自动控制元件课件.pptx

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1、绪 论 一、控制元件的作用和分类 1、执行元件。它的职能是驱动控制对象，直接完成控制任务。2、测量元件。它的职能是将被测量检测出来并转换成一种容易处理和使用的量。测量元件又称为传感器。3、放大元件。它的职能是将微弱信号放大，以便最后驱动执行元件。4、校正元件。其作用是改善系统的性能，使系统正常可靠地工作并达到规定的性能指标。牛牛文库文档分享绪 论二、本课程的主要内容 介绍控制系统中常见的执行元件和测量元件。作为执行元件的控制电机包括各种直流伺服电动机，交流伺服电动机，步进电动机和小功率同步电动机等。作测量元件的控制电机包括自整角机，旋转变压器，交、直流测速发电机等。控制电机是最重要的一大类控制

2、元件，也是本课程的主要内容。牛牛文库文档分享 1、在学习过程中，要由浅入深地研究和分析其中的电磁关系和它们的基本原理与特性。2、要掌握重点。要集中精力掌握一些基本规律和一些主要理论。对于一些枝节问题可不必过于深究。3、要用辩证法的观点，将各种控制电机联系起来，着重分析和掌握一些共同规律，同时也研究每个电机所具有的特殊性质。绪 论三、如何学好本课程 牛牛文库文档分享绪 论三、主要参考书：1、陈隆昌编著控制电机 西安电子科技大学出版社；2、梅晓榕编著自动控制元件及线路 哈尔滨工业大学出版社；3、刘向群编著自动控制元件（电磁类）北航出版社：4、秦曾煌编著电工技术（电机部分）高等教育出版社。牛牛文库文

3、档分享第一章 直流测速发电机 从能量转换的角度来看，它把机械能转换为电能，输出直流电；从信号转换的角度来看，它把转换信号转换成电压信号，其值和转速成正比，即 U=Kn 式中 U-测速发电机的输出电压；n-测发电机的转速；K-比例系数。测速发动机的输出电压能表征转速。因而可以用来测速，故得名测速发电机。牛牛文库文档分享第一章 直流测速发电机 n n 1.1 直流发电机的工作原理和结构n n 1.2 直流测速发电机及其输出特性n n 1.3 直流测速发电机的误差及其减小方法n n 1.4 直流测速发电机的应用n n 1.5 直 流 测 速 发 电 机 的 性 能 指 标 使 用 和 发展方向 牛牛

4、文库文档分享1.1 1.1 直 直流 流发 发电 电机 机的 的工 工作 作原 原理 理和 和结 结构 构1.1.1 直流电势是怎样产生的图 图1-1 1-1 环形绕组原理图 环形绕组原理图图 图1-2 1-2 等效电路 等效电路 牛牛文库文档分享1.1 1.1 直 直流 流发 发电 电机 机的 的工 工作 作原 原理 理和 和结 结构 构示 示1.1.1 直流电势是怎样产生的 图 图1-3 1-3 直流电机示意图 直流电机示意图NS1234567810911121314151612345 678109111213 141516鼓形铁心 牛牛文库文档分享1.1 1.1 直 直流 流发 发电 电

5、机 机的 的工 工作 作原 原理 理和 和结 结构 构1.1.2 直流电机基本结构1 机壳 2 定子铁心3 电枢 4 电刷座5 电刷 6 换向器7 激磁绕组8 端盖9 空气隙10 轴承 图 图1-4 1-4 直流电机结构简图 直流电机结构简图 牛牛文库文档分享1.1 1.1 直 直流 流发 发电 电机 机的 的工 工作 作原 原理 理和 和结 结构 构直流电机总体结构可以分为两大部分：静止部分（定子）；旋转部分（转子）定子和转子之间存在间隙（称为空气隙）定子由定子铁心、激磁绕组、机壳、端盖和电刷装置等组成。转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器、轴等组成。一般小型电机的轴是通过轴承支撑在端盖上。1.

