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1、自 動 控 制 元 件 及 線 路梅 曉 榕 2008 01 緒 論0.1 控 制 元 件 的 作 用 和 分 類 v從 自 動 控 制 的 發(fā) 展 歷 史 看 ， 最 初 是 控 制 機 械轉(zhuǎn) 速 。v瓦 特 蒸 汽 機 的 轉(zhuǎn) 速 控 制 被 公 認 為 是 最 早 的 自動 控 制 裝 置 。v現(xiàn) 代 發(fā) 電 廠 對 交 流 電 壓 頻 率 的 控 制 ， 實 質(zhì) 上就 是 對 發(fā) 電 機 轉(zhuǎn) 速 的 控 制 。v在 現(xiàn) 代 機 械 制 造 業(yè) 中 和 武 器 裝 備 中 ， 對 機 械位 移 的 控 制 更 多 。 很 多 高 級 裝 置 的 控 制 ， 實質(zhì) 上 是 對 位 移 的

2、控 制 。 v自 動 控 制 技 術 應 用 廣 泛 。v從 被 控 制 的 變 量 看 ， 有 機 械 轉(zhuǎn) 速 ， 機 械 位 移 ，溫 度 ， 壓 力 ， 流 量 ， 液 位 ， 重 量 。v從 控 制 裝 置 所 在 環(huán) 境 看 ， 空 中 的 飛 行 器 ， 地 面 上 的 自 動 化 裝 置 ， 大 海 中 的 現(xiàn) 代 化 艦 船 ，深 海 中 的 潛 艇 。v有 現(xiàn) 代 化 設 備 的 地 方 ， 就 有 自 動 控 制 技 術 。 v自 動 控 制 技 術 ： 自 動 控 制 原 理 自 動 控 制 元 件 及 線 路v常 用 的 元 件 及 線 路v機 械 伺 服 系 統(tǒng) 自

3、動 控 制 技 術控 制原 理 控 制元 件 導 彈 發(fā) 射 架 控 制 系 統(tǒng) 輸 入信 號 偏 差信 號 位 置 反 饋 v控 制 系 統(tǒng) ： 采 用 控 制 技 術 的 裝 置 ， 過 程 。v控 制 系 統(tǒng) ： 控 制 對 象 與 控 制 元 件v形 形 色 色 的 系 統(tǒng) ， 五 花 八 門 的 元 件v按 功 能 分 類 ： 執(zhí) 行 元 件 ， 放 大 元 件 ， 測 量 元 件 ， 補 償 元 件 四 大 元 件v1 執(zhí) 行 元 件 ， 功 能 是 驅(qū) 動 控 制 對 象 ， 控 制 或改 變 被 控 量 （ 輸 出 量 ） 。 （ 電 機 ）v2 測 量 元 件 ， 功 能 是

4、 將 被 測 量 檢 測 出 來 并 轉(zhuǎn)換 成 另 一 種 容 易 處 理 和 使 用 的 量 （ 例 如 電壓 ） 。 （ 電 位 器 ）v測 量 元 件 一 般 稱 為 傳 感 器 ， 過 程 控 制 中 又 稱為 變 送 器 。 v3 放 大 元 件 功 能 是 將 微 弱 信 號 放 大 。 分 為 前 置 放 大 元 件 和 功 率 放 大 元 件 兩 種 。 功 率 放 大 元 件 的 輸 出 信 號 具 有 較 大 的 功 率 ，可 以 直 接 驅(qū) 動 執(zhí) 行 元 件 。v4 補 償 元 件 （ 校 正 元 件 ） 為 了 確 保 系 統(tǒng) 穩(wěn)定 并 使 系 統(tǒng) 達 到 規(guī) 定 的

5、 精 度 指 標 和 其 他 性 能指 標 ， 控 制 系 統(tǒng) 的 設 計 者 增 加 的 元 件 。 作 用 是 改 善 系 統(tǒng) 的 性 能 ， 使 系 統(tǒng) 能 正 常 可 靠地 工 作 并 達 到 規(guī) 定 的 性 能 指 標 。 v執(zhí) 行 元 件 ： 電 動 機v測 量 元 件 ： 電 位 器v輸 出 量 ： 轉(zhuǎn) 角 控 制 系 統(tǒng) 功 能 框 圖 0.2 本 課 的 主 要 內(nèi) 容v執(zhí) 行 元 件 ， 測 量 元 件 ， 功 率 放 大 元 件 及 有 關線 路 。v控 制 電 機 ： 專 為 控 制 系 統(tǒng) 制 造 的 電 機 。 可 作執(zhí) 行 元 件 和 測 量 元 件 。v執(zhí) 行

