哈工大自控元件课件
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哈工大自动控制原理课件-第一章
1.2自动控制系统的组成及原理
（4）反馈信号：是被控变量经由传感器等元 件变换并返回到输入端的信号，它要与输入信 号进行比较(相减)以便产生偏差信号，反馈信 号一般与被控变量成正比。 （5）扰动(信号)是加于系统上的不希望的外来 信号，它对被控变量产生不利影响，又称干扰 或“噪声”。
(6)反馈量（Feedback Variable）： 通过检测 元件将输出量转变成与给定信号性质相同且数 量级相同的信号。
1.1自动控制的基本概念
近年来由于计算机与信息技术的迅速发展，控 制工程无论从深度上还是从广度上都在向其他 学科不断延伸与扩展，逐渐发展到以控制论、 信息论、仿生学为基础，以智能机为核心的智 能控制阶段。
本课程重点讲述经典控制理论，即本书的 前6章。
1.2自动控制系统的组成及原理
1.2自动控制系统的组成及原理
作业10% 作业共计5次 试验10% 一到两次试验 大作业10% 两次 期末考试70%
第1章 自动控制系统概述
本章主要内容：
自动控制的概念 自动控制系统的组成 自动控制系统的分类 对自动控制系统的基本要求及典型输入信号 自动控制理论的发展史
1.1自动控制的基本概念
自动控制作为重要的技术手段，在工业、农业、 国防、科学技术领域得到了广泛的应用。 自动控制：是指在无人干预的情况下，利用控制 装置(或控制器)使被控对象(如机器设备或生产过 程)的一个或多个物理量(如电压、速度、流量、液 位等)在一定精度范围内自动地按照给定的规律变 化并达到要求的指标。 例如，电网电压和频率自动地维持不变；数控机 床按照预定的程序自动地切削工件；火炮根据雷 达传来的信号自动地跟踪目标；人造卫星按预定 的轨道运行并始终保持正确的姿态等。这些都是 自动控制的结果。自动控制系统性能的优劣， 将 直接影响到产品的产量、 质量、 成本、 劳动条件 和预期目标的完成。
自动控制元件哈工大出版第六章课件无刷直流电动机1112I
❖ 计算机，硬盘、软盘、光盘驱动器主轴。年用量数亿台。 ❖ 转速控制系统。对位置传感器的信号处理可得速度信号，可
作反馈用。采用频率锁定回路可达到很高精度。 ❖ 全数字式交流伺服系统在伺服系统中应用越来越广。
18 2021/2/7
6.7 开关磁阻电动机
❖ 结构 电动机本体，位置传感器，控制与功率开关电路。
6.3.4 单向转动的电机与可逆转的电机 ❖ 位置传感器的输出信号处理电路不同，功放电路 不同。差
别较大。
9 2021/2/7
么么么么方面
❖ Sds绝对是假的
6.3 无刷直流电动机的工作原理
6.3.5 动态方程
❖ 无刷直流电动机就是采用电子换向器的直流电机。
❖ 电压平衡方程式和转矩平衡方程式分别为
❖ 定子两个绕组为一相。
Zs 2m
Zr Zs 2
❖ 定子绕组轮流通电，
形成步进式旋转磁场，
磁阻转矩带动转子转动。 ❖ 正向转矩，dΛdθ为正时通电流。
反向转矩，dΛdθ为负时通电流。
T KI 2 d d
❖ 特点 电机结构和开关功放电路简单，无刷。转矩波动大。
19 2021/2/7
2011-2012学年第一学期
1
概述
❖ 用电子开关电路和位置传感器代替电刷和换向器，具有直流 电动机的优点，又无电刷。 ▪ 不用电刷的换向器——电子换向器。
❖ 优点：力矩大，控制容易。T K sin , 90
❖ 缺点:结构比较复杂。 ❖ 应用：越来越多 。
2 2021/2/7
6.1 无刷直流电动机的结构
4 2021/2/7
6.3 无刷直流电动机的工作原理
❖ 6.3.1霍尔电机工作原理 ❖ 1. 两极四相电机
作反馈用。采用频率锁定回路可达到很高精度。 ❖ 全数字式交流伺服系统在伺服系统中应用越来越广。
18 2021/2/7
6.7 开关磁阻电动机
❖ 结构 电动机本体，位置传感器，控制与功率开关电路。
6.3.4 单向转动的电机与可逆转的电机 ❖ 位置传感器的输出信号处理电路不同，功放电路 不同。差
别较大。
9 2021/2/7
么么么么方面
❖ Sds绝对是假的
6.3 无刷直流电动机的工作原理
6.3.5 动态方程
❖ 无刷直流电动机就是采用电子换向器的直流电机。
❖ 电压平衡方程式和转矩平衡方程式分别为
❖ 定子两个绕组为一相。
Zs 2m
Zr Zs 2
❖ 定子绕组轮流通电，
形成步进式旋转磁场，
磁阻转矩带动转子转动。 ❖ 正向转矩，dΛdθ为正时通电流。
反向转矩，dΛdθ为负时通电流。
T KI 2 d d
❖ 特点 电机结构和开关功放电路简单，无刷。转矩波动大。
19 2021/2/7
2011-2012学年第一学期
1
概述
❖ 用电子开关电路和位置传感器代替电刷和换向器，具有直流 电动机的优点，又无电刷。 ▪ 不用电刷的换向器——电子换向器。
❖ 优点：力矩大，控制容易。T K sin , 90
❖ 缺点:结构比较复杂。 ❖ 应用：越来越多 。
2 2021/2/7
6.1 无刷直流电动机的结构
4 2021/2/7
6.3 无刷直流电动机的工作原理
❖ 6.3.1霍尔电机工作原理 ❖ 1. 两极四相电机
哈工大赵辉自动控制元件Lec-16
目
录
1。步进电机的驱动电路
自动控制元件及线路 16
步进电机驱动控制
-- 单片机驱动控制电路 -- 单电压驱动电路 -- 高低压驱动电路 -细分驱动控制
2。步进电机系统的应用 3。开关磁阻电机
