第1章 控制电机绪论

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控制电机的体积和功率一般都很小： 机座外径不大于130mm 质量小于数千克 功率低于数百瓦 不过在轧钢、数 控机床等自动控 制系统中的执行 电机，机座外径 达300～400mm， 质量达数十千克 至数百千克，功 率为数十千瓦至 数百千瓦。
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工业机器人的关节运动
以及遥测遥控、自动化仪表等。 • 在其它方面 打印机、复印 机的走纸机构 以及音像、医疗设备等。
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计算机的磁盘驱动
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雷达天线自动控制系统中的基本接法示意图
Uf ZKF U2=Umsin(-) ZKB 放大与
控制
Uk
天线方 位轴

SM ~2
C
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1.3 磁性材料的磁性能
磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等。
1.3.1. 高导磁性 磁性材料的磁导率通常都很高，即 r 1 (如坡莫 合金，其 r 可达 2105 ) 。 磁性材料能被强烈的磁化，具有很高的导磁性能。 磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中， 如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁 心。 在这种具有铁心的线圈中通入不太大的励磁电流， 便可以产生较大的磁通和磁感应强度。
磁化曲线也不同。
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•
磁滞回线
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几种常见磁性物质的磁化曲线
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1.1.4 如何学习“控制电机”这门课程
控制电机的种类虽然很多，可以列举出数十种，但 是这些电机的基本原理都是建立在以下两个基本规 律的基础上的：
一是电磁转化规律，就是在一定条件下电和磁可以 相互转化； 二是电流在磁场中要受到力的作用。 因此在“控制电机”这门课程中，将给大家介绍直 流电机、变压器和交流异步电动机这三种最典型基 本的电机，比较深入地研究和分析其中的电磁关系 和它们的基本原理及特性。
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由于科学技术的进步和工业生产的 发展，现代自动控制系统的规模不 断扩大。
• 所以构成系统的元器件数量也不断 增加。 • 控制电机在系统相当于一个元件， 有些系统所采用的控制电机多达几 十台甚至几百台。
• 对于传统的控制电机而言，电刷、换向器、滑环、 轴承等最容易出故障。 • 可见，控制电机的高可靠性是保证系统高可靠性的 基础。
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1.2.4 磁导率 磁导率 ：表示磁场媒质磁性的物理量，衡量物质 的导磁能力。 它与磁场强度的乘积就等于磁感应强度，即：
磁导率 的单位：亨/米（H/m）
B μH
W b/m 2 V s Ωs H μ的单 位 A/m Am m m
由实验可测得：真空的磁导率为：
1Wb =1T· m2
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1.2.3 磁场强度 磁场强度H ：表示磁场内某点磁场强弱和方向的物 理量。 是计算磁场时所引用的一个物理量，通过它来确定 磁场与电流之间的关系。 磁场强度H的单位 ：安培/米（A/m) H 与 B 的区别 ① H ∝I，与介质的性质无关。 ② B 与电流的大小和介质的性质均有关。
b •
B BJ B0 H
有磁性物质存在时，B 与 H不成正 O 磁化曲线 比，磁性物质的磁导率不是常数， B, 随H而变。 有磁性物质存在时，与 I 不成 正比。 磁性物质的磁化曲线在磁路计算 上极为重要，其为非线性曲线， 实际中通过实验得出。
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B

O
B和与H的关系
1.1.2. 控制电机的用途与分类 按用途分为两大类： 功率元件（执行元件）和信号元件（测量元件）。
1. 功率元件：用于转换转矩或功率。
这类控制电机能快捷而 正确地执行频繁变化的 位置和速度指令，带动 负载完成规定的动作。 如：交、直流伺服电动机 步进电动机 力矩式自整角机
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1.2 磁场的基本物理量
