电气自动化专业英语第六, 七, 八章翻译
第六章的参考译文：仅供参考，不恰当的地方，请自行修改补充，欢迎通过Email （[email protected]）进行讨论和交流。?
6.1? 直流电动机的类型?
市场上可购买到的电动机基本上分为四种类型：①永磁直流电机；②串励直流电机；③并励直流电机；④复励直流电机。因其电路布局和物理性质，使得每一种电机具有不同的特点。?
6.1.1? 永磁直流电机?
永磁直流电机，如图6.1所示，其结构与相对应的直流发电机的结构相同。永磁直流电机用于低力矩的应用场合。当使用此种电机时，通过电刷-换向器装置，直接将电源连接到电枢导体上。磁场由安装在定子上的永磁体产生，永磁直流电机的转子是一个绕线式电枢。?
该类型电机通常采用铝镍钴合金或陶瓷永磁体，而不是励磁线圈。铝镍钴合金永磁体用于大马力的应用场合。陶瓷永磁体通常用于小马力低转速的电机。陶瓷永磁体具有较高的抗去磁能力，但磁通水平相对较低。这些磁体通常安装在电机的机壳上，并在电枢绕组插入之前进行磁化。?
永磁直流电机与传统的直流电机相比有几个优点，一个优点是降低了运行成本；永磁电机的速度特性与并励直流电机的速度特性相似；永磁电机的旋转方向可以通过调换两根电源线而实现反转。?
6.1.2? 串励直流电机?
直流电机电枢和励磁电路的接线方式决定了电机的基本特性。每一种类型的直流电机具有与之对应类型的直流发电机相似的结构，在多数情况下，唯一的区别在于发电机是作为一个电压源，而电动机是一个机械能转换装置。?
串励直流电机，如图6.2所示，其电枢和励磁电路以串联的方式连接起来。只有一条从直流电压源的电流通路。因而，励磁线圈由大线径导线、以相对少的匝数绕制而成的，使得励磁绕组的电阻较小。施加到电机轴上电机负载的变化导致流经励磁线圈的电流发生变化。如果机械负载增加，则电流也增大。增大的电流产生一个更强的磁场。串励电机的转速在空载下的很快与重载下的很慢之间变化。由于大电流流过励磁线圈，所以串励电机可产生大力矩输出。串励电机多用于重载和速度调节要求低的场合。一个典型的应用是汽车启动电机。?
6.1.3? 并励直流电机?
并励直流电机比其它类型的直流电机应用更广。如图6.3所示，并励电机的励磁线圈与电枢以并联的形式连接到直流电源。这种类型直流电机的励磁线圈由细径导线绕制多圈而制成，具有相对较高的电阻。由于励磁绕组是并励电机的高阻并联电路，所以，流经励磁绕组的电流较小。但是，由于磁场绕组的匝数很多，所以，仍然产生一个强大的电磁场。?
绝大多数（约95%）的并励电机电流
是流过电枢电路的（意味着只有约5%的电流流过励磁电路，也就是说该电流的大小变化不是很大，对磁场强度的影响就会很小）。因为励磁电流对磁场强度影响很小，所以电机转速受负载电流变化的影响很小。流过并励电机的电流关系如下所示：IL=Ia+If
其中，IL-是从电源流出的总电流；Ia 是电枢电流；If 是励磁电流。
励磁电流可以通过在励磁绕组电路上串联一个可变电阻而改变，因为励磁电流很小，所以采用一个低功率的变阻箱，通过励磁电阻的改变以改变电机的转速。当励磁电阻增大时，励磁电流减小。励磁电流减小，导致电磁场强度的下降。当磁场磁通下降是，电枢会转得更快一些，归因于磁场交互作用的减弱。这样，通过应用励磁变阻箱的方法，直流并励电机的转速可以很容易地发生变化。
并励绕线式直流电机具有非常好的速度调节特性。当负载增加时，电机转速有轻微的下降，其原因是电枢两端电压降增加。正是因为其良好的速度调节特性和易于速度控制的特点，直流并励电机通常应用于工业应用，许多类型的变速机床均由直流并励电机所驱动。
6.1.4 复励绕线式直流电机
复励绕线式直流电机如图6.4所示，拥有两组励磁绕组，一个与电枢串联，另一个与电枢并联。此种电机结合了串励电机和并励电机的优点。复励电机的连接方式有两种：积复励和差复励。积复励直流电机的串联和并联励磁线圈是互相增强的，而差复励直流电机的串联和并联励磁线圈是互相减弱的。串联励磁线圈的放置位置有两种方式，一种方式称之为短并励（如图6.4所示），在这种方式中，并励励磁线圈直接跨接在电枢绕组两端；而在长并励方式中，并励励磁线圈跨接在电枢绕组和串联励磁线圈的两端（如图
6.4所示）。
复励电机具有与串励电机相似的大力矩特点，同时也具有与并励电机相似的良好的速度调节特性的特点。因此，当需要大力矩和良好速度调节特性时，可以选用复励直流电机。复励直流电机的缺点是它的成本较高。
6.2 直流电机分析
一个直流电机是一个功率流向相反的直流发电机。在直流电机中，电能被转化成机械能。基于前面的讨论，有三种类型的直流电机：并励、积复励和串励。积复励电机前面加了一个“积”字，用以强调所串联的励磁线圈的方式确保串励磁通是增强并励磁通的。不象串励发电机那样，串励电机有着广泛地用途，尤其是在牵引类负载。因此本书后续部分给予此种电机应有的关注。（也可以翻译成：“因此，本书后续部分给予此种电机相当的笔墨。”）
根据其等效电路、一组性能方程、一个功率流向图和磁化曲线
，三种之中的任何一种直流电机的运行性能均可方便的加以描述。等效电路如图6.5所示，值得注意的是：在这里，电枢感应电压被看作一个反电动势Ea 。通过添加适当的约束，我们可以得到各种理想运行模式的等效电路。例如，对于串励电机，其恰当的等效电路是将图6.5所示等效电路中的Rf 去掉。
计算运行性能所需的一组方程如下所示：（式：6.1-6.4，省略）
注意最后的两个方程做了相应的修改，对以下事实做出解释：对于电动机来说，Ut 是施加电压或电源电压，必须等于电压降之和；同样地，线电流等于电枢电流和励磁电流之和，而不是二者之差。
功率流向图如图6.6所示，来自于电网的电能UtIL 提供了用于建立磁通的磁场能量和维持电流Ia 的电枢电路铜损。流过位于磁场内的电枢导体的电流导致了力矩的产生（F=BIL）。根据能量守恒定律可知：电磁功率EaIa 应等于TWm ，其中Wm 是稳态运行速度。从电机所产生的机械功率中去除旋转损失就是（系统的）机械输出功率。
直流电机经常被用来做一些工业上非常苛刻的工作，因为其高度的灵活性和易于控制的特点。这些优点是其他电磁能量转换装置所能比拟的。直流电机具有一个宽泛的速度控制和力矩控制，以及突出的加速和减速特性。例如，通过接入一个合适的电枢电路电阻，在启动时，可以在不超过额定电流的情况下，得到额定转矩；还有，通过对并励励磁线圈的特殊设计，可以轻松得到超过4:1的速度调节。如果辅助以电枢电压控制，速度调节范围可达6:1。在某些提供电枢和励磁电路直流能量的电子控制装置中，能达到的速度调节范围是40:1，不过，能够控制的电机的尺寸是有限的。
6.3 直流电动机的速度-力矩特性（机械特性）
直流电机如何对施加到电机轴上负载做出反应？直流电机自适应地向负载提供所需能量的机理是什么？这些问题的答案可以通过对性能方程组的推导而得出。首先，我们的注意力放在并励直流电机上，但是，类似的推导思路可以应用到其它类型的直流电机上。为了我们的目标，两个相关的描述力矩和电流的方程，即：T=KT*Phi*Ia和XXX （6.5式省略）。注意最后一个表达式是由式6.1替代式6.3中的Ea 所得到的。当空载时，唯一所需力矩用于克服旋转损失。因为并励电机运行在恒定的磁通下，式T=KT*Phi*Ia（6.2）表明：与额定值相比，只需要一个很小的电枢电流以提供那些（旋转）损失。式（6.5）揭示了电枢电流到达所需数值的方式。在这个表达式中，Ut 、Ra 、KE 和Phi 均为固定值，因此，转速n 就是一个关键变量。对于某一瞬间，如果假设转速低于某一数值，那么式（6.5）的分子
项呈现一个较大数值，反过来使得电流Ia 为一个较大的值。从这一点上来说，电机做出反应来改正这一情形。大的电枢电流Ia 产生一个超过摩擦力和风阻的力矩，该力矩将增加转速到一个与电枢电流平衡值相对应的水平上。换句话说，只有在转速到达这样的一个水平上--由公式（6.5）所产生的电枢电流足以克服旋转损失，加速力矩才变成零。
接下来考虑这样一个情形：当一个需要额定力矩的负载突然施加到电机转轴上。很清楚，因为在这一瞬间，电机所产生的而力矩只能够克服摩擦力和风阻，而不足以克服负载力矩，所以，电机的第一个反应是失速（速度下降）。这样，正如式（6.5）所示的那样，电枢电流增大，反过来使得电磁力矩增大。事实上，施加力矩导致电机在某个转速下运转，此时电机的电流足以产生力矩以克服所施加的力矩和摩擦力矩。达到所谓的功率平衡，此时，达到一个平衡条件：电磁功率EaIa 等于机械功率TWm 。
直流电机与三相感应电机的对比表明：从施加到转轴上的负载的响应来看，两者都是速度敏感型装置。然而，一个本质的区别在于对于三相感应电机来说，所产生的力矩与电枢电流的功率因数角大小成反比。当然，对于直流电机来说，没有类似的情形。
基于上述讨论，很明显，直流电机的速度-力矩特性曲线是一个重要的性质。图6.7所示是用于并励、复励和串励电机的速度-力矩特性的一般形状。为了便于比较，这些曲线通过了一个共同的额定力矩和额定转速点。要理解为什么曲线的形状和相对位置会如图
6.7所示，可以从式（6.1）中得到答案，其含有速度项。对于并励直流电机来说，速度方程可以记作：
（6.6）
式子中的变量只有转速n 和电枢电流Ia 。在额定输出力矩情况下，电枢电流为额定值，转速也为额定值。当负载去除后，电枢电流相应地变小，使得式（6.6）的分子项变大，其结果是导致较高的转速。转速增高的程度取决于电枢电阻压降与端电压相比有多大，通常约为5%-10%。因而，我们可以想象出并励电机的转速变化百分比大致为这一量级。速度变化用一个称为转速变化率的品质因数来表示，其定义如下：
（6.7）
当速度方程应用于积复励电机时，其形式为：
（6.8）
将其与并励电机的类似表达式比较可以得出两点不同：1）分子项中包含除电枢绕组之外的串励励磁绕组的电压降；2）分母项增加串励磁通量Phis 。假设从额定力矩和转速处开始，从式（6.8）可以清楚地看出：当负载力矩减小为零时，分子项有一个增长，该增长大于并励电机情况下的增长，而且，与此同时，分母项有所减小，因为当
转矩为零时，Phis 也为零。两种因素同时作用使得转速有一个大的增长。因此，积复励电机的转速变化率大于并励电机的转速变化率。图6.7图示地描述了该信息。
串励电机的速度-力矩特性情况有很大的不同，因为它没有并励的励磁绕组。牢记：在串励电机中，磁场磁通的建立完全来自电枢电流流过串励励磁线圈。那么，据此而论，串励电机的速度方程变为：
（6.9）
其中 表示一个新的比例因子，使得 可以由电枢电流Ia 所代替。当额定力矩产生时，电枢电流为额定电流，因而，磁场磁通是足够的。然而，当负载力矩撤销时，电枢电流就小于额定值。现在，由于Ia 出现在速度方程的分母项中，显而易见，转速会有较大的增长。事实上，如果将负载从电机轴上去除，将会导致危险的高速旋转（俗称“飞速”），因为电枢电流很小。在如此高速旋转下，离心力能够轻易地损坏电枢绕组，正是因为这个原因，串励电机绝对不允许空载运行（或很轻的负载运行）。（通常规定：串励电动机与生产机械相连时，不允许采用皮带等容易发生滑脱的传动机构，而应采用齿轮或直接联轴器来拖动）
因为在串励电机中，电枢电流直接与气隙磁通相关联，关于输出力矩的式（6.2）可以修改并记作如下形式：
（6.10）
因此，对串励电机来说，输出力矩是电枢电流平方的函数，这表明与输出力矩与电枢电路成线性关系的并励电机是相反的（是非线性关系）。当然，复励电机则呈现一种介于两者之间的一种关系。值得注意的是：当串励电机做出反应以产生大的力矩时，转速也相应地下降了。正是这种能力，使得串励电机非常适用于牵引型负载。
直流电机超越其他类型电机的另一引人注目的优点是相对容易地实现速度控制。各种各
样的速度控制策略可以从式（6.6）中推导出来，重复列写如下，其中有一处修改：
（6.11）
修改之处在于包含了一个外加的电枢电路电阻Re 。通过对式（6.11）的观察，发现：速度控制可以通过调节式子右侧的三个参数之一而实现，它们是： 、 和 。最简单的方法是调节 ，采用如图6.5所示的励磁变阻箱，如果励磁变阻箱的电阻增大，则气隙磁通减弱，将产生更高的旋转速度。一般用途的并励直流电机通过此种速度控制方法实现200%的额定转速控制。然而，因为弱化了磁场磁通，高速时（所发出）的允许力矩要相应地减小，为了防止过高的电枢电流。
调速的第二种方法是采用外加的电阻 ，其连接在电枢电路上，如图6.8所示。该电阻的尺寸和成本远大于励磁变阻箱的尺寸和成本，因为 必须能够应付全部的电枢电流。式子（6.11）
表明：电阻 越大，速度调节范围则越广。通常情况下，外加电阻以提供额定转速下降50%的大小来选择。该方法的主要缺点是运行效率差，例如：速度下降50%，电阻 两端将有一半的终端电压降，相应地，约50%的电网输入能量在电阻 中以发热的形式消耗掉了。尽管如此，电枢电路阻抗控制方法经常会用到，尤其是对于串励直流电机。
第三种也是最后一种速度控制方法是调整终端电压。从应用灵活性和运行效率的角度来看，该方法是最理想的。但是，因为需要独立的直流电源，该方法是最昂贵的。该方法意味着必须要买一套电机发电机组，其容量至少要等于被控电机的容量。这样的费用通常是不合理的，除非对于那些用该方法获得超高性能而不可缺少的情况，例如在轧钢应用场合，终端电压控制，又称为Ward-Leonard 系统。
6.4 三相感应电动机