6、1.2 直流电机基本结构 牛牛文库文档分享1.1 1.1 直 直流 流发 发电 电机 机的 的工 工作 作原 原理 理和 和结 结构 构1、定子铁心和激磁绕组磁极：用0.350.55mm的电工钢片叠压而成。磁极的极掌（极靴）较极身为宽。激磁绕组由铜线绕制而成，套在磁极上。当激磁极绕组通以直电时就产生磁通，形成N、S极。图 图1-5 1-5 定子结构简图 定子结构简图1.1.2 直流电机基本结构 牛牛文库文档分享1.1 1.1 直 直流 流发 发电 电机 机的 的工 工作 作原 原理 理和 和结 结构 构 2、电枢铁心和电枢绕组 用0.350.5mm电工钢片的冲片叠压而成 电枢绕组：将绝缘铜导线

7、预先制成元件，并嵌在槽内，然后将元件的两个端头，按照一定的规律接到换向器上。图 图1-7 1-7 电枢铁心和绕组 电枢铁心和绕组图 图1-6 1-6 电枢铁心冲片 电枢铁心冲片1.1.2 直流电机基本结构 牛牛文库文档分享1.1 1.1 直 直流 流发 发电 电机 机的 的工 工作 作原 原理 理和 和结 结构 构3、换向器和电刷 换向器是由许多换向片（铜片）叠装面成。换向片之间用云母绝缘，各换向片和元件联接。电刷放在电刷座中，用弹簧将它压在换向器上，使之和换向器有良好的滑动接触。在直流电机中，电刷和换向器的作用是将是枢绕组中的交变电势转换成电刷间的直流电势。图 图1-8 1-8 塑料换向器剖

8、面图 塑料换向器剖面图1.1.2 直流电机基本结构 牛牛文库文档分享1.1 1.1 直 直流 流发 发电 电机 机的 的工 工作 作原 原理 理和 和结 结构 构1.1.3 直流电势的大小图 图1-1 1-1 环形绕组原理图 环形绕组原理图图 图1-2 1-2 等效电路 等效电路 牛牛文库文档分享1.1 1.1 直 直流 流发 发电 电机 机的 的工 工作 作原 原理 理和 和结 结构 构式中:ei-每一导体的感应电势；S-一对电刷间的串联导体数。5-11.1.3 直流电势的大小式中 Bx-为导体所在点的磁通密度；l-导体在磁场中的长度（电枢铁心的长度）；v-导体切割磁通的线速度（电枢的圆周速

9、度）。牛牛文库文档分享1.1 1.1 直 直流 流发 发电 电机 机的 的工 工作 作原 原理 理和 和结 结构 构1.1.3 直流电势的大小式中 Bp-每一极下的气隙平均磁密:F-每极总磁通，单位为韦伯（Wb）；-极距，=电枢圆周长/极数，单位是米。牛牛文库文档分享若电枢绕组总有效导体数为N，绕组的并联支路对数为a，则每支路的导体数即为N/2a。由此可得电枢绕组的感应电势为：1.1 1.1 直 直流 流发 发电 电机 机的 的工 工作 作原 原理 理和 和结 结构 构1.1.3 直流电势的大小令则 牛牛文库文档分享1.1 1.1 直 直流 流发 发电 电机 机的 的工 工作 作原 原理 理和

10、 和结 结构 构式中 Ce为一个常数，其大小由电机本身参数决定。当每极磁通一定时,为常数，令则其中，Ke称为电势系数。1.1.3 直流电势的大小 牛牛文库文档分享1.1 直流发电机的工作原理和结构 结论：电刷两端的感应电势和电机的转速成正比。即电势的大小能表征转速的大小。因此直流发电机能把转速信号转换成电势信号，从而可用来测速。牛牛文库文档分享1.2 直流测速发电机及其输出特性 n n 1.2.1 直流测速发电机的类型 n n 1.2.2 自动控制系统对直流测速发电机的要求 n n 1.2.3 直流测速发电机的输出特性 牛牛文库文档分享1.2.1 直流测速发电机的类型按照激磁方式分，直流测速发

