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1.控制电机的概念

  控制电机一股是指在自动控制系统中作为执行元件或测量元件使用的电气单元,它是在普通旋转电机的基础上发展起来的;其工作原理与普通旋转电机并无本质区别,都是基于各种电磁理论,只是它们的用途有所不同。控制电机主要用来完成控制信号的传递和变换。因此,现代控制系统对它的基本要求是高**度、高灵敏度和高可靠性。

  1)高**度

  **度是指控制电机的实际特性与理想特性的差异应越小越好。对功率元件来说,是指其特性的线性度和不灵敏区:对信号元件来说,则主要指静态误差、动态误差以及环境温度、电源频率和电源电压的变化所引起的漂移,这些特性都直接影响整个系统的**度。

  2)高灵敏度

  高灵敏度是指控制电机的输出量应能迅速跟上输入信号的变化,即对输人信号能做出快速响应。目前,自动控制系统中的控制指令是经常变化的,有时极为迅速.因而控制电机、特别是功率元件能否对输人信号做出快速响应是至关重要的，高灵敏度表征快速响应的主要指标有灵敏度和机电时间常数等。

  3)高可靠性

  高可靠性是指控制电机对不同的使用环境应有广泛的适应性，在较差的环境中能非常可靠地工作,以保证控制系统的正常运行。

  2.控制电机的分类

  控制电机的功能和用途尽管各不相同,但大致上仍然可以分为执行元件类控制电机利和测量元件类控制电机两大类。由于控制电机的种类非常多,这里只介绍几种相对较为常见的控制电机。控制电机的分类如图0-10所示。

图 0-10 控制电机的分类

  1)执行元件类控制电机

  (1)伺服电动机。伺服电动机根据其电源的类型可分为直流伺服电动机和交流伺服电动机，直流伺服电动机的转速和转向取决于控制电压的大小机U机的转速和转向取决于控制电压的大小和相位。在控制系统中,伺服电动机作为执行元件,机特性近于线性,即转速随转矩的增加近似线性下降,比普通电动机的控制精度高。使用时,伺服电动机通常经齿轮减速后带动负载,将输人的电压信号变换成电机轴上的角位移和角速度等机械信号输出,所以又称为执行电动机。

  (2)步进电动机。步进电动机是一种将脉冲信号转换为相应的角位移或线位移的机电元件。它由专门的电源供给脉冲信号电压,再由相应的驱动器将脉冲信号转换成电压相的变化信号。当输人一个电脉冲信号时,步进就前进一步,输出角位移量或线位移与输人脉冲数成正比,而转速与脉冲频率成正比，步进电动机在经济型数控系统中作为执行元件得到广泛应用。

  (3)微型同步电动机。微型同步电动机主要有三种类型,即永磁式同步电机、反应式同步电机和磁滞式同步电机。不同类型的微型同步电机的定子结构都是相同的,或者是三相绕组通以三相交流电,或者是两相绕组通以两相电流(包括单相电源通过电容分相),或者是单相翠极式,其主要作用都是产生一个旋转滋场。但其较子的结构形式和材料却有很大差别,因而其运行原理也就各不相同，由于这类电机的转子上没有励磁绕组,也不需要电刷和滑环,所以微型同步电动机具有结构简单、运行可靠、维护方便,转速恒定等特点,广泛应用在自动控制系统和其他需要恒定转速的仪器上。

  (4)电机扩大机。电机扩大机可以利用较小的功率输入来控制较大的功率输出,在系统中作为功率放大元件。电机扩大机的控制绕组上所加的电压一般不高,励磁电流不大,而输出电动势较高,电流较大,这就是功率放大，电机扩大机的放大倍数可达1000一10000倍,也可作为自动调节系统中的调节元件。

  (5)直线电动机。直线电动机就是把电能转换成直线运动的机械能的电动机。它解茯了直线运动系统总是需要用中间传动机构将旋转运动转换成直线运动的问题,因而其系统结构简单,运行效率和传动精度都较高。与旋转电动机相对应,直线电动机也可以分为直线异步电动机,直线同步电动机、直线直流电动机等。

