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1、第五章 电-机械转换元件,5.1 动圈式力马达,5.2动铁式力马达,5.3直流比例电磁铁,5.4 控制用电动机简介,概述,电-机械转换元件的作用：是将电气装置输入的电信号转换为机械量：F(T)、S。在电液伺服系统中，作为电液控制元件的前置级，其稳态控制精度和动态响应性能以及抗干扰能力和工作的可靠性，直接关系到整个系统的控制精度和响应速度，也直接影响到系统工作的可靠性和寿命。常用的有：动铁式力矩马达、动圈式力马达、比例电磁铁、步进电机、直流和交流伺服电机等。,返回子目录,动圈式力马达,力马达的可动线圈悬置于工作气隙中，永久磁铁在工作气隙中形成极化磁通，当控制电流加到线圈上时，线圈就会受到电磁力的
2、作用而运动。线圈的运动方向可根据磁通方向和电流方向按左手定则判断。线圈上的电磁力克服弹簧力和负载力，使线圈产生一个与控制电流成比例的位移。,返回子目录,动圈式力马达1永久磁铁 2调整螺钉3平衡弹簧 4动圈,动圈式力马达,返回子目录,动圈式力马达1永久磁铁 2调整螺钉3平衡弹簧 4动圈,放大器的单边增益,输入放大器的信号电压,反电动势,线圈内阻,放大器内阻,线圈电感,信号电流,动圈式力马达,返回子目录,动圈式力马达1永久磁铁 2调整螺钉3平衡弹簧 4动圈,气隙磁通密度,线圈平均直径,线圈匝数,线圈位移变化量,根据载流导线在磁场中受力，且由于磁场的磁力线与线圈电流垂直，得力马达的力方程：,力马达的
3、电流力增益,可以看出：F与i成线性关系。,动圈式力马达,返回子目录,动圈式力马达1永久磁铁 2调整螺钉3平衡弹簧 4动圈,建立线圈运动部件的力平衡方程：,线圈组件的质量,在磁场中运动部件所受的阻尼力系数,弹簧风度,动圈式力马达,返回子目录,将前面公式分别进行拉氏变换：,将前面公式合并整理：,从电流输入到输出位移的传递函数为：,其中：线圈组件的固有频率：,动铁式力矩马达,返回子目录,力矩马达的作用：将电信号转换为机械运动。电气-机械转换器是利用电磁原理工作的，它由永久磁铁或激磁线圈产生极化磁场，电气控制信号通过控制线圈产生控制磁场，两个磁场之间相互作用产生与控制信号成比例并能反应控制信号极性的力
4、矩，从而使其运动部分产生角位移的机械运动,动铁式力矩马达,返回子目录,永磁动铁力矩马达原理图1放大器 2上导磁体 3永久磁铁 4衔铁 5下导磁体 6弹簧管 7永久磁铁,主要组成：永久磁铁、上导磁体、下导磁体、衔铁、控制线圈、弹簧管等组成。衔铁固定在弹簧管上端，由弹簧管支承在上、下导磁体的中间位置，可绕弹簧管的转动中心作微小的转动。衔铁两端与上、下导磁体（磁极）形成四个工作气隙、。两个控制线圈套在衔铁之上。上、下导磁体除作为磁极外，还为永久磁铁产生的极化磁通和控制线圈产生的控制磁通提供磁路。,动铁式力矩马达,返回子目录,永磁动铁力矩马达原理图1放大器 2上导磁体 3永久磁铁 4衔铁 5下导磁体
5、6弹簧管 7永久磁铁,无信号电流时，衔铁在上、下导磁体的中间位置，由于力矩马达结构是对称的，永久磁铁在四个工作气隙中所产生的极化磁通是一样的，使衔铁两端所受的电磁吸力相同，力矩马达无力矩输出。当有信号电流通过线圈时，控制线圈产生控制磁通，其大小和方向取决于信号电流的大小和方向。,动铁式力矩马达,返回子目录,永磁动铁力矩马达原理图1放大器 2上导磁体 3永久磁铁 4衔铁 5下导磁体 6弹簧管 7永久磁铁,假设，在气隙、中控制磁通与极化磁通方向相同，而在气隙、中控制磁通与极化磁通方向相反。因此气隙、中的合成磁通大于气隙、中的合成磁通，于是在衔铁上产生顺时针方向的电磁力矩，使衔铁绕弹簧管转动中心顺时
6、针方向转动。当弹簧管变形产生的反力矩与电磁力矩相平衡时，衔铁停止转动。如果信号电流反向，则电磁力矩也反向，衔铁向反方向转动，电磁力矩的大小与信号电流的大小成比例，衔铁的转角也与信号电流成比例。,动铁式力矩马达,返回子目录,永磁动铁力矩马达原理图1放大器 2上导磁体 3永久磁铁 4衔铁 5下导磁体 6弹簧管 7永久磁铁,假定力矩马达的两个控制线圈由一个推挽放大器供电1，放大器中的常值电压在每个控制线圈中产生的常值电流大小相等方向相反，因此在衔铁上不产生电磁力矩。,动铁式力矩马达,返回子目录,永磁动铁力矩马达原理图1放大器 2上导磁体 3永久磁铁 4衔铁 5下导磁体 6弹簧管 7永久磁铁,当放大器
7、有输入电压时，将使一个控制线圈中的电流增加，另一个控制线圈中的电流减少，两个线圈中的电流分别为。,i1每个线圈中的电流； i2每个线圈中的常值电流； 每个线圈中的信号电流。两个线圈中的差动电流为：,动铁式力矩马达,返回子目录,假定磁性材料和非工作气隙的磁阻可以忽略不计，只考虑四个工作气隙的磁阻，则力矩马达的磁路可用等效磁路表示。,动铁式力矩马达,返回子目录,动铁式力矩马达,返回子目录,动铁式力矩马达,返回子目录,动铁式力矩马达,返回子目录,动铁式力矩马达,返回子目录,由于在力矩马达设计中通常满足（x/g）2且,以改善其线性度、稳定性和防止衔铁被永久吸附，则,应用牛顿第二定律，得衔铁力矩平衡方程