感应电机的一个突出优点就是它是一个单励电机。虽然此类电机具有一个励磁绕组和一个电枢绕组，但是，在正常的使用过程中，电源直接连接在一个绕组上，即励磁绕组。通过电磁感应，电流流过电枢绕组，这就形成了载流导体分布，与磁场分布相互作用而产生一个单方向的净力矩。载流体中感生电流的频率受载流体所在的转子旋转速度的影响。然而，转子转速和电枢电流频率之间的关系导致了定子磁动势和转子磁动势相对静止【见许实章《电机学》229(pdf页数，而非页码) 】。结果，单励的感应电机能够在任意一个低于同步转速产生力矩。正因为这个原因，感应电机被归为异步电机之列。与其相反，同步电机是一种只能在一个转子转速下产生净力矩的机电能量转换装置【参看许实章《电机学》有关同步电机内容】。同步电机的突出特点是其为双边励磁装置，除了用作磁阻电动机（凸极无励同步电动机）之外。
三相感应电机的突出结构特点在5.3节中已加以描述。因为感应电机是单边励磁的，所以，励磁电流和做功电流从同一线路中流过是必须的。而且，因为在感应电机的磁路中存在气隙，所以外加电压要产生相当数量的励磁电流用来建立所需的每一磁极的磁通。通常情况下，三相感应电机的励磁电流大小为额定电流的25-40%。因此，可知感应电机运行在轻载情况下，功率因数很低；在额定功率输出附近，功率因数略小于1。 控制器的基本功能是提供正确的启动、停止和反转，同时不给电机、其他负载和电源系统带来损坏或不方便。而且，控制器还完成其他有用的功能，主要如下:
（1）限制启动力矩。过大的启动力矩会损坏某些连接到电机轴上的负载。例如，风扇
叶片会折断，或存在间隙的齿轮传动
箱会断齿。控制器在启动时降低电压，并随着转速的提高而协调地增大到全电压。
（2）限制启动电流。多数超过2.38千瓦的电机不能直接通过三相电网启动，因为这样会造成过大的启动电流。回想一下：在单位转差率下，电流只取决于通常很小的漏磁阻抗，大电机情况下漏磁阻抗更小。大启动电流很令人讨厌，因为会造成电灯闪烁、可能使其他相连的电机停转。降压启动很容易地消除这一烦人的问题。
（3）提供过载保护。所有通用的电机均设计为连续输出满负荷而无过热。然而，如果某种原因造成电机连续输出150%额定功率的话，电机会提供所需功率直到在运行过程中烧毁。电机的功率等级划分是基于励磁绕组和电枢绕组所用绝缘材料所能容忍的允许温升的。铜损产生热而导致温度升高。只要这些铜损没有超过额定值，对电机来说就没有危险，但是，如果超过所允许的值，就会造成损坏。保持温升在安全范围之内是电机运行的内在要求。因此，提供此种保护也是控制器的功能。通过选用合适的延时继电器可以实现过载保护，延时继电器对电机线电流产生的热很敏感。
（4）提供欠压保护。长时间降压运行对电机有害，尤其是当负载需要额定功率时。如果线电压下降到预设值之下时，在控制器作用下，电机自动地与三相电源断开连接。
6.5 三相感应电动机的速度-力矩特性
转矩随速度或转差率的变化是三相感应电机的一个重要特性。该曲线的一般形状可以根据基本的转矩方程（6.12）和性能计算步骤等确定下来。
（6.12）
其中，p-磁极对数
Z2-电枢绕组的导体数目
Kw2-电枢绕组系数
I2-每相电枢绕组电流
当电机运行在小转差率情况下，例如空载，转子电流几乎为零，使得所输出的力矩只能够提供旋转损失。当转差率从零升高到10%时，公式（6.13）表明电机电流的增长几乎为线性。
（6.13）
这是因为阻抗的虚部sx2与r2相比很小。而且，表明公式（6.12）中的相位角 等于转子的功率因数角 ，即：
（6.13）
当转差率继续增加时，电路继续增加，但是与起先先比，增幅有所下降。其原因在于转子阻抗中虚部sx2的比重增加；另外，相位角 开始快速增大，使得cos 的减小速度大于电流的增大速度。由于转矩方程中包含有两个对立的系数，完全有理由得到这样一个转折点，在该点之后，随着转差率继续增加会导致所产生的力矩减小。换句话说，公式（6.12）中快速减小的系数cos ，超过了轻微增加的系数I2。随着相位角 的增大，用于产生力矩的磁场变得越来越没有作用，因为，在给定的磁极磁通下，出现了越来越多的产生负向力
矩导体，因此，合成的整个机械特性曲线呈现如图6.9所示的形状。
当转差率为1时，即，转速为零时，所产生的力矩为启动力矩。图6.9所示的情况表明：此种电机的启动力矩是稍稍超过额定转矩的，对于某种电机来说是很典型的。启动力矩的计算方法同任何转差率下的力矩计算方法一样，只不过是S=1而已，转子电流的数值是固定的，为：
（6.15）
对应的气隙功率为：
（6.16）
这里，q-为电枢绕组的相数
令人感兴趣的是提高静止时的铜损会带来更高的启动力矩。
在单位转差率下，输入阻抗很低，以至于流过大的启动电流。公式（6.15）很清楚地说明了这一点。为了限制过大的启动电流，额定功率超过2.38Kw 的电机通常采用降压启动的方法启动，当然，在降压启动方式下，启动力矩也会减小。事实上，如果启动时采用50%额定电压的话，那么，由公式（6.16）可以清楚地得出：启动力矩只有全压情况下的四分之一。
三相感应电机的另一个重要力矩参数是最大输出力矩。该参数很重要，以至于该参数经常是电机设计的出发点，最大力矩（极限力矩）是衡量电机储备功率的一个指标，其经常是额定转矩的200-300%，允许电机短时间内运行在峰值负载。然而，不能连续输出最大负载，因为过大的电流会损坏电机的绝缘。
因为输出力矩与气隙功率成正比，所以，当力矩最大时，气隙功率Pg 也是最大的，另外，当最大传递功率传递到等效电路电阻 时，气隙功率最大。应用最大功率传输定律于等效电路，可得如下结果：
（6.17）
即，当气隙电阻 等于电源的输出阻抗时，最大功率传输到气隙电阻 上。因此，在最大力矩处的转差率Sm 由下面公式推出：
（6.18）
注意：采用大的转子电阻可以提高发生最大力矩时的转差率数值。事实上，一些感应电机被设计成以最大力矩作为启动力矩，即Sm=1。
最大力矩处的转差率Sm 已知，对应的转子电流可以得出，带入力矩方程可以得出极限力矩，即：
（6.19）
审视公式（6.19）可以发现有趣的信息：最大转子绕组的电阻无关，因而，提高转子绕组的电阻，会提高发生极限力矩处的转差率，但保持力矩大小不变。图6.10显示增大转子电阻后的机械特性。（以上内容仅供参考）
第七章的参考译文：仅供参考，不恰当的地方，请自行修改补充，欢迎通过Email
（[email protected]）进行讨论和交流。
第七章 电机控制系统
前面章节主要讨论了电机的类型和结构特点。本章将概述几种用于电机的功率控制系统。
7.1 控制符号
熟悉那些通常应用于电机控制系统的电气符号是很有必要的，一些常用的电机控制符号如图7.1
所示。
7.2 用开关来控制电机（电机的开关控制）
电机控制的一个重要类型是通过开关器件来控制。许多类型的开关可以用于控制电机，开关的功能是闭合和断开一个电路，然而，还可以实现很多复杂的功能。
7.2.1 闸刀开关（toggle switch）
闸刀开关是最简单的开关类型之一，几种闸刀开关的电气符号如图7.2所示。注意这些符号用于表示多种类型的闸刀开关。
7.2.2 按钮开关（pushbutton switch）
按钮开关广泛应用于电机控制。许多电机应用场合使用按钮开关作为控制电机起动、停止和反转的途径。按钮由手工操作实现电机控制电路的断开与闭合。用于控制电机的按钮有多种类型。按钮通常安装在被称为电机控制台的机壳上。
通常，按钮要么是常闭型、要么是常开型，然而，在实际应用中会有一些变化。一个常闭型按钮是闭合的，直到其被手动按下，当其被按下时，将会断开一个电路；常开型按钮是断开的，直到其被手动按下，一旦被按下，将会闭合一个电路。电机控制台的“起动”按钮是常开型的，而“停止”按钮是常闭型的。
7.2.3 旋转开关（Rotary switch）
另一种常用的开关是旋转开关，通过采用旋转开关可以将许多不同的开关组合连接起来。旋转开关的轴上安装有一组可动触点，当转轴被旋转到不同位置时，这些可动触点与安装在瓷片上的不同静止触点相结合，在任何一个位置处，转轴可以锁定位置。旋转开关通常通过手动顺时针或反时针旋转转轴进行控制。通常在转轴的末端安装一个手柄，用于更容易地转动转轴。
7.2.4 限位开关（Limit switch）
限位开关仅仅是一个开通/关断的开关装置，其通过机械运动改变电气控制电路的运行。机械运动产生的电气控制电流用于限制机床的运动，或改变器运行顺序。在工业上，限位开关常被用于顺序、行程、分类和计数等操作，它们常常被用于液压和气动控制、电气继电器或其他电机驱动的机床，例如钻床、车床或传送系统。
其最基本形式是，限位开关将机械运动转变为一个电气控制电流。注意凸轮机构，其为通常安装在机床上的一个外部零件。凸轮施加外力到限位开关的执行机构上。执行机构是限位开关的一个部件，使内部常开或常闭触点改变状态。执行机构运行要么归因于凸轮机构的直线运动，要么归因于凸轮机构的旋转运动，这些运动施加力到限位开关。与限位开关相关的其他专业术语有：预行程和过行程。预行程是改变限位开关的常开或常闭触点状态之前，执行机构必须运动的一段距离。过行程是状态改变后执行机构运动的一段距离。在限位开关使用的机器装置中，预行程和过
行程是很重要的参数。
7.2.5 温控开关（Temperature switch）
温控开关是控制装置中常用的一种开关。温控开关的控制元件由一定数量的液体组成。当温度升高时，这些液体的体积增大。因而，温度上的变化可以用于改变温控开关机壳内的一组触点位置。在一定温度设定范围内，温控开关是可调的。
7.2.6 压力开关（Pressure switch）
另一种电气控制元件是压力开关。压力开关有一组电气触点，其状态的改变归因于空气、流体、水或其他媒介的压力变化。一些压力开关是薄膜驱动的，依赖于媒介，例如空气，的吸入和排出，其动作发生在机壳内的薄膜机构上。另一种类型的压力开关采用活塞机构，触发开关触点的断开或闭合，在这种方式下，活塞的运动受媒介（空气、水、等）压力控制。
7.2.7 脚踏开关（Foot switch）
脚踏开关是一种由脚踏板控制的开关，该类开关用于机床操作人员在机床运行过程中双手被占用的场合下。脚踏开关为机床的运行提供了一个额外的控制位置，例如双手不能使用的场合。
7.3 电机的控制设备
几种机电设备被用于电机控制，控制设备的选择影响系统的运行效率和机床的性能。为每种电机控制应用场合选择合适的控制设备是很重要的。本节将讨论几种用于电机控制的设备。
7.3.1 电机起动控制
一个电机起动装置是一类电机控制设备，用于将电机从“停止”状态加速到正常运行速度。在电机起动设计中有多种变化，最简单是手动操作串联在一根或多根电源线上的开关进行起动。该类型的起动通常用于小型电机，其不会产生过大的起动电流。
一种类型的电机起动装置是磁起动器，利用电磁原理断开或闭合电机的电源电路。通常，电机的起动装置和起动控制设备组合在一起用于控制附近的电机，这些组合的起动器和相关控制设备称之为功率控制中心。由于控制中心结构紧凑、并且控制设备没有大面积分散，所以很容易连接到电源系统。
几种电机起动器用于电机的控制，起动器的功能根据复杂程度而变化；然而，通常需要完成一种或几种如下的功能：①开通、断开控制；②加速；③过载保护；④反向旋转 一些起动器通过直接连接电源线的方式控制电机，另一些起动器降低起动时施加到电机上的电压水平，从而降低了起动电流。通常，电机过载保护也包含在电机起动器的机壳内。
典型的电机接触器电路如图7.3所示。几种驱动电机的起动器采用接触器作为主要的控制元件。按下图7.3中所示的起动按钮，闭合了接触器线圈的低电流通路，接触器线圈产生吸引电枢的电磁场，电枢的机械运动通过一系列触点闭合了电源和电
机之间的电气通路。但这些动作发生时，电机开始它的运行周期。
电枢左侧的线圈触点在同一电枢运动下结合在一起，结果，此时释放起动按钮不会使接触器线圈失电，通向线圈电源的通路是闭合的，其通过了停止按钮和电枢上的线圈触点，因此，只要有电，电机就继续运行，用作此项功能的触点成为保持触点（自锁触点）。
通过按下停止按钮实现接触器控制电机的停止运行，该动作断开了接触器线圈的电源，致使电枢退出吸合位置，与电机串联的接触器触点断开，使电机失电，电机通路断开则电机立即停止。
电机接触器的继电器动作设计成具有自锁功能，一旦上电则保持其操作，在电机控制应用中，这个条件是必须的。另外，接触器也能以一个特定顺序来执行一系列操作。电机接触器运行原理的电路图和简要解释如图7.4所示。①按下起动按钮，电路闭合，电流从电压源出发，流经常闭停止按钮、起动按钮、接触器线圈，回到电源另一侧，使得线圈得电，而所有触点闭合；
②触点闭合，电机开始旋转，因为AC 电压通过触点施加到电机上，在起动按钮释放后，自锁触点保持了通向线圈的电流通路的完整；
③电机旋转；
④按下停止按钮，打开常闭停止按钮的瞬间，电流通路也就断开了，线圈失电，使得触点断开；
⑤电机将停转
7.3.2 继电器
继电器是广泛使用的控制装置，具有一个含有静止铁心的电磁铁，靠近铁心的一端安装一个由铁磁性材料制成的可动部件，称之为电枢。当铁心上电时，在铁心附近产生一个电磁场，电枢被吸向铁芯；当线圈失电时，电枢在弹簧的作用下回到原始位置。图7.5所示为继电器用于控制电机的简图。
通常，继电器电枢被设计成：电气触点响应电枢的运动。继电器线圈得电导致触点根据继电器设计要求进行“闭合”或“断开”，一个继电器被看作是一个电磁开关机构，有多种专用继电器和开关组合用于电机控制。
继电器用一个小电流建立一个足够强的磁场以吸引电枢，当电枢被吸引时，要么断开触点，要么闭合触点，则这些触点要么断开、要么闭合一个大电流通路。流过继电器线圈的用于建立足够强磁场吸引电枢的最小电流称之为吸动电流；流过继电器线圈的所产生的磁场不足以吸引电枢的最大电流称之为开断电流；
大多数继电中有两种类型的触点：常开和常闭。常开触点在线圈失电时保持常开，而当线圈得电时闭合；常闭触点在线圈是失电时保持常闭，而当线圈得电时断开。
7.3.3 螺线管
