自動控制元件自動控制元件的分類按作用分類：功率元件和信號元件功率元件：進行電－機能量轉換的元件，如力矩電機、伺服電機、步進電機等。信號元件：進行機－電能量轉換的元件。如測速發電機、控制式自整角機、旋轉變壓器等。自動控制系統對控制元件的主要要求

自動控制元件作為自動控制系統中的一類重要元件，其性能好壞將直接影響到整個控制系統的工作性能。現代自動控制系統對自動控制元件除了要求其體積小、重量輕、耗電少外，還要求它具有：高可靠性、高精度和快速響應。圓柱面磁場間的力矩課程的主要內容第一章直流伺服電動機第二章直流測速發電機第三章步進電動機第四章旋轉變壓器第五章自整角機第六章交流伺服電動機第七章無刷直流電動機第一章直流伺服電動機直流電動機在自動控制系統中作為執行系統控制信號命令的元件，被稱作執行元件。直流電動機的優點：1）調速范圍廣，易于平滑調節；2）過載、起動、制動轉矩大；3）特性好，控制方便；直流電電動機的銘牌數據額定功率Pe(W)額定電壓Ue(V)額定電流Ie（A)額定轉速Ne(rpm)額定轉矩Te(N.m)轉矩、轉速和功率之間的關系直流電機的基本關系電勢平衡關系式靜態發電機電動機動態發電機電動機直流電機的基本關系轉矩平衡關系式靜態發電機電動機動態發電機電動機直流伺服電動機的靜態關系式其中，直流伺服電動機的靜態特性或機械特性Ua保持不變時，n=f(Tem)的關系式中機械特性理想空載轉速斜率和硬度堵轉轉矩直流伺服電動機的控制特性負載轉矩不變時，n=f(Ua)的關系或式中控制特性直流伺服電動機的工作狀態階躍控制電壓作用下直流伺服電動機的過渡過程動態方程階躍控制電壓作用下直流伺服電動機的過渡過程代入電壓平衡方程，消去中間變量后，得規化為標準形式如下：階躍控制電壓作用下直流伺服電動機的過渡過程過渡過程曲線階躍控制電壓作用下直流伺服電動機的過渡過程過渡過程曲線階躍控制電壓作用下直流伺服電動機的過渡過程過渡過程曲線階躍控制電壓作用下直流伺服電動機的過渡過程動態參數：機電時間常數第二章直流測速發電機直流測速發電機是一種把機械轉速變換成電壓信號的測量元件。實際上，它就是一臺微型的直流發電機。直流測速發電機除了在控制系統中作為測速元件之外，還能當作阻尼元件，以及解算裝置中的微分元件和積分元件。是控制系統中的一個重要測量轉換元件。直流測速發電機直流發電機的靜態關系式直流測速發電機的輸出特性輸出特性的誤差分析一、電樞反應考慮電樞反應的去磁作用時的氣隙合成磁通輸出特性方程式輸出特性的誤差分析考慮電樞反應影響時的輸出特性輸出特性的誤差分析二、電刷與換向器的接觸電阻與接觸電壓輸出特性的誤差分析同時考慮電樞反應和電刷與換向器接觸壓降影響后，直流測速發電機的輸出特性第三章步進電動機步進電動機是一種將數字式電脈沖信號轉換成機械位移（角位移或線位移）的機電元件，它的機械位移與輸入的數字脈沖信號有著嚴格的對應關系，即一個脈沖信號可使步進電動機前進一步，故稱為步進電動機。由于它的輸入信號為脈沖電壓，因此又被稱作脈沖電動機。步進電動機作為數字控制系統的佳配，它是一種比較理想的執行元件。步進電動機的分類步進電動機的種類很多，按工作原理可分為三大類：1）反應式步進電動機2）永磁式步進電動機3）永磁感應子式步進電動機（混合式步進電動機）步進電動機的常用術語繞組相數定子磁極對數轉子齒數齒距角步距角失調角零位或初始穩定平衡位置矩角特性步進電動機的常用術語最大靜轉矩最大靜轉矩特性精度起動頻率運行頻率起動矩頻特性起動慣頻特性運行矩頻特性徑向分相反應式步進電動機極對數等于相數，或相鄰相極定轉子之間錯齒（每個極距所跨的齒距數不是整數）極距角齒距角齒數拍、拍數和運行方式把每一次通電狀態的換接稱為拍，每一拍轉子相應旋轉一個步距角；把完成一個通電狀態循環所需要換接的控制繞組通電狀態數稱作拍數，用N表示。