自動控制元件自動控制元件的分類按作用分類：功率元件和信號元件功率元件：進(jìn)行電－機(jī)能量轉(zhuǎn)換的元件，如力矩電機(jī)、伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等。信號元件：進(jìn)行機(jī)－電能量轉(zhuǎn)換的元件。如測速發(fā)電機(jī)、控制式自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器等。自動控制系統(tǒng)對控制元件的主要要求

自動控制元件作為自動控制系統(tǒng)中的一類重要元件，其性能好壞將直接影響到整個控制系統(tǒng)的工作性能?，F(xiàn)代自動控制系統(tǒng)對自動控制元件除了要求其體積小、重量輕、耗電少外，還要求它具有：高可靠性、高精度和快速響應(yīng)。圓柱面磁場間的力矩課程的主要內(nèi)容第一章直流伺服電動機(jī)第二章直流測速發(fā)電機(jī)第三章步進(jìn)電動機(jī)第四章旋轉(zhuǎn)變壓器第五章自整角機(jī)第六章交流伺服電動機(jī)第七章無刷直流電動機(jī)第一章直流伺服電動機(jī)直流電動機(jī)在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行系統(tǒng)控制信號命令的元件，被稱作執(zhí)行元件。直流電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：1）調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)節(jié)；2）過載、起動、制動轉(zhuǎn)矩大；3）特性好，控制方便；直流電電動機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)額定功率Pe(W)額定電壓Ue(V)額定電流Ie（A)額定轉(zhuǎn)速Ne(rpm)額定轉(zhuǎn)矩Te(N.m)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和功率之間的關(guān)系直流電機(jī)的基本關(guān)系電勢平衡關(guān)系式靜態(tài)發(fā)電機(jī)電動機(jī)動態(tài)發(fā)電機(jī)電動機(jī)直流電機(jī)的基本關(guān)系轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系式靜態(tài)發(fā)電機(jī)電動機(jī)動態(tài)發(fā)電機(jī)電動機(jī)直流伺服電動機(jī)的靜態(tài)關(guān)系式其中，直流伺服電動機(jī)的靜態(tài)特性或機(jī)械特性Ua保持不變時，n=f(Tem)的關(guān)系式中機(jī)械特性理想空載轉(zhuǎn)速斜率和硬度堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩直流伺服電動機(jī)的控制特性負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時，n=f(Ua)的關(guān)系或式中控制特性直流伺服電動機(jī)的工作狀態(tài)階躍控制電壓作用下直流伺服電動機(jī)的過渡過程動態(tài)方程階躍控制電壓作用下直流伺服電動機(jī)的過渡過程代入電壓平衡方程，消去中間變量后，得規(guī)化為標(biāo)準(zhǔn)形式如下：階躍控制電壓作用下直流伺服電動機(jī)的過渡過程過渡過程曲線階躍控制電壓作用下直流伺服電動機(jī)的過渡過程過渡過程曲線階躍控制電壓作用下直流伺服電動機(jī)的過渡過程過渡過程曲線階躍控制電壓作用下直流伺服電動機(jī)的過渡過程動態(tài)參數(shù)：機(jī)電時間常數(shù)第二章直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī)是一種把機(jī)械轉(zhuǎn)速變換成電壓信號的測量元件。實(shí)際上，它就是一臺微型的直流發(fā)電機(jī)。直流測速發(fā)電機(jī)除了在控制系統(tǒng)中作為測速元件之外，還能當(dāng)作阻尼元件，以及解算裝置中的微分元件和積分元件。是控制系統(tǒng)中的一個重要測量轉(zhuǎn)換元件。直流測速發(fā)電機(jī)直流發(fā)電機(jī)的靜態(tài)關(guān)系式直流測速發(fā)電機(jī)的輸出特性輸出特性的誤差分析一、電樞反應(yīng)考慮電樞反應(yīng)的去磁作用時的氣隙合成磁通輸出特性方程式輸出特性的誤差分析考慮電樞反應(yīng)影響時的輸出特性輸出特性的誤差分析二、電刷與換向器的接觸電阻與接觸電壓輸出特性的誤差分析同時考慮電樞反應(yīng)和電刷與換向器接觸壓降影響后，直流測速發(fā)電機(jī)的輸出特性第三章步進(jìn)電動機(jī)步進(jìn)電動機(jī)是一種將數(shù)字式電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移（角位移或線位移）的機(jī)電元件，它的機(jī)械位移與輸入的數(shù)字脈沖信號有著嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，即一個脈沖信號可使步進(jìn)電動機(jī)前進(jìn)一步，故稱為步進(jìn)電動機(jī)。由于它的輸入信號為脈沖電壓，因此又被稱作脈沖電動機(jī)。步進(jìn)電動機(jī)作為數(shù)字控制系統(tǒng)的佳配，它是一種比較理想的執(zhí)行元件。