螺线管如图7.6所示，是一个带有可动铁心的电磁线圈，可动铁心由磁性材料构成。有时，铁心或活塞连在
一个外部弹簧上，该弹簧使活塞保持在固定位置，直到活塞被流过线圈电流所产生的磁场驱动，当线圈掉电时，外部弹簧使活塞或铁心回到原始位置。 螺线管被用于多种控制场合，许多燃气炉或燃油炉采用螺线管阀门，根据实际需要以打开或关闭燃料供应；大多数洗碗机采用一个或多个螺线管阀门以控制水流。
7.3.4 专用继电器
在电机控制中，有许多专用继电器，通用继电器是应用于低功率场合的一类继电器，它们相对便宜而尺寸较小，许多小型通用继电器常常安装在八脚插座内。自锁继电器是另一种类型的继电器，它具有自锁机构，能够在电源从线圈移除后，继续保持触点的位置。固态继电器是电动的，用于必须提高可靠性或操作快速型的场合，一般电磁继电器长期使用后会损坏，因而必须定期更换；固态继电器具有较长的寿命，而且对冲击、振动、
灰尘、潮湿或腐蚀不敏感。延时继电器用于在一段时间之后打开或关断负载，常用的一类延时继电器是气动式的，气动式延时继电器的运行取决于腔体内空气的运动，空气运动受可调小孔的控制，该孔用于调节通过腔体的空气运动速度，气流速度决定了膜片或活塞机构的运动速度，这些机构与继电器的触点相连，因此，调节小孔控制气流速度，而气流速度决定了从继电器活动到连接其上的负载接通或断开的时间长短。也有另外几种类型的延时继电器，例如固态的、温控的、充油式、阻尼式、和电机驱动式定时器等。延时继电器对于循序操作很有用，各个操作之间需要一定的时间延迟。一个典型的应用如下：①按下起动按钮；②延时继电器激活；③10秒钟延时后，电机开始运行；
7.4 电机起动系统
电机起动系统，尤其是对于大功率电机来说，在电机的高效运行方面起着重要的作用。几种系统被用于电机起动，所使用的起动控制设备被置于电源和电机之间。在起动过程中，电机流过的电流大于正常运行时所流过的电流，电机起动设备常用于减小起动电流到电源系统能够处理的水平。
7.4.1 全压起动（直接起动）
一种起动方法称为全压起动，该方法是最便宜而且最易于安装的，因为全部电源电压一开始就被施加到电机上，所以产生最大的力矩和最小的加速时间，然而电源系统必须能够承受电机所流过的起动电流。
全压起动电路如图7.7所示。
图7.7 三相电机全压起动电路
在这个电机控制电路中，起动-停止按钮用于控制三相电机，当常开的起动按钮被按下，电流通过继电器线圈（M ），使常开型触点闭合，当线电压触点闭合时，全电压被施加到电机上。当起动按钮被释放时，继电器线
圈因自锁触点而保持得电，该触点提供了一条电流通路，从L1出发，经过常闭型停止按钮、自锁触点、线圈（M ）、温控过载继电器，回到L2。当停止按钮被按下，电路断开导致线圈失电。
7.4.2 主电路（串联）电阻降压起动
另一种起动方式称之为主电路（串联）电阻降压起动，该方法采用大电阻串联在电机的主电路中，以减小电机起动电流。通常，连接到电源线的电阻是逐步减小的，直到全电压被施加到电机上，因此，根据串联电阻的大小，起动电流被降低；根据电流的大小，起动力矩也被降低。
图7.8所示为用于控制三相电机的主电路（串联）电阻降压起动。
图7.8 主电路（串联）电阻降压起动
当起动按钮被按下，线圈（S ）和线圈（TR ）得电，起动触点将闭合，电压通过主电路电阻施加到电机上，这些电阻降低了起动电流。一旦延时继电器的延时时间一过，触点TR 闭合，运行触点R 将闭合，将全电压施加到电机上。
7.4.3主电路（串联）电抗器降压起动
与主电路（串联）电阻降压起动相似的另一种电机起动方法是：主电路（串联）电抗器降压起动。在电阻的位置上采用电抗器（线圈）代替，因为电抗器从交流电源那里消耗较少的能量。通常，该方法更适用于额定值超过600V 的大电机。
7.4.4 自耦变压器降压起动
自耦变压器降压起动是另一种用于电机起动的方法，该方法使用一个或多个自耦变压器去控制施加到电机上的电压，所采用的自耦变压器通常是抽头式的，以提供一段起动电流的调控范围。当电机加速到正常转速附近时，自耦变压器从电路中去除。该方法的主要缺点是自耦变压器的成本较高。
自耦变压器降压起动电路如图7.9所示。这是一种造价昂贵的控制方式，使用了三个自耦变压器和四个继电器。
图7.9 三相电机的自耦变压器降压起动电路
当起动按钮被按下，电流流过线圈（1S ）、（2S ）和（TR ），1S 和2S 触点闭合，电压通过自耦变压器绕组施加到三相电机上。一个常闭和一个常开触点受延时继电器（TR ）的控制，当设定的延时周期一过，常闭的TR 触点将会打开，而常开的TR 触点将会闭合，线圈（R ）得电，使得常开R 触点闭合，施加全电压到三相电机。常闭R 触点与线圈（1S ）、（2S ）和（TR ）串联，线圈（R ）得电时，常闭R 触点断开线圈（1S ）、（2S ）和（TR ）的电路。当停止按钮按下，流过线圈（R ）的电流被中断，则断开电源与电机的连接。 注意：在图7.9中，使用了自耦变压器的65%处抽头。还有以下抽头：50%、80%和100%，用于为降低电机起动电流提供更大的灵活性。
7.4.5 星-三角起动
采用星-三角起动可能是更为经济的三
相电机起动方法，因为在星形配置下，线电压除以1.73（或 ）等于相电压，采用星形接法而不是三角形接法来降低起动电流是可能的。如图7.10所示，该方法采用切换接法：在起动阶段，电机定子绕组配置成星形接法，在运行阶段，配置成三角形接法。在这种方法中，起动电流得以降低，尽管启动力矩也降低了，但是运行力矩依然很高，因为当电机定子以三角形连接时，全电压跨接到每一个绕组上。
图7.10 三相电机星-三角起动电路
当图7.10中的起动按钮被按下，线圈（S ）得电，常开的S 触点则闭合，这一动作将电机绕组连接成星形连接，同时激活延时继电器（TR ）和线圈（1M ），常开的1M 触点则闭合，向星形连接的电机绕组供电。当延时周期一到，TR 触点改变状态，线圈（S ）失电，而线圈（2M ）得电，那么，保持电机绕组构成星形连接的S 触点断开，2M 触点闭合，使得电机绕组构成三角形连接。电机以定子绕组为三角形连接的方式继续运行。
7.4.6 直流起动系统
因为当直流电机没有旋转时，没有反电动势，所以，直流电机具有很大的起动电流，因此，直流电机必须采用某种类型的控制系统以降低启动电流，例如串联电阻的方法，可以采用手动或自动的方式减小电阻，直至全电压施加到电机上。常用于直流电机的四种控制系统为：①电流限制；②时间限制；③CEMF ；④变电压。电流限制方法使起动电流降低到一个指定的水平，然后增大的下一级电阻水平。限定时间方法使电机在指定的时间间隔内增大转速，不考虑电枢电流数值或电机的转速。CEMF 方法对电机电枢产生的CEMF 数值进行采样，以相应地减小串联的电阻，因为CEMF 与直流电机的转速和电枢电流成比例，所以该方法能有效地加以应用。变电压方法采用一个可变的直流电源最初向电机施加一个降低的电压，接着逐渐提高该电压，当采用变电压方法时，不需要串
联电阻。
7.5 正、反转控制
多数电机可以通过简单的修改它们绕组连线的方式使其反转。通常，电机需要两个磁接触器来完成正、反转操作，这些接触器与一组三按钮开关配合使用：正转、反转和停止按钮。当正转按钮开关被按下时，正转接触器得电。当停止按钮开关被按下时，接触器线圈失电。在反向运行时，也是同样的步骤。
7.5.1 直流电机反转
直流电机通过变换电枢绕组与电源的连接或励磁绕组与电源连接实现反转。图7.11所示为一直流并励电机的控制电路。当正转按钮被按下，线圈（F ）得电，使F 触点闭合，电枢电路通路完成：从L1，经低位F 触点，向上通过电枢，经上位F 触点，回到L2。按下停止按钮，使线圈（F ）失电。
当
反转按钮按下时，电机旋转方向就会反向，这是因为电枢电流方向放生了改变。按下反转按钮，线圈（R ）得电，触点R 均闭合，电枢电流通路从L1，经上位R 触点，向下通过电枢，经下位R 触点，回到L2。按下停止按钮使线圈（R ）失电。
7.5.2 单相感应电机反转
单相交流感应电机具有起动和运行绕组，通过采用图7.11所示电路实现电机旋转反向。电路修改为：用运行绕组替换掉并励磁场绕组，用起动绕组替换掉电枢绕组。单相感应电机通过改变启动绕组或者是运行绕组的连接实现反转，但是不能同时改变两者的连接。
7.5.3 三相感应电机反转
三相感应电机通过简单调换任意两条电源线而实现反向旋转，这一调换改变了施加到电机的电源相序。三相感应电机反转的控制电路如图7.12所示。
当正转按钮按下时，正向线圈将得电，并吸合F 触点。三相电压以L1到T1，L2到T2和L3到T3的相序施加到电机上，使电机正向旋转，按下停止按钮将使正向线圈失电。当反转按钮按下时，反向线圈将得电，并吸合R 触点。三相电压以L1到T3，L2到T2和L3到T1的相序施加到电机上，这样调换了L1和L3到电机的连线，使电机反向旋转。
7.6 能耗制动
当电机被断开电源后，其轴继续旋转一小段时间，这一段继续保持的旋转对于许多应用场合来说是不想要的。无论何时电源断开情况下，能耗制动是一种使电机快速停止的方法。当电源断开时，电阻就构成跨接在电枢两端的情形，这使电枢相当于一个带负载的发电机，这使电机的转速立刻下降。这种能耗制动方法如图7.13所示。
图7.13 用于直流并励电机的能耗制动电路
交流感应电机可以通过在电机绕组两端跨接一个直流电压的方法快速慢下来，该直流电压建立一个恒定的磁场，该磁场使转子快速慢下来。一个用于单相交流感应电机的能耗制动电路如图7.14所示。
图7.14 用于单相交流感应电机的能耗制动电路
第八章 用于控制的传感
8.1 引言（导论）
在反馈控制系统中，控制对象（plant ）的响应被测量并与一个参考输入进行比较，该误差被用于控制该对象。可以推出：测量系统是任何反馈控制的重要部分，构成了控制对象与控制器之间的重要联系。许多工程应用也需要用到测量，然而，在控制系统的应用中，测量过程必须是自动的。
一个典型的测量系统是由一个或多个传感器-变送器单元以及相关的信号调理装置组成（见图8.1）。滤波是为了去除不想要的噪声和放大增强所需要的信号，可以看作是信号调整，模数转换（ADC ）、数模转换（DAC ）、调制（Modulation ）、解调（demodulation ）都是信号调理的方法。注意：信号调节可以
看作是信号调整标题下的。尽管数据保存是一个典型的数据采集系统必不可少的功能之一，但是，并不是反馈控制系统得重要功能。正是因为这个原因，在本书中，我们将不对数据存储装置进行深入的探讨。在多路测量环境中，在信号调整之前或之后使用多路转换开关，为了在某一时刻从一组数据通道中选择一个被测信号用于后续处理。以这种方式，一套昂贵的硬件可以分时用于几个信号。尽管在数字控制应用场合，直接数字变送器逐渐盛行，但是传感器-变送器装置主要是模拟器件，用于产生模拟信号。当使用模拟变送器时，模数转换被用来将模拟信号转换成数字信号，以用于数字控制。这一信号调理处理要求以离散时间点对模拟信号进行采样。一旦一个数值被采样，该数值就被编码成数字表示，例如普通的二进制码、Gray 码、二进制-十进制码（BCD ）或美国信息交换标准码（ASCII ）。因模拟信号的瞬变特性而产生的模拟信号变化不应影响到ADC 过程。为了保证这一点，在每一个采样周期中需要一个采样保持操作。例如，在每个采样周期一开始，模拟信号的值被检测到（采样），并假定在整个采样周期内为常数（保持）。事实上，这就是零阶保持操作。为了保证控制系统的正常运行，多路转换、采样和数字化等操作必须在一个精确计时器件（时钟）的控制下完全同步。其流程如图8.2所示。
所有在测量流程中起辅助作用的器件可以看作是测量系统的部件。针对一个具体的应用或者是设计一个新的部件，对可获得的部件进行选择，主要依赖于这些部件的性能说明书和设计任务说明书。绝大多数由制造商提供的器件的额定参数是静态参数。然而，在控制应用领域，动态性能指标也很重要。
当两个或多个元件相连时，在整个系统中单个元件的性能，与每个元件单独运行时的性能相比，相差很大。在多元件系统中，为了提高系统性能和精度，元件匹配，尤其是元件的阻抗特性，必须认真地处理。
8.2 传感器与变送器
被测的输出量（或响应）称为被测量。这样的例子有：车辆的速度和加速度、过程对象的温度和压力、电路中的电流。一个测量装置在测量一个信号时，要经过两个阶段，第一，被测量被感知，接着，被测信号被变送（或转换）成适宜于传送、信号调理、处理、或驱动一个控制器和驱动机构的形式。正因如此，变送阶段的输出通常是一个电气信号。被测量通常是一个模拟信号，因为在反馈控制应用中，它通常代表着一个动态系统的输出。在直接数字变送器（传感器）中，其输出是离散的，这有利于传感器与数字处理器之间的直接接
口。
一个典型传感器（测量装置）的传感和变送阶段如图8.3（a ）所示。例如，考虑一个压电式加速度计的运行过程（见图8.3（b ））。在这个例子中，加速度是被测量。它先通过质量单元转换成惯性力，并施加到压电晶体上，在其（压电晶体）内部产生应变（应力）。这一阶段可以看作是传感阶段。应力在压电晶体的内部产生电荷，在加速度计的输出端呈现为一个电信号。这一应力到电荷或应力到电压的转换阶段，可以看作是传感器的变送阶段。
一个复杂的传感器（测量装置）可以有一个以上的传感阶段。更常见的是，在被测信号适宜于控制和执行应用之前，被测信号经历了几个变送阶段。传感器和变送器阶段均为功能级，而且在有的时候，不易甚至不能区分与其相连的物理原理。另外，在使用现有装置（传感器）时，这种阶段划分并不重要。然而，在设计新的测量仪器是，恰当地划分传感器和变送器阶段（物理地和功能地）是至关重要的。