  (6)电磁调速电动机。电磁调速电动机是采用电磁转差离合器调速的异步电动机。这种电动机可以在较大的范围内进行无级平沿调速:是交流无级调速设备中简单实用的一种,在纺织、印染、造纸等轻工业机械中得到广泛应用。

  (7)磁滞电动机。磁滞电动机具有恒速特性,亦可在异步状态下运行,主要用于驱动功率较小、要求转速平稳和起动须繁的同步驱动装置中。

  (8)单相申励电动机。单相申励电动机可交直流两用,多数情况下使用交流电源:由于它具有较大的起动转矩和较软的机械特性,广泛应用在电动工具中,如手电钻就采用这种电动机。

  2)测量元件类控制电机

  (1)测速发电机。测速发电机是机械转速测量装置,它的输人是转速,输出是电压,其输出电压与转速**地保持正比关系。根据其输出电压信号的不同,测速发电机又可分为直流测速发电机和交流测速发电机两种。测速发电机也可作为数分、积分的计算元件来使用。

  (2)自整角机。自整角机的基本用途是传输角度数据,一般由两个以上元件对接使用，输出电压信号时是测量元件;输出转矩时是执行元件。作为测量元件时,输出电压是两个元件转子角差的正弦函数。作为执行元件时,输出转矩也近似为两个元件转子角差的正弦函数。自整角机在何服系统中可作为自整步元件或角度的传输、变换、接收元件。

  (3)旋转变压器。普通旋转变压器都做成一对磁极,其输出电压是转子转角的正弦、余弦或其他函数,主要用于坐标变换、三角运算,也可作为角度数据传输和移相元件使用。多极旋转变压器足在普通旋转变压器的基础上发展起来的一种精度可达角秒级的元件,在高精度解算装置和多通道系统中用作解算、检测元件或实现数模传递。

  3.控制电机的典型应用

  在科学技术高速发展的,控制电机已经是构成各类控制系统的基础元件,广泛应用于各行各业,如钢铁冶金,加工制造、能源化工、交通通信等。不管是在数控机床、自动化仪器和仪表、电影、电视、打印机.电子计算机外设等民用设备上,还是雷达天线自动定位、飞机自动驾驶仪、导航仪、激光和红外线技术、导弹和火箭的制导、自动火炮射击控制、舰艇驾驶盘和方向盘的控制等军事设备上,都能够见到控制电机的广泛应用。

  这些控制设备船够处理包括直线位移、角位移、速度、加速度、温度、湿度、流量、压力、液面高低.密度,浓度、硬度等多种物理量。

  现以自动控制系统的一个典型实例按预定要求控制工件到指定位置的伺服系统为例来说明控制电机的种炎和用途,如图0-11所示。这种控制系统常用于数控机床上。

  图0-11所示为两种不同伺服系统的示意方框图。其中图0-11(a)所示为经济型数控机床常用的步进电动机开环伺服系统,计算机数控装置给出位移指令脉冲以及脉冲频率,驱动电路将脉冲放大,去驱动步进电动机按命令脉冲的须率去执行相应的速度,并带动工作台移动至相应位置。由于步进电机存在着失步的可能性,所以这种控制系统的控制精度不够高。

  图0-11(b)所示为数控机床使用的全闭环位置伺服控制系统,该系统由数控装置给出加工所要求的位移指令值,在机床工作台上装有直线位置传感器进行实际位置检测,在同服电动机轴上还装有速度传感器完成实际速度检测。该系统的位置比较电路要进行位置指令值和实际位置反馈值之间的俯差运算,根据偏差情况计算出所需速度,所需速度还要和实际速度检测值进行比较.用一系列综合运算结果实时地通过伺服驱动器去推动伺服电动机旋转，实现工作合的**移动。

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