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
步进电机的控制电路框图
一、驱动电源的组成
d) C （并联电容或加速电容） ——C 上的电压不能突变，在截 止到导通的瞬间，电源电压全落在绕组上， 。 i e) V(二极管)——VT截止时起续流和保护作用，以防绕组产生 的反电势击穿。 f) RD（串联电阻）—— i ，使 i 波形后沿变陡。
1 单电压限流型驱动电路
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
i( L )
L ——负载轴上所允许的角度误差。 式中：
2) 输入电压 U、输入电流 I 和相数 m ——三项指标与驱动 电源有关。
否过大）、电源电压（是否正常），再检查驱动 电流波形（是否正常）。
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
6
步进电机与交流伺服电机的比较
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心 哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
1
步进电机的控制框图
节 拍 正转 1 2 3 4 5 6 反转 6 5 4 3 2 1 通电顺 序 A AB B BC C CA 控制模型 二进制 000000 01 000000 11 000000 10 000001 10 000001 00 000001 01 十六进 制 01 03 02 06 04 05
步进电机的控制框图
保护现场
录
1。步进电机的驱动电路
自动控制元件及线路 16
步进电机驱动控制
-- 单片机驱动控制电路 -- 单电压驱动电路 -- 高低压驱动电路 -细分驱动控制
2。步进电机系统的应用 3。开关磁阻电机
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
步进电机的控制电路框图
一、驱动电源的组成
d) C （并联电容或加速电容） ——C 上的电压不能突变，在截 止到导通的瞬间，电源电压全落在绕组上， 。 i e) V(二极管)——VT截止时起续流和保护作用，以防绕组产生 的反电势击穿。 f) RD（串联电阻）—— i ，使 i 波形后沿变陡。
1 单电压限流型驱动电路
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
i( L )
L ——负载轴上所允许的角度误差。 式中：
2) 输入电压 U、输入电流 I 和相数 m ——三项指标与驱动 电源有关。
否过大）、电源电压（是否正常），再检查驱动 电流波形（是否正常）。
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6
步进电机与交流伺服电机的比较
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心 哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
1
步进电机的控制框图
节 拍 正转 1 2 3 4 5 6 反转 6 5 4 3 2 1 通电顺 序 A AB B BC C CA 控制模型 二进制 000000 01 000000 11 000000 10 000001 10 000001 00 000001 01 十六进 制 01 03 02 06 04 05
步进电机的控制框图
保护现场
哈工大器件原理JFET课件
当有电压加在栅极和源极之间时，在垂直于半导体表面的电场作用下，电子或空穴 被吸引到半导体表面，形成表面势垒。
随着栅极电压的增大或减小，表面势垒的厚度将发生变化，导致源极和漏极之间的 电流发生变化。
JFET的电气特性
转移特性
01
描述栅极电压与漏极电流之间的关系。随着栅极电压的增加或
减小，漏极电流减小或增加。
05
JFET的发展趋势与展 望
JFET技术的未来发展方向
缩小尺寸
随着半导体工艺的进步，JFET器件的尺寸不 断缩小，未来将实现更小尺寸的JFET，提高 集成度和性能。
高频性能提升
通过改进材料和结构，提高JFET器件的高频性能， 使其在高速电子和微波通信领域有更广泛的应用。
可靠性增强
优化JFET器件的材料和工艺，提高其可靠性 ，降低失效风险，延长使用寿命。
音频信号处理中的应用
音频信号放大
JFET可以用于音频信号的放大，通过 其输入阻抗高的特点，能够减小信号 源的负担，同时利用其输出阻抗低的 特点，能够提高放大倍数。
音频信号滤波
JFET也可以用于音频信号的滤波，通 过其导通和截止状态的切换，实现音 频信号的筛选和过滤。
电源管理中的应用
电源开关控制
JFET的高输入阻抗和低输出阻抗特性，使其成为理想的电源开关控制元件，能 够有效地控制电源的通断。
03
JFET的性能参数与测 试
JFET的主要性能参数
转移特性参数
描述JFET的输入特性，包括阈值电压和跨导 等。
输出特性参数
描述JFET的输出电流与电压的关系，包括最 大输出电流和饱和电压等。
频率特性参数
描述JFET的高频性能，包括截止频率和特征 频率等。
随着栅极电压的增大或减小，表面势垒的厚度将发生变化，导致源极和漏极之间的 电流发生变化。
JFET的电气特性
转移特性
01
描述栅极电压与漏极电流之间的关系。随着栅极电压的增加或
减小，漏极电流减小或增加。
05
JFET的发展趋势与展 望