步進(jìn)電動機(jī)的分類步進(jìn)電動機(jī)的種類很多，按工作原理可分為三大類：1）反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)2）永磁式步進(jìn)電動機(jī)3）永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動機(jī)（混合式步進(jìn)電動機(jī)）步進(jìn)電動機(jī)的常用術(shù)語繞組相數(shù)定子磁極對數(shù)轉(zhuǎn)子齒數(shù)齒距角步距角失調(diào)角零位或初始穩(wěn)定平衡位置矩角特性步進(jìn)電動機(jī)的常用術(shù)語最大靜轉(zhuǎn)矩最大靜轉(zhuǎn)矩特性精度起動頻率運(yùn)行頻率起動矩頻特性起動慣頻特性運(yùn)行矩頻特性徑向分相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)極對數(shù)等于相數(shù)，或相鄰相極定轉(zhuǎn)子之間錯齒（每個極距所跨的齒距數(shù)不是整數(shù)）極距角齒距角齒數(shù)拍、拍數(shù)和運(yùn)行方式把每一次通電狀態(tài)的換接稱為拍，每一拍轉(zhuǎn)子相應(yīng)旋轉(zhuǎn)一個步距角；把完成一個通電狀態(tài)循環(huán)所需要換接的控制繞組通電狀態(tài)數(shù)稱作拍數(shù)，用N表示。步距角一般反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)可按兩種基本方式進(jìn)行：其一為整步運(yùn)行：運(yùn)行拍數(shù)等于相數(shù)，稱為單拍制（N=m）；其二為半步運(yùn)行：運(yùn)行拍數(shù)等于相數(shù)的2倍（N=2m），稱為雙拍制。步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可見，步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速將由控制脈沖頻率（）、運(yùn)行拍數(shù)（N）和轉(zhuǎn)子齒數(shù)（Zr）決定。改變控制脈沖頻率可對步進(jìn)電動機(jī)實(shí)現(xiàn)均勻而寬范圍的調(diào)速，快速起動、反轉(zhuǎn)和制動也可由控制脈沖的頻率變化靈活地實(shí)現(xiàn)。因此，步進(jìn)電動機(jī)是數(shù)字控制系統(tǒng)良好的執(zhí)行元件。步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速表示控制繞組中的電流交變頻率步進(jìn)電動機(jī)的靜態(tài)特性

靜態(tài)轉(zhuǎn)矩矩角特性通電相極產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩（矩角特性）用電角度表示的齒距角從步進(jìn)電動機(jī)工作原理可看出，無論以何種方式通電，完成一個通電循環(huán)，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)過一個齒距角。因此步進(jìn)電動機(jī)的特性完全可由一個齒距范圍內(nèi)的特性來代表。我們定義電角度等于機(jī)械角度與轉(zhuǎn)子齒數(shù)的乘積。三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)繞組通電時的矩角特性A相通電B相通電C相通電A、B相同時通電矩角特性曲線族三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)矩角特性曲線族四相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)單相通電時的矩角特性A相通電B相通電C相通電D相通電三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩矢量三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)繞組通電方式雙三拍單雙六拍三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)多相通電時的矩角特性三相混合式步進(jìn)電機(jī)繞組通電方式12－2通電方式，6拍三相混合式步進(jìn)電機(jī)繞組通電方式23－3通電方式，6拍三相混合式步進(jìn)電機(jī)繞組通電方式32－3通電方式，12拍四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)繞組通電方式雙四拍單雙八拍四相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)矩角特性曲線族二相混合式步進(jìn)電機(jī)繞組通電方式雙四拍單雙八拍步距角與負(fù)載能力三相反應(yīng)式空載情況下三相反應(yīng)式負(fù)載情況下，比較a’,q,a”三種負(fù)載三相反應(yīng)式多拍情況下，負(fù)載能力提高四相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)矩角特性曲線族最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩（極限起動轉(zhuǎn)矩）某種通電方式下，各相矩角特性曲線的交點(diǎn)——曲線族包絡(luò)線的最低點(diǎn)Temq乃是步進(jìn)電動機(jī)單步運(yùn)行所能帶動的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩，稱為極限起動轉(zhuǎn)矩，實(shí)際電機(jī)所帶的負(fù)載Tf必須小于這個轉(zhuǎn)矩才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。