手輪 7 向另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)， 電壓U1的相位就相反了， 因而使電壓U2、 U3的極性相反， 這時(shí)可控硅VD和VD導(dǎo)通， 通入直流伺服電動(dòng)機(jī)的信號(hào)電壓極性也隨之相反， 直流伺服電動(dòng)機(jī)就立即向另一方向旋轉(zhuǎn)。 這里直流伺服電動(dòng)機(jī)將電信號(hào)變?yōu)檗D(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)， 執(zhí)行了電信號(hào)所給予的控制任務(wù)， 所以常稱為執(zhí)行元件。 直流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以后， 經(jīng)過變速箱 4 帶動(dòng)天線 3 旋轉(zhuǎn)， 同時(shí)也帶動(dòng)自整角接收機(jī)。 直流伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)該是朝著天線和發(fā)送機(jī)之間的轉(zhuǎn)角差減小的方向旋轉(zhuǎn)， 直到轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)角相等。 這時(shí)U1、 U2、 U

7、3都等于零， 伺服電動(dòng)機(jī)才停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 這樣， 雷達(dá)天線的轉(zhuǎn)角就能自動(dòng)地跟隨手輪而轉(zhuǎn)動(dòng)， 以達(dá)到手控天線的目的。第第1 1章章 緒論緒論 為了改善自動(dòng)控制系統(tǒng)的品質(zhì)， 在系統(tǒng)中還采用了校正元件直流測(cè)速發(fā)電機(jī)。 測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓U4與它的轉(zhuǎn)速n成正比， 并把它反饋到直流放大器中。整個(gè)控制系統(tǒng)的工作原理可以用圖 1 - 2 這樣的方框圖來表示。 圖上各個(gè)元件和實(shí)際線路對(duì)應(yīng)如下：第第1 1章章 緒論緒論 敏感元件自整角發(fā)送機(jī)和接收機(jī)。轉(zhuǎn)換元件放大器和解調(diào)器。放大元件直流放大器和可控硅控制線路。執(zhí)行元件直流伺服電動(dòng)機(jī)。校正元件直流測(cè)速發(fā)電機(jī)?？刂茖?duì)象雷達(dá)天線。第第1 1章章 緒論緒論 圖 1 - 2

8、 雷達(dá)天線控制系統(tǒng)方框圖 第第1 1章章 緒論緒論 1.1.2 雷達(dá)天線控制系統(tǒng)的自動(dòng)跟蹤狀態(tài) 當(dāng)雷達(dá)手從顯示器的熒光屏上看到雷達(dá)已經(jīng)捕捉到飛機(jī)以后， 立即把閘刀S合向位置，系統(tǒng)就工作在跟蹤狀態(tài)。 這時(shí)， 雷達(dá)接收機(jī)收到從飛機(jī)反射回來的回波， 并把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)直接輸入到放大器去控制天線的旋轉(zhuǎn)， 此時(shí)天線不需要手控而自動(dòng)作跟蹤飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)。 上述控制系統(tǒng)中所用的自整角發(fā)送機(jī)、 自整角接收機(jī)、 直流伺服電動(dòng)機(jī)、 直流測(cè)速發(fā)電機(jī)都屬于電機(jī)類型， 統(tǒng)稱為控制電機(jī)。 可以看出， 這些電機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中起到了很重要的作用， 是必不可少的元件。第第1 1章章 緒論緒論 自動(dòng)控制系統(tǒng)和它所用到的控制電機(jī)的關(guān)

9、系是整體和局部的關(guān)系， 是一對(duì)矛盾的兩個(gè)對(duì)立面。 一方面控制電機(jī)的性能和作用要服從于整個(gè)系統(tǒng)對(duì)它的要求， 控制電機(jī)性能好壞要看它能不能滿足系統(tǒng)的要求； 另一方面控制電機(jī)的性能又直接影響整個(gè)控制系統(tǒng)的性能， 控制電機(jī)的性能不好或者使用不恰當(dāng)， 整個(gè)控制系統(tǒng)的性能就無法提高； 控制電機(jī)的革新又可以帶來整個(gè)系統(tǒng)的革新。第第1 1章章 緒論緒論 既然自動(dòng)控制系統(tǒng)和控制電機(jī)是整體和局部的關(guān)系， 因此， 從事自動(dòng)控制系統(tǒng)工作的技術(shù)人員， 不但要了解控制系統(tǒng)的整體以及系統(tǒng)中各個(gè)元件的相互關(guān)系， 而且對(duì)系統(tǒng)中的各個(gè)元件和控制電機(jī)也要熟悉， 只有這樣， 才能恰當(dāng)?shù)剡x擇和使用各種元件， 并有可能了解整個(gè)自動(dòng)控制系