在一些书籍中，信号调理装置也划为变送器，例如，电子放大器。由于我们将信号调理从测量装置（传感器）中分离出来，在本书中，尽可能地避免那种统一的分类方法。取而代之，术语变送器主要应用于测量仪器。然而，遵循这个惯例，传感器和变送器可以互换使用，用于表示测量仪器。
8.3 用于运动测量的模拟传感器
8.3.1 引言/导论/简介
对反馈控制来说，被控对象输出的测量是基本的。输出测量在过程的性能评价中也很有用。而且，在学习系统（例如，机械手的示教-重现操作）中，进行测量并将测量结果存储在计算机中，用于随后的系统运行。在前馈控制中，需要对输入量进行测量。因此，很明显，测量子系统是一个控制系统的重要组成部分。
控制系统的测量子系统包含传感器和变送器，它们检测被测量并将被测量转换成可接受的信号—通常是电压信号。接着，这些电压信号被适当的调理，所用的信号调理硬件有滤波器、放大器、解调器和模-数转换器。传感器和变送器与信号调理硬件之间的连接，阻抗匹配是必须的。
传感器、变送器和辅助信号调理装置的精度在控制系统应用是重要的，主要有两个原因。反馈控制系统的测量系统位于控制系统的反馈回路，尽管在开环系统中，测量可用于补偿不良特性，但测量本身的误差会直接进入系统，如果误差未知，则无法校正。而且，可以看出，控制系统对参数变化的敏感性在测量系统中是直接的，与开路部件敏感性情形不同，这种敏感性不能通过增大回路增益方法进行减小。因而，对反馈控制系统来说，其设计策略是使测量非常精确，并
采用合适的控制器降低其它类型的误差。
在反馈控制应用中，大多数传感器-变送器装置是产生模拟信号的模拟部件。即使是在实时直接数字控制系统中，也是如此。然而，当模拟变送器应用在数字控制场合时，为了获得被测信号的数字表示，必须采用某种类型的模数转换。所获得的数字信号应用数字方法进行后续调理和处理。
在传感阶段，被测信号可以看作是“传感单元的响应”。该信号被变送器转换成被传输的信号量。在这一方面，测量装置的输出可以看作是“变送器的响应”。在控制系统应用中，该输出信号通常（更可取地）是一个电气信号。注意，把电气信号到电气信号的
传感器-变送器看作是测量装置有些多余，尤其是在控制系统研究中，因为只有在电气信号被送入控制器或驱动系统之前，才需要进行调理。在这种意义上，电气信号到电气信号的变送可以被看作是一个“信号调理”任务而不是“测量”功能。
8.3.2 运动传感器
就运动而言，我们指的是四个运动学变量：
1) 位移（包括位置、距离、接近度和尺寸或厚度）；
2) 速度；
3) 加速度；
4) 冲击；
注意：每一个变量都是前一个变量的对时间的导数。在控制机械响应和动态系统中的相互作用中，运动测量很有用。可以列举众多的运动测量用于控制应用场合的例子。在机械加工操作控制中，工件的旋转速度和道具的进给速度均被测量；机器人操作臂或运动链的关节（旋转关节和平动关节）的位移和速度（两者都包括角位移和速度和平移位移和速度）被用于控制机械手的轨迹；在高速地面交通工具中，加速度和冲击测量用于主动悬架控制，以提高乘坐质量；在控制旋转机床应用中，角速度是一个至关重要的被测量，例如，涡轮机、泵、压缩机、电动机和电厂里的发电机；接近度传感器（测量位移和距离）和加速度计（测量加速度）是机器保护系统中的常用的两种测量装置，用于大型复杂机器系统的状态监控、故障检测、诊断和在线（通常是实时的）控制；加速度计通常是应用于动态测试装置控制中的唯一的测量装置；位移测量用于过程控制中的阀门控制；在轧钢厂中，钢板厚度由自动厚度控制系统（AGC ）连续监控。
在测量装置和被测变量之间，不一定存在一一对应的关系。例如，虽然应变片是测量应变（因而可测应力和力）的装置，但是，通过合适的前端辅助传感单元，例如，悬臂梁（或弹簧），它们可用于测量位移。而且，通过合适的数据解释方法，同样的测量装置可以用于测量不同的变量。例如，带有内嵌的微电子积分电路的压电式加速度计可以作为压电式速
度传感器上市销售。提供角位移的角分解器信号微分后得到角速度。脉冲发生型(数字) 传感器，例如光编码器和数字转速表，可以用作位移传感器和速度传感器，取决于是所产生脉冲的绝对数目还是脉冲速度被测量。注意：脉冲速度的测量，要么是通过测量单位时间间隔内的脉冲数目，要么是在脉冲宽度内选通一个高频的时钟信号。而且，原则上，任何力传感器都可以用作加速度传感器、速度传感器和位移传感器，取决于所采用的前端辅助传感单元是惯性元件（将加速度转换成力）、阻尼元件（将速度转换成力）、还是弹性元件（将位移转换成力）。
我们或许会质疑是否需要单独的传感器去测量这四个运动变量—位移、速度、加速度和冲击—因为任何一个变量是通过简单积分或微分与其它变量相关联的。只测量四个变量中的其中一个，并应用模拟处理（通过模拟电路硬件）或数字处理（通过专用的处理器）去获得任何一个剩余的运动变量，这种方法在理论上是可能的。然而，这种方法的可行性是高度受限的，并且取决于几个重要的因素，包括以下几个：
1) 被测信号的本质（例如，稳定性、高度瞬变性、周期性、窄带、宽带）；
2) 被处理信号的所需要的频率范围（或感兴趣的频率范围）；
3) 测量的信噪比；
4) 现有的处理能力（例如，模数转换处理、数字处理器的极限、以及接口、例如处理
速度、采样速率、以及缓冲区大小）；
5) 控制器要求和被控对象的本质（例如，时间常数、时延、硬件极限等）；
6) 最终目标所要求的精度（确定处理精度和硬件成本的依据）；
例如，一个信号的微分（在时域内）通常是不能接受的，因为充满噪声和高频窄带信号。无论如何，在信号微分之前，需要昂贵的信号条理硬件对信号进行预处理。作为经验法则，在低频应用场合（在1赫兹的量级上）唯一测量通常获得高的精度；在中频应用场合（小于1千赫），通常优先测量速度；在测量带有较高噪声的高频运动中，优先进行加速度测量；冲击通常应用于地面运输（乘坐质量）、生产制造（锻造、轧制、和类似于冲击类型的操作）以及振动隔离应用（灵敏和敏感的仪器）。
我们对运动传感器的讨论主要限于以下几种类型：
1) 电位计（电阻耦合器件）；
2) 变感传感器（电磁耦合器件）；
3) 涡流传感器；
4) 变容传感器；
5) 压电式传感器。
8.4 数字式传感器
8.4.1引言/导论/简介
任何传感器，当其产生的信息为离散采样值，并且以数字形式读取而不会产生量化误差时，都可以认为是数字传感器。在数字控制系统中，一个数字处理器扮演控制器角
色。这使得被测信号和其他已知量的复杂处理变得容易，以获得驱动控制系统被控对象的执行器控制信号。如果被测信号是模拟形式，那么一个模数转换阶段必须在数字处理之前进行。与数字处理相比，模拟信号存在其他几个缺点。这些需要考虑的事项帮助建立一个案例，有利于直接数字测量装置用于数字控制系统。 数字测量装置（或数字传感器，因为这种称谓为人熟知）产生离散输出信号，例如脉冲序列或可以由控制处理器直接读入的编码数据。不过，数字传感器的传感阶段与模拟传感器的传感阶段相类似。有一些数字传感器，集成了微处理器以执行数值运算和局部信号调理，并提供数字和模拟形式的输出信号。当所需的测量变量不直接可测，但能够利用一个或多个被测量计算得出时，这些测量系统尤其有用（例如，功率=力*速度）。尽管在这种情况下，微处理器是数字传感器的完整部分之一，但是，它执行的不是测量任务，而是信号调理任务。对于我们的目的来说，我们将两个任务分开考虑。
本节的目的是学习几种直接数字传感器的运行机理和使用方法。我们的讨论将仅限于运动传感器。然而，注意通过使用一个合适的前端辅助传感单元，其他的被测量—例如：力、力矩和压力—可以被转换成一个运动并随后被一个运动传感器所测量。例如，航空航天应用中的海拔高度（或压力）测量是由压力传感前端所测量的，例如，一个风箱或模板装置，与之相连的一个光编码器以测量所得到的位移。运动，正如物理系统所证明的，通常是在时间上连续的。因而，一般地，我们不能说数字运动传感器。实际上，在一个数字运动传感器中，是变送阶段产生离散的输出信号。市场上可购买的直接数字传感器不如模拟传感器那么多，但是，可购买到的有着广泛的应用。
当数字传感器的输出是脉冲信号时，一个计数器被用于对脉冲进行计数，或者对一个脉冲宽度内的时钟周期进行计数。这个计数值首先根据某种编码表示为一个数字“字”；接着由数据获取和控制计算机读入。在另一方面，如果数字传感器的输出自动地以一种
编码形式（例如，标准二进制、BCD 码，ASCII 码）输出，可以直接被计算机读入。在后一种情况下，编码信号通常由一组并行的脉冲信号产生；数字“字”取决于所产生脉冲的模式。
8.4.2 轴编码器
任何产生测量值的编码读数的传感器都称之为编码器。轴编码器是用于测量角位移和角速度的数字传感器。这些数字传感器的应用包括性能监控中的运动测量、机械手的控制、机床刀具、数字带式传送机构、绘图仪和打印机伺服控制、
卫星镜面定位系统、和旋转机械，例如：电动机、泵、压缩机、涡轮机和发电机。高分辨率（取决于编码输出的字长和编码器旋转一周的脉冲数）、高精度（主要取决于数字信号和上级结构对噪声的抵抗力）、以及相对容易在数字控制系统中使用（因为传感器输出是数字的）、伴随着能够降低系统成本和提高系统可靠性，是数字传感器超过模拟传感器的一些优点。{更好的翻译参看注释14}
根据传感器输出的本质以及对输出的解释方法，轴编码器可以分为两类：①增量式编码器；②绝对式编码器。增量式编码器的输出是一个脉冲信号，是被测运动导致传感器圆盘旋转而产生的。通过计数“脉冲的数目”或利用时钟信号计时“脉冲的宽度”，可以确定角位移和角速度的大小。然而，位移是相对于圆盘上的某些参考点而获得的，这些参考点以参考脉冲（索引脉冲）表示，而这些参考脉冲产生于圆盘的某一固定位置。索引脉冲数确定整圈的数目。
一个绝对编码器（或全字编码器）在传感器的圆盘上有许多脉冲轨道，但绝对编码器的圆盘旋转时，几个脉冲序列—等于圆盘上脉冲轨道的数目—同时产生。在一个给定的瞬间，每一个脉冲信号的量将为两个信号电平之一（即，是一个二进制状态），由电瓶监测器确定。信号的电平对应于一个二进制位（0或1）。因此，这组脉冲序列在任何瞬间给出一个编码的二进制数。在轨道上的脉冲窗口可以组织成某种编码模式，使得每一个二进制数对应于该二进制数被检测到时的编码器圆盘的角度位置。而且，脉冲电压可以兼容于某种形式的数字逻辑（例如；晶体管-晶体管逻辑，或TTL ）。因而，一个角位置的直接数字读数是可能的，可以加快数字数据获取和处理。绝对编码器通常用于测量整圈的一小部分旋转，而完整的旋转可以用辅助的脉冲轨道以产生索引脉冲，如增量式编码器的情形。
同样的信号产生和拣拾机理可以用于多种类型的传感器。传感器信号产生的四种方法分类如下：
1) 光学（感光）方法；
2) 滑动接触（电导）方法；
3) 磁饱和（磁阻）方法；
4) 接近觉感知方法
对于一个给定类型的编码器（增量式或绝对式），对于所有四种类型的信号产生方法，信号的解释方法来说，是相同的。
在许多控制应用中，编码器嵌入到被控对象内部，而不是从外部安装到旋转轴上。例如，在机械臂中，编码器是关节电机的一个完整的部分，并安装在电机的机壳之内。这样减小了连接误差（例如，由间隙、轴挠性和传感器和固定装置添加的谐振而导致的误差）、安装误差（例如，偏心距）和整体的成本。
8.4.3
数字转速仪
由于轴编码器也用于测量角速度，所以它们也可以看作是转速表。在标准的术语中，数字式转速表示一个采用有齿轮去测量角速度的装置。其示意图如图8.4所示。这是一个变磁阻的磁感应式转速表，轮子上的齿由铁磁性材料制成，两个磁感应接近探针沿轮子的径向朝向轮子放置，距离轮子四分之一齿距。当有齿轮旋转时，两个探针所产生的输出信号具有90度相位差。在一个旋转方向上，一个信号超前于另一个信号，而在相反的旋转方向上，该信号滞后于另一个信号。以这种方式，可以获得方向读数。速度的计算可以通过计数采样周期内的脉冲数或计时脉冲的宽度，和增量式编码器的情形一样。 这种数字转速表超过光编码器的优点包括：简单、鲁棒和成本低。缺点是分辨率低（取决于齿数、旋转速度和用于数据传输的字长）、和因加载、磁滞和加工的不规则性而造成的机械误差。
8.4.4霍尔效应传感器
考虑一个受直流电压Uref 的半导体单元，如果所施加的磁场垂直于该电压方向，那么，在半导体单元内部沿第三个垂直方向上，将产生一个电压Uo ，这种现象就是所谓的霍尔效应（是由E. H. Hall于1897年发现的）。一个霍尔效应传感器的示意图如图8.5所示。 一个霍尔效应传感器能够以多种方式用于运动测量—例如，用作模拟接近觉传感器、一个数字极限开关、或一个数字式轴编码器。因为输出电压信号Uo 随着磁源到半导体单元距离的减小而增大，所以，输出电压Uo 可以用于测量接近度。可替代地，输出电压Uo 的某个门槛电平可以用于激活一个数字开关，或生成一个新的数字输出，因而构成了数字极限开关。
一个更为实用的配置是：在一个封装之内，将半导体和磁源之间相对固定在一起。通过移动铁磁性部件进入磁源和半导体之间的气隙，它们之间的磁连接会发生改变。这样会导致输出电压Uo 的改变。这种配置方法适用于模拟接近觉传感器和极限开关。而且，如果一个有齿的铁磁性轮用于改变输出电压Uo ，我们就有了一个轴编码器或一个数字式转速表（见图8.6）。
一个纵向结构的接近度传感器，其移动部件是朝向传感器运动的，不适用于目标存在超调危险的情况，因为这样将会损坏传感器。一个比较理想的结构是侧向结构，其移动部件滑过传感器的感知面。然而，采用侧向结构，其敏感性将比较低。
输出电压Uo 与移动部件到霍尔效应传感器的距离x 之间的关系是非线性的，线性霍尔传感器利用标定对其输出进行线性化。
电气自动化专业英语第六, 七, 八章翻译
第六章的参考译文：仅供参考，不恰当的地方，请自行修改补充，欢迎通过Email （[email protected]）进行讨论和交流。?