對于不同的運(yùn)行方式，由于步距角和最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的不同，矩角特性曲線的交點(diǎn)位置也將不同。因此，對應(yīng)的步進(jìn)電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩Temq也必將不同。不同通電方式時的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)三相單三拍三相雙三拍三相單雙六拍不同通電方式時的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩三相混合式步進(jìn)電動機(jī)2－2通電方式3－3通電方式2－3通電方式三相混合式步進(jìn)電機(jī)負(fù)載能力第四章旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器是一種輸出電壓與角位移呈連續(xù)函數(shù)關(guān)系的感應(yīng)式微電機(jī)。它的結(jié)構(gòu)與繞線式異步電動機(jī)相似，由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，從物理本質(zhì)上看，旋轉(zhuǎn)變壓器也可以看成一種可以轉(zhuǎn)動的變壓器。這種變壓器的原邊繞組放置在定子上，而副邊繞組放置在轉(zhuǎn)子上，原、副邊繞組之間的電磁耦合程度與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角有關(guān)，因而，當(dāng)它的原邊繞組外施單相交流電壓勵磁時，副邊繞組輸出電壓的幅值將與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角有關(guān)。正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器可以看作是原邊（定子）與副邊（轉(zhuǎn)子）繞組之間的電磁耦合程度能隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角改變而改變的變壓器。正、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器則能滿足輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角保持正、余弦函數(shù)關(guān)系。正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的負(fù)載運(yùn)行引起輸出電壓畸變的主要原因是副邊電流所產(chǎn)生的交軸磁密分量所對應(yīng)的磁通正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的負(fù)載運(yùn)行可見，交軸磁通是旋轉(zhuǎn)變壓器負(fù)載后輸出特性曲線畸變的主要原因。為了改善系統(tǒng)性能，就應(yīng)該消除交軸磁通的影響。消除輸出特性畸變的方法也稱為補(bǔ)償。補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ校?）副邊補(bǔ)償2）原邊補(bǔ)償副邊補(bǔ)償?shù)恼嘞倚D(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組中的電勢轉(zhuǎn)子繞組中的電流副邊補(bǔ)償?shù)恼嘞倚D(zhuǎn)變壓器副邊完全補(bǔ)償?shù)臈l件：或得原邊補(bǔ)償?shù)恼嘞倚D(zhuǎn)變壓器原邊補(bǔ)償?shù)恼嘞倚D(zhuǎn)變壓器可以證明，當(dāng)定子兩相繞組的參數(shù)相同，阻抗與交流勵磁電源內(nèi)阻抗相等時，則轉(zhuǎn)子輸出繞組電流產(chǎn)生的交軸磁通對輸出電壓的影響就能得到完全補(bǔ)償，從而消除了輸出電壓的畸變。由于原邊補(bǔ)償條件為，故稱這種補(bǔ)償為原邊對稱補(bǔ)償。因?yàn)橐话汶娫磧?nèi)阻抗很小，所以實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常把交軸繞組直接短路，同樣可以達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹Ｔ?、副邊補(bǔ)償?shù)恼嘞倚D(zhuǎn)變壓器第五章自整角機(jī)自整角機(jī)是一種感應(yīng)式同步微型電機(jī)。它廣泛應(yīng)用于顯示裝置和隨動系統(tǒng)中，使機(jī)械上互不相連的兩根或多根軸能自動保持相同的轉(zhuǎn)角變化，呈同步旋轉(zhuǎn)，在系統(tǒng)中，通常是兩臺或多臺組合使用。產(chǎn)生信號的一方稱為發(fā)送機(jī)，接收信號的一方稱為接收機(jī)。自整角機(jī)按使用要求不同可分為力矩式自整角機(jī)和控制式自整角機(jī)兩大類。