10、統(tǒng)。第第1 1章章 緒論緒論 1.2 控制電機(jī)的種類和特點(diǎn)控制電機(jī)的種類和特點(diǎn) 1.2.1 控制電機(jī)的種類 控制電機(jī)的種類很多， 除了自整角機(jī)、 直流伺服電動(dòng)機(jī)和測(cè)速發(fā)電機(jī)外， 還有交流伺服電動(dòng)機(jī)、 交流測(cè)速發(fā)電機(jī)、 旋轉(zhuǎn)變壓器、 無刷直流電動(dòng)機(jī)、 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。 根據(jù)它們?cè)谧詣?dòng)控制系統(tǒng)中的作用， 可以作如下的分類。第第1 1章章 緒論緒論 1. 執(zhí)行元件(功率元件) 主要包括直流伺服電動(dòng)機(jī)、 交流伺服電動(dòng)機(jī)、 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和無刷直流電動(dòng)機(jī)等。 這些電動(dòng)機(jī)的任務(wù)是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成軸上的角位移或角速度以及直線位移和線速度， 并帶動(dòng)控制對(duì)象運(yùn)動(dòng)。 理想的直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與控制信號(hào)的

11、關(guān)系如圖 1 - 3 所示， 轉(zhuǎn)速和控制電壓的關(guān)系成正比關(guān)系， 而轉(zhuǎn)速的方向由控制電壓的極性來決定。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖電壓的頻率成正比， 如圖 1 - 4 所示。第第1 1章章 緒論緒論 圖 1 - 3 伺服電動(dòng)機(jī)的控制特性 第第1 1章章 緒論緒論 圖 1 - 4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制特性 第第1 1章章 緒論緒論 2. 測(cè)量元件(信號(hào)元件) 測(cè)量元件包括自整角機(jī), 交、 直流測(cè)速發(fā)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器等。 它們能夠用來測(cè)量機(jī)械轉(zhuǎn)角、 轉(zhuǎn)角差和轉(zhuǎn)速， 一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為敏感元件和校正元件。自整角機(jī)可以把發(fā)送機(jī)和接收機(jī)之間的轉(zhuǎn)角差轉(zhuǎn)換成與角差成正弦關(guān)系的電信號(hào)， 如圖 1 - 5 所示。

12、測(cè)速發(fā)電機(jī)可以把轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電信號(hào)， 它的輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比， 如圖 1 - 6 所示。 旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出電壓與轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的轉(zhuǎn)角成正、 余弦或線性關(guān)系， 如圖 1 - 7 所示。第第1 1章章 緒論緒論 圖 1 - 5 自整角機(jī)的控制特性 第第1 1章章 緒論緒論 圖 1 - 6 測(cè)速發(fā)電機(jī)的控制特性 第第1 1章章 緒論緒論 圖 1 - 7 旋轉(zhuǎn)變壓器的控制特性 第第1 1章章 緒論緒論 1.2.2 控制電機(jī)的特點(diǎn) 人們?cè)谌粘５墓ぷ骱蜕钪幸步?jīng)常要用到電機(jī)， 例如電燈所用的電是由發(fā)電機(jī)發(fā)出的， 抽水機(jī)要用電動(dòng)機(jī)來帶動(dòng)， 工廠里車床要用電動(dòng)機(jī)才能旋轉(zhuǎn)， 手電鉆里裝的也是電機(jī)。 這些電機(jī)與上

13、面研究的控制電機(jī)有些什么不同呢?第第1 1章章 緒論緒論 從所舉的例子中可以看出， 日常生活和工作中遇到的電機(jī)一般是作為動(dòng)力來使用的， 它們的主要任務(wù)是能量轉(zhuǎn)換， 發(fā)電機(jī)是把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能， 電動(dòng)機(jī)是把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，它們的主要問題是提高能量轉(zhuǎn)換的效率。 控制電機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中， 只起一個(gè)元件的作用， 其主要任務(wù)是完成控制信號(hào)的傳遞和轉(zhuǎn)換， 而能量轉(zhuǎn)換是次要的。 根據(jù)它們使用的場(chǎng)合及所完成任務(wù)的特點(diǎn)， 決定了對(duì)它們的主要要求是運(yùn)行可靠、 動(dòng)作迅速和準(zhǔn)確度高。 第第1 1章章 緒論緒論 眾所周知， 自動(dòng)控制系統(tǒng)由成百個(gè)、 成千個(gè)各種各樣的元件所組成， 每個(gè)元件都按照系統(tǒng)對(duì)它的特定要求而工作