1.2.1.磁感应强度 磁感应强度B 表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。 磁感应强度B的方向 与电流的方向之间符合右手螺旋定则。 磁感应强度B的大小
F B Il
磁感应强度B的单位: 特斯拉(T)，1T = 1Wb/m2 均匀磁场: 各点磁感应强度大小相等，方向相同的 磁场，也称匀强磁场。
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1.2.2 磁通
磁通 ：穿过垂直于B方向的面积A中的磁力线总数。
在均匀磁场中 = B A 或 B= /A
说明: 如果不是均匀磁场，则取B的平均值。 磁感应强度B在数值上可以看成为与磁场方向垂直 的单位面积所通过的磁通,故又称磁通密度。
磁通 的单位:韦[伯](Wb)
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自 整 角 机 与 旋 转 变 压 器
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②用于测速 能将机械转速变换成电压幅值信号或脉冲数字信号。 如：模拟型和数字型测速发电机。 • 测速发电机也能作为解算元件，完成微积分运算。 • 综上所述，控制电机在自动控制系统中可以作为 执行元件、检测元件 和 解算元件。 1.1.3 控制系统对控制电机的要求 常规电机侧重于运行和起动时的力能指标和运行时 的经济指标。 而控制电机则主要偏重于静态和动态特性参数的 高可靠性、高精度 和 快速响应。 其次才要求：体积小、重量轻、耗电少等。
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H
1.3.3.磁滞性 磁性材料中磁感应强度B的变化总是滞后于外磁场变 化的性质。 磁性材料在交变磁场中反复磁化，其B-H关系曲 线是一条回形闭合曲线，称为磁滞回线。 B 剩磁感应强度Br (剩磁) ： 当线圈中电流减小到零(H=0)时， 铁心中的磁感应强度。 例如: 永久磁铁的磁性就是由 剩磁产生的；自励直流发电机 的磁极，为了使电压能建立， 也必须具有剩磁。
主讲教师
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魏佩瑜教授
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第一章 绪 论
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1.1 控制电机在自动控制系统中的作用和分类
在各类自动控制系统、 遥控和解算装置中， 需 要用到大量的各种各样的元件。 控制电机就是其中的重要元件之一。 它属于机电元件， 在系统中具有执行、 检测和 解算的功能。 虽然从基本原理来说， 控制电机与普通旋转电 机没有本质上的差别， 但后者着重于对电机的 力能指标方面的要求， 而前者则着重于对特性、 高精度和快速响应方面的要求， 满足系统对它 提出的要求。
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当然，一个高可靠性、高精度、反映迅速的控制 系统，不仅要靠高质量的控制电机，组成整个系 统的其它元器件也必须是优秀的。另外，控制理 论也很重要。 4. 21世纪的控制电机技术 ·向轻、薄、短、小、高效率、低振动、低噪声、 低价格的方向发展； · 采用新材料； ·驱动电路与控制电路向集成化、专用化和机电一 体化方向发展； · 无刷化、无铁心化、永磁化； · 新原理电机的开发与应用。
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2. 高精度 • 控制电机的精度对伺服系统的 精度有直接影响。 • 在雷达天线的定位跟踪、惯性 导航控制系统中，用于测位的 控制电机，其电气误差必须达 到角秒级或更小。 • 在加工精度为0.01m的数控机床伺服系统中，需要 选用分辨率为106脉冲／r，最高转速为104 r／min 的精密数字检测元件来检测角位。 要开发更高精度的伺服系统，必须有相应精度等级 的控制电机为前提。
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3. 快速响应
• 由于伺服系统的指令信号变化极快，所以要求控制 电机，特别是执行用的控制电机，必须具备快速响 应的能力。 • 如：工业机器人的关节驱动、高炮摄像系统中的物 镜变焦驱动装置，对快速响应有很高的要求。
• 表征快速响应的主要指标有机电时间常数、最大理 论加速度和功率变化率等。 • 新型无槽电枢伺服电动机的机电时间常数最小可做 到0.5ms，理论加速度可做到1.6106rad／s2；功率 变化率可做到7400kW／s。
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磁性物质内部存在着很多很小的“磁畴”。
磁畴（磁化前）
磁畴（磁化后）
