淺談控制電機(jī)的分類及應(yīng)用

淺談控制電機(jī)的分類及應(yīng)用

控制裝置是工業(yè)自動化系統(tǒng)、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代軍事裝備中不可或缺的重要因素。其應(yīng)用范圍非常廣泛。按照其特性可分為信號元件類和功能元件兩類,通常稱為信號電機(jī)(也稱角位傳感電機(jī))和力能電機(jī)。信號電機(jī)包括自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、感電移相器、感應(yīng)同步器、軸角編碼器、測速發(fā)電機(jī)等。信號電機(jī)歷史較短,但發(fā)展迅速,品種繁多,本文主要介紹自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、電感移相器、測速發(fā)電機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用概況。歷史概況控制電機(jī)的發(fā)展史上,在同步傳輸系統(tǒng)中使用的自整角機(jī)可稱得上控制電機(jī)的“祖師爺”。早在19世紀(jì)80年代,俄國及其它國家的許多學(xué)者創(chuàng)造出許多軍事用同步聯(lián)絡(luò)系統(tǒng),并把自整角機(jī)用于這些系統(tǒng)中,隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和自動控制技術(shù)發(fā)展的需要,出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)移相器、測速發(fā)電機(jī)等控制電機(jī),50年代相繼形成系列,60～70年代得到迅速發(fā)展。西方各國在二次世界大戰(zhàn)結(jié)束到1966年期間,針對二次世界大戰(zhàn)中武器裝備系統(tǒng)及機(jī)電元件在實(shí)踐中所獲得的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn),進(jìn)行了大量的分析和研究,在設(shè)計、工藝、選材、試驗(yàn)等方面取得了突破性的進(jìn)展,這期間的研究文章極為豐富,到1966年基本完成了以信號電機(jī)為主的微特電機(jī)的定型、系列化,從第一次批準(zhǔn)美軍標(biāo)MIL-S-81963原始版本前,西方早已形成了統(tǒng)一的機(jī)座號,特別是北大西洋組織的軍用微特電機(jī)都采用同一標(biāo)準(zhǔn)。美、英、法等國1966年的樣本數(shù)據(jù)和國家軍用標(biāo)準(zhǔn)同90年代收集到的基本相同,工作壽命也沒有變化,主要是使用環(huán)境條件的不斷嚴(yán)酷,試驗(yàn)方法和試驗(yàn)設(shè)備更加先進(jìn)和完在我國,解放前信號電機(jī)等控制電機(jī)工業(yè)一片空白,建國后隨著國防建設(shè)、軍事裝備配套發(fā)展和工業(yè)建設(shè)急速發(fā)展的需要,從五十年代初期開始單個產(chǎn)品仿制,隨后建立了微電機(jī)研究單位和專業(yè)生產(chǎn)廠,逐步形成了我國微電機(jī)工業(yè)體系,自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、電感移相器、測速發(fā)電機(jī)等信號電機(jī)伴隨著微電機(jī)工業(yè)的發(fā)展不斷壯大,大體經(jīng)歷了仿制、自行設(shè)計、充實(shí)提高上水平、穩(wěn)步發(fā)展四個階段。1、我國新一代微電機(jī)的發(fā)展歷程、主要成果和不足整角機(jī)是我國研制生產(chǎn)最早的一類微電機(jī)。1951年中南電工廠(湘潭電機(jī)廠)首先生產(chǎn)三相自整角機(jī),隨后1954年上海福光電機(jī)廠(上海微型電機(jī)廠)為雷達(dá)系統(tǒng)配套生產(chǎn)三種仿美自整角機(jī),從五十年代中期開始,我國政府引進(jìn)前蘇聯(lián)的技術(shù)資料和樣機(jī),經(jīng)消化吸收,從五十年代末期開始仿制自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、直流測速發(fā)電機(jī),1963年開始試制交流測速發(fā)電機(jī),到六十年代中期基本仿制成功并小批生產(chǎn)自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、測速發(fā)電機(jī)等系列產(chǎn)品。2、自行設(shè)計新系列階段(1966～1978)。二十世紀(jì)60年代初期,蘇聯(lián)單方面終止了對我國的技術(shù)援助,我們在仿制階段基本掌握的信號電機(jī)設(shè)計制造的一些關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上,從1966年開始,打破仿蘇模式的束縛,選擇更先進(jìn)的發(fā)展目標(biāo),以美國MIL標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo),結(jié)合我國實(shí)際,發(fā)展具有體積小、精度高、適應(yīng)惡劣環(huán)境要求的新一代微電機(jī)產(chǎn)品。