8、：,动铁式力矩马达,返回子目录,动铁式力矩马达,返回子目录,下面通过具体例子来说明自动控制和自动控制系统的概念,水位自动控制系统,控制任务：,维持水箱内水位恒定；,控制装置：,气动阀门、控制器；,受控对象：,水箱、供水系统；,被控量：,水箱内水位的高度；,给定值：,控制器刻度盘指针标定的预定水位高度；,测量装置：,浮子；,比较装置：,控制器刻度盘；,干扰：,水的流出量和流入量的变化都将破坏水位保持恒定；,自动控制即没有人直接参与的控制，其基本任务是：在无人直接参与的情况下，只利用控制装置操纵被控对象，使被控制量等于给定值。,自动控制系统：指能够完成自动控制任务的设备，一般由控制装置和被控对象组
9、成。,由此可见：,1-自动控制的基本方式,被控量,给定值H,自动控制方框图,返回子目录,在上图中，除被控对象外的其余部分统称为控制装置，它必须具备以下三种职能部件。,测量元件：用以测量被控量或干扰量。比较元件：将被控量与给定值进行比较。执行元件：根据比较后的偏差，产生执行作用，去操纵被控对象,参与控制的信号来自三条通道，即给定值、干扰量、被控量。,开环控制按给定值操纵的开环控制按干扰补偿的开环控制按偏差调节的闭环控制复合控制,下面根据不同的信号源来分析自动控制的几种基本控制方式,一、按给定值操纵的开环控制,计算,执行,受控对象,给定值,干扰,被控量,按给定值操纵的开环控制系统原理方框图,开环控
10、制系统的输出端与输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响。,炉温控制系统,炉温控制系统原理方框图,定时开关,炉子,电阻丝,按给定值操纵的开环控制,特点：控制装置只按给定值来控制受控对象,优点：控制系统结构简单，相对来说成本低。,缺点：对可能出现的被控量偏离给定值的偏差没有任何修正能力，抗干扰能力差，控制精度不高。,二、按干扰补偿的开环控制,定义：利用干扰信号产生控制作用，以及时补偿干扰对被控量的直接影响。,计算,测量,受控对象,执行,干扰,被控量,特点：只能对可测干扰进行补偿，对不可测干扰以及受控对象、各功能部件内部参数变化对被控量的影响，系统自身无法控制。适用于：存在强干扰且
11、变化比较剧烈的场合。,水位高度控制系统原理图,水位高度控制系统原理方框图,三、按偏差调节的闭环控制,特点：通过计算被控量和给定值的差值来控制被控对象。,优点：可以自动调节由于干扰和内部参数的变化 而引起的变动。,计算比较,执行,被控对象,测量,按偏差调节的系统原理方框图,如上图所示，反馈回来的信号与给定值相减，即根据偏差进行控制，称为负反馈，反之称为正反馈。,这种控制方式控制精度较高，因为无论是干扰的作用，还是系统结构参数的变化，只要被控量偏离给定值，系统就会自行纠偏。但是闭环控制系统的参数如果匹配得不好，会造成被控量的较大摆动，甚至系统无法正常工作。,飞机自动驾驶系统原理图,控制任务：系统在
12、任何扰动作用下，保持飞机俯仰角不变。被控对象：飞机。被控量：飞机的俯仰角 。,俯仰角控制系统原理方框图,四、复合控制,复合控制就是开环控制和闭环控制相结合的一种控制。实质上，它是在闭环控制回路的基础上，附加了一个输入信号或扰动作用的顺馈通路，来提高系统的控制精度。,a.按输入作用补偿,b.按扰动作用补偿,1-对控制系统的性能要求,定义：通常将系统受到给定值或干扰信号作用后，控制被控量变化的全过程称为系统的动态过程。,工程上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统。 稳： 指动态过程的平稳性。 快： 指动态过程的快速性。 准： 指动态过程的最终精度。,返回子目录,稳： 指动态过程的平稳性,控制系统动
13、态过程曲线,如上图所示，系统在外力作用下，输出逐渐与期望值一致，则系统是稳定的，如曲线所示；反之，输出如曲线所示，则系统是不稳定的。,快： 指动态过程的快速性,快速性即动态过程进行的时间的长短。过程时间越短，说明系统快速性越好，反之说明系统响应迟钝，如曲线所示。,稳和快反映了系统动态过程性能的好坏。既快又稳，表明系统的动态精度高。,准： 指系统在动态过程结束后，其被控量（或反馈量）与给定值的偏差，这一偏差称为稳态误差，是衡量稳态精度的指标，反映了系统后期稳态的性能。,以上分析的稳、快、准三方面的性能指标往往由于被控对象的具体情况不同，各系统要求也有所侧重，而且同一个系统的稳、快、准的要求是相互制约的。,