11、电机有两种型式：（1）永磁式 其定子磁极由永久磁钢做成，没有激磁绕组.图 图1-9 1-9 永磁直流测速机 永磁直流测速机1.2 1.2 直 直流 流测 测速 速发 发电 电机 机及 及其 其输 输出 出特 特性 性 图 图1-10 1-10 他激直流测速机 他激直流测速机（2）电磁式 其定子激磁绕组由外部电源供电，通电时产 生磁场。牛牛文库文档分享1.2.21.2.2 自动控制系统对直流测速发电机的要求自动控制系统对直流测速发电机的要求（1）输出电压和转速关系（即输出特性）应为线性;（2）输出特性斜率大；（3）温度变化对输出特性的影响要小；（4）输出电压纹波要小即要求在一定的 转速下输出电压

12、要稳定，波动要小；（5）正反转两个方向的输出特性要一致。自动控制系统对其元件的要求，主要是精确度高、灵敏度高、可靠性好。据此，直流测速发电机在电气性能方面应满足下列要求：图 图1-11 1-11 测速发电机的理想输出特性 测速发电机的理想输出特性1.2 1.2 直 直流 流测 测速 速发 发电 电机 机及 及其 其输 输出 出特 特性 性 牛牛文库文档分享1.2.3 直流测速发电机的输出特性 已知当测速发电机接上负载RL后，电压平衡方程式为 1.2 1.2 直 直流 流测 测速 速发 发电 电机 机及 及其 其输 输出 出特 特性 性 图 图1-12 1-12 直流测速机接上负载 直流测速机接

13、上负载 牛牛文库文档分享1.2.3 直流测速发电机的输出特性n 上式是负载时输出电压和转速的关系。若式中 Ra 和 RL 均为常数，则 Ua 与 n 之间仍呈线性关系，只不过是随着负载电阻的减小，输出特性的斜率变小而已。1.2 1.2 直 直流 流测 测速 速发 发电 电机 机及 及其 其输 输出 出特 特性 性 牛牛文库文档分享1.2.3 直流测速发电机的输出特性图 图1-12 1-12 直流测速机接上负载 直流测速机接上负载图 图1-13 1-13 不同负载电阻时的 不同负载电阻时的 理想输出特 理想输出特性 性1.2 1.2 直 直流 流测 测速 速发 发电 电机 机及 及其 其输 输出

14、 出特 特性 性 牛牛文库文档分享1.3 直流测速发电机的误差及其减小方法 1.3.1 温度影响1.3.2 电枢反应的影响1.3.3 延迟换向的去磁作用1.3.4 纹波1.3.5 电刷接触压降 图 图1-13 1-13 不同负载电阻时的 不同负载电阻时的 理想输出特 理想输出特性 性 牛牛文库文档分享1.3.1 温度影响减小温度变化对输出特性的影响，通常采取的措施是：（1）测速发电机的磁路设计得比较饱和，因而励磁电流变化时所引起的磁通变化量较小。1.3 1.3 直 直流 流测 测速 速发 发电 电机 机的 的误 误差 差及 及其 其减 减小 小方 方法 法 B0BJBH 0B 牛牛文库文档分享

15、1.3.1 温度影响 对永磁式直流测速度电机来说，若选用热稳定性好的永磁材料，则不必考虑温度对输出特性的影响。1.3 1.3 直 直流 流测 测速 速发 发电 电机 机的 的误 误差 差及 及其 其减 减小 小方 方法 法（2）用串联电阻来减小励磁电流的变化量。在励磁回路中串联一个热敏电阻并联网络，如图所示。图 图1-14 1-14 励 励磁 磁回 回路 路中 中串 串联 联热 热敏 敏电 电阻 阻并 并联网络 联网络图 图1-15 1-15 电阻随温度变化曲线 电阻随温度变化曲线 牛牛文库文档分享 电机空载时，只有激磁绕组产生主磁场。当接负载时，电枢绕组中有电流流过，产生电枢磁场。所以负载运