JFET技术的未来发展方向
缩小尺寸
随着半导体工艺的进步，JFET器件的尺寸不 断缩小，未来将实现更小尺寸的JFET，提高 集成度和性能。
高频性能提升
通过改进材料和结构，提高JFET器件的高频性能， 使其在高速电子和微波通信领域有更广泛的应用。
可靠性增强
优化JFET器件的材料和工艺，提高其可靠性 ，降低失效风险，延长使用寿命。
音频信号处理中的应用
音频信号放大
JFET可以用于音频信号的放大，通过 其输入阻抗高的特点，能够减小信号 源的负担，同时利用其输出阻抗低的 特点，能够提高放大倍数。
音频信号滤波
JFET也可以用于音频信号的滤波，通 过其导通和截止状态的切换，实现音 频信号的筛选和过滤。
电源管理中的应用
电源开关控制
JFET的高输入阻抗和低输出阻抗特性，使其成为理想的电源开关控制元件，能 够有效地控制电源的通断。
03
JFET的性能参数与测 试
JFET的主要性能参数
转移特性参数
描述JFET的输入特性，包括阈值电压和跨导 等。
输出特性参数
描述JFET的输出电流与电压的关系，包括最 大输出电流和饱和电压等。
频率特性参数
描述JFET的高频性能，包括截止频率和特征 频率等。
哈尔滨工程大学 自动控制原理 第1章 线性系统的状态空间描述PPT课件
性，不能反映系统的内部结构特征（即不能反映“黑
箱”内部的某些部分），是对系统的一种不完全描述。
7
第1章 线性系统的状态空间描述
例如：
从输入—输出关系来看，它们具有相同的传递函数：
G(s) 1 s 1
但事实上这是两个内部结构完全不同的系统。这两个 系统是不等价的，一个是能控不能观，的一个是能观 不能控的。这表明系统的内部特性比起由传递函数表 达的外部特性要复杂得多，输入—输出描述没有包含 系统的全部信息，不能完整的描述一个系统。
Qu(t)u(t)
14
第1章 线性系统的状态空间描述
三. 系统状态空间描述的基本概念
1．状态和状态变量：系统在时间域中的行为或运动
信息的集合称为状态。确定系统状态的一组独立（数
目最少）的变量称为状态变量，是完全决定系统当前
行为的一个最小变量组,记为 x1(t)， x2(t)， ， xn(t)。
几点说明：
3．状态空间：以n个线性无关的状态变量作为基底 所组成的 n 维空间称为状态空间Rn。
4．状态轨线：随着时间推移，系统状态x(t)在状态
空间所留下的轨迹称为状态轨线或状态轨迹。
17
第1章 线性系统的状态空间描述
5．状态方程（※）：描述系统状态变量与输入变量之 间关系的一阶微分方程组(连续时间系统)或一阶差分方 程组(离散时间系统)称为系统的状态方程。状态方程表 征了系统由输入所引起的内部状态变化，其一般形式 为：
统行为所必需的系统变量的最少个数，减少变量数 将破坏表征的完全性，而增加变量数将是完全表征 系统行为所不需要的。
3）状态变量组选取上的不唯一性： 由于系统中变量的个数必大于n，而其中仅有n
个是线性无关的，因此决定了状态变量组在选取 上的不唯一性。 4）系统的任意选取的两个状态变量组之间为线性 非奇异变换的关系。
箱”内部的某些部分），是对系统的一种不完全描述。
7
第1章 线性系统的状态空间描述
例如：
从输入—输出关系来看，它们具有相同的传递函数：
G(s) 1 s 1
但事实上这是两个内部结构完全不同的系统。这两个 系统是不等价的，一个是能控不能观，的一个是能观 不能控的。这表明系统的内部特性比起由传递函数表 达的外部特性要复杂得多，输入—输出描述没有包含 系统的全部信息，不能完整的描述一个系统。
Qu(t)u(t)
14
第1章 线性系统的状态空间描述
三. 系统状态空间描述的基本概念
1．状态和状态变量：系统在时间域中的行为或运动
信息的集合称为状态。确定系统状态的一组独立（数
目最少）的变量称为状态变量，是完全决定系统当前
行为的一个最小变量组,记为 x1(t)， x2(t)， ， xn(t)。
几点说明：
3．状态空间：以n个线性无关的状态变量作为基底 所组成的 n 维空间称为状态空间Rn。
4．状态轨线：随着时间推移，系统状态x(t)在状态
空间所留下的轨迹称为状态轨线或状态轨迹。
17
第1章 线性系统的状态空间描述
5．状态方程（※）：描述系统状态变量与输入变量之 间关系的一阶微分方程组(连续时间系统)或一阶差分方 程组(离散时间系统)称为系统的状态方程。状态方程表 征了系统由输入所引起的内部状态变化，其一般形式 为：
统行为所必需的系统变量的最少个数，减少变量数 将破坏表征的完全性，而增加变量数将是完全表征 系统行为所不需要的。
3）状态变量组选取上的不唯一性： 由于系统中变量的个数必大于n，而其中仅有n
个是线性无关的，因此决定了状态变量组在选取 上的不唯一性。 4）系统的任意选取的两个状态变量组之间为线性 非奇异变换的关系。
哈工大自控元件课设概要
Fx 1 2 mv 2
计算出此力F约为56N。
发球装置的设计
考虑到市面上小型气动装置提供的作用力普遍 不超过20N,故采用弹性系数选择范围很宽、力与 位移呈线性关系的弹簧来提供推力。 由胡克定律与功能关系
1 2 1 2 1 2 kx1 kx 0 mv 2 2 2
