控制电机chap01_绪论(2014.10.27)

1、v绪论绪论 v伺服电动机伺服电动机 v测速发电机测速发电机 v步进电动机步进电动机 v自整角机自整角机 v旋转变压器旋转变压器 控制电机控制电机 目目 录：录： 第一章第一章 绪论绪论 1.1 微特电机的用途微特电机的用途 1. 1. 概念：概念：微特电机通常指的是结构、性能、用途微特电机通常指的是结构、性能、用途 或原理等与常规电机不同或原理等与常规电机不同 , ,且体积和输出功率较小的且体积和输出功率较小的 微型微型电机和电机和特种特种精密电机精密电机 。一般其外径不大于。一般其外径不大于 130130mmmm，输出功率从输出功率从数百毫瓦数百毫瓦到到数百瓦数百瓦。 随着科学技术的发展和应

2、用领域的扩大，微特电机随着科学技术的发展和应用领域的扩大，微特电机 的体积和输出功率都已突破了这个范围。有的特种电的体积和输出功率都已突破了这个范围。有的特种电 机的功率做到了机的功率做到了10 10 kWkW左右，甚至更大。左右，甚至更大。 v现代微特电机技术融合了电机、计算机、电现代微特电机技术融合了电机、计算机、电 力电子、自动控制、精密机械、新材料和新力电子、自动控制、精密机械、新材料和新 工艺等多种高新技术；工艺等多种高新技术； v它们广泛应用于军事装备、电子产品、工业它们广泛应用于军事装备、电子产品、工业 自动控制系统、家用电器、办公自动化、通自动控制系统、家用电器、办公自动化、通

3、 讯和交通、电动工具、仪器仪表、电动玩具讯和交通、电动工具、仪器仪表、电动玩具 等方面。等方面。 航空航天：航空航天：卫星天线，太阳能电池，飞机的方向舵卫星天线，太阳能电池，飞机的方向舵 等；等； v国防：国防：火炮自动瞄准、飞机军舰自动导航、导弹遥火炮自动瞄准、飞机军舰自动导航、导弹遥 测遥控、雷达自动定位等；测遥控、雷达自动定位等； v工业：工业：机器人、机床加工过程自动控制与显示；机器人、机床加工过程自动控制与显示； v信息与电子产品：信息与电子产品：计算机存储器、移动通讯、扫描、计算机存储器、移动通讯、扫描、 打印、复印、传真等；打印、复印、传真等； v现代交通运输：现代交通运输：汽车

4、用微特电机汽车用微特电机 ； v现代农业渔业：现代农业渔业：水位自动显示、水坝闸门自动开闭、水位自动显示、水坝闸门自动开闭、 鱼群探测；鱼群探测； v日常生活：日常生活：电梯自动选层、医疗设备、录音录象、电梯自动选层、医疗设备、录音录象、 家用电器等。家用电器等。 2.2.应用应用 1.2 1.2 微特电机的分类微特电机的分类 1.1.驱动用微特电机：驱动用微特电机： 驱动各种机构、仪表和家用电器等，通常单独使用。驱动各种机构、仪表和家用电器等，通常单独使用。 2.2.控制用微特电机：控制用微特电机： v伺服电动机：电信号变成机械信号（转速或伺服电动机：电信号变成机械信号（转速或 转角）转角）

5、 v测速发电机：机械转速变成电信号（输出电测速发电机：机械转速变成电信号（输出电 压）压） v旋转变压器：机械转角信号变成电压信号旋转变压器：机械转角信号变成电压信号 v自整角机：对机械信号（转角或转速）进行自整角机：对机械信号（转角或转速）进行 传递、测量和指示传递、测量和指示 v步进电动机：数字脉冲电信号变成机械信号步进电动机：数字脉冲电信号变成机械信号 （转角或转速）（转角或转速） 3 .控制用微特电机在现代自动控制系统中控制用微特电机在现代自动控制系统中 伺服系统框图伺服系统框图: 测量 元件 放大 元件 伺服 元件 控制 装置 校正元件 位置反馈 (测速发电机) (自整角机) 2 测

6、量元件测量元件（自整角机，旋转变压器）：将转角、转角差、转速 等机械信号转换为电信号 伺服元件：伺服元件：将电信号转换为轴上的角位移、角速度或直线位移 和线速度，并带动控制对象运动 一、驱动微电机：一、驱动微电机： 任务是转换能量，电能变成机械能；任务是转换能量，电能变成机械能； 与一般动力电机的要求类似；与一般动力电机的要求类似； 高效、高功率因数、结构简单、使用方便、高效、高功率因数、结构简单、使用方便、 容易维护、坚固耐用、体积小、重量轻、容易维护、坚固耐用、体积小、重量轻、 价格低等。价格低等。 1.3 微特电机的基本要求微特电机的基本要求 二、控制用微特电机二、控制用微特电机 v任务

7、：完成信号的传递和转换；任务：完成信号的传递和转换； v除了上述要求外，还要求具有二高一快除了上述要求外，还要求具有二高一快 v高可靠性高可靠性-长期可靠工作，对控制电机的第一位长期可靠工作，对控制电机的第一位 要求；要求； v高精度高精度-精度指实际特性与理想特性之间的差精度指实际特性与理想特性之间的差 距；距； v快速响应快速响应-能对主令信号变化作出快速响应；能对主令信号变化作出快速响应； v表征响应速度的主要指标是机电时间常数与灵敏度。表征响应速度的主要指标是机电时间常数与灵敏度。 与普通电机的要求不同：普通电机的主要任务是与普通电机的要求不同：普通电机的主要任务是 转换能量，微特电机