6、元 件 ： 電 動 機 ， 液 壓 元 件 。v測 量 元 件 ： 控 制 電 機 ， 編 碼 器 ， 阻 容 感 傳 感器 ， 熱 電 式 傳 感 器 。v功 率 放 大 元 件 ： 線 性 功 率 放 大 器 ， 脈 沖 寬 度調(diào) 制 型 放 大 器 。 本 課 特 點v涉 及 的 知 識 廣 ：v電 機 ， 傳 感 器 ， 功 率 電 子 技 術 。v實 踐 性 強 ：v1.講 述 內(nèi) 容 是 實 際 元 件 。 要 接 觸 實 際 元 件 ，并 做 實 驗 。v 2. 在 實 際 中 直 接 應 用 的 可 能 性 很 大 。 0.3 電 磁 學 的 基 本 概 念 與 定 律v 0.

7、3.1 磁 場表 示 磁 場 強 弱 的 物 理 量 是 磁 通 ， 。 單 位 面 積 的 磁 通 是 磁 密 ， B。對 某 一 截 面 S， 設 是 dS法 線 與 磁 密 B的 夾 角穿 過 截 面 S的 磁 通 為 s= cos d B Sm= cos B, 變不 v 可 以 認 為 磁 密 B與 磁 場 強 度 向 量 H 有 關 。磁 場 強 度 向 量 H 與 B 的 關 系 是 : B=H v從 物 理 角 度 ， 磁 場 是 由 ？ 產(chǎn) 生 的 ？v磁 場 是 由 電 流 產(chǎn) 生 的 。v磁 場 與 電 流 的 關 系 由 ？ 定 律 描 述 ？v安 培 環(huán) 路 定 律 （

8、 全 電 流 定 律 ） 。v描 述 H 與 I 的 關 系 。 H 與 I的 關 系 是 :dl IH lI NI或 ： 磁 勢 。 1n i ii H l NI i iH l i i： 第 段 的 磁 壓 降 或 第 段 的 磁 勢 。 v0.3.2 磁 路 定 律v描 述 磁 通 與 磁 勢 之 間 的 關 系 。v公 式 中 一 些 物 理 量 是 近 似 值 ，v近 似 關 系 。v主 要 是 定 性 關 系 。 v0.3.2 磁 路 定 律 鐵 心 的 磁 路 。 串 聯(lián) 磁 路 并 聯(lián) 磁 路：主 磁 路 指 定 的 磁 路 v主 磁 路 與 主 磁 通 ，v漏 磁 路 與 漏

9、磁 通 。 mi：R i第 段 磁 壓 降 。 m mi1 1m mi1 1= =n nR R R R或磁 阻 m =F WI磁 勢 mm= F R m ：R 總 磁 壓 降 ， 磁 路 定 律 v0.3.3 電 磁 感 應 定 律v前 面 講 磁 場 是 由 電 流 產(chǎn) 生 的 。v電 磁 感 應 定 律 說 明 ，v變 化 的 磁 場 ， 可 以 產(chǎn) 生 電 勢 ， 以 及 電 流 。 v0.3.3 電 磁 感 應 定 律 線 圈 的 總 磁 鏈 感 應 電 勢 i i = W d= - de t d de=-W t =W v引 起 磁 鏈 變 化 的 原 因 ： (1)磁 通 由 交 流

10、 電 流 產(chǎn)生 ， 空 間 中 任 一 點 的 磁 通 隨 時 間 變 化 ；v (2)空 間 中 各 點 的 磁 通 不 變 化 ， 但 線 圈 位置 變 化 ， 磁 鏈 相 應 變 化 。v因 此 磁 鏈 可 以 看 成 是 時 間 和 位 移 的 函 數(shù) ， 即=(t,x)， 所 以 有d = d + d t x t x 變 壓 器 電 勢旋 轉(zhuǎn) （ 速 度 ） 電 勢 T Rd d= - = - - = +d d xe e et t x t d = d + d t xt x T = - te R d= - = -d x e Vx t x v導 線 切 割 磁 力 線 產(chǎn) 生 電 勢v電