自整角機(jī)的分類一、力矩式自整角機(jī)力矩式自整角機(jī)按其用途可分為四種:（1）力矩式發(fā)送機(jī)（ZLF）（2）力矩式接收機(jī)（ZLJ）（3）力矩式差動發(fā)送機(jī)（ZCF）（4）力矩式差動接收機(jī)（ZCJ）自整角機(jī)的分類二、控制式自整角機(jī)控制式自整角機(jī)按其用途可分為三種：（1）控制式發(fā)送機(jī)（ZKF）（2）控制式自整角變壓器（ZKB）（3）控制式差動發(fā)送機(jī)（ZKC）力矩式自整角機(jī)二、力矩式自整角機(jī)的工作原理1、一對力矩式自整角機(jī)系統(tǒng)力矩式自整角機(jī)整步轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系比整步轉(zhuǎn)矩：當(dāng)失調(diào)角時，力矩式自整角機(jī)所具有的整步轉(zhuǎn)矩力矩式差動自整角機(jī)（1）發(fā)送機(jī)－差動發(fā)送機(jī)－接收機(jī)系統(tǒng)力矩式差動自整角機(jī)（2）發(fā)送機(jī)－差動接收機(jī)－發(fā)送機(jī)系統(tǒng)控制式自整角機(jī)在隨動系統(tǒng)中，廣泛采用由伺服機(jī)構(gòu)和控制式自整角機(jī)組成的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)是閉環(huán)系統(tǒng)，具有較高的精度，通?？蛇_(dá)幾個角分。系統(tǒng)帶負(fù)載的能力取決于伺服機(jī)構(gòu)中的放大器和執(zhí)行電機(jī)的功率?？刂剖阶哉菣C(jī)只輸出電壓信號，屬于信號元件，在工作時它的溫升相當(dāng)?shù)?。在一臺發(fā)送機(jī)分別控制多個伺服機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)中，即使有一臺接收機(jī)發(fā)生故障，通常也不致于影響其它接收機(jī)正常運(yùn)行?？刂剖阶哉菣C(jī)的結(jié)構(gòu)及分類控制式自整角發(fā)送機(jī)控制式自整角變壓器控制式差動發(fā)動機(jī)控制式自整角機(jī)的工作原理當(dāng)自整角變壓器輸出繞組接上高輸入阻抗的放大器時，輸出繞組兩端的輸出電壓與繞組中電勢近似相等，即自整角變壓器的輸出電壓控制式自整角機(jī)的工作原理第六章交流伺服電動機(jī)交流伺服電動機(jī)一般是指兩相交流伺服電動機(jī)，又稱為兩相異步電動機(jī)，它和直流伺服電動機(jī)一樣，作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件。根據(jù)交流伺服電動機(jī)在自動控制系統(tǒng)中的作用，自動控制系統(tǒng)對它的要求主要有：(1)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向能很方便地接受控制信號的控制，調(diào)整范圍要寬；(2)在整個運(yùn)行范圍內(nèi)，特性應(yīng)接近線性關(guān)系，并保證運(yùn)行的穩(wěn)定性；(3)當(dāng)控制信號消失時，伺服電動機(jī)應(yīng)停轉(zhuǎn)，即無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象；(4)控制功率要小，起動轉(zhuǎn)矩要大；(5)死區(qū)要小，機(jī)電時間常數(shù)要小，快速性要好。交流伺服電動機(jī)的工作原理圓形旋轉(zhuǎn)磁場作用下的電動機(jī)特性機(jī)械特性1)理想空載時，即S=0時，電磁轉(zhuǎn)矩Tem＝0。2)隨著轉(zhuǎn)子電阻的增大，機(jī)械特性曲線的最大轉(zhuǎn)矩值不變，但取得最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)差率Sm在增大。3)S=1(n=0)時的電磁轉(zhuǎn)矩叫做堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。4)穩(wěn)定區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)。橢圓旋轉(zhuǎn)磁場的分解克服自轉(zhuǎn)現(xiàn)象時的機(jī)械特性橢圓旋轉(zhuǎn)磁場作用下電動機(jī)的機(jī)械特性交流伺服電動機(jī)的控制方法作為控制系統(tǒng)執(zhí)行元件的交流伺服電動機(jī)，在運(yùn)行中，轉(zhuǎn)速通常不是恒定不變的，而是隨控制電壓的改變在不斷地變化著。從前面的分析我們知道，控制交流伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)速的過程，就是改變橢圓旋轉(zhuǎn)磁場橢圓度的過程，從兩相脈振磁場合成橢圓旋轉(zhuǎn)磁場的分析，可以得出改變橢圓旋轉(zhuǎn)磁場橢圓度的方法有三種：1）改變脈振磁場（通常是控制相）的幅值；2）改變兩相脈振磁場的時間相位差；3）脈振磁場的幅值及相位差同時改變。第七章無刷直流電動機(jī)無刷直流電動機(jī)利用電子換向開關(guān)線路和位置傳感器來代替電刷和換向器，使這種電機(jī)既具有直流電動機(jī)的特性，又具有交流電動機(jī)運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，它的轉(zhuǎn)速不再受機(jī)械換向的限制，若采用高速軸承，還可以在高達(dá)每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速中運(yùn)行。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，包括電子換向器在內(nèi)的體積較大，轉(zhuǎn)矩波動