计算可知，应采用弹性系数为1100N/m的弹簧。 由于直线电机高转矩、低转速的特性，并不能满 足发球频率6次/秒的要求，且给弹簧储能后不好 释放，这里采用非接触式的电磁开关，执行机构 简图如右： 前端磁性圆盘与弹簧焊接固定，上端滑槽内是 一个限位开关，可实现最大射速与最小射速之间 的任意调节，右端是一个电磁铁吸引圆盘并使弹 地四周的视觉传感器，我们不需要很高 的精度，只需要知道，在哪块区域里有网球即可，并 不需要通过这个传感器知道网球的精确位置。所以这 个传感器的分辨率不需要很高，但是需要有较大的可 视角。联想街道使用的监视器，这种监视器符合我们 的要求。初步选定龙视安 LS-Z633DM这种型号的监 视器。其产品参数如右图。查取其具体规格，得知在 使用4mm镜头焦距时，其可视角为69.9°，基本上可 以满足我们的远程监测网球的要求。
电磁铁的选择
弹簧长20cm，压缩10cm需要110N的力，可选 用直流吸盘式电磁铁，它在通电状态下可产生 强劲吸附力，省力省电，安全可靠，并可进行 远程操作。在多次比较价格及性能参数后，决 定选用乐青市鸣豫电气有限公司的设备： 留出一定裕量，选用吸引力为180N的型号 CNMYE1-P34，可以满足性能要求， 价格为78元，经济上也能接受。
小车状态
视觉传感器
视觉传感器是整个机器视觉系统信息的直接来源，主要由一个 或者两个图形传感器组成，有时还要配以光投射器及其他辅助设备。 视觉传感器的主要功能是获取足够的机器视觉图像信息。 在这个系统中我们使用两类视觉传感器，一种固定在场地四个 角落，用于全局观察场地内网球的散落情况，另一种固定在机器人 上，用于在捡网球过程中对网球的精确观察，指导捡球装置的运行。
计算出此力F约为56N。
发球装置的设计
考虑到市面上小型气动装置提供的作用力普遍 不超过20N,故采用弹性系数选择范围很宽、力与 位移呈线性关系的弹簧来提供推力。 由胡克定律与功能关系
1 2 1 2 1 2 kx1 kx 0 mv 2 2 2
计算可知，应采用弹性系数为1100N/m的弹簧。 由于直线电机高转矩、低转速的特性，并不能满 足发球频率6次/秒的要求，且给弹簧储能后不好 释放，这里采用非接触式的电磁开关，执行机构 简图如右： 前端磁性圆盘与弹簧焊接固定，上端滑槽内是 一个限位开关，可实现最大射速与最小射速之间 的任意调节，右端是一个电磁铁吸引圆盘并使弹 地四周的视觉传感器，我们不需要很高 的精度，只需要知道，在哪块区域里有网球即可，并 不需要通过这个传感器知道网球的精确位置。所以这 个传感器的分辨率不需要很高，但是需要有较大的可 视角。联想街道使用的监视器，这种监视器符合我们 的要求。初步选定龙视安 LS-Z633DM这种型号的监 视器。其产品参数如右图。查取其具体规格，得知在 使用4mm镜头焦距时，其可视角为69.9°，基本上可 以满足我们的远程监测网球的要求。
电磁铁的选择
弹簧长20cm，压缩10cm需要110N的力，可选 用直流吸盘式电磁铁，它在通电状态下可产生 强劲吸附力，省力省电，安全可靠，并可进行 远程操作。在多次比较价格及性能参数后，决 定选用乐青市鸣豫电气有限公司的设备： 留出一定裕量，选用吸引力为180N的型号 CNMYE1-P34，可以满足性能要求， 价格为78元，经济上也能接受。
小车状态
视觉传感器
视觉传感器是整个机器视觉系统信息的直接来源，主要由一个 或者两个图形传感器组成，有时还要配以光投射器及其他辅助设备。 视觉传感器的主要功能是获取足够的机器视觉图像信息。 在这个系统中我们使用两类视觉传感器，一种固定在场地四个 角落，用于全局观察场地内网球的散落情况，另一种固定在机器人 上，用于在捡网球过程中对网球的精确观察，指导捡球装置的运行。
哈工大_自动控制元件课程设计_自平衡电动车自动控制系统的研究ppt
控制要求
要保持电机运转，始终需要控制器， 固定转速不需要控制器，只需要改变转速 还可使用这一控制器控制转速 才需要控制器 转子运行频率低于定子，差值即为差频， 随着负载增加差频也增加
差频
定子和转子磁场频率相等
2.模块划分
2.1.1电机类型的选择
特性 控制精度 低频特性 矩频特性 过载能力 BLDC电机
3.综合评价
经济性分析： 目前市场上主流的自平衡电动车价格大约在10000万元左右，而本设计 中的电动车，两个无刷直流电机和驱动器需要约1000元，48V12Ah的铁锂 电池需要约1000元，其余部分有传感器、车轮、小车机械结构和控制芯片 电路需要约3000元，成本总计约总共加起来需要约5000元。与目前市场价 相比，该设计经济上有明显优势。 安全性分析： 该设计加入陀螺仪和加速度计来测量小车车体的姿态，保证小车始终 处于平衡状态运行。即使由于特殊路况或人为原因，小车不稳定而失去控 制，小车最大加速度为0.75m/s2，最大速度为5m/s，由于设计速度较低，安 全性能够得到保障。同时，小车装有红外避障装置，在人为控制不及时的 情况下，系统可以紧急改变小车运行路线。另外，本设计所选的无刷直流 电机IP防护等级较高，在特殊的天气（例如刮风下雨）下仍能正常工作。
计算过程: 解：小车匀速运动时，电机的角速度 车轮需要提供的摩擦力矩 每个车轮需要提供的摩擦力矩 单个电机需要提供的功率 小车加速运动时，加速度 车轮需要提供的最大转矩为 每个车轮需要提供的摩擦力矩为 单个电机需要提供的最大功率 单个电机所需过载能力
2.模块划分
2.1.2无刷直流电机型号的选择
无刷直流电机的选择: 根据计算可知，电机额定转速应不 小于239r/min，额定转矩应不小于 6N*m，电机的额定功率应不小于 150W；加速时，最大输出转矩应不小 于18N*m，最大输出功率为255W。并 且，一般来讲，所选电机额定转矩的 80%应大于自平衡电动车的工作转矩， 最大转矩的80%也应大于自平衡电动车 加速时的最大输出转矩，额定功率的 80%也应大于匀速时的功率，保证留有 余量。 基于以上考虑，我们选择90ZW-01 型号无刷直流电动机。具体参数如右表：
