第1章绪论

第1章绪论

1.1 控制电机在自动控制系统中的作用1.2 控制电机的种类和特点

1.3 控制电机的发展概况和趋势

1.4 理论基础

控制电机属于机电元件，在系统中具有执行解算的功能。

控制电机的主要应用领域

¾航空航天：卫星天线，太阳能电池飞机的方向舵¾国防：火炮自动瞄准、飞机军舰自动导航、导弹遥测遥控、雷达自动定位等；

¾工业：机器人、机床加工过程自动控制与显示；¾信息与电子产品：计算机、移动通讯；

¾现代交通运输：汽车电机

¾农业：水位自动显示、水坝闸门自动开闭；

¾日常生活：电梯自动选层、医疗设备、录音录象、家用电器

应用举例

控制元件的作用

¾自动控制系统和它所用到的控制电机的关系是整体和局部的关系，是一对矛盾的两个对立面。

¾一方面控制电机的性能和作用要服从于整个系统对它的要求，控制电机性能好坏要看它能不能满足系统的要求；

¾另一方面控制电机的性能又直接影响整个控制系统的性能，控制电机的性能不好或者使用不恰当，整个控制系统的性能就无法提高；控制电机的革新又可以带来整个系统的革新。

1.2 控制电机的种类和特点

控制电机的种类

1. 执行元件(功率元件)

;主要包括直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电动机和无刷直流电动机等；

;这些电动机的任务是将电信号转换成轴上的角位移或角速度以及直线位移和线速度，并带动控制对象运动。

1. 执行元件(功率元件)

;理想的直流伺服电动机和交流伺服电动机的转速与控制电压成正比关系，而转速的方向由控制电压的极性来决定。

;步进电动机的转速与脉冲电压的频率成正比。

;测量元件包括自整角机，交、直流测速发电机和旋转变压器等。它们能够用来测量机械转角、转角差和转速，一般在自动控制系统中作为敏感元件和校正元件。

;自整角机可以把发送机和接收机之间的转角差转换成与角差成正弦

关系的电信号；　

2. 测量元件(信号元件

)

)

2. 测量元件(信号元件

;测速发电机可以把转速转换成电信号，它的输出电压与转速成正比；

;旋转变压器的输出电压与转子相对于定子的转

角成正、余弦或线性关系。　

控制电机的特点

普通电机一般作为动力来使用，其主要任务是能量转换，发电机把机械能转换成电能，电动机把电能转换成机械能，它们的主要问题是提高能量转换的效率。

控制电机在自动控制系统中，只起一个元件的作用，其主要任务是完成控制信号的传递和转换，而能量转换是次要的。

对控制电机的基本要求

根据控制电机使用场合及所完成任务的特点，对它们的主要要求是高可靠性、高精度和快速响应（二高一快）。

9高可靠性——对控制电机的第一位要求；

9高精度——精度指实际特性与理想特性之间的差距；

9快速响应——主要指标是机电时间常数与灵敏度。

要求控制电机体积小、重量轻、耗电少。

1.3 控制电机的发展概况和趋势

发展概况

国外从20世纪30年代开始，随着工业自动化、科学技术和军事装备的发展而迅速发展起来；

我国是从20世纪50年代前后才开始全面发展，大致经历了4个阶段：

¾起步阶段（1950-1965年）：仿制苏联产品；

¾自我发展阶段（1966-1978）：基本形成了控制电机工业体系，编制和修订了一些国家标准和国家

军用标准，可自行设计；

1.3 控制电机的发展概况和趋势

发展概况

¾初步壮大阶段（1979-1989年）：引进生产线及相应技术，生产制造水平和规模化生产能力空前提

高；

¾快速发展阶段（1990-现在）：三资、民营企业迅速发展，生产技术水平随之提高，开发新产品。 目前与国际先进水平仍有较大差距：品种少，比功率（W/kg）小，质量大，寿命短，精度低、质量不稳定、可靠性差等方面。

1.3 控制电机的发展概况和趋势

发展趋势

目标：

a) 提高可靠性和适应性；

b) 提高精度：由于控制系统对控制电机性能要

求越来越高，提高精度仍是发展方向之一。 措施：除了从电机本身着眼外，要把电机与控制系统线路的改进结合起来。

控制电机的发展趋势

;无刷化：无刷直流电机、自整角机、旋转变压器等。;小型化、微型化：体积、质量、能耗是当前控制电机研究中迫切需要解决的问题，特别是高空飞行

中，重量每增加1kg，每小时就要多耗燃料100 kg。

小型化除指体积与重量外，还指功率消耗。措施：改进设计，简化结构，采用新材料、新工艺等。

控制电机的发展趋势

;机电一体化：将电机、传感器、控制器集成为一体。;永磁化：高性能永磁材料可有效提高电机性能，减小体积和重量。

;智能化：采用可编程控制器件。确立了控制电机作为一个小系统的设计、生产和使用的新概念。

;研制新原理、新结构电机：开关磁阻电机、超声波电机，双凸极永磁电机等。

;元件与系统相互协调：伺服电机性能是否能充分发挥，与控制线路和控制方法密切相关。

1.4 理论基础

基本规律：

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。

基本物理量

;磁导率μ——用于衡量物质导磁能力的物理量，单位H/m。

¾物质按导磁性能的不同分为铁磁物质（铁、钴、镍及其合金）和非铁磁物质（铁磁物质以外的其

他物质，如铜、铝、橡胶等绝缘材料及空气等）

两类。

¾非铁磁物质的磁导率μ与真空的磁导率μ

相差很

0 小，工程上通常认为二者相同。

¾铁磁物质的磁导率μ要比真空μ

的大很多倍（几

百~几万倍不等）。