在外磁场的作用下，磁畴顺着外磁场方向转向， 排列整齐，显示出磁性。
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1.3.2.磁饱和性 磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁 场的增强而无限的增强。 当外磁场增大到一定程度时，磁性物质的全部磁畴 的磁场方向都转向与外部磁场方向一致，磁化磁场 的磁感应强度将趋向某一定值，如图。
BJ 磁场内磁性物质的磁化磁场 的磁感应强度曲线；
B0 磁场内不存在磁性物质时的 磁感应强度直线； B BJ曲线和B0直线的纵坐标相 加即磁场的 B-H 磁化曲线。
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B
a •
b •
B BJ B0
O
磁化曲线
H
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B-H 磁化曲线的特征： B Oa段：B 与H几乎成正比地增加； a • ab段：B 的增加缓慢下来； b点以后：B增加很少，达到饱和。
0 4π 107 H/m
真空磁导率是一个常数，将其它物质的磁导率和它 比较是很方便的。
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相对磁导率 r：
任一种物质的磁导率 和真空的磁导率0的比值。
H B r 0 0 H B0
也即当磁场媒质是某种物质时某点的磁感应强度B 与在同样电流下真空时该点的磁感应强度B0之比的 倍数。 自然界的所有物质按磁导率的大小，大体上可分为 磁性材料和非磁性材料。
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通过本门课程主要是学习控制电机的特性和使用 方法，但同时我们还需要学习电机的基本原理。 因为对电机来说，其使用时的条件只是外因，电 机之所以有各种特性的根本原因是在于电机本身 的内部矛盾。 要通过学习电机的基本原理，了解电机内部的基 本矛盾，这样才能正确而主动地掌握控制电机的 使用方法。
火星探测器上 步进电动机 的直流SM
力矩控制式自整角机
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2. 信号元件：用作转换电信号。 ①用于测位 能将机械角度或直线位移进行直接指示、远距离传 输或变换。 指变换成电压幅值信号或相位信号或数字量。 如:控制式自整角机、旋 转变压器、感应移相器、 感应同步器、编码器。 • 控制式自整角机、旋 转变压器还可以作为 解算元件，完成坐标 变换，三角运算等。
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1. 高可靠性 • 可靠性常用 可靠度、失效率、使用寿命或平均无故 障时间等定量指标来反映。 • 在由n 个元器件构成的串联系统中，若每个元器件 的可靠度为Ri，则系统的可靠度Rs 为:
Rs Ri
i 1
n
• 元器件的可靠度 Ri 是小于1 的数。Ri 越小或元器件 的数 n 越多，系统可靠度 Rs 越低。 • 例如：一个由(n=)200个元器件组成的串联系统，若 要保证可靠度 Rs 为 0.95，则必须使每个元器件的 可靠度 Ri 达到 0.9997。
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Br
பைடு நூலகம்
• •H
c
•
O
H
•
磁滞回线
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但剩磁也存在着有害的一面，
例如，当工件在平面磨床上加
工完毕后，由于电磁吸盘有剩 磁，还将工件吸住。为此要通 入反向去磁电流，去掉剩磁， 才能取下工件。
Br
B
•
•
O
•H
c
H
矫顽磁力Hc： 使 B = 0 所需的 H 值。 磁性物质不同，其磁滞回线和
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其中将补充交流异步电动机的工作原理和基本电磁 关系。 由于各种控制电机的原理都是建立在基本的电磁 规律基础上的，因而它们之间不是孤立的，它们 既有共性，也有个性。 在以后学习中就会发现，一种电机与另一种电机之 间在电磁关系上、在基本特性上有很多相同之处， 但它们各自又具有与众不同的特点。 在学习时也要用辩证法的观点来学，将各种控制电 机联系起来，着重分析和掌握一些共同规律，同时 也要研究每个电机所具有的特殊性质。
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1.1.1. 控制电机的地位与作用
控制电机已经成为现代工业自动化系统、 现代科 学技术和现代军事装备中不可缺少的重要元件。 在军事方面
雷达的扫瞄跟踪 飞机的自动驾驶
导弹的制导
舰船的方位控制和火炮的自动瞄准系统等。
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• 在工业方面
数控机床的自动控制