哈工大自控元件课件
哈工大自控元件课件自动控制元件及线路-2 -电气控制常识目录1。
磁场基本理论-磁场基本物理量-电磁基础定律2。
电气控制常识-线路、线缆-低压电器3。
电控线路举例电磁元件是利用磁场做媒介来实现信息（或能量）传递（或转换）的装臵。
磁场产生: 由永久磁铁产生由电流产生磁场分类：按电流性质直流磁场交流磁场磁路:磁通所经过的闭合回路称为磁路。
通过主要路径的磁通称为主磁通，另外还有少量的磁通不在此路径通过，称为漏磁通。
常见的铁心磁路一、磁力线定义：磁力线（或称B 线）是人们用来描述磁场的一种手段，每条磁力线上的任一点的切线方向都和该点磁场的方向一致。
A B C D磁力线的两个基本特征：第一，在任何磁场中每一条磁力线都是环绕电流的无头无尾的闭合曲线，即没有起点也没有终点；第二，在任何磁场中，每一条闭合的磁力线的回转方向和该闭合磁力线所包围的电流方向符合右手螺旋法则。
（a ）直线电流磁力线（b ）圆电流磁力线I I（c ）螺线管电流的磁力线I IN S（d ）永久磁铁的磁力线二、磁感应强度B定义：是表示在空间某点磁场强弱和方向的物理量，是一个空间矢量。
通俗的说，磁感应强度为通过某单位面积的磁力线的条数。
所以磁感应强度也称为磁密。
磁感应强度的方向：为该点磁场的方向。
+BFV 磁感应强度的单位为T （特）三、磁通Φ定义：通过磁场中一个给定面A 的磁力线的条数,简称磁通。
通过面积A 的磁通量为：n dAθB Φ=?A Bcos θdA=∫A B ·d A在均匀的磁场中磁通量：Φ=B·A磁通单位：Wb(韦伯）四、磁场强度H定义：在任何介质磁场中,某一点的磁感应强度B和同一点上介质磁导率μ的比值，即：H=B/μ单位：H —安每米（A/m）或安每厘米（A/cm）五、磁导率μ定义：用来表示物质导磁能力大小的物理量称为导磁系数或磁导率。
单位：亨每米（H/m）-7真空的磁导率为：μ0= 4π 10 （H/m）空气的磁导率: 近似等于真空磁导率。
自动控制理论PPT4(哈工大)
第四章 根轨迹法
HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY
规则六
复平面上根轨迹的分离点必须满足方程
上述条件只是确定分离点的必要条件，不是充分条件。
G ( s ) = K1
dK1 =0 ds
N ( s) D( s )
∏ (s − z ) ∏ (s − p )
i i =1 j =1 n j
τ zj
1
( j = 1,2, ⋯ , m) —开环零点
τ pi
(i = 1,2, ⋯ , n)
—开环极点
10 自动控制理论
第四章 根轨迹法
HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY
K1可以叫根迹增益或根轨迹放大倍数，K叫做系统的开环增益。 将零极点形式用于绘制根轨迹比较方便。将其代到幅值条 件和相角条件中可以得到
第四章 根轨迹法
HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY
本章重点
1.根轨迹的定义、根轨迹方程、幅值条件和相角 条件； 2. 常规根轨迹的绘制； 3. 增加开环零极点对根轨迹和系统性能的影响； 4. 利用根轨迹分析系统性能的方法。
1 自动控制理论
第四章 根轨迹法
HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY
9 根轨迹的出射角和入射角
出射角—指起始于开环极点的根轨迹在起点处的切线与正实轴 的夹角。 入射角—指终止于开环零点的根轨迹在终点处的切线与正实轴 的夹角。
规则七
在开环复数极点处根轨迹的出射角为
ϕ p = ∓180 + ϕ
在开环零点处根轨迹的入射角为
ϕ z = ±180 + ϕ ϕ = ∑θ z − ∑θ p
哈工大自控元件课件
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
Ke
iq* ( s)
uq
K K cp ci s
Ks
Kf
1 R Ls
iq (s)
Kt
Te
Tl
1 Js D
m (s)
1 s
( s)
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
无刷直流电机(BLDCM)的特性
无刷直流电机系统和 直流电机系统在原理上 具有相同的描述方程， 运行和控制特性相同。
自动控制元件及线路 19
无刷直流电机系统
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
目
录
1。永磁交流伺服电机概述 2。无刷直流电动机系统
-- 无刷直流电动机 -- 无刷直流电动机系统 -- 无刷直流电动机的运行
-- 无刷直流电动机系统特性
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永磁交流伺服电机
电机定子上设有多相对称交流绕组，转子由永磁体激磁。 根据转子位置传感器的信号，对定子绕组施加电压产生多相对 称电流，进而得到与转子成固定位置关系的旋转磁场，带动转 子以同步速度旋转，即为永磁交流伺服电机。
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无刷直流电机驱动电路
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无刷直流电机(BLDCM)的运行