6.1? 直流电动机的类型?
市场上可购买到的电动机基本上分为四种类型：①永磁直流电机；②串励直流电机；③并励直流电机；④复励直流电机。因其电路布局和物理性质，使得每一种电机具有不同的特点。?
6.1.1? 永磁直流电机?
永磁直流电机，如图6.1所示，其结构与相对应的直流发电机的结构相同。永磁直流电机用于低力矩的应用场合。当使用此种电机时，通过电刷-换向器装置，直接将电源连接到电枢导体上。磁场由安装在定子上的永磁体产生，永磁直流电机的转子是一个绕线式电枢。?
该类型电机通常采用铝镍钴合金或陶瓷永磁体，而不是励磁线圈。铝镍钴合金永磁体用于大马力的应用场合。陶瓷永磁体通常用于小马力低转速的电机。陶瓷永磁体具有较高的抗去磁能力，但磁通水平相对较低。这些磁体通常安装在电机的机壳上，并在电枢绕组插入之前进行磁化。?
永磁直流电机与传统的直流电机相比有几个优点，一个优点是降低了运行成本；永磁电机的速度特性与并励直流电机的速度特性相似；永磁电机的旋转方向可以通过调换两根电源线而实现反转。?
6.1.2? 串励直流电机?
直流电机电枢和励磁电路的接线方式决定了电机的基本特性。每一种类型的直流电机具有与之对应类型的直流发电机相似的结构，在多数情况下，唯一的区别在于发电机是作为一个电压源，而电动机是一个机械能转换装置。?
串励直流电机，如图6.2所示，其电枢和励磁电路以串联的方式连接起来。只有一条从直流电压源的电流通路。因而，励磁线圈由大线径导线、以相对少的匝数绕制而成的，使得励磁绕组的电阻较小。施加到电机轴上电机负载的变化导致流经励磁线圈的电流发生变化。如果机械负载增加，则电流也增大。增大的电流产生一个更强的磁场。串励电机的转速在空载下的很快与重载下的很慢之间变化。由于大电流流过励磁线圈，所以串励电机可产生大力矩输出。串励电机多用于重载和速度调节要求低的场合。一个典型的应用是汽车启动电机。?
6.1.3? 并励直流电机?
并励直流电机比其它类型的直流电机应用更广。如图6.3所示，并励电机的励磁线圈与电枢以并联的形式连接到直流电源。这种类型直流电机的励磁线圈由细径导线绕制多圈而制成，具有相对较高的电阻。由于励磁绕组是并励电机的高阻并联电路，所以，流经励磁绕组的电流较小。但是，由于磁场绕组的匝数很多，所以，仍然产生一个强大的电磁场。?
绝大多数（约95%）的并励电机电流
是流过电枢电路的（意味着只有约5%的电流流过励磁电路，也就是说该电流的大小变化不是很大，对磁场强度的影响就会很小）。因为励磁电流对磁场强度影响很小，所以电机转速受负载电流变化的影响很小。流过并励电机的电流关系如下所示：IL=Ia+If
其中，IL-是从电源流出的总电流；Ia 是电枢电流；If 是励磁电流。
励磁电流可以通过在励磁绕组电路上串联一个可变电阻而改变，因为励磁电流很小，所以采用一个低功率的变阻箱，通过励磁电阻的改变以改变电机的转速。当励磁电阻增大时，励磁电流减小。励磁电流减小，导致电磁场强度的下降。当磁场磁通下降是，电枢会转得更快一些，归因于磁场交互作用的减弱。这样，通过应用励磁变阻箱的方法，直流并励电机的转速可以很容易地发生变化。
并励绕线式直流电机具有非常好的速度调节特性。当负载增加时，电机转速有轻微的下降，其原因是电枢两端电压降增加。正是因为其良好的速度调节特性和易于速度控制的特点，直流并励电机通常应用于工业应用，许多类型的变速机床均由直流并励电机所驱动。
6.1.4 复励绕线式直流电机
复励绕线式直流电机如图6.4所示，拥有两组励磁绕组，一个与电枢串联，另一个与电枢并联。此种电机结合了串励电机和并励电机的优点。复励电机的连接方式有两种：积复励和差复励。积复励直流电机的串联和并联励磁线圈是互相增强的，而差复励直流电机的串联和并联励磁线圈是互相减弱的。串联励磁线圈的放置位置有两种方式，一种方式称之为短并励（如图6.4所示），在这种方式中，并励励磁线圈直接跨接在电枢绕组两端；而在长并励方式中，并励励磁线圈跨接在电枢绕组和串联励磁线圈的两端（如图
6.4所示）。
复励电机具有与串励电机相似的大力矩特点，同时也具有与并励电机相似的良好的速度调节特性的特点。因此，当需要大力矩和良好速度调节特性时，可以选用复励直流电机。复励直流电机的缺点是它的成本较高。
6.2 直流电机分析
一个直流电机是一个功率流向相反的直流发电机。在直流电机中，电能被转化成机械能。基于前面的讨论，有三种类型的直流电机：并励、积复励和串励。积复励电机前面加了一个“积”字，用以强调所串联的励磁线圈的方式确保串励磁通是增强并励磁通的。不象串励发电机那样，串励电机有着广泛地用途，尤其是在牵引类负载。因此本书后续部分给予此种电机应有的关注。（也可以翻译成：“因此，本书后续部分给予此种电机相当的笔墨。”）
根据其等效电路、一组性能方程、一个功率流向图和磁化曲线
，三种之中的任何一种直流电机的运行性能均可方便的加以描述。等效电路如图6.5所示，值得注意的是：在这里，电枢感应电压被看作一个反电动势Ea 。通过添加适当的约束，我们可以得到各种理想运行模式的等效电路。例如，对于串励电机，其恰当的等效电路是将图6.5所示等效电路中的Rf 去掉。
计算运行性能所需的一组方程如下所示：（式：6.1-6.4，省略）
注意最后的两个方程做了相应的修改，对以下事实做出解释：对于电动机来说，Ut 是施加电压或电源电压，必须等于电压降之和；同样地，线电流等于电枢电流和励磁电流之和，而不是二者之差。
功率流向图如图6.6所示，来自于电网的电能UtIL 提供了用于建立磁通的磁场能量和维持电流Ia 的电枢电路铜损。流过位于磁场内的电枢导体的电流导致了力矩的产生（F=BIL）。根据能量守恒定律可知：电磁功率EaIa 应等于TWm ，其中Wm 是稳态运行速度。从电机所产生的机械功率中去除旋转损失就是（系统的）机械输出功率。
直流电机经常被用来做一些工业上非常苛刻的工作，因为其高度的灵活性和易于控制的特点。这些优点是其他电磁能量转换装置所能比拟的。直流电机具有一个宽泛的速度控制和力矩控制，以及突出的加速和减速特性。例如，通过接入一个合适的电枢电路电阻，在启动时，可以在不超过额定电流的情况下，得到额定转矩；还有，通过对并励励磁线圈的特殊设计，可以轻松得到超过4:1的速度调节。如果辅助以电枢电压控制，速度调节范围可达6:1。在某些提供电枢和励磁电路直流能量的电子控制装置中，能达到的速度调节范围是40:1，不过，能够控制的电机的尺寸是有限的。
6.3 直流电动机的速度-力矩特性（机械特性）
直流电机如何对施加到电机轴上负载做出反应？直流电机自适应地向负载提供所需能量的机理是什么？这些问题的答案可以通过对性能方程组的推导而得出。首先，我们的注意力放在并励直流电机上，但是，类似的推导思路可以应用到其它类型的直流电机上。为了我们的目标，两个相关的描述力矩和电流的方程，即：T=KT*Phi*Ia和XXX （6.5式省略）。注意最后一个表达式是由式6.1替代式6.3中的Ea 所得到的。当空载时，唯一所需力矩用于克服旋转损失。因为并励电机运行在恒定的磁通下，式T=KT*Phi*Ia（6.2）表明：与额定值相比，只需要一个很小的电枢电流以提供那些（旋转）损失。式（6.5）揭示了电枢电流到达所需数值的方式。在这个表达式中，Ut 、Ra 、KE 和Phi 均为固定值，因此，转速n 就是一个关键变量。对于某一瞬间，如果假设转速低于某一数值，那么式（6.5）的分子
项呈现一个较大数值，反过来使得电流Ia 为一个较大的值。从这一点上来说，电机做出反应来改正这一情形。大的电枢电流Ia 产生一个超过摩擦力和风阻的力矩，该力矩将增加转速到一个与电枢电流平衡值相对应的水平上。换句话说，只有在转速到达这样的一个水平上--由公式（6.5）所产生的电枢电流足以克服旋转损失，加速力矩才变成零。
接下来考虑这样一个情形：当一个需要额定力矩的负载突然施加到电机转轴上。很清楚，因为在这一瞬间，电机所产生的而力矩只能够克服摩擦力和风阻，而不足以克服负载力矩，所以，电机的第一个反应是失速（速度下降）。这样，正如式（6.5）所示的那样，电枢电流增大，反过来使得电磁力矩增大。事实上，施加力矩导致电机在某个转速下运转，此时电机的电流足以产生力矩以克服所施加的力矩和摩擦力矩。达到所谓的功率平衡，此时，达到一个平衡条件：电磁功率EaIa 等于机械功率TWm 。
直流电机与三相感应电机的对比表明：从施加到转轴上的负载的响应来看，两者都是速度敏感型装置。然而，一个本质的区别在于对于三相感应电机来说，所产生的力矩与电枢电流的功率因数角大小成反比。当然，对于直流电机来说，没有类似的情形。
基于上述讨论，很明显，直流电机的速度-力矩特性曲线是一个重要的性质。图6.7所示是用于并励、复励和串励电机的速度-力矩特性的一般形状。为了便于比较，这些曲线通过了一个共同的额定力矩和额定转速点。要理解为什么曲线的形状和相对位置会如图
6.7所示，可以从式（6.1）中得到答案，其含有速度项。对于并励直流电机来说，速度方程可以记作：
（6.6）
式子中的变量只有转速n 和电枢电流Ia 。在额定输出力矩情况下，电枢电流为额定值，转速也为额定值。当负载去除后，电枢电流相应地变小，使得式（6.6）的分子项变大，其结果是导致较高的转速。转速增高的程度取决于电枢电阻压降与端电压相比有多大，通常约为5%-10%。因而，我们可以想象出并励电机的转速变化百分比大致为这一量级。速度变化用一个称为转速变化率的品质因数来表示，其定义如下：
（6.7）
当速度方程应用于积复励电机时，其形式为：
（6.8）
将其与并励电机的类似表达式比较可以得出两点不同：1）分子项中包含除电枢绕组之外的串励励磁绕组的电压降；2）分母项增加串励磁通量Phis 。假设从额定力矩和转速处开始，从式（6.8）可以清楚地看出：当负载力矩减小为零时，分子项有一个增长，该增长大于并励电机情况下的增长，而且，与此同时，分母项有所减小，因为当
转矩为零时，Phis 也为零。两种因素同时作用使得转速有一个大的增长。因此，积复励电机的转速变化率大于并励电机的转速变化率。图6.7图示地描述了该信息。
串励电机的速度-力矩特性情况有很大的不同，因为它没有并励的励磁绕组。牢记：在串励电机中，磁场磁通的建立完全来自电枢电流流过串励励磁线圈。那么，据此而论，串励电机的速度方程变为：
（6.9）
其中 表示一个新的比例因子，使得 可以由电枢电流Ia 所代替。当额定力矩产生时，电枢电流为额定电流，因而，磁场磁通是足够的。然而，当负载力矩撤销时，电枢电流就小于额定值。现在，由于Ia 出现在速度方程的分母项中，显而易见，转速会有较大的增长。事实上，如果将负载从电机轴上去除，将会导致危险的高速旋转（俗称“飞速”），因为电枢电流很小。在如此高速旋转下，离心力能够轻易地损坏电枢绕组，正是因为这个原因，串励电机绝对不允许空载运行（或很轻的负载运行）。（通常规定：串励电动机与生产机械相连时，不允许采用皮带等容易发生滑脱的传动机构，而应采用齿轮或直接联轴器来拖动）
因为在串励电机中，电枢电流直接与气隙磁通相关联，关于输出力矩的式（6.2）可以修改并记作如下形式：
（6.10）
因此，对串励电机来说，输出力矩是电枢电流平方的函数，这表明与输出力矩与电枢电路成线性关系的并励电机是相反的（是非线性关系）。当然，复励电机则呈现一种介于两者之间的一种关系。值得注意的是：当串励电机做出反应以产生大的力矩时，转速也相应地下降了。正是这种能力，使得串励电机非常适用于牵引型负载。
直流电机超越其他类型电机的另一引人注目的优点是相对容易地实现速度控制。各种各
样的速度控制策略可以从式（6.6）中推导出来，重复列写如下，其中有一处修改：
（6.11）
修改之处在于包含了一个外加的电枢电路电阻Re 。通过对式（6.11）的观察，发现：速度控制可以通过调节式子右侧的三个参数之一而实现，它们是： 、 和 。最简单的方法是调节 ，采用如图6.5所示的励磁变阻箱，如果励磁变阻箱的电阻增大，则气隙磁通减弱，将产生更高的旋转速度。一般用途的并励直流电机通过此种速度控制方法实现200%的额定转速控制。然而，因为弱化了磁场磁通，高速时（所发出）的允许力矩要相应地减小，为了防止过高的电枢电流。
调速的第二种方法是采用外加的电阻 ，其连接在电枢电路上，如图6.8所示。该电阻的尺寸和成本远大于励磁变阻箱的尺寸和成本，因为 必须能够应付全部的电枢电流。式子（6.11）
表明：电阻 越大，速度调节范围则越广。通常情况下，外加电阻以提供额定转速下降50%的大小来选择。该方法的主要缺点是运行效率差，例如：速度下降50%，电阻 两端将有一半的终端电压降，相应地，约50%的电网输入能量在电阻 中以发热的形式消耗掉了。尽管如此，电枢电路阻抗控制方法经常会用到，尤其是对于串励直流电机。
第三种也是最后一种速度控制方法是调整终端电压。从应用灵活性和运行效率的角度来看，该方法是最理想的。但是，因为需要独立的直流电源，该方法是最昂贵的。该方法意味着必须要买一套电机发电机组，其容量至少要等于被控电机的容量。这样的费用通常是不合理的，除非对于那些用该方法获得超高性能而不可缺少的情况，例如在轧钢应用场合，终端电压控制，又称为Ward-Leonard 系统。
6.4 三相感应电动机