16、行时电机的磁场是主磁场与电枢磁场相叠加。电枢磁场对主磁场的影响称为电枢反应。1.3.2 电枢反应的影响1.3 1.3 直 直流 流测 测速 速发 发电 电机 机的 的误 误差 差及 及其 其减 减小 小方 方法 法 什么是电枢反应？什么是电枢反应？i1u1e1e2u2KZLi2N1N 牛牛文库文档分享图 图1-17 1-17 直流测速发电机输出特性 直流测速发电机输出特性1.3 1.3 直 直流 流测 测速 速发 发电 电机 机的 的误 误差 差及 及其 其减 减小 小方 方法 法 1.3.2 电枢反应的影响 负载电阻越小或转速越高，都会使电枢电流增大，去磁作用增强，非线性误差增大。为了减小电

17、枢反应对输出特性的影响，在直流测速发电机的技术数据中标有最大转速和最小负载电阻值。牛牛文库文档分享1.3.3 延迟换向的去磁作用 延迟换向的存在，使换向元件中的产生一个附加电流，在被电刷短路的换向元件中流动，从而产生磁通，并对主磁通起去磁作用，使主磁通减小。1.3 1.3 直 直流 流测 测速 速发 发电 电机 机的 的误 误差 差及 及其 其减 减小 小方 方法 法 图 图1-17 1-17 换向电流的去磁作用 换向电流的去磁作用 牛牛文库文档分享1.3.3 延迟换向的去磁作用图 图1-18 1-18 延迟换向对输出特性的影响 延迟换向对输出特性的影响1.3 1.3 直 直流 流测 测速 速

18、发 发电 电机 机的 的误 误差 差及 及其 其减 减小 小方 方法 法 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。牛牛文库文档分享1.3.4 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。纹波电压的存在对于测速机用于阻尼或转速控制时都不利，特别是用在积分装置中更是不允许，因此在结构上和设计上都要采用一定的措施来减小（但不能消除）它的幅值。1.3 1.3 直 直流 流测 测速 速发 发

19、电 电机 机的 的误 误差 差及 及其 其减 减小 小方 方法 法 牛牛文库文档分享1.3.5 电刷接触压降 电刷接触压降与下述因素有密切关系：（1）电刷和换向器的材料；（2）电刷的电流密度；（3）电流的方向；（4）电刷单位面积上的压力；（5）接触表面的温度；（6）换向器圆周线速度；（7）换向器表面的化学状态和机械方面的因素等。1.3 1.3 直 直流 流测 测速 速发 发电 电机 机的 的误 误差 差及 及其 其减 减小 小方 方法 法 牛牛文库文档分享 考虑电刷接触压降后，直流测速发电机的输出特性如图1-19所示。在转速较低时，输出特性上有一段斜率显著下降的区域。此区域内，测速机虽有输入信

20、号（转速）但输出电压很小，对转速的反应很不灵敏，所以此区域叫不灵敏区。1.3.5 电刷接触压降图 图1-19 1-19 考虑电刷接触压降后的输出特性 考虑电刷接触压降后的输出特性1.3 1.3 直 直流 流测 测速 速发 发电 电机 机的 的误 误差 差及 及其 其减 减小 小方 方法 法 牛牛文库文档分享1.3.5 电刷接触压降 为了减小电枢接触压降的影响，缩小不灵敏区，在直流没速发电机中，常常采用接触压降较小的银一石墨电刷。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。1.3 1.3 直 直流 流测 测速 速发 发电

21、电机 机的 的误 误差 差及 及其 其减 减小 小方 方法 法 牛牛文库文档分享1.4.1 作为系统的阻尼元件 图 图1-20 1-20 直流测速发电机作阻尼元件应用 直流测速发电机作阻尼元件应用1.4 直流测速发电机的应用 牛牛文库文档分享1.4.2 对旋转机械作速度控制 图 图1-21 1-21 恒速控制系统原理图 恒速控制系统原理图1.4 1.4 直 直流 流测 测速 速发 发电 电机 机的 的应 应用 用 牛牛文库文档分享1.4.3 实现输入量对时间的积分 图 图1-22 1-22 实现输入量对时间积分的原理图 实现输入量对时间积分的原理图1.4 1.4 直 直流 流测 测速 速发 发