編制了控制微電機(jī)設(shè)計手冊(自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器分冊),制定了國家內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn),自行設(shè)計開發(fā)了(KF、KB、KCF、LF、LJ、LCF)系列自整角機(jī)、(XZ、XB、XX)系列旋轉(zhuǎn)變壓器、多極和雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器系列、YG系列電感移相器、CK系列交流測速發(fā)電機(jī)、(ZCF、CY、CYD、ZYS、CYB)系列直流測速發(fā)電機(jī)。3、充實(shí)提高上水平階段(1979～1989)。這一階段,我們先后引進(jìn)一批國外先進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備和檢測儀器、儀表,進(jìn)行提高電機(jī)精度和可靠性、降低電機(jī)剩余電壓、高精度測試裝置等課題研究,產(chǎn)品質(zhì)量向國際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)靠攏,自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、電感移相器、測速發(fā)電機(jī)成果喜人,產(chǎn)品技術(shù)水平和國外80年代同類產(chǎn)品相當(dāng)。4、不斷發(fā)展階段(1990年以后)。現(xiàn)代化新型武器裝備以及現(xiàn)代自動化技術(shù)的飛速發(fā)展,要求與其配套的檢測元件體積小、重量輕、精度高、可靠性高、工作壽命長并能承受惡劣環(huán)境,因此信號電機(jī)品種不斷擴(kuò)大,高精度、高可靠性的無刷自、旋、移、測信號電機(jī),多極和雙通道自、旋、移,磁阻式自、旋、移類等特殊原理及特殊要求的信號電機(jī)市場日益擴(kuò)大,信號電機(jī)向工業(yè)自動控制領(lǐng)域的拓寬,更加促進(jìn)了其市場容量的擴(kuò)大。技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀傳統(tǒng)的自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)移相器、測速發(fā)電機(jī)作為我國最早發(fā)展起來的控制微電機(jī),設(shè)計技術(shù)已趨成熟,產(chǎn)品性能指標(biāo)和國際水平相當(dāng),但制造工藝技術(shù)、測試技術(shù)與國際水平有較大差距,新原理、新應(yīng)用的信號電機(jī)水平也落后于國際先進(jìn)水平。“八五”、“九五”期間國家投入大量資金進(jìn)行工藝攻關(guān)、設(shè)備更新、測試技術(shù)研究,取得了顯著成績,但還有一些問題存在,主要表現(xiàn)在以下幾個方面:1、信號電機(jī)屬于精密型控制電機(jī),在系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用,技術(shù)含量高,要求較多的精密加工設(shè)備和檢測設(shè)備,更要求各類技術(shù)人才來完成信號電機(jī)制造、測試的全過程,但品種多、數(shù)量少,據(jù)統(tǒng)計僅占微電機(jī)總產(chǎn)量的3～4%,因此致力于信號電機(jī)研究、生產(chǎn)的企業(yè)越來越少。2、近一段時期以來,由于體制的原因,國有企業(yè)面臨困難,技術(shù)力量嚴(yán)重不足且流失嚴(yán)重,專業(yè)技術(shù)工人出現(xiàn)斷層,嚴(yán)重影響了信號電機(jī)的發(fā)展。3、近幾年來,隨著國家一批武器裝備工程的定型及其定型后批生產(chǎn)的配套,應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大,信號電機(jī)產(chǎn)量不斷提高,供貨周期加快,導(dǎo)致生產(chǎn)周期加快,信號電機(jī)作為勞動密集型產(chǎn)業(yè),產(chǎn)品質(zhì)量水平有所下降。發(fā)展趨勢為了適應(yīng)軍事裝備、工業(yè)自動化設(shè)備向高精度、高可靠性、小型化、集成化方向發(fā)展,并適應(yīng)不同市場的需要,作為重要控制元件的信號電機(jī)今后的發(fā)展趨勢是:1、電磁感應(yīng)機(jī)無論軍用產(chǎn)品還是民用產(chǎn)品,無刷化的信號電機(jī)將會占據(jù)越來越重要的位置。傳統(tǒng)信號電機(jī)用以傳輸信號的電刷、滑環(huán)是電機(jī)可靠性最薄弱的環(huán)節(jié),壽命不高,還會產(chǎn)生無線電干擾,利用電磁感應(yīng)原理開發(fā)的無刷自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、電感移相器、測速發(fā)電機(jī),實(shí)現(xiàn)了能量、信號的無接觸傳輸。磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器是基于磁導(dǎo)變化原理的磁阻式角位傳感電機(jī),在小機(jī)座號上實(shí)現(xiàn)了多級設(shè)計,具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、體積小、精度高等一系列優(yōu)點(diǎn),而且適應(yīng)于數(shù)字伺服系統(tǒng)。