步距角一般反應式步進電動機可按兩種基本方式進行：其一為整步運行：運行拍數等于相數，稱為單拍制（N=m）；其二為半步運行：運行拍數等于相數的2倍（N=2m），稱為雙拍制。步進電動機的轉速步進電動機的轉速可見，步進電動機的轉速將由控制脈沖頻率（）、運行拍數（N）和轉子齒數（Zr）決定。改變控制脈沖頻率可對步進電動機實現均勻而寬范圍的調速，快速起動、反轉和制動也可由控制脈沖的頻率變化靈活地實現。因此，步進電動機是數字控制系統良好的執行元件。步進電動機的轉速步進電動機的轉速表示控制繞組中的電流交變頻率步進電動機的靜態特性

靜態轉矩矩角特性通電相極產生的電磁轉矩（矩角特性）用電角度表示的齒距角從步進電動機工作原理可看出，無論以何種方式通電，完成一個通電循環，轉子將轉過一個齒距角。因此步進電動機的特性完全可由一個齒距范圍內的特性來代表。我們定義電角度等于機械角度與轉子齒數的乘積。三相反應式步進電動機繞組通電時的矩角特性A相通電B相通電C相通電A、B相同時通電矩角特性曲線族三相反應式步進電機矩角特性曲線族四相反應式步進電動機單相通電時的矩角特性A相通電B相通電C相通電D相通電三相反應式步進電動機的轉矩矢量三相反應式步進電機繞組通電方式雙三拍單雙六拍三相反應式步進電動機多相通電時的矩角特性三相混合式步進電機繞組通電方式12－2通電方式，6拍三相混合式步進電機繞組通電方式23－3通電方式，6拍三相混合式步進電機繞組通電方式32－3通電方式，12拍四相反應式步進電機繞組通電方式雙四拍單雙八拍四相反應式步進電動機矩角特性曲線族二相混合式步進電機繞組通電方式雙四拍單雙八拍步距角與負載能力三相反應式空載情況下三相反應式負載情況下，比較a’,q,a”三種負載三相反應式多拍情況下，負載能力提高四相反應式步進電動機矩角特性曲線族最大負載轉矩（極限起動轉矩）某種通電方式下，各相矩角特性曲線的交點——曲線族包絡線的最低點Temq乃是步進電動機單步運行所能帶動的最大負載轉矩，稱為極限起動轉矩，實際電機所帶的負載Tf必須小于這個轉矩才能正常運轉。對于不同的運行方式，由于步距角和最大靜態轉矩的不同，矩角特性曲線的交點位置也將不同。因此，對應的步進電動機的起動轉矩Temq也必將不同。不同通電方式時的最大負載轉矩三相反應式步進電動機三相單三拍三相雙三拍三相單雙六拍不同通電方式時的最大負載轉矩三相混合式步進電動機2－2通電方式3－3通電方式2－3通電方式三相混合式步進電機負載能力第四章旋轉變壓器旋轉變壓器是一種輸出電壓與角位移呈連續函數關系的感應式微電機。它的結構與繞線式異步電動機相似，由定子和轉子兩大部分組成，從物理本質上看，旋轉變壓器也可以看成一種可以轉動的變壓器。這種變壓器的原邊繞組放置在定子上，而副邊繞組放置在轉子上，原、副邊繞組之間的電磁耦合程度與轉子的轉角有關，因而，當它的原邊繞組外施單相交流電壓勵磁時，副邊繞組輸出電壓的幅值將與轉子的轉角有關。正余弦旋轉變壓器旋轉變壓器可以看作是原邊（定子）與副邊（轉子）繞組之間的電磁耦合程度能隨轉子轉角改變而改變的變壓器。正、余弦旋轉變壓器則能滿足輸出電壓與轉子轉角保持正、余弦函數關系。正余弦旋轉變壓器的負載運行引起輸出電壓畸變的主要原因是副邊電流所產生的交軸磁密分量所對應的磁通正余弦旋轉變壓器的負載運行可見，交軸磁通是旋轉變壓器負載后輸出特性曲線畸變的主要原因。為了改善系統性能，就應該消除交軸磁通的影響。消除輸出特性畸變的方法也稱為補償。補償的方法有：1）副邊補償2）原邊補償副邊補償的正余弦旋轉變壓器轉子繞組中的電勢轉子繞組中的電流副邊補償的正余弦旋轉變壓器副邊完全補償的條件：或得原邊補償的正余弦旋轉變壓器原邊補償的正余弦旋轉變壓器可以證明，當定子兩相繞組的參數相同，阻抗與交流勵磁電源內阻抗相等時，則轉子輸出繞組電流產生的交軸磁通對輸出電壓的影響就能得到完全補償，從而消除了輸出電壓的畸變。