11、 感 不 變 的 線 圈 e= Blvd- dIe = L t 0.3.4 電 磁 力 與 電 磁 轉(zhuǎn) 矩v電 機 、 電 磁 鐵 中 力 的 產(chǎn) 生 有 兩 種 說 法 ：v1.磁 場 中 的 載 流 導 線 受 力 。v2.磁 場 內(nèi) 產(chǎn) 生 的 力 。v1） 磁 極 間 的 相 互 作 用 力 ： 同 性 相 斥 ， 異 性 相 吸 。v2） 磁 場 內(nèi) 的 磁 性 物 體 受 力 ： 磁 力 （ 力 矩 ） 使 磁 路 磁 阻 最 小 。 0.3.4 電 磁 力 與 電 磁 轉(zhuǎn) 矩v電 機 、 電 磁 鐵 中 力 的 產(chǎn) 生 最 準 確 的 解 釋 ：v電 磁 力 （ 力 矩 ） 是

12、由 磁 場 產(chǎn) 生 的 。 0.3.4 電 磁 力 與 電 磁 轉(zhuǎn) 矩v1） 磁 場 中 的 載 流 導 體 所 受 的 電 磁 力 和 力 矩 為 2） 鐵 心 表 面 的 磁 力 (向 外 ) 3） 磁 極 間 的 力 同 性 相 斥 ， 異 性 相 吸 ， 與 距 離 平 方 成 反 比 。e =F BlI e =T BlIr 2 em d1= 2 dRF 0.3.5 圓 柱 面 磁 場 間 的 力 矩 0 0 +=1p o90 0.3.5 圓 柱 面 磁 場 間 的 力 矩 o180 o0 90=1 0 + +p 0+ 0.3.5 圓 柱 面 磁 場 間 的 力 矩 270 360 0

13、 o o0 90 180=1 0 + + + 0p 0.3.5 圓 柱 面 磁 場 間 的 力 矩 0 o180+0 =2p o900 o o270 360+ 0 00 0.3.5 圓 柱 面 磁 場 間 的 力 矩 o o o o0 90 180 270 360=1 0 + + + 0 0=2 0 + 0 0 0 0pp o180周 期p o360 /po360 v展 開 成 傅 里 葉 級 數(shù) ， 基 波 為 ： 2極 磁 場 4極 磁 場 2p極 磁 場 1 = sinT K 1 = sin2T K 1 = sinT K p 0.4 運 動 控 制 系 統(tǒng) 的 執(zhí) 行 元 件v對 執(zhí) 行

14、 元 件 的 基 本 要 求 ： 足 夠 大 的 功 率 ， 力或 力 矩 ； 快 速 響 應 。v常 用 的 執(zhí) 行 元 件 是 電 動 機 、 液 壓 元 件 。v力 或 力 矩 最 大 的 是 液 壓 元 件 。v使 用 最 方 便 、 應 用 最 廣 泛 的 是 電 動 機 ，v一 臺 電 機 可 作 電 動 機 用 ， 也 可 作 發(fā) 電 機 用 ，這 被 稱 為 電 機 的 可 逆 原 理 。v分 類 ： 直 流 ， 交 流 ； 大 型 ， 中 小 型 ， 微 型 ；驅(qū) 動 用 ， 控 制 用 。 v值 得 注 意 的 是 ， 電 機 和 電 力 電 子 技 術 及 控 制 技 術

15、 有 機地 結(jié) 合 起 來 ， 使 傳 統(tǒng) 電 機 產(chǎn) 品 得 以 改 造 和 更 新 ， 形 成 新 一 代 高 新 技 術 產(chǎn) 品 ， 因 此 獲 得 高 性 能 、 高 質(zhì) 量 、 高 可 靠 性 和 高 附 加 值 。 v1.發(fā) 現(xiàn) 、 理 論 與 早 期 應 用 （ 1820-1880）v 1820年 ， 奧 斯 特 發(fā) 現(xiàn) 電 流 對 磁 針 有 力 的作 用 ， 安 培 確 定 通 有 電 流 的 線 圈 的 作 用 與 磁鐵 相 似 ， 揭 示 了 磁 現(xiàn) 象 的 本 質(zhì) 。 1826年 歐 姆發(fā) 現(xiàn) 了 歐 姆 定 律 。 1831年 法 拉 第 發(fā) 現(xiàn) 電 磁 感應 定 律