14、。 因此， 每個(gè)元件工作的好壞， 直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的工作。 為了使整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠敏捷地、 準(zhǔn)確地按照人們的要求而動(dòng)作， 這就要求組成系統(tǒng)的每一個(gè)元件都要?jiǎng)幼餮杆佟?準(zhǔn)確和可靠。第第1 1章章 緒論緒論 同時(shí)， 控制電機(jī)的使用范圍很廣， 從地下、 水面、 海洋到高空、 太空以至原子能反應(yīng)堆等地方都在使用， 而且工作環(huán)境條件常常十分復(fù)雜， 如高溫、 低溫、 鹽霧、 潮濕、 沖擊、 振動(dòng)、 輻射等， 這就要求電機(jī)在各種惡劣的環(huán)境條件下仍能準(zhǔn)確、 可靠地工作。 另外， 很多使用場(chǎng)合(尤其在航空航天技術(shù)中使用)還要求控制電機(jī)體積小、 重量輕、 耗電少， 所以我們常見到的控制電機(jī)很多都是體積很小的

15、微電機(jī)。 像電子手表中用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)， 直徑只有6 mm， 長(zhǎng)度為 4 mm左右， 耗電僅幾微瓦， 重量只有十幾克。第第1 1章章 緒論緒論 1. 如何學(xué)習(xí)如何學(xué)習(xí)“控制電機(jī)控制電機(jī)”這門課程這門課程 控制電機(jī)的種類雖然很多， 可以列舉出數(shù)十種來， 但是這些電機(jī)的基本原理都是建立在以下兩個(gè)基本規(guī)律的基礎(chǔ)上的： 一是電磁轉(zhuǎn)化規(guī)律， 就是在一定條件下電和磁可以相互轉(zhuǎn)化； 二是電流在磁場(chǎng)中要受到力的作用。 因此在“控制電機(jī)”這門課程中， 我們選擇了直流伺服電動(dòng)機(jī)、 變壓器和交流伺服電動(dòng)機(jī)這三種最基本的電機(jī)作為典型， 比較深入地研究和分析其中的電磁關(guān)系和它們的基本原理及特性。 第第1 1章章 緒論緒論

16、 通過這三種電機(jī)的解剖和分析， 使大家對(duì)控制電機(jī)中普遍存在的電磁規(guī)律及其分析方法有所了解。 讀者在學(xué)習(xí)時(shí)要抓主要矛盾， 以這三種電機(jī)作為重點(diǎn)進(jìn)行學(xué)習(xí)。 首先應(yīng)將這三種電機(jī)中的一些電磁關(guān)系搞清楚， 并掌握分析問題和解決問題的方法， 這樣學(xué)習(xí)其它幾種電機(jī)就不困難了。 即使在學(xué)習(xí)每一種電機(jī)時(shí)， 也要掌握重點(diǎn)。 每一種電機(jī)牽涉的問題也很多、 很廣， 要集中精力掌握一些基本規(guī)律和一些主要的理論， 對(duì)一些枝節(jié)問題可不必過于深究。第第1 1章章 緒論緒論 由于各種控制電機(jī)的原理都是建立在基本的電磁規(guī)律基礎(chǔ)上的， 因而它們之間不是孤立的， 它們既有共性， 也有個(gè)性。 在以后學(xué)習(xí)中就會(huì)發(fā)現(xiàn)， 一種電機(jī)與另一種電機(jī)之間在電磁關(guān)系上、 在基本特性上有很多相同之處， 但它們各自又具有與眾不同的特點(diǎn)。 因此， 在學(xué)習(xí)時(shí)也要用辯證法的觀點(diǎn)來學(xué)， 將各種控制電機(jī)聯(lián)系起來， 著重分析和掌握一些共同規(guī)律， 同時(shí)也要研究每個(gè)電機(jī)所具有的特殊性質(zhì)。 第第1 1章章