22、电 电机 机的 的应 应用 用 牛牛文库文档分享1.5 1.5 直流测速发电机的性能指标、使用和发展动向 直流测速发电机的性能指标、使用和发展动向1.5.1 直流测速发电机主要性能指标1.5.2 直流测速发电机的使用、选用 应根据直测速发电机在系统中的功用而提出不同的技术要求。当作为解算元件或用于恒速控制时，应着重考虑其线性度和纹波电压，而对输出斜率的要求则是第二位的；当作为阻尼元件时，应头等着重考虑其输出斜率，而对其线性度和纹波电压的要求并不是很严格的。牛牛文库文档分享、接线 他励直测速发电机的端盖上有一块接线板，板上有四个接线柱。其中两个接线柱为激磁绕组的端头，另两个接线柱为电枢绕组的端头

23、。3、技术数据（见书P70型号含义及表1-3、表1-4）图 图1-22 1-22 直流测速发电机的出线标记 直流测速发电机的出线标记1.51.5 直流测速发电机的性能指标、使用和发展动向直流测速发电机的性能指标、使用和发展动向 牛牛文库文档分享1.51.5 直流测速发电机的性能指标、使用和发展动向直流测速发电机的性能指标、使用和发展动向 直流测速发电机的发展趋势是提高灵敏度和线性度，减小纹波电压和变温所引起的误差，减轻重量，缩小体积，增加可靠性，发展新品种。目前国内外较重视发展永磁高灵敏度直流测速发电机，其输出电压斜率大，低速精度高。改进电刷和换向器的接触装置，发展无刷直测速发电机，以增加可靠

24、性及减小对其它线路的影响，永磁式无槽电枢、杯形电刷、印制绕组电枢测速发电机因其转动惯量小，线性度好，纹波电压小，也是测速发电机发展方向之一。牛牛文库文档分享小 结 直流电势是利用“导体在磁场中运动产生感应电势”的电磁规律，通过电刷和换向器的作用而获得的。具体地说是由于电刷通过换向器把同一极下的导体串联成一条支路，而同一极下导体的电势方向是不变的，因此，电刷两端输出直电势。从电势公式 和电压平衡方程式 Ua=Ea-IaRa以及Ia=Ua/RL就可以导出输出特性的关系式 牛牛文库文档分享 在理想条件下，输出特性为一直线，而实际的特性与直线有偏差，此偏差称非线性误差。造成非线性误差的原因有好几种，电

25、枢反应和延迟换向的去磁效应使非线性误差随着转速的增大或负载电阻的减小而增大。因此，在使用时必须注意电机转速得不超过规定的最高转速，负载电阻不可小于给定值。纹波电压、电刷和换向器接触压降的变化造成了输出特性的不稳定。因而降低了测速发电机的精度。测速发电机的输出特性对于温度的变化是比较敏感的，凡是温度变化较大，或对变温输出误差要求严格的场合，应对测速机进行温度补偿。学习重点是掌握直测速发电机的工作原理和直测速发电机的输出特性。小 结 牛牛文库文档分享复习思考题、为什么直流发电机电枢绕组元件的电势是交变电势而电 刷势是直流电势？、如果图1-1中的电枢反时针方向旋转，试问元件电势的方向和、电刷的极性如何？、为了获得最大的直电势，电刷应放在什么位置？为什么端部对称的鼓形绕组（图1-3）的电刷放在磁极轴上？、简述直流测速发电机的输出特性，影响其特性线性的主要因素有哪些？、为什么直测速机的转速不得超过规定的最高转速？负载电阻不能小于给定值？牛牛文库文档分享