自动控制元件16讲解

《自动控制元件16讲解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自动控制元件16讲解（98页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、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。 n圆柱面磁场间的力矩 课程的主要内容 n第一章 直流伺服电动机 n第二章 直流测速发电机 n第三章 步进电动机 n第四章 旋转变压器 n

2、第五章 自整角机 n第六章 交流伺服电动机 n第七章 无刷直流电动机 第一章 直流伺服电动机 n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。 n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 n额定功率Pe(W) n额定电压Ue(V) n额定电流Ie（A) n额定转速Ne(rpm) n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 n静态 发电机 电动机 n动态 发电机 电动机 直流电机的基本关系 转矩平衡关系式 n静态 发电机 电动机 n动

3、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 nUa保持不变时， n=f(Tem)的关系 式中 机械特性 n理想空载转速 n斜率和硬度 n堵转转矩 直流伺服电动机的控制特性 n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：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 n过渡过程曲线 阶跃控制电压作

4、用下直流伺服电动机的过渡过程 n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 n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 n动态参数：机电时间常数 第二章 直流测速发电机 n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。 n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。 n是控制系统中的一个重要测量转换元件。 直流测速发电机 n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 n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

5、性方程式 输出特性的误差分析 n考虑电枢反应影响时的输出特性 输出特性的误差分析 n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 n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 n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。 n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，

6、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 n绕组相数 n定子磁极对数 n转子齿数 n齿距角 n步距角 n失调角 n零位或初始稳定平衡位置 n矩角特性 步进电动机的常用术语 n最大静转矩 n最大静转矩特性 n精度 n起动频率 n运行频率 n起动矩频特性 n起动惯频特性 n运行矩频特性 径向分相反应式步进电动机 n极对数等于相数，或 n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 n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；

7、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。 n步距角 n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 n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 n步进电动机的转速 表示控制绕组

8、中的电流交变频率 n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 n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 nA相通电 nB相通电 nC相通电 nA、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 nA相通电 nB相通电 nC相通电 nD相通电 三相反应式步进电动机的转矩矢量 三相

9、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1 22通电方式，6拍 三相混合式步进电机绕组通电方式2 33通电方式，6拍 三相混合式步进电机绕组通电方式3 23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） n某种通电方式下，

10、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。 n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 n三相单三拍 n三相双三拍 n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 n22通电方式 n33通电方式 n23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 n旋转变压器是一种输出电压与角位

11、移呈连续函数 关系的感应式微电机。 n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 n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。 n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 n

12、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 n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。 n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势 转子绕组中的电流转子绕组中的电流 副边补偿的正余弦旋转变压器 n副边完全补偿的条件： n或 n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

13、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 n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。 n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

14、机的分类 n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 n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 n整步转矩与失调角的关系 n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

15、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 n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。 n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 n控制式自整角发送机 n控制式自整角变压器 n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

16、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 n机械特性 1)理想空载时，即S=0 时，电磁转矩Tem0。 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