感应电机的一个突出优点就是它是一个单励电机。虽然此类电机具有一个励磁绕组和一个电枢绕组，但是，在正常的使用过程中，电源直接连接在一个绕组上，即励磁绕组。通过电磁感应，电流流过电枢绕组，这就形成了载流导体分布，与磁场分布相互作用而产生一个单方向的净力矩。载流体中感生电流的频率受载流体所在的转子旋转速度的影响。然而，转子转速和电枢电流频率之间的关系导致了定子磁动势和转子磁动势相对静止【见许实章《电机学》229(pdf页数，而非页码) 】。结果，单励的感应电机能够在任意一个低于同步转速产生力矩。正因为这个原因，感应电机被归为异步电机之列。与其相反，同步电机是一种只能在一个转子转速下产生净力矩的机电能量转换装置【参看许实章《电机学》有关同步电机内容】。同步电机的突出特点是其为双边励磁装置，除了用作磁阻电动机（凸极无励同步电动机）之外。
三相感应电机的突出结构特点在5.3节中已加以描述。因为感应电机是单边励磁的，所以，励磁电流和做功电流从同一线路中流过是必须的。而且，因为在感应电机的磁路中存在气隙，所以外加电压要产生相当数量的励磁电流用来建立所需的每一磁极的磁通。通常情况下，三相感应电机的励磁电流大小为额定电流的25-40%。因此，可知感应电机运行在轻载情况下，功率因数很低；在额定功率输出附近，功率因数略小于1。 控制器的基本功能是提供正确的启动、停止和反转，同时不给电机、其他负载和电源系统带来损坏或不方便。而且，控制器还完成其他有用的功能，主要如下:
（1）限制启动力矩。过大的启动力矩会损坏某些连接到电机轴上的负载。例如，风扇
叶片会折断，或存在间隙的齿轮传动
箱会断齿。控制器在启动时降低电压，并随着转速的提高而协调地增大到全电压。
（2）限制启动电流。多数超过2.38千瓦的电机不能直接通过三相电网启动，因为这样会造成过大的启动电流。回想一下：在单位转差率下，电流只取决于通常很小的漏磁阻抗，大电机情况下漏磁阻抗更小。大启动电流很令人讨厌，因为会造成电灯闪烁、可能使其他相连的电机停转。降压启动很容易地消除这一烦人的问题。
（3）提供过载保护。所有通用的电机均设计为连续输出满负荷而无过热。然而，如果某种原因造成电机连续输出150%额定功率的话，电机会提供所需功率直到在运行过程中烧毁。电机的功率等级划分是基于励磁绕组和电枢绕组所用绝缘材料所能容忍的允许温升的。铜损产生热而导致温度升高。只要这些铜损没有超过额定值，对电机来说就没有危险，但是，如果超过所允许的值，就会造成损坏。保持温升在安全范围之内是电机运行的内在要求。因此，提供此种保护也是控制器的功能。通过选用合适的延时继电器可以实现过载保护，延时继电器对电机线电流产生的热很敏感。
（4）提供欠压保护。长时间降压运行对电机有害，尤其是当负载需要额定功率时。如果线电压下降到预设值之下时，在控制器作用下，电机自动地与三相电源断开连接。
6.5 三相感应电动机的速度-力矩特性
转矩随速度或转差率的变化是三相感应电机的一个重要特性。该曲线的一般形状可以根据基本的转矩方程（6.12）和性能计算步骤等确定下来。
（6.12）
其中，p-磁极对数
Z2-电枢绕组的导体数目
Kw2-电枢绕组系数
I2-每相电枢绕组电流
当电机运行在小转差率情况下，例如空载，转子电流几乎为零，使得所输出的力矩只能够提供旋转损失。当转差率从零升高到10%时，公式（6.13）表明电机电流的增长几乎为线性。
（6.13）
这是因为阻抗的虚部sx2与r2相比很小。而且，表明公式（6.12）中的相位角 等于转子的功率因数角 ，即：
（6.13）
当转差率继续增加时，电路继续增加，但是与起先先比，增幅有所下降。其原因在于转子阻抗中虚部sx2的比重增加；另外，相位角 开始快速增大，使得cos 的减小速度大于电流的增大速度。由于转矩方程中包含有两个对立的系数，完全有理由得到这样一个转折点，在该点之后，随着转差率继续增加会导致所产生的力矩减小。换句话说，公式（6.12）中快速减小的系数cos ，超过了轻微增加的系数I2。随着相位角 的增大，用于产生力矩的磁场变得越来越没有作用，因为，在给定的磁极磁通下，出现了越来越多的产生负向力
矩导体，因此，合成的整个机械特性曲线呈现如图6.9所示的形状。
当转差率为1时，即，转速为零时，所产生的力矩为启动力矩。图6.9所示的情况表明：此种电机的启动力矩是稍稍超过额定转矩的，对于某种电机来说是很典型的。启动力矩的计算方法同任何转差率下的力矩计算方法一样，只不过是S=1而已，转子电流的数值是固定的，为：
（6.15）
对应的气隙功率为：
（6.16）
这里，q-为电枢绕组的相数
令人感兴趣的是提高静止时的铜损会带来更高的启动力矩。
在单位转差率下，输入阻抗很低，以至于流过大的启动电流。公式（6.15）很清楚地说明了这一点。为了限制过大的启动电流，额定功率超过2.38Kw 的电机通常采用降压启动的方法启动，当然，在降压启动方式下，启动力矩也会减小。事实上，如果启动时采用50%额定电压的话，那么，由公式（6.16）可以清楚地得出：启动力矩只有全压情况下的四分之一。
三相感应电机的另一个重要力矩参数是最大输出力矩。该参数很重要，以至于该参数经常是电机设计的出发点，最大力矩（极限力矩）是衡量电机储备功率的一个指标，其经常是额定转矩的200-300%，允许电机短时间内运行在峰值负载。然而，不能连续输出最大负载，因为过大的电流会损坏电机的绝缘。
因为输出力矩与气隙功率成正比，所以，当力矩最大时，气隙功率Pg 也是最大的，另外，当最大传递功率传递到等效电路电阻 时，气隙功率最大。应用最大功率传输定律于等效电路，可得如下结果：
（6.17）
即，当气隙电阻 等于电源的输出阻抗时，最大功率传输到气隙电阻 上。因此，在最大力矩处的转差率Sm 由下面公式推出：
（6.18）
注意：采用大的转子电阻可以提高发生最大力矩时的转差率数值。事实上，一些感应电机被设计成以最大力矩作为启动力矩，即Sm=1。
最大力矩处的转差率Sm 已知，对应的转子电流可以得出，带入力矩方程可以得出极限力矩，即：
（6.19）
审视公式（6.19）可以发现有趣的信息：最大转子绕组的电阻无关，因而，提高转子绕组的电阻，会提高发生极限力矩处的转差率，但保持力矩大小不变。图6.10显示增大转子电阻后的机械特性。（以上内容仅供参考）
第七章的参考译文：仅供参考，不恰当的地方，请自行修改补充，欢迎通过Email
（[email protected]）进行讨论和交流。
第七章 电机控制系统
前面章节主要讨论了电机的类型和结构特点。本章将概述几种用于电机的功率控制系统。
7.1 控制符号
熟悉那些通常应用于电机控制系统的电气符号是很有必要的，一些常用的电机控制符号如图7.1
所示。
7.2 用开关来控制电机（电机的开关控制）
电机控制的一个重要类型是通过开关器件来控制。许多类型的开关可以用于控制电机，开关的功能是闭合和断开一个电路，然而，还可以实现很多复杂的功能。
7.2.1 闸刀开关（toggle switch）
闸刀开关是最简单的开关类型之一，几种闸刀开关的电气符号如图7.2所示。注意这些符号用于表示多种类型的闸刀开关。
7.2.2 按钮开关（pushbutton switch）
按钮开关广泛应用于电机控制。许多电机应用场合使用按钮开关作为控制电机起动、停止和反转的途径。按钮由手工操作实现电机控制电路的断开与闭合。用于控制电机的按钮有多种类型。按钮通常安装在被称为电机控制台的机壳上。
通常，按钮要么是常闭型、要么是常开型，然而，在实际应用中会有一些变化。一个常闭型按钮是闭合的，直到其被手动按下，当其被按下时，将会断开一个电路；常开型按钮是断开的，直到其被手动按下，一旦被按下，将会闭合一个电路。电机控制台的“起动”按钮是常开型的，而“停止”按钮是常闭型的。
7.2.3 旋转开关（Rotary switch）
另一种常用的开关是旋转开关，通过采用旋转开关可以将许多不同的开关组合连接起来。旋转开关的轴上安装有一组可动触点，当转轴被旋转到不同位置时，这些可动触点与安装在瓷片上的不同静止触点相结合，在任何一个位置处，转轴可以锁定位置。旋转开关通常通过手动顺时针或反时针旋转转轴进行控制。通常在转轴的末端安装一个手柄，用于更容易地转动转轴。
7.2.4 限位开关（Limit switch）
限位开关仅仅是一个开通/关断的开关装置，其通过机械运动改变电气控制电路的运行。机械运动产生的电气控制电流用于限制机床的运动，或改变器运行顺序。在工业上，限位开关常被用于顺序、行程、分类和计数等操作，它们常常被用于液压和气动控制、电气继电器或其他电机驱动的机床，例如钻床、车床或传送系统。
其最基本形式是，限位开关将机械运动转变为一个电气控制电流。注意凸轮机构，其为通常安装在机床上的一个外部零件。凸轮施加外力到限位开关的执行机构上。执行机构是限位开关的一个部件，使内部常开或常闭触点改变状态。执行机构运行要么归因于凸轮机构的直线运动，要么归因于凸轮机构的旋转运动，这些运动施加力到限位开关。与限位开关相关的其他专业术语有：预行程和过行程。预行程是改变限位开关的常开或常闭触点状态之前，执行机构必须运动的一段距离。过行程是状态改变后执行机构运动的一段距离。在限位开关使用的机器装置中，预行程和过
行程是很重要的参数。
7.2.5 温控开关（Temperature switch）
温控开关是控制装置中常用的一种开关。温控开关的控制元件由一定数量的液体组成。当温度升高时，这些液体的体积增大。因而，温度上的变化可以用于改变温控开关机壳内的一组触点位置。在一定温度设定范围内，温控开关是可调的。
7.2.6 压力开关（Pressure switch）
另一种电气控制元件是压力开关。压力开关有一组电气触点，其状态的改变归因于空气、流体、水或其他媒介的压力变化。一些压力开关是薄膜驱动的，依赖于媒介，例如空气，的吸入和排出，其动作发生在机壳内的薄膜机构上。另一种类型的压力开关采用活塞机构，触发开关触点的断开或闭合，在这种方式下，活塞的运动受媒介（空气、水、等）压力控制。
7.2.7 脚踏开关（Foot switch）
脚踏开关是一种由脚踏板控制的开关，该类开关用于机床操作人员在机床运行过程中双手被占用的场合下。脚踏开关为机床的运行提供了一个额外的控制位置，例如双手不能使用的场合。
7.3 电机的控制设备
几种机电设备被用于电机控制，控制设备的选择影响系统的运行效率和机床的性能。为每种电机控制应用场合选择合适的控制设备是很重要的。本节将讨论几种用于电机控制的设备。
7.3.1 电机起动控制
一个电机起动装置是一类电机控制设备，用于将电机从“停止”状态加速到正常运行速度。在电机起动设计中有多种变化，最简单是手动操作串联在一根或多根电源线上的开关进行起动。该类型的起动通常用于小型电机，其不会产生过大的起动电流。
一种类型的电机起动装置是磁起动器，利用电磁原理断开或闭合电机的电源电路。通常，电机的起动装置和起动控制设备组合在一起用于控制附近的电机，这些组合的起动器和相关控制设备称之为功率控制中心。由于控制中心结构紧凑、并且控制设备没有大面积分散，所以很容易连接到电源系统。
几种电机起动器用于电机的控制，起动器的功能根据复杂程度而变化；然而，通常需要完成一种或几种如下的功能：①开通、断开控制；②加速；③过载保护；④反向旋转 一些起动器通过直接连接电源线的方式控制电机，另一些起动器降低起动时施加到电机上的电压水平，从而降低了起动电流。通常，电机过载保护也包含在电机起动器的机壳内。
典型的电机接触器电路如图7.3所示。几种驱动电机的起动器采用接触器作为主要的控制元件。按下图7.3中所示的起动按钮，闭合了接触器线圈的低电流通路，接触器线圈产生吸引电枢的电磁场，电枢的机械运动通过一系列触点闭合了电源和电
机之间的电气通路。但这些动作发生时，电机开始它的运行周期。
电枢左侧的线圈触点在同一电枢运动下结合在一起，结果，此时释放起动按钮不会使接触器线圈失电，通向线圈电源的通路是闭合的，其通过了停止按钮和电枢上的线圈触点，因此，只要有电，电机就继续运行，用作此项功能的触点成为保持触点（自锁触点）。
通过按下停止按钮实现接触器控制电机的停止运行，该动作断开了接触器线圈的电源，致使电枢退出吸合位置，与电机串联的接触器触点断开，使电机失电，电机通路断开则电机立即停止。
电机接触器的继电器动作设计成具有自锁功能，一旦上电则保持其操作，在电机控制应用中，这个条件是必须的。另外，接触器也能以一个特定顺序来执行一系列操作。电机接触器运行原理的电路图和简要解释如图7.4所示。①按下起动按钮，电路闭合，电流从电压源出发，流经常闭停止按钮、起动按钮、接触器线圈，回到电源另一侧，使得线圈得电，而所有触点闭合；
②触点闭合，电机开始旋转，因为AC 电压通过触点施加到电机上，在起动按钮释放后，自锁触点保持了通向线圈的电流通路的完整；
③电机旋转；
④按下停止按钮，打开常闭停止按钮的瞬间，电流通路也就断开了，线圈失电，使得触点断开；
⑤电机将停转
7.3.2 继电器
继电器是广泛使用的控制装置，具有一个含有静止铁心的电磁铁，靠近铁心的一端安装一个由铁磁性材料制成的可动部件，称之为电枢。当铁心上电时，在铁心附近产生一个电磁场，电枢被吸向铁芯；当线圈失电时，电枢在弹簧的作用下回到原始位置。图7.5所示为继电器用于控制电机的简图。
通常，继电器电枢被设计成：电气触点响应电枢的运动。继电器线圈得电导致触点根据继电器设计要求进行“闭合”或“断开”，一个继电器被看作是一个电磁开关机构，有多种专用继电器和开关组合用于电机控制。
继电器用一个小电流建立一个足够强的磁场以吸引电枢，当电枢被吸引时，要么断开触点，要么闭合触点，则这些触点要么断开、要么闭合一个大电流通路。流过继电器线圈的用于建立足够强磁场吸引电枢的最小电流称之为吸动电流；流过继电器线圈的所产生的磁场不足以吸引电枢的最大电流称之为开断电流；
大多数继电中有两种类型的触点：常开和常闭。常开触点在线圈失电时保持常开，而当线圈得电时闭合；常闭触点在线圈是失电时保持常闭，而当线圈得电时断开。
7.3.3 螺线管
