1.控制電機的概念

  控制電機一股是指在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件或測量元件使用的電氣單元,它是在普通旋轉(zhuǎn)電機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的;其工作原理與普通旋轉(zhuǎn)電機并無本質(zhì)區(qū)別,都是基于各種電磁理論,只是它們的用途有所不同?？刂齐姍C主要用來完成控制信號的傳遞和變換。因此,現(xiàn)代控制系統(tǒng)對它的基本要求是高精確度、高靈敏度和高可靠性。

  1)高精確度

  精確度是指控制電機的實際特性與理想特性的差異應(yīng)越小越好。對功率元件來說,是指其特性的線性度和不靈敏區(qū):對信號元件來說,則主要指靜態(tài)誤差、動態(tài)誤差以及環(huán)境溫度、電源頻率和電源電壓的變化所引起的漂移,這些特性都直接影響整個系統(tǒng)的精確度。

  2)高靈敏度

  高靈敏度是指控制電機的輸出量應(yīng)能迅速跟上輸入信號的變化,即對輸人信號能做出快速響應(yīng)。目前,自動控制系統(tǒng)中的控制指令是經(jīng)常變化的,有時極為迅速.因而控制電機、特別是功率元件能否對輸人信號做出快速響應(yīng)是至關(guān)重要的，高靈敏度表征快速響應(yīng)的主要指標(biāo)有靈敏度和機電時間常數(shù)等。

  3)高可靠性

  高可靠性是指控制電機對不同的使用環(huán)境應(yīng)有廣泛的適應(yīng)性，在較差的環(huán)境中能非?？煽康毓ぷ?以保證控制系統(tǒng)的正常運行。

  2.控制電機的分類

  控制電機的功能和用途盡管各不相同,但大致上仍然可以分為執(zhí)行元件類控制電機利和測量元件類控制電機兩大類。由于控制電機的種類非常多,這里只介紹幾種相對較為常見的控制電機?？刂齐姍C的分類如圖0-10所示。

圖 0-10 控制電機的分類

  1)執(zhí)行元件類控制電機

  (1)伺服電動機。伺服電動機根據(jù)其電源的類型可分為直流伺服電動機和交流伺服電動機，直流伺服電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向取決于控制電壓的大小機U機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向取決于控制電壓的大小和相位。在控制系統(tǒng)中,伺服電動機作為執(zhí)行元件,機特性近于線性,即轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的增加近似線性下降,比普通電動機的控制精度高。使用時,伺服電動機通常經(jīng)齒輪減速后帶動負載,將輸人的電壓信號變換成電機軸上的角位移和角速度等機械信號輸出,所以又稱為執(zhí)行電動機。

  (2)步進電動機。步進電動機是一種將脈沖信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或線位移的機電元件。它由專門的電源供給脈沖信號電壓,再由相應(yīng)的驅(qū)動器將脈沖信號轉(zhuǎn)換成電壓相的變化信號。當(dāng)輸人一個電脈沖信號時,步進就前進一步,輸出角位移量或線位移最與輸人脈沖數(shù)成正比,而轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，步進電動機在經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件得到廣泛應(yīng)用。

  (3)微型同步電動機。微型同步電動機主要有三種類型,即永磁式同步電機、反應(yīng)式同步電機和磁滯式同步電機。不同類型的微型同步電機的定子結(jié)構(gòu)都是相同的,或者是三相繞組通以三相交流電,或者是兩相繞組通以兩相電流(包括單相電源通過電容分相),或者是單相翠極式,其主要作用都是產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)滋場。但其較子的結(jié)構(gòu)形式和材料卻有很大差別,因而其運行原理也就各不相同，由于這類電機的轉(zhuǎn)子上沒有勵磁繞組,也不需要電刷和滑環(huán),所以微型同步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便,轉(zhuǎn)速恒定等特點,廣泛應(yīng)用在自動控制系統(tǒng)和其他需要恒定轉(zhuǎn)速的儀器上。

  (4)電機擴大機。電機擴大機可以利用較小的功率輸入來控制較大的功率輸出,在系統(tǒng)中作為功率放大元件。電機擴大機的控制繞組上所加的電壓一般不高,勵磁電流不大,而輸出電動勢較高,電流較大,這就是功率放大，電機擴大機的放大倍數(shù)可達1000一10000倍,也可作為自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)元件。

  (5)直線電動機。直線電動機就是把電能轉(zhuǎn)換成直線運動的機械能的電動機。它解茯了直線運動系統(tǒng)總是需要用中間傳動機構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動的問題,因而其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,運行效率和傳動精度都較高。與旋轉(zhuǎn)電動機相對應(yīng),直線電動機也可以分為直線異步電動機,直線同步電動機、直線直流電動機等。