由于原邊補償條件為，故稱這種補償為原邊對稱補償。因為一般電源內阻抗很小，所以實際應用中經常把交軸繞組直接短路，同樣可以達到補償的目的。原、副邊補償的正余弦旋轉變壓器第五章自整角機自整角機是一種感應式同步微型電機。它廣泛應用于顯示裝置和隨動系統中，使機械上互不相連的兩根或多根軸能自動保持相同的轉角變化，呈同步旋轉，在系統中，通常是兩臺或多臺組合使用。產生信號的一方稱為發送機，接收信號的一方稱為接收機。自整角機按使用要求不同可分為力矩式自整角機和控制式自整角機兩大類。自整角機的分類一、力矩式自整角機力矩式自整角機按其用途可分為四種:（1）力矩式發送機（ZLF）（2）力矩式接收機（ZLJ）（3）力矩式差動發送機（ZCF）（4）力矩式差動接收機（ZCJ）自整角機的分類二、控制式自整角機控制式自整角機按其用途可分為三種：（1）控制式發送機（ZKF）（2）控制式自整角變壓器（ZKB）（3）控制式差動發送機（ZKC）力矩式自整角機二、力矩式自整角機的工作原理1、一對力矩式自整角機系統力矩式自整角機整步轉矩與失調角的關系比整步轉矩：當失調角時，力矩式自整角機所具有的整步轉矩力矩式差動自整角機（1）發送機－差動發送機－接收機系統力矩式差動自整角機（2）發送機－差動接收機－發送機系統控制式自整角機在隨動系統中，廣泛采用由伺服機構和控制式自整角機組成的系統。這種系統是閉環系統，具有較高的精度，通常可達幾個角分。系統帶負載的能力取決于伺服機構中的放大器和執行電機的功率。控制式自整角機只輸出電壓信號，屬于信號元件，在工作時它的溫升相當低。在一臺發送機分別控制多個伺服機構的系統中，即使有一臺接收機發生故障，通常也不致于影響其它接收機正常運行。控制式自整角機的結構及分類控制式自整角發送機控制式自整角變壓器控制式差動發動機控制式自整角機的工作原理當自整角變壓器輸出繞組接上高輸入阻抗的放大器時，輸出繞組兩端的輸出電壓與繞組中電勢近似相等，即自整角變壓器的輸出電壓控制式自整角機的工作原理第六章交流伺服電動機交流伺服電動機一般是指兩相交流伺服電動機，又稱為兩相異步電動機，它和直流伺服電動機一樣，作為控制系統的執行元件。根據交流伺服電動機在自動控制系統中的作用，自動控制系統對它的要求主要有：(1)轉速和轉向能很方便地接受控制信號的控制，調整范圍要寬；(2)在整個運行范圍內，特性應接近線性關系，并保證運行的穩定性；(3)當控制信號消失時，伺服電動機應停轉，即無“自轉”現象；(4)控制功率要小，起動轉矩要大；(5)死區要小，機電時間常數要小，快速性要好。交流伺服電動機的工作原理圓形旋轉磁場作用下的電動機特性機械特性1)理想空載時，即S=0時，電磁轉矩Tem＝0。2)隨著轉子電阻的增大，機械特性曲線的最大轉矩值不變，但取得最大轉矩的轉差率Sm在增大。3)S=1(n=0)時的電磁轉矩叫做堵轉轉矩。4)穩定區和不穩定區。橢圓旋轉磁場的分解克服自轉現象時的機械特性橢圓旋轉磁場作用下電動機的機械特性交流伺服電動機的控制方法作為控制系統執行元件的交流伺服電動機，在運行中，轉速通常不是恒定不變的，而是隨控制電壓的改變在不斷地變化著。從前面的分析我們知道，控制交流伺服電動機轉速的過程，就是改變橢圓旋轉磁場橢圓度的過程，從兩相脈振磁場合成橢圓旋轉磁場的分析，可以得出改變橢圓旋轉磁場橢圓度的方法有三種：1）改變脈振磁場（通常是控制相）的幅值；2）改變兩相脈振磁場的時間相位差；3）脈振磁場的幅值及相位差同時改變。第七章無刷直流電動機無刷直流電動機利用電子換向開關線路和位置傳感器來代替電刷和換向器，使這種電機既具有直流電動機的特性，又具有交流電動機運行可靠、維護方便等優點，它的轉速不再受機械換向的限制，若采用高速軸承，還可以在高達每分鐘幾十萬轉的轉速中運行。其缺點是結構比較復雜，包括電子換向器在內的體積較大，轉矩波動