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无刷直流电机(BLDCM)的运行
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无刷直流电机(BLDCM)的运行
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力矩方程：
Tem
j a ,b , c
e ji j
哈尔滨工程大学自动控制元件XX02
为了改善线性度，对 小容量测速机一般采取限 制转速的措施来限制延迟 换向的去磁作用，这一点 与限制电枢反应去磁作用 的措施是一致的，所以直 流测速发电机规定了最高 转速，使用时不得超过。
纹波
纹波主要是由于电机本身的固有结构及加工误差所 引起的，例如电枢元件数有限，电枢铁心有齿有槽 ，以及电枢铁心的椭圆度、偏心等。
火花和电磁干扰
由于高速旋转时电刷跳动以 及被电刷短路的换向线圈中 短路附加电流的存在．换向 器和电刷间经常发生电火花 ，使输出电压上有高频尖脉 冲，并带来无线电频率的噪 音和干扰。为了减轻和消除 输出电压上的高频毛刺，一 般都要在直流测速发电机的 输出端接上低通滤波电路， 如图2-10所示。
直流测速发电机的技术性能指标
RL, ，不灵敏区nbl.与 为减小电枢反应而限制最小 电阻的措施矛盾。
电刷与换向器的接触电阻与接触电压
为了减小电刷接触压降的影响 ，缩小不灵敏区，在直流测速 发电机中，常常采用接触压降 较小的铜-石墨电刷。在高精 度的直流测速发电机中还采用 铜电刷，并在它和换向器接触 的表面上镀上银层，使换向器 不易磨损，也能有效地减小接 触压降。
哈尔滨工程大学自动控 制元件XX02
2020年5月30日星期六
直流测速发电机
可以把机械转速变换成电压信号。 除了作为测速元件，还可以作为阻尼元件，以及解算装置中
的微分元件和积分元件。 电磁转矩与转速方向相反，是制动转矩。
直流测速发电机空载
空载时，Iaf =0，则各关系式变为：
•直流测速发电机除用作测速元件外，还可当作阻尼元件以及解算装置中 的微分元件和积分元件。
•电动机的电枢反应
电枢反应对输出特性的影响
电枢反应对气隙合成磁场有两个影响：
哈工大自动控制原理课件-第二章
2.1.2 非线性运动方程的线性化
例如，将具有两个自变量x、y的非线性函数在预定工作点(x0， y0)的邻域展开成泰勒级数：
z F（x, y） F（x 0 , y 0）（ F F ） x0 x （ ） x0 y x x x y y0 y y y0
1 2F 2F 2 （ 2 ） x0 (x) （ [ 2 ） x0 xy （ 2 ） x0 (y)2 ] x x x 2 x y y0 ！ xy y y0 y y y0
当系统中的变量对时间的导数不可忽略时，称系统处于动态，相 应的系统称为动态系统或动力学系统，对于动态系统，为了确定 输出量和其他变量，仅仅知道输入量是不够的，还必须知道一组 变量的初始值。 控制理论研究的是动态系统，动态系统数学模型的基础是微分方 程，又称为动态力程或运动方程。
第2章 控制系统的数学模型
数学模型有很多种形式，它们各有特点和最适用的 场所，本章介绍微分方程、传送函数和动态框图。
建立系统数学模型的方法有分析法(又称理论建模)和 实验法(系统辨识)。 分析法是根据系统中各元件所遵循的客观(物理、化 学、生物等)规律和运行机理，列出微分方程式。实 验法是人为地给系统施加某种测试信号，记录其输 出响应，并用适当的数学模型去逼近。
增量，方程为一个线性增量方程。它是将非线性函数在预定工作 点邻域进行线性化所使用的基本关系式。分析控制系统中的非线 性特性时大都是根据小偏差线性化的概念进行的。
2.1.2 非线性运动方程的线性化
几何意义：以过平衡点（工作点）的切线代替工作点附近 的曲线 y
y0＋y y0 A x y＝f (x) y
0 1(t ) 1
t 0 t 0
由拉氏变换的定义得1(t)的象函数为：
哈工大自控课件第一章
• 1945年伯德(H.W.Bode)提出了分析控制系统的另一种图解 方法即频率法。
偏差信号：它是指参考输入与主反馈信号之差。
误差信号：指系统输出量的实际值与期望值之差，简称误差。 扰动信号：简称扰动或干扰、它与控制作用相反，是一种不希 望的、影响系统输出的不利因素。扰动信号既可来自系统内部， 又可来自系统外部，前者称内部扰动，后者称外部扰动。
自动控制原理
HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY
• 《自动控制原理》是自动控制技术的基础理论，是 一门理论性较强的工程科学。
现代的工程技术人员和科学工作者，必须具备 一定的自动控制理论基础知识！
自动控制原理
HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY
第一章 自动控制理论概述
§1-2 自动控制理论和自动控制系统的基本概念
举例：
杠杆
第一章 自动控制理论概述
§1-4 自动控制理论概要
一、自动控制理论主要研究的问题
•
系统分析
在已知系统的结构参数的条件下，研究系统在某种典型 输入信号下输出信号变化的全过程，并从这个变化过程中 得到评价系统性能的指标；以及讨论系统的性能和系统结 构、参数的关系。
•
系统设计
在给定被控对象及所要求的性能指标的情况下，设计一
第一章
四、自动控制系统的概念和特征