2、雙向電路設(shè)計伴隨著武器裝備精度要求的提高和新型武器裝備的開發(fā),要求角位傳感微特電機(jī)精度達(dá)數(shù)分至數(shù)秒甚至幾秒,而精度為分級的單對極自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、電感移相器已不能滿足要求,出現(xiàn)了電氣變速的雙通道系統(tǒng)以及精度達(dá)秒級的雙通道自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、電感移相器。采用補(bǔ)償技術(shù),補(bǔ)償因外界環(huán)境變化而是性能變壞和不穩(wěn)定,可使測速發(fā)電機(jī)、磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器、微動同步器能在各種狀態(tài)下工作,還可大大降低磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器、微動同步器的誤差。3、其他自整角機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器在體積和重量有著嚴(yán)格的限制的星、彈、箭、機(jī)等國防軍事裝備中,甚至工業(yè)自動化對配套產(chǎn)品的精度和可靠性要求也愈來愈高,要求將角位傳感電機(jī)、速度傳感電機(jī)、伺服電機(jī)、減速器等根據(jù)不同用途組成為組件,縮小體積,提高精度。開發(fā)三通道自整角機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器組件,可提高電機(jī)的分辨率。4、向數(shù)字化和固態(tài)化方向發(fā)展增量運(yùn)動的發(fā)展是全數(shù)字控制,為適應(yīng)這一要求,目前采用的結(jié)構(gòu)形式有三種類型:傳統(tǒng)電機(jī)加A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換器或D/A模數(shù)轉(zhuǎn)換器;直接以輸入或輸出脈沖的脈沖發(fā)電機(jī);利用電子技術(shù),實(shí)現(xiàn)信號傳輸、解算、編碼的固態(tài)自整角機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器。應(yīng)用領(lǐng)域和典型應(yīng)用信號電機(jī)的應(yīng)用面廣,適用領(lǐng)域?qū)?廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈、火箭、人造衛(wèi)星、宇宙飛船、艦船、飛機(jī)、自動火炮、雷達(dá)、戰(zhàn)車等武器裝備中,用作各類自動化裝置的定位、位置傳感與指示、坐標(biāo)變換與解算、速度解算與反饋。在工業(yè)自動化方面,使用信號電機(jī)作為自動控制、遙控、遙測和自動監(jiān)視系統(tǒng)中的檢測、解算。1、自整角機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域和典型應(yīng)用角位置的遠(yuǎn)距離指示,如遠(yuǎn)距離指示液面的高度、閥門位置指示、航向指示儀、調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速等系統(tǒng)使用多種力矩式自整角機(jī);角位置的遠(yuǎn)距離控制和定位,如軋鋼機(jī)軋輥定位控制、陀螺同步羅盤、模擬量控制發(fā)射制導(dǎo)雷達(dá)伺服等系統(tǒng)使用多種力矩式自整角機(jī)和控制式自整角機(jī);角位置的傳輸、變換、讀取,如雷達(dá)天線驅(qū)動、數(shù)字量控制發(fā)射制導(dǎo)雷達(dá)伺服、導(dǎo)彈發(fā)射架電液伺服系統(tǒng)等系統(tǒng)使用多種控制式自整角機(jī)和固態(tài)自整角機(jī)。2、旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用領(lǐng)域和典型應(yīng)用1)角位置的檢測如旋轉(zhuǎn)變壓器在永磁交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)中作為位置傳感器,不僅可檢測出轉(zhuǎn)子磁極的位置,還可檢測出轉(zhuǎn)子的運(yùn)動速度和系統(tǒng)的位置信息,在機(jī)電一體化產(chǎn)品中越來越多的應(yīng)用。2)在解算裝置中的應(yīng)用如用正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器進(jìn)行的矢量合成與分解、坐標(biāo)變換、反三角函數(shù)運(yùn)算,用線性旋轉(zhuǎn)變壓器和比例式旋轉(zhuǎn)變壓器進(jìn)行的加、減、乘、除四則運(yùn)算,用線性旋轉(zhuǎn)變壓器、比例式旋轉(zhuǎn)變壓器和交流測速發(fā)電機(jī)進(jìn)行的微積分運(yùn)算。3、角位置的高精度傳輸、變換、讀取使用于角位傳輸系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)變壓器和控制式自整角機(jī)功能相同,也稱為四線自整角機(jī),但精度高于控制式自整角機(jī),如應(yīng)用于幅值控制定位跟蹤數(shù)字系統(tǒng)、幅值控制位置讀出系統(tǒng)、數(shù)字編碼系統(tǒng)。