8、在自动控制系统中只起一个转换能量，微特电机在自动控制系统中只起一个 元件元件的作用，主要任务是完成信号的传递与转换；的作用，主要任务是完成信号的传递与转换； 使用环境更广：地上、水下、海洋、太空，高温、使用环境更广：地上、水下、海洋、太空，高温、 低温、潮湿、冲击、振动、辐射等，要在各种恶低温、潮湿、冲击、振动、辐射等，要在各种恶 劣的环境条件下仍能准确、可靠地工作；劣的环境条件下仍能准确、可靠地工作； 要求体积小、重量轻、耗电少：要求体积小、重量轻、耗电少： 三、微特电机的主要特点：三、微特电机的主要特点： 1.1.发展历史：发展历史： 国外从国外从2020世纪世纪3030年代开始，随着工业

9、自年代开始，随着工业自 动化、科学技术和军事装备的发展而迅速发动化、科学技术和军事装备的发展而迅速发 展起来；展起来； 我国是从我国是从2020世纪世纪5050年代前后才开始全面年代前后才开始全面 发展，大致经历了发展，大致经历了4 4个阶段个阶段： 1.4 1.4 微特电机的发展概况和趋势微特电机的发展概况和趋势 起步阶段起步阶段（1950-19651950-1965年）：仿制苏联产品；年）：仿制苏联产品； 自我发展阶段自我发展阶段（1966-19781966-1978）：基本形成了微特）：基本形成了微特 电机工业体系，自行设计；电机工业体系，自行设计； 初步壮大阶段初步壮大阶段（1979-

10、19891979-1989年）：改革开放，引年）：改革开放，引 进生产线，规模化生产能力空前提高；进生产线，规模化生产能力空前提高； 快速发展阶段快速发展阶段（1990-1990-现在）：三资、民营企业现在）：三资、民营企业 迅速发展，生产技术水平提高，开发新产品；迅速发展，生产技术水平提高，开发新产品； 目前与国际先进水平仍有较大差距：品种少，比目前与国际先进水平仍有较大差距：品种少，比 功率小，质量大，寿命短，精度低。功率小，质量大，寿命短，精度低。 目标：目标：a)a) 提高可靠性和适应性提高可靠性和适应性 b) b) 提高精度：由于控制系统对电机性能要求提高精度：由于控制系统对电机性能

11、要求 越来越高，提高精度仍是发展方向之一；越来越高，提高精度仍是发展方向之一； 措施：措施：除了从电机本身着眼外，要把电机与控制系统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；线路的改进结合起来； 1)1)无刷化：无刷化：无刷直流电机、自整角机、旋转变压器无刷直流电机、自整角机、旋转变压器 等等 2)2)小型化：体积、质量、能耗。小型化：体积、质量、能耗。是当前微特电机研是当前微特电机研 究中迫切需要解决的问题，特别是高空飞行中，究中迫切需要解决的问题，特别是高空飞行中， 重量每增加重量每增加1 1kgkg，每小时就要多耗燃料每小时就要多耗燃料100 100 kgkg。 小型

12、化除指体积与重量外，还指功率消耗。小型化除指体积与重量外，还指功率消耗。 措施：措施：改进设计，简化结构，新材料新工艺等。改进设计，简化结构，新材料新工艺等。 2. 发展趋势：发展趋势： 3)3)机电一体化：机电一体化：将电机、传感器、控制器集成为一体将电机、传感器、控制器集成为一体。 4)4)永磁化：永磁化：高性能永磁材料可有效提高电机性能，减高性能永磁材料可有效提高电机性能，减 小体积和重量。小体积和重量。 5)5)智能化：智能化：采用可编程控制器件。确立了微特电机作采用可编程控制器件。确立了微特电机作 为一个小系统的设计、生产和使用的新概念。为一个小系统的设计、生产和使用的新概念。 6)

13、6)研制新原理、新结构电机：研制新原理、新结构电机：超声波电机，双凸极电超声波电机，双凸极电 机等机等 7)7)元件与系统相互协调：元件与系统相互协调：伺服电机性能是否能充分发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，步进电机、挥，与控制线路和控制方法密切相关，步进电机、 超声波电机、双凸极电机等与驱动电路不可分。超声波电机、双凸极电机等与驱动电路不可分。 北北 方位角 仰角 距离 雷达 目标 1. 搜索状态； 荧光屏上出 现的飞机 2. 跟踪状态 应用举例应用举例: 雷达天线和显示管偏转线圈的随动系统雷达天线和显示管偏转线圈的随动系统 如果把自整角变压器的输出信号送到具有自

14、动瞄准装置的如果把自整角变压器的输出信号送到具有自动瞄准装置的 火炮控制系统中，经过比较和放大后，驱动执行元件动作，带火炮控制系统中，经过比较和放大后，驱动执行元件动作，带 动炮筒转到和雷达天线一致的空间位置并对准目标，这就组成动炮筒转到和雷达天线一致的空间位置并对准目标，这就组成 了火炮自动瞄准系统。了火炮自动瞄准系统。 微特电机种类繁多，而且，随着科学技术的飞速微特电机种类繁多，而且，随着科学技术的飞速 发展，新型电机层出不穷，所以，我们不可能学发展，新型电机层出不穷，所以，我们不可能学 习所有微特电机，只能加强习所有微特电机，只能加强基础理论知识和分析基础理论知识和分析 研究方法研究方法的学习；的学