自动控制理论概述
自动控制：
在没有人直接参与的情况下，通过控制器（控制装置） 使被控制对象或过程自动地在一定的精度范围内按照预定的
规律运行。
系统： 由相互制约的各个部分按一定的规律组成的、为达
到一定目的的、具有一定功能的整体。
反馈：
将检测出来的输出量送回到系统的输入端，并与输 入信号比较的过程。反馈分为负反馈（反馈信号与输入 信号相减）和正反馈（反馈信号与输入信号相加）。
自动控制元件哈工大出版第十章课件测速发电机new
三、教学主要内容：
绪论 第一节 直流测速发电机 第二节 交流测速发电机
本章重点：直、交流测速发电机的输出特性； 本章难点：交流测速发电机的工作原理。
四、教学过程：
3
一 直流测速发电机
1 直流测速发电机的结构
专门测量转速用的微型直流发电机 。 转子、定子及电刷和换向器组成。电枢绕组在转
子上。磁极在定子上，一般采用永磁体作磁极。 对直流测速发电机的主要要求是：
P m2 1 m2 Pm2 (m2 1) m2 1
22
三 由位移传感器的脉冲信号求转速
3 M/T法检测
23
（1）输出电压要与转速成线性关系； （2）输出特性的灵敏度高； （3）输出电压的纹波小。
4
一 直流测速发电机
2 基本关系式与输出特性
基本关系式
基本关系式与电动机相似。
Ea
Ra Ia
La
d Ia dt
Ua
Ea Ra Ia Ua
U a RL Ia
Ea Ce n Ke
感应电势的大小与转速成正比，电势的方向由 转速的方向所决定。
19
三 由位移传感器的脉冲信号求转速
2 T法测速
由传感器两个脉冲相隔的时间T来确定转速。
用频率为fc的时钟脉冲向计数器发送脉冲。用传感 器两个相邻脉冲控制计数的起始和终止。设计数器
在T时间内读到的时钟脉冲个数是m2 ，则T=m2/fc (s)， T时间内转动1/P转，故转速为
n 60 fc m2 P
电势Er在转子杯中产生短路电流I2，频率为f ，大小正比于 和转速。Er产生的磁通Φ频率为f ，方向为交轴方向，大小 与电流 和转速成正I 2比。该磁通在输出绕组中感应出频率为f 的变压器电势，大小为
绪论 第一节 直流测速发电机 第二节 交流测速发电机
本章重点：直、交流测速发电机的输出特性； 本章难点：交流测速发电机的工作原理。
四、教学过程：
3
一 直流测速发电机
1 直流测速发电机的结构
专门测量转速用的微型直流发电机 。 转子、定子及电刷和换向器组成。电枢绕组在转
子上。磁极在定子上，一般采用永磁体作磁极。 对直流测速发电机的主要要求是：
P m2 1 m2 Pm2 (m2 1) m2 1
22
三 由位移传感器的脉冲信号求转速
3 M/T法检测
23
（1）输出电压要与转速成线性关系； （2）输出特性的灵敏度高； （3）输出电压的纹波小。
4
一 直流测速发电机
2 基本关系式与输出特性
基本关系式
基本关系式与电动机相似。
Ea
Ra Ia
La
d Ia dt
Ua
Ea Ra Ia Ua
U a RL Ia
Ea Ce n Ke
感应电势的大小与转速成正比，电势的方向由 转速的方向所决定。
19
三 由位移传感器的脉冲信号求转速
2 T法测速
由传感器两个脉冲相隔的时间T来确定转速。
用频率为fc的时钟脉冲向计数器发送脉冲。用传感 器两个相邻脉冲控制计数的起始和终止。设计数器
在T时间内读到的时钟脉冲个数是m2 ，则T=m2/fc (s)， T时间内转动1/P转，故转速为
n 60 fc m2 P
电势Er在转子杯中产生短路电流I2，频率为f ，大小正比于 和转速。Er产生的磁通Φ频率为f ，方向为交轴方向，大小 与电流 和转速成正I 2比。该磁通在输出绕组中感应出频率为f 的变压器电势，大小为
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励磁电路铜损
2
a
0.04 234 2190 W
2
PfCu Rf I 2f 27.5 42 440 W
总损失功率
P P1 P2 26190 22000 4190 W
空载损耗功率
P0 P1 PaCu 4190 2190 2000 W
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直流电机的基本公式
（3）额定转矩
P2 22000 T 210 N . m 1000 2 60
（4）反电动势
E U Ra I a 110 0.04 234 100 .6 V
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目
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1.直流电机的工作特性
P2
P 26.19 10 1 I 238 A U 110 U 110 额定励磁电流 If 4A Rf 27.5
3
额定电枢电流
I a I I f 238 4 234 A
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直流电机的基本公式
（2）电枢电路铜损
PaCu Ra I
例 ： 已 知 他 励 电 动 机 PN=2.2KW,UN=220V,IaN=12.4A,
Ra=0.5 , nN=1500r/min。 求：
（1）TL=0.5TN 时, n=? （2） =0.8 N 时, n=? （3）U=2/3UN时，n=?
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内