16、 。v這 些 重 大 發(fā) 現(xiàn) ， 奠 定 了 電 力 技 術 的 理 論 基 礎 。0.5 電 力 技 術 發(fā) 展 回 顧 v1.發(fā) 現(xiàn) 、 理 論 與 早 期 應 用 （ 1820-1880）v第 一 臺 商 用 電 動 機 誕 生 于 1880年 左 右 。v從 電 磁 學 的 重 大 發(fā) 現(xiàn) ， 到 電 磁 學 理 論 ， 到 電動 機 的 實 際 應 用 ， 大 約 經(jīng) 歷 了 半 個 世 紀 。v用 10個 學 時 ， 探 討 ， 理 論 到 實 際 電 機 的 發(fā) 展過 程 。 0.5 電 力 技 術 發(fā) 展 回 顧 v2.交 流 電 的 應 用v首 先 應 用 的 電 力 是 直

17、 流 電 和 直 流 電 動 機 。v1885年 意 大 利 物 理 學 家 發(fā) 現(xiàn) 并 建 立 了 旋 轉(zhuǎn)磁 場 原 理 ， 1888年 俄 國 工 程 師 發(fā) 明 了 三 相發(fā) 電 機 、 三 相 變 壓 器 和 三 相 異 步 電 動 機 。v由 于 三 相 交 流 電 十 分 適 合 遠 距 離 輸 電 ， 且 三 相 交 流 電 動 機 結(jié) 構 簡 單 ， 堅 固 耐 用 ， 很 快 ， 三 相 交 流 電 動 機 迅 速 發(fā) 展 ， 不 但 取代 了 絕 大 部 分 直 流 電 機 ， 而 且 被 廣 泛 用 于工 業(yè) 生 產(chǎn) 中 。v 一 段 故 事 。 * v愛 迪 生 ， 1

18、847-1931， 工 業(yè) 革 命 的 年 代 。v直 流 電 機 發(fā) 明 并 被 廣 泛 應 用 年 代 。v愛 迪 生 所 在 公 司 生 產(chǎn) 直 流 電 動 機 。v當 三 相 電 被 發(fā) 明 時 ， 愛 迪 生 進 行 了 研 究 。v交 流 電 對 生 物 的 生 命 危 險 大 。v交 流 電 不 可 能 廣 泛 應 用 。v錯 失 良 機 。 v3.微 型 電 動 機 的 應 用v近 30年 以 來 ， 由 于 自 動 控 制 技 術 的 廣 泛 應用 ， 各 種 微 型 電 機 得 到 極 其 廣 泛 的 應 用 。v包 括 汽 車 ， 計 算 機 ， 音 響 和 影 像 設

19、備 ， 家用 電 器 等 眾 多 產(chǎn) 品 都 大 量 用 電 機 。v直 流 電 動 機 ， 單 相 異 步 電 動 機 ， 直 流 無 刷電 動 機 等 各 種 各 樣 的 電 機 ， 在 數(shù) 量 上 ， 得到 極 大 發(fā) 展 。 v4.控 制 用 電 動 機v1930-1980年 ， 在 精 密 的 機 械 伺 服 系 統(tǒng) 中 ，直 流 電 動 機 占 據(jù) 了 壟 斷 地 位 。v1980年 以 后 ， 在 電 力 電 子 技 術 、 計 算 機 技術 和 控 制 技 術 的 基 礎 上 ， 以 變 頻 技 術 為 代 表 的 交 流 調(diào) 速 技 術 迅 速 發(fā)展 和 應 用 ， 在 速

20、度 控 制 系 統(tǒng) 中 ， 交 流 電 動機 開 始 應 用 ， 并 開 始 取 代 直 流 電 機 。 v1990年 以 來 ， 在 無 刷 直 流 電 機 的 基 礎 之 上 ，傳 統(tǒng) 的 電 機 制 造 技 術 和 電 力 電 子 技 術 及 高級 控 制 技 術 緊 密 結(jié) 合 ， 形 成 新 一 代 機 電 一 體 化 的 高 新 技 術 產(chǎn) 品 交 流 伺 服 電 動 機 ， 在 精 密 的 機 械 伺 服 系 統(tǒng) 中 得 到 越 來 越 多 的 應用 。v這 種 電 機 同 時 具 有 交 流 電 機 和 直 流 電 機 的優(yōu) 點 ， 也 可 看 成 是 它 們 相 結(jié) 合 的 產(chǎn) 品 。