感應(yīng)移相器的應(yīng)用領(lǐng)域和典型應(yīng)用感應(yīng)移相器主要用于測角、測距、定位、同步隨動和穩(wěn)速等方面。如在位置讀數(shù)系統(tǒng)中作為移相元件;在雷達(dá)脈沖測距系統(tǒng)中作為測距元件;在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給等定位系統(tǒng)中應(yīng)用兩相感應(yīng)移相器,不產(chǎn)生動態(tài)相誤差;由兩臺感應(yīng)移相器組成粗、精通道,在衛(wèi)星、飛行器和天氣跟蹤系統(tǒng)中應(yīng)用,可使系統(tǒng)工作精度進(jìn)一步提高;兩相感應(yīng)移相器在速度伺服系統(tǒng)中使用,調(diào)速范圍寬速度穩(wěn)定。4、上生產(chǎn)信號電機(jī)的制造企業(yè)測速發(fā)電機(jī)在自動控制系統(tǒng)和計算裝置中可以作為測速元件、校正元件、解算元件和角加速度信號元件。如在速度控制方式的伺服系統(tǒng)中,測速發(fā)電機(jī)作為速度反饋元件,其輸出電壓或輸出脈沖為速度反饋的模擬信號,與給定速度的參考電壓或參考頻率比較后,在發(fā)出速度控制信號,調(diào)節(jié)伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速;而在位置控制方式的伺服系統(tǒng)中,測速發(fā)電機(jī)作為校正元件,其輸出電壓速度負(fù)反饋信號,反饋到放大器,起抑制速度的阻尼作用,以提高位置控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì);在解算裝置中,測速發(fā)電機(jī)既可用作積分元件,也可用作微分元件;采用直流勵磁的異步測速發(fā)電機(jī)在原理上可以作為角加速度計使用,但其靈敏度低。國外研究機(jī)構(gòu)發(fā)展情況軍事裝備中用的信號電機(jī)在裝備中起著關(guān)鍵作用,要求較多的精密加工設(shè)備和檢測設(shè)備,一般企業(yè)難以承擔(dān)生產(chǎn)和開發(fā)新品任務(wù),目前世界上生產(chǎn)信號電機(jī)的廠家僅十余家,主要由美國、英國、法國、日本、俄羅斯五國壟斷。美國信號電機(jī)制造業(yè)具有較長的歷史,其科研和產(chǎn)品水平處于世界領(lǐng)先地位。長期以來,西方國家軍事裝備和電子裝置中應(yīng)用的信號電機(jī)絕大部分一直由美國幾個主要公司供給。MIL美軍標(biāo)準(zhǔn)是目前世界最先進(jìn)的微電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。英國具有較好的電機(jī)工業(yè)基礎(chǔ),信號電機(jī)工業(yè)水平亦較高,其產(chǎn)品除供本國軍方選用外,也向北約組織國供應(yīng)。日本的信號電機(jī)起步較晚,其產(chǎn)品技術(shù)水平低于美國,品種規(guī)格也少。法國依賴本國技術(shù)特點(diǎn),開發(fā)部分新產(chǎn)品,形成具有特色的專門技術(shù)產(chǎn)品,達(dá)到或接近美國水平。俄羅斯的微電機(jī)工業(yè)有較長的發(fā)展歷史并形成了獨(dú)立的科研和生產(chǎn)體系,采取封閉集中式生產(chǎn),由少數(shù)大型軍工骨干企業(yè)承擔(dān),特別重視產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性,但其產(chǎn)品性能水平和新品開發(fā)與美國相比有一定的差距。國內(nèi)行業(yè)生產(chǎn)情況1、主要研制單位:西安微電機(jī)研究所、上海微電機(jī)研究所是兩大研究機(jī)構(gòu),占據(jù)了信號電機(jī)生產(chǎn)開發(fā)的大半壁江山。我國自行設(shè)計的自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、電感移相器、測速發(fā)電機(jī)都是從西安微電機(jī)研究所開始的,為雷達(dá)天線研制的兩極旋變-多級旋變-感應(yīng)同步器機(jī)組,堪稱國際先進(jìn)水平;為重點(diǎn)軍工配套研制的自整角機(jī),電氣誤差達(dá)3′,使批量生產(chǎn)高精度產(chǎn)品的愿望成為現(xiàn)實(shí),達(dá)國際先進(jìn)水平;為重點(diǎn)軍工配套研制的雙余度雙通道無接觸旋轉(zhuǎn)變壓器填補(bǔ)了國內(nèi)空白;為鋼鐵行業(yè)研制的高靈敏度溫度補(bǔ)償直流測速發(fā)電機(jī),替代進(jìn)口,為國內(nèi)眾多鋼鐵公司所使用;擁有測速發(fā)電機(jī)生產(chǎn)線。上海微電機(jī)研究所主要研制的信號電機(jī)有自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、測速發(fā)電機(jī),并擁有自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器生產(chǎn)線。這兩單位的產(chǎn)品平分秋色,系列化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化程度高。2、生產(chǎn)企業(yè):青島微特電機(jī)電器公司(自、旋)、成都906廠(自、旋、測)、上海金陵微電機(jī)有限公司(自、旋、測)、本溪微電機(jī)有限公司(測)、博山電機(jī)廠(旋)