容
2.直流电机的调速运行
试求: (1) 额定电枢电流Ia及额定励磁电流If ;
(2) 损耗功率PaCu ,及PO ;
(3) 额定转矩T;
(4) 反电动势E。
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直流电机的基本公式
解：(1) P2是输出功率，额定输入功率为
22 P 26.19 KW 1 0.84
额定电流
自动控制元件及线路 5
- 直流电机特性与调速运行
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复
习
直流电机的基本关系式
a.电动势
b.电磁力矩 c.电压平衡式
d.力矩平衡式
e.功率平衡式
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直流电机的基本公式
例: 有一并励电动机，其额定数据如下：
P2=22KW,UN=110V,nN=1000r/min,=0.84,Rf=27.5, Ra= 0.04 .
2.直流电机的调速运行
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内
容
1。直流电机的工作特性
a.机械特性/调节特性/控制特性 b.效率特性 c.电磁电机需确保激磁可靠 d.电动势e 与电磁力矩T 的波动 e.负载特性与稳定运行条件 f.直流电机的启动电流限制
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工作特性例题
--电机调速运行的基本要求 --串电阻调速 --弱磁调速 --调压调速
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致ห้องสมุดไป่ตู้
谢
本文档所引用的许多素材，来源于互联网上国内外的 课件、科技论文、文章、网页等。本文引用只是为了给学 生提供更好的教学素材，非商业目的。对这些所引用素材 的原创者，在此表示深深的谢意。
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a
0.04 234 2190 W
2
PfCu Rf I 2f 27.5 42 440 W
总损失功率
P P1 P2 26190 22000 4190 W
空载损耗功率
P0 P1 PaCu 4190 2190 2000 W
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（3）额定转矩
P2 22000 T 210 N . m 1000 2 60
（4）反电动势
E U Ra I a 110 0.04 234 100 .6 V
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1.直流电机的工作特性
P2
P 26.19 10 1 I 238 A U 110 U 110 额定励磁电流 If 4A Rf 27.5
3
额定电枢电流
I a I I f 238 4 234 A
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（2）电枢电路铜损
PaCu Ra I
例 ： 已 知 他 励 电 动 机 PN=2.2KW,UN=220V,IaN=12.4A,
Ra=0.5 , nN=1500r/min。 求：
（1）TL=0.5TN 时, n=? （2） =0.8 N 时, n=? （3）U=2/3UN时，n=?
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2.直流电机的调速运行
试求: (1) 额定电枢电流Ia及额定励磁电流If ;
(2) 损耗功率PaCu ,及PO ;
(3) 额定转矩T;
(4) 反电动势E。
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解：(1) P2是输出功率，额定输入功率为
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额定电流
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直流电机的基本关系式
a.电动势
b.电磁力矩 c.电压平衡式
d.力矩平衡式
e.功率平衡式
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例: 有一并励电动机，其额定数据如下：
P2=22KW,UN=110V,nN=1000r/min,=0.84,Rf=27.5, Ra= 0.04 .
2.直流电机的调速运行
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1。直流电机的工作特性
a.机械特性/调节特性/控制特性 b.效率特性 c.电磁电机需确保激磁可靠 d.电动势e 与电磁力矩T 的波动 e.负载特性与稳定运行条件 f.直流电机的启动电流限制
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工作特性例题
--电机调速运行的基本要求 --串电阻调速 --弱磁调速 --调压调速
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