螺线管如图7.6所示，是一个带有可动铁心的电磁线圈，可动铁心由磁性材料构成。有时，铁心或活塞连在
一个外部弹簧上，该弹簧使活塞保持在固定位置，直到活塞被流过线圈电流所产生的磁场驱动，当线圈掉电时，外部弹簧使活塞或铁心回到原始位置。 螺线管被用于多种控制场合，许多燃气炉或燃油炉采用螺线管阀门，根据实际需要以打开或关闭燃料供应；大多数洗碗机采用一个或多个螺线管阀门以控制水流。
7.3.4 专用继电器
在电机控制中，有许多专用继电器，通用继电器是应用于低功率场合的一类继电器，它们相对便宜而尺寸较小，许多小型通用继电器常常安装在八脚插座内。自锁继电器是另一种类型的继电器，它具有自锁机构，能够在电源从线圈移除后，继续保持触点的位置。固态继电器是电动的，用于必须提高可靠性或操作快速型的场合，一般电磁继电器长期使用后会损坏，因而必须定期更换；固态继电器具有较长的寿命，而且对冲击、振动、
灰尘、潮湿或腐蚀不敏感。延时继电器用于在一段时间之后打开或关断负载，常用的一类延时继电器是气动式的，气动式延时继电器的运行取决于腔体内空气的运动，空气运动受可调小孔的控制，该孔用于调节通过腔体的空气运动速度，气流速度决定了膜片或活塞机构的运动速度，这些机构与继电器的触点相连，因此，调节小孔控制气流速度，而气流速度决定了从继电器活动到连接其上的负载接通或断开的时间长短。也有另外几种类型的延时继电器，例如固态的、温控的、充油式、阻尼式、和电机驱动式定时器等。延时继电器对于循序操作很有用，各个操作之间需要一定的时间延迟。一个典型的应用如下：①按下起动按钮；②延时继电器激活；③10秒钟延时后，电机开始运行；
7.4 电机起动系统
电机起动系统，尤其是对于大功率电机来说，在电机的高效运行方面起着重要的作用。几种系统被用于电机起动，所使用的起动控制设备被置于电源和电机之间。在起动过程中，电机流过的电流大于正常运行时所流过的电流，电机起动设备常用于减小起动电流到电源系统能够处理的水平。
7.4.1 全压起动（直接起动）
一种起动方法称为全压起动，该方法是最便宜而且最易于安装的，因为全部电源电压一开始就被施加到电机上，所以产生最大的力矩和最小的加速时间，然而电源系统必须能够承受电机所流过的起动电流。
全压起动电路如图7.7所示。
图7.7 三相电机全压起动电路
在这个电机控制电路中，起动-停止按钮用于控制三相电机，当常开的起动按钮被按下，电流通过继电器线圈（M ），使常开型触点闭合，当线电压触点闭合时，全电压被施加到电机上。当起动按钮被释放时，继电器线
圈因自锁触点而保持得电，该触点提供了一条电流通路，从L1出发，经过常闭型停止按钮、自锁触点、线圈（M ）、温控过载继电器，回到L2。当停止按钮被按下，电路断开导致线圈失电。
7.4.2 主电路（串联）电阻降压起动
另一种起动方式称之为主电路（串联）电阻降压起动，该方法采用大电阻串联在电机的主电路中，以减小电机起动电流。通常，连接到电源线的电阻是逐步减小的，直到全电压被施加到电机上，因此，根据串联电阻的大小，起动电流被降低；根据电流的大小，起动力矩也被降低。
图7.8所示为用于控制三相电机的主电路（串联）电阻降压起动。
图7.8 主电路（串联）电阻降压起动
当起动按钮被按下，线圈（S ）和线圈（TR ）得电，起动触点将闭合，电压通过主电路电阻施加到电机上，这些电阻降低了起动电流。一旦延时继电器的延时时间一过，触点TR 闭合，运行触点R 将闭合，将全电压施加到电机上。
7.4.3主电路（串联）电抗器降压起动
与主电路（串联）电阻降压起动相似的另一种电机起动方法是：主电路（串联）电抗器降压起动。在电阻的位置上采用电抗器（线圈）代替，因为电抗器从交流电源那里消耗较少的能量。通常，该方法更适用于额定值超过600V 的大电机。
7.4.4 自耦变压器降压起动
自耦变压器降压起动是另一种用于电机起动的方法，该方法使用一个或多个自耦变压器去控制施加到电机上的电压，所采用的自耦变压器通常是抽头式的，以提供一段起动电流的调控范围。当电机加速到正常转速附近时，自耦变压器从电路中去除。该方法的主要缺点是自耦变压器的成本较高。
自耦变压器降压起动电路如图7.9所示。这是一种造价昂贵的控制方式，使用了三个自耦变压器和四个继电器。
图7.9 三相电机的自耦变压器降压起动电路
当起动按钮被按下，电流流过线圈（1S ）、（2S ）和（TR ），1S 和2S 触点闭合，电压通过自耦变压器绕组施加到三相电机上。一个常闭和一个常开触点受延时继电器（TR ）的控制，当设定的延时周期一过，常闭的TR 触点将会打开，而常开的TR 触点将会闭合，线圈（R ）得电，使得常开R 触点闭合，施加全电压到三相电机。常闭R 触点与线圈（1S ）、（2S ）和（TR ）串联，线圈（R ）得电时，常闭R 触点断开线圈（1S ）、（2S ）和（TR ）的电路。当停止按钮按下，流过线圈（R ）的电流被中断，则断开电源与电机的连接。 注意：在图7.9中，使用了自耦变压器的65%处抽头。还有以下抽头：50%、80%和100%，用于为降低电机起动电流提供更大的灵活性。
7.4.5 星-三角起动
采用星-三角起动可能是更为经济的三
相电机起动方法，因为在星形配置下，线电压除以1.73（或 ）等于相电压，采用星形接法而不是三角形接法来降低起动电流是可能的。如图7.10所示，该方法采用切换接法：在起动阶段，电机定子绕组配置成星形接法，在运行阶段，配置成三角形接法。在这种方法中，起动电流得以降低，尽管启动力矩也降低了，但是运行力矩依然很高，因为当电机定子以三角形连接时，全电压跨接到每一个绕组上。
图7.10 三相电机星-三角起动电路
当图7.10中的起动按钮被按下，线圈（S ）得电，常开的S 触点则闭合，这一动作将电机绕组连接成星形连接，同时激活延时继电器（TR ）和线圈（1M ），常开的1M 触点则闭合，向星形连接的电机绕组供电。当延时周期一到，TR 触点改变状态，线圈（S ）失电，而线圈（2M ）得电，那么，保持电机绕组构成星形连接的S 触点断开，2M 触点闭合，使得电机绕组构成三角形连接。电机以定子绕组为三角形连接的方式继续运行。
7.4.6 直流起动系统
因为当直流电机没有旋转时，没有反电动势，所以，直流电机具有很大的起动电流，因此，直流电机必须采用某种类型的控制系统以降低启动电流，例如串联电阻的方法，可以采用手动或自动的方式减小电阻，直至全电压施加到电机上。常用于直流电机的四种控制系统为：①电流限制；②时间限制；③CEMF ；④变电压。电流限制方法使起动电流降低到一个指定的水平，然后增大的下一级电阻水平。限定时间方法使电机在指定的时间间隔内增大转速，不考虑电枢电流数值或电机的转速。CEMF 方法对电机电枢产生的CEMF 数值进行采样，以相应地减小串联的电阻，因为CEMF 与直流电机的转速和电枢电流成比例，所以该方法能有效地加以应用。变电压方法采用一个可变的直流电源最初向电机施加一个降低的电压，接着逐渐提高该电压，当采用变电压方法时，不需要串
联电阻。
7.5 正、反转控制
多数电机可以通过简单的修改它们绕组连线的方式使其反转。通常，电机需要两个磁接触器来完成正、反转操作，这些接触器与一组三按钮开关配合使用：正转、反转和停止按钮。当正转按钮开关被按下时，正转接触器得电。当停止按钮开关被按下时，接触器线圈失电。在反向运行时，也是同样的步骤。
7.5.1 直流电机反转
直流电机通过变换电枢绕组与电源的连接或励磁绕组与电源连接实现反转。图7.11所示为一直流并励电机的控制电路。当正转按钮被按下，线圈（F ）得电，使F 触点闭合，电枢电路通路完成：从L1，经低位F 触点，向上通过电枢，经上位F 触点，回到L2。按下停止按钮，使线圈（F ）失电。
当
反转按钮按下时，电机旋转方向就会反向，这是因为电枢电流方向放生了改变。按下反转按钮，线圈（R ）得电，触点R 均闭合，电枢电流通路从L1，经上位R 触点，向下通过电枢，经下位R 触点，回到L2。按下停止按钮使线圈（R ）失电。
7.5.2 单相感应电机反转
单相交流感应电机具有起动和运行绕组，通过采用图7.11所示电路实现电机旋转反向。电路修改为：用运行绕组替换掉并励磁场绕组，用起动绕组替换掉电枢绕组。单相感应电机通过改变启动绕组或者是运行绕组的连接实现反转，但是不能同时改变两者的连接。
7.5.3 三相感应电机反转
三相感应电机通过简单调换任意两条电源线而实现反向旋转，这一调换改变了施加到电机的电源相序。三相感应电机反转的控制电路如图7.12所示。
当正转按钮按下时，正向线圈将得电，并吸合F 触点。三相电压以L1到T1，L2到T2和L3到T3的相序施加到电机上，使电机正向旋转，按下停止按钮将使正向线圈失电。当反转按钮按下时，反向线圈将得电，并吸合R 触点。三相电压以L1到T3，L2到T2和L3到T1的相序施加到电机上，这样调换了L1和L3到电机的连线，使电机反向旋转。
7.6 能耗制动
当电机被断开电源后，其轴继续旋转一小段时间，这一段继续保持的旋转对于许多应用场合来说是不想要的。无论何时电源断开情况下，能耗制动是一种使电机快速停止的方法。当电源断开时，电阻就构成跨接在电枢两端的情形，这使电枢相当于一个带负载的发电机，这使电机的转速立刻下降。这种能耗制动方法如图7.13所示。
图7.13 用于直流并励电机的能耗制动电路
交流感应电机可以通过在电机绕组两端跨接一个直流电压的方法快速慢下来，该直流电压建立一个恒定的磁场，该磁场使转子快速慢下来。一个用于单相交流感应电机的能耗制动电路如图7.14所示。
图7.14 用于单相交流感应电机的能耗制动电路
第八章 用于控制的传感
8.1 引言（导论）
在反馈控制系统中，控制对象（plant ）的响应被测量并与一个参考输入进行比较，该误差被用于控制该对象。可以推出：测量系统是任何反馈控制的重要部分，构成了控制对象与控制器之间的重要联系。许多工程应用也需要用到测量，然而，在控制系统的应用中，测量过程必须是自动的。
一个典型的测量系统是由一个或多个传感器-变送器单元以及相关的信号调理装置组成（见图8.1）。滤波是为了去除不想要的噪声和放大增强所需要的信号，可以看作是信号调整，模数转换（ADC ）、数模转换（DAC ）、调制（Modulation ）、解调（demodulation ）都是信号调理的方法。注意：信号调节可以
看作是信号调整标题下的。尽管数据保存是一个典型的数据采集系统必不可少的功能之一，但是，并不是反馈控制系统得重要功能。正是因为这个原因，在本书中，我们将不对数据存储装置进行深入的探讨。在多路测量环境中，在信号调整之前或之后使用多路转换开关，为了在某一时刻从一组数据通道中选择一个被测信号用于后续处理。以这种方式，一套昂贵的硬件可以分时用于几个信号。尽管在数字控制应用场合，直接数字变送器逐渐盛行，但是传感器-变送器装置主要是模拟器件，用于产生模拟信号。当使用模拟变送器时，模数转换被用来将模拟信号转换成数字信号，以用于数字控制。这一信号调理处理要求以离散时间点对模拟信号进行采样。一旦一个数值被采样，该数值就被编码成数字表示，例如普通的二进制码、Gray 码、二进制-十进制码（BCD ）或美国信息交换标准码（ASCII ）。因模拟信号的瞬变特性而产生的模拟信号变化不应影响到ADC 过程。为了保证这一点，在每一个采样周期中需要一个采样保持操作。例如，在每个采样周期一开始，模拟信号的值被检测到（采样），并假定在整个采样周期内为常数（保持）。事实上，这就是零阶保持操作。为了保证控制系统的正常运行，多路转换、采样和数字化等操作必须在一个精确计时器件（时钟）的控制下完全同步。其流程如图8.2所示。
所有在测量流程中起辅助作用的器件可以看作是测量系统的部件。针对一个具体的应用或者是设计一个新的部件，对可获得的部件进行选择，主要依赖于这些部件的性能说明书和设计任务说明书。绝大多数由制造商提供的器件的额定参数是静态参数。然而，在控制应用领域，动态性能指标也很重要。
当两个或多个元件相连时，在整个系统中单个元件的性能，与每个元件单独运行时的性能相比，相差很大。在多元件系统中，为了提高系统性能和精度，元件匹配，尤其是元件的阻抗特性，必须认真地处理。
8.2 传感器与变送器
被测的输出量（或响应）称为被测量。这样的例子有：车辆的速度和加速度、过程对象的温度和压力、电路中的电流。一个测量装置在测量一个信号时，要经过两个阶段，第一，被测量被感知，接着，被测信号被变送（或转换）成适宜于传送、信号调理、处理、或驱动一个控制器和驱动机构的形式。正因如此，变送阶段的输出通常是一个电气信号。被测量通常是一个模拟信号，因为在反馈控制应用中，它通常代表着一个动态系统的输出。在直接数字变送器（传感器）中，其输出是离散的，这有利于传感器与数字处理器之间的直接接
口。
一个典型传感器（测量装置）的传感和变送阶段如图8.3（a ）所示。例如，考虑一个压电式加速度计的运行过程（见图8.3（b ））。在这个例子中，加速度是被测量。它先通过质量单元转换成惯性力，并施加到压电晶体上，在其（压电晶体）内部产生应变（应力）。这一阶段可以看作是传感阶段。应力在压电晶体的内部产生电荷，在加速度计的输出端呈现为一个电信号。这一应力到电荷或应力到电压的转换阶段，可以看作是传感器的变送阶段。
一个复杂的传感器（测量装置）可以有一个以上的传感阶段。更常见的是，在被测信号适宜于控制和执行应用之前，被测信号经历了几个变送阶段。传感器和变送器阶段均为功能级，而且在有的时候，不易甚至不能区分与其相连的物理原理。另外，在使用现有装置（传感器）时，这种阶段划分并不重要。然而，在设计新的测量仪器是，恰当地划分传感器和变送器阶段（物理地和功能地）是至关重要的。