  (6)電磁調(diào)速電動機。電磁調(diào)速電動機是采用電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速的異步電動機。這種電動機可以在較大的范圍內(nèi)進行無級平沿調(diào)速:是交流無級調(diào)速設(shè)備中最簡單實用的一種,在紡織、印染、造紙等輕工業(yè)機械中得到廣泛應(yīng)用。

  (7)磁滯電動機。磁滯電動機具有恒速特性,亦可在異步狀態(tài)下運行,主要用于驅(qū)動功率較小、要求轉(zhuǎn)速平穩(wěn)和起動須繁的同步驅(qū)動裝置中。

  (8)單相申勵電動機。單相申勵電動機可交直流兩用,多數(shù)情況下使用交流電源:由于它具有較大的起動轉(zhuǎn)矩和較軟的機械特性,廣泛應(yīng)用在電動工具中,如手電鉆就采用這種電動機。

  2)測量元件類控制電機

  (1)測速發(fā)電機。測速發(fā)電機是機械轉(zhuǎn)速測量裝置,它的輸人是轉(zhuǎn)速,輸出是電壓,其輸出電壓與轉(zhuǎn)速精確地保持正比關(guān)系。根據(jù)其輸出電壓信號的不同,測速發(fā)電機又可分為直流測速發(fā)電機和交流測速發(fā)電機兩種。測速發(fā)電機也可作為數(shù)分、積分的計算元件來使用。

  (2)自整角機。自整角機的基本用途是傳輸角度數(shù)據(jù),一般由兩個以上元件對接使用，輸出電壓信號時是測量元件;輸出轉(zhuǎn)矩時是執(zhí)行元件。作為測量元件時,輸出電壓是兩個元件轉(zhuǎn)子角差的正弦函數(shù)。作為執(zhí)行元件時,輸出轉(zhuǎn)矩也近似為兩個元件轉(zhuǎn)子角差的正弦函數(shù)。自整角機在何服系統(tǒng)中可作為自整步元件或角度的傳輸、變換、接收元件。

  (3)旋轉(zhuǎn)變壓器。普通旋轉(zhuǎn)變壓器都做成一對磁極,其輸出電壓是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的正弦、余弦或其他函數(shù),主要用于坐標(biāo)變換、三角運算,也可作為角度數(shù)據(jù)傳輸和移相元件使用。多極旋轉(zhuǎn)變壓器足在普通旋轉(zhuǎn)變壓器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種精度可達角秒級的元件,在高精度解算裝置和多通道系統(tǒng)中用作解算、檢測元件或?qū)崿F(xiàn)數(shù)模傳遞。

  3.控制電機的典型應(yīng)用

  在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天,控制電機已經(jīng)是構(gòu)成各類控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)元件,廣泛應(yīng)用于各行各業(yè),如鋼鐵冶金,加工制造、能源化工、交通通信等。不管是在數(shù)控機床、自動化儀器和儀表、電影、電視、打印機.電子計算機外設(shè)等民用設(shè)備上,還是雷達天線自動定位、飛機自動駕駛儀、導(dǎo)航儀、激光和紅外線技術(shù)、導(dǎo)彈和火箭的制導(dǎo)、自動火炮射擊控制、艦艇駕駛盤和方向盤的控制等軍事設(shè)備上,都能夠見到控制電機的廣泛應(yīng)用。

  這些控制設(shè)備船夠處理包括直線位移、角位移、速度、加速度、溫度、濕度、流量、壓力、液面高低.密度,濃度、硬度等多種物理量。

  現(xiàn)以自動控制系統(tǒng)的一個典型實例按預(yù)定要求控制工件到指定位置的伺服系統(tǒng)為例來說明控制電機的種炎和用途,如圖0-11所示。這種控制系統(tǒng)常用于數(shù)控機床上。

  圖0-11所示為兩種不同伺服系統(tǒng)的示意方框圖。其中圖0-11(a)所示為經(jīng)濟型數(shù)控機床常用的步進電動機開環(huán)伺服系統(tǒng),計算機數(shù)控裝置給出位移指令脈沖以及脈沖頻率,驅(qū)動電路將脈沖放大,去驅(qū)動步進電動機按命令脈沖的須率去執(zhí)行相應(yīng)的速度,并帶動工作臺移動至相應(yīng)位置。由于步進電機存在著失步的可能性,所以這種控制系統(tǒng)的控制精度不夠高。

  圖0-11(b)所示為高檔數(shù)控機床使用的全閉環(huán)位置伺服控制系統(tǒng),該系統(tǒng)由數(shù)控裝置給出加工所要求的位移指令值,在機床工作臺上裝有直線位置傳感器進行實際位置檢測,在同服電動機軸上還裝有速度傳感器完成實際速度檢測。該系統(tǒng)的位置比較電路要進行位置指令值和實際位置反饋值之間的俯差運算,根據(jù)偏差情況計算出所需速度,所需速度還要和實際速度檢測值進行比較.用一系列綜合運算結(jié)果實時地通過伺服驅(qū)動器去推動伺服電動機旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)工作合的精確移動。