在一些书籍中，信号调理装置也划为变送器，例如，电子放大器。由于我们将信号调理从测量装置（传感器）中分离出来，在本书中，尽可能地避免那种统一的分类方法。取而代之，术语变送器主要应用于测量仪器。然而，遵循这个惯例，传感器和变送器可以互换使用，用于表示测量仪器。
8.3 用于运动测量的模拟传感器
8.3.1 引言/导论/简介
对反馈控制来说，被控对象输出的测量是基本的。输出测量在过程的性能评价中也很有用。而且，在学习系统（例如，机械手的示教-重现操作）中，进行测量并将测量结果存储在计算机中，用于随后的系统运行。在前馈控制中，需要对输入量进行测量。因此，很明显，测量子系统是一个控制系统的重要组成部分。
控制系统的测量子系统包含传感器和变送器，它们检测被测量并将被测量转换成可接受的信号—通常是电压信号。接着，这些电压信号被适当的调理，所用的信号调理硬件有滤波器、放大器、解调器和模-数转换器。传感器和变送器与信号调理硬件之间的连接，阻抗匹配是必须的。
传感器、变送器和辅助信号调理装置的精度在控制系统应用是重要的，主要有两个原因。反馈控制系统的测量系统位于控制系统的反馈回路，尽管在开环系统中，测量可用于补偿不良特性，但测量本身的误差会直接进入系统，如果误差未知，则无法校正。而且，可以看出，控制系统对参数变化的敏感性在测量系统中是直接的，与开路部件敏感性情形不同，这种敏感性不能通过增大回路增益方法进行减小。因而，对反馈控制系统来说，其设计策略是使测量非常精确，并
采用合适的控制器降低其它类型的误差。
在反馈控制应用中，大多数传感器-变送器装置是产生模拟信号的模拟部件。即使是在实时直接数字控制系统中，也是如此。然而，当模拟变送器应用在数字控制场合时，为了获得被测信号的数字表示，必须采用某种类型的模数转换。所获得的数字信号应用数字方法进行后续调理和处理。
在传感阶段，被测信号可以看作是“传感单元的响应”。该信号被变送器转换成被传输的信号量。在这一方面，测量装置的输出可以看作是“变送器的响应”。在控制系统应用中，该输出信号通常（更可取地）是一个电气信号。注意，把电气信号到电气信号的
传感器-变送器看作是测量装置有些多余，尤其是在控制系统研究中，因为只有在电气信号被送入控制器或驱动系统之前，才需要进行调理。在这种意义上，电气信号到电气信号的变送可以被看作是一个“信号调理”任务而不是“测量”功能。
8.3.2 运动传感器
就运动而言，我们指的是四个运动学变量：
1) 位移（包括位置、距离、接近度和尺寸或厚度）；
2) 速度；
3) 加速度；
4) 冲击；
注意：每一个变量都是前一个变量的对时间的导数。在控制机械响应和动态系统中的相互作用中，运动测量很有用。可以列举众多的运动测量用于控制应用场合的例子。在机械加工操作控制中，工件的旋转速度和道具的进给速度均被测量；机器人操作臂或运动链的关节（旋转关节和平动关节）的位移和速度（两者都包括角位移和速度和平移位移和速度）被用于控制机械手的轨迹；在高速地面交通工具中，加速度和冲击测量用于主动悬架控制，以提高乘坐质量；在控制旋转机床应用中，角速度是一个至关重要的被测量，例如，涡轮机、泵、压缩机、电动机和电厂里的发电机；接近度传感器（测量位移和距离）和加速度计（测量加速度）是机器保护系统中的常用的两种测量装置，用于大型复杂机器系统的状态监控、故障检测、诊断和在线（通常是实时的）控制；加速度计通常是应用于动态测试装置控制中的唯一的测量装置；位移测量用于过程控制中的阀门控制；在轧钢厂中，钢板厚度由自动厚度控制系统（AGC ）连续监控。
在测量装置和被测变量之间，不一定存在一一对应的关系。例如，虽然应变片是测量应变（因而可测应力和力）的装置，但是，通过合适的前端辅助传感单元，例如，悬臂梁（或弹簧），它们可用于测量位移。而且，通过合适的数据解释方法，同样的测量装置可以用于测量不同的变量。例如，带有内嵌的微电子积分电路的压电式加速度计可以作为压电式速
度传感器上市销售。提供角位移的角分解器信号微分后得到角速度。脉冲发生型(数字) 传感器，例如光编码器和数字转速表，可以用作位移传感器和速度传感器，取决于是所产生脉冲的绝对数目还是脉冲速度被测量。注意：脉冲速度的测量，要么是通过测量单位时间间隔内的脉冲数目，要么是在脉冲宽度内选通一个高频的时钟信号。而且，原则上，任何力传感器都可以用作加速度传感器、速度传感器和位移传感器，取决于所采用的前端辅助传感单元是惯性元件（将加速度转换成力）、阻尼元件（将速度转换成力）、还是弹性元件（将位移转换成力）。
我们或许会质疑是否需要单独的传感器去测量这四个运动变量—位移、速度、加速度和冲击—因为任何一个变量是通过简单积分或微分与其它变量相关联的。只测量四个变量中的其中一个，并应用模拟处理（通过模拟电路硬件）或数字处理（通过专用的处理器）去获得任何一个剩余的运动变量，这种方法在理论上是可能的。然而，这种方法的可行性是高度受限的，并且取决于几个重要的因素，包括以下几个：
1) 被测信号的本质（例如，稳定性、高度瞬变性、周期性、窄带、宽带）；
2) 被处理信号的所需要的频率范围（或感兴趣的频率范围）；
3) 测量的信噪比；
4) 现有的处理能力（例如，模数转换处理、数字处理器的极限、以及接口、例如处理
速度、采样速率、以及缓冲区大小）；
5) 控制器要求和被控对象的本质（例如，时间常数、时延、硬件极限等）；
6) 最终目标所要求的精度（确定处理精度和硬件成本的依据）；
例如，一个信号的微分（在时域内）通常是不能接受的，因为充满噪声和高频窄带信号。无论如何，在信号微分之前，需要昂贵的信号条理硬件对信号进行预处理。作为经验法则，在低频应用场合（在1赫兹的量级上）唯一测量通常获得高的精度；在中频应用场合（小于1千赫），通常优先测量速度；在测量带有较高噪声的高频运动中，优先进行加速度测量；冲击通常应用于地面运输（乘坐质量）、生产制造（锻造、轧制、和类似于冲击类型的操作）以及振动隔离应用（灵敏和敏感的仪器）。
我们对运动传感器的讨论主要限于以下几种类型：
1) 电位计（电阻耦合器件）；
2) 变感传感器（电磁耦合器件）；
3) 涡流传感器；
4) 变容传感器；
5) 压电式传感器。
8.4 数字式传感器
8.4.1引言/导论/简介
任何传感器，当其产生的信息为离散采样值，并且以数字形式读取而不会产生量化误差时，都可以认为是数字传感器。在数字控制系统中，一个数字处理器扮演控制器角
色。这使得被测信号和其他已知量的复杂处理变得容易，以获得驱动控制系统被控对象的执行器控制信号。如果被测信号是模拟形式，那么一个模数转换阶段必须在数字处理之前进行。与数字处理相比，模拟信号存在其他几个缺点。这些需要考虑的事项帮助建立一个案例，有利于直接数字测量装置用于数字控制系统。 数字测量装置（或数字传感器，因为这种称谓为人熟知）产生离散输出信号，例如脉冲序列或可以由控制处理器直接读入的编码数据。不过，数字传感器的传感阶段与模拟传感器的传感阶段相类似。有一些数字传感器，集成了微处理器以执行数值运算和局部信号调理，并提供数字和模拟形式的输出信号。当所需的测量变量不直接可测，但能够利用一个或多个被测量计算得出时，这些测量系统尤其有用（例如，功率=力*速度）。尽管在这种情况下，微处理器是数字传感器的完整部分之一，但是，它执行的不是测量任务，而是信号调理任务。对于我们的目的来说，我们将两个任务分开考虑。
本节的目的是学习几种直接数字传感器的运行机理和使用方法。我们的讨论将仅限于运动传感器。然而，注意通过使用一个合适的前端辅助传感单元，其他的被测量—例如：力、力矩和压力—可以被转换成一个运动并随后被一个运动传感器所测量。例如，航空航天应用中的海拔高度（或压力）测量是由压力传感前端所测量的，例如，一个风箱或模板装置，与之相连的一个光编码器以测量所得到的位移。运动，正如物理系统所证明的，通常是在时间上连续的。因而，一般地，我们不能说数字运动传感器。实际上，在一个数字运动传感器中，是变送阶段产生离散的输出信号。市场上可购买的直接数字传感器不如模拟传感器那么多，但是，可购买到的有着广泛的应用。
当数字传感器的输出是脉冲信号时，一个计数器被用于对脉冲进行计数，或者对一个脉冲宽度内的时钟周期进行计数。这个计数值首先根据某种编码表示为一个数字“字”；接着由数据获取和控制计算机读入。在另一方面，如果数字传感器的输出自动地以一种
编码形式（例如，标准二进制、BCD 码，ASCII 码）输出，可以直接被计算机读入。在后一种情况下，编码信号通常由一组并行的脉冲信号产生；数字“字”取决于所产生脉冲的模式。
8.4.2 轴编码器
任何产生测量值的编码读数的传感器都称之为编码器。轴编码器是用于测量角位移和角速度的数字传感器。这些数字传感器的应用包括性能监控中的运动测量、机械手的控制、机床刀具、数字带式传送机构、绘图仪和打印机伺服控制、
卫星镜面定位系统、和旋转机械，例如：电动机、泵、压缩机、涡轮机和发电机。高分辨率（取决于编码输出的字长和编码器旋转一周的脉冲数）、高精度（主要取决于数字信号和上级结构对噪声的抵抗力）、以及相对容易在数字控制系统中使用（因为传感器输出是数字的）、伴随着能够降低系统成本和提高系统可靠性，是数字传感器超过模拟传感器的一些优点。{更好的翻译参看注释14}
根据传感器输出的本质以及对输出的解释方法，轴编码器可以分为两类：①增量式编码器；②绝对式编码器。增量式编码器的输出是一个脉冲信号，是被测运动导致传感器圆盘旋转而产生的。通过计数“脉冲的数目”或利用时钟信号计时“脉冲的宽度”，可以确定角位移和角速度的大小。然而，位移是相对于圆盘上的某些参考点而获得的，这些参考点以参考脉冲（索引脉冲）表示，而这些参考脉冲产生于圆盘的某一固定位置。索引脉冲数确定整圈的数目。
一个绝对编码器（或全字编码器）在传感器的圆盘上有许多脉冲轨道，但绝对编码器的圆盘旋转时，几个脉冲序列—等于圆盘上脉冲轨道的数目—同时产生。在一个给定的瞬间，每一个脉冲信号的量将为两个信号电平之一（即，是一个二进制状态），由电瓶监测器确定。信号的电平对应于一个二进制位（0或1）。因此，这组脉冲序列在任何瞬间给出一个编码的二进制数。在轨道上的脉冲窗口可以组织成某种编码模式，使得每一个二进制数对应于该二进制数被检测到时的编码器圆盘的角度位置。而且，脉冲电压可以兼容于某种形式的数字逻辑（例如；晶体管-晶体管逻辑，或TTL ）。因而，一个角位置的直接数字读数是可能的，可以加快数字数据获取和处理。绝对编码器通常用于测量整圈的一小部分旋转，而完整的旋转可以用辅助的脉冲轨道以产生索引脉冲，如增量式编码器的情形。
同样的信号产生和拣拾机理可以用于多种类型的传感器。传感器信号产生的四种方法分类如下：
1) 光学（感光）方法；
2) 滑动接触（电导）方法；
3) 磁饱和（磁阻）方法；
4) 接近觉感知方法
对于一个给定类型的编码器（增量式或绝对式），对于所有四种类型的信号产生方法，信号的解释方法来说，是相同的。
在许多控制应用中，编码器嵌入到被控对象内部，而不是从外部安装到旋转轴上。例如，在机械臂中，编码器是关节电机的一个完整的部分，并安装在电机的机壳之内。这样减小了连接误差（例如，由间隙、轴挠性和传感器和固定装置添加的谐振而导致的误差）、安装误差（例如，偏心距）和整体的成本。
8.4.3
数字转速仪
由于轴编码器也用于测量角速度，所以它们也可以看作是转速表。在标准的术语中，数字式转速表示一个采用有齿轮去测量角速度的装置。其示意图如图8.4所示。这是一个变磁阻的磁感应式转速表，轮子上的齿由铁磁性材料制成，两个磁感应接近探针沿轮子的径向朝向轮子放置，距离轮子四分之一齿距。当有齿轮旋转时，两个探针所产生的输出信号具有90度相位差。在一个旋转方向上，一个信号超前于另一个信号，而在相反的旋转方向上，该信号滞后于另一个信号。以这种方式，可以获得方向读数。速度的计算可以通过计数采样周期内的脉冲数或计时脉冲的宽度，和增量式编码器的情形一样。 这种数字转速表超过光编码器的优点包括：简单、鲁棒和成本低。缺点是分辨率低（取决于齿数、旋转速度和用于数据传输的字长）、和因加载、磁滞和加工的不规则性而造成的机械误差。
8.4.4霍尔效应传感器
考虑一个受直流电压Uref 的半导体单元，如果所施加的磁场垂直于该电压方向，那么，在半导体单元内部沿第三个垂直方向上，将产生一个电压Uo ，这种现象就是所谓的霍尔效应（是由E. H. Hall于1897年发现的）。一个霍尔效应传感器的示意图如图8.5所示。 一个霍尔效应传感器能够以多种方式用于运动测量—例如，用作模拟接近觉传感器、一个数字极限开关、或一个数字式轴编码器。因为输出电压信号Uo 随着磁源到半导体单元距离的减小而增大，所以，输出电压Uo 可以用于测量接近度。可替代地，输出电压Uo 的某个门槛电平可以用于激活一个数字开关，或生成一个新的数字输出，因而构成了数字极限开关。
一个更为实用的配置是：在一个封装之内，将半导体和磁源之间相对固定在一起。通过移动铁磁性部件进入磁源和半导体之间的气隙，它们之间的磁连接会发生改变。这样会导致输出电压Uo 的改变。这种配置方法适用于模拟接近觉传感器和极限开关。而且，如果一个有齿的铁磁性轮用于改变输出电压Uo ，我们就有了一个轴编码器或一个数字式转速表（见图8.6）。
一个纵向结构的接近度传感器，其移动部件是朝向传感器运动的，不适用于目标存在超调危险的情况，因为这样将会损坏传感器。一个比较理想的结构是侧向结构，其移动部件滑过传感器的感知面。然而，采用侧向结构，其敏感性将比较低。
输出电压Uo 与移动部件到霍尔效应传感器的距离x 之间的关系是非线性的，线性霍尔传感器利用标定对其输出进行线性化。