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自动控制元件自动控制元件第二章第二章 直流测速发电机直流测速发电机自动化学院自动化学院自动化学院自动化学院 巩冰巩冰巩冰巩冰直流测速发电机直流测速发电机可以把机械转速变换成电压信号。可以把机械转速变换成电压信号。除了作为测速元件，还可以作为阻尼元件，以及解算装置中除了作为测速元件，还可以作为阻尼元件，以及解算装置中的微分元件和积分元件。的微分元件和积分元件。电磁转矩与转速方向相反，是制动转矩。电磁转矩与转速方向相反，是制动转矩。直流测速发电机空载直流测速发电机空载空空载时，Iaf=0，则各关系式各关系式变为：直流测速发电机除用作测速元件外，还可当作阻尼元件以及解算装置中的直流测速发电机除用作测速元件外，还可当作阻尼元件以及解算装置中的直流测速发电机除用作测速元件外，还可当作阻尼元件以及解算装置中的直流测速发电机除用作测速元件外，还可当作阻尼元件以及解算装置中的微分元件和积分元件。微分元件和积分元件。微分元件和积分元件。微分元件和积分元件。直流测速发电机直流测速发电机控制系统对直流测速发电机的主要技术性能要求：控制系统对直流测速发电机的主要技术性能要求：（1）输出出电压要与要与转速成速成线性关系，并具有性关系，并具有对称性，称性，而且能保持而且能保持稳定；定；（2）输出特性的灵敏度高，即曲出特性的灵敏度高，即曲线斜率大。斜率大。（3）输出出电压纹波小，即要求在一定的波小，即要求在一定的转速下速下输出出电压稳定，波定，波动小；小；（4）转动惯量小，以保量小，以保证响响应速度快；速度快；（5）高）高频干干扰小，噪音小，工作可靠，小，噪音小，工作可靠，结构构简单，体，体积小，重量小，重量轻等。等。直流测速发电机的类型直流测速发电机的类型按照励磁方式分，直流按照励磁方式分，直流测速速发电机有两种型式：机有两种型式：（1 1）永磁式）永磁式 其定子磁极由永久磁其定子磁极由永久磁铁做成，没有励磁做成，没有励磁绕组.图图1-9 1-9 永磁直流测速机永磁直流测速机图图1-10 1-10 他激直流测速机他激直流测速机（2 2）电磁式）电磁式 其定子励磁绕组由外部电源供电，通电时产其定子励磁绕组由外部电源供电，通电时产 生磁场。生磁场。直流测速发电机的静态特性直流测速发电机的静态特性直流测速发电机的静态特性就是它的输出特性，即其输出电直流测速发电机的静态特性就是它的输出特性，即其输出电压与稳态转速的关系。压与稳态转速的关系。RL直流测速发电机的静态特性直流测速发电机的静态特性图图图图 直流测速机接上负载直流测速机接上负载直流测速机接上负载直流测速机接上负载RL图图图图2-3 2-3 不同负载电阻时的不同负载电阻时的不同负载电阻时的不同负载电阻时的 理想输出特理想输出特理想输出特理想输出特性性性性RLRL1RL2RL1 RL2Uafn空载（空载（RL）时，输出特）时，输出特性将有最大斜率性将有最大斜率.直流测速发电机的动态特性直流测速发电机的动态特性直流测速发电机的动态特性是指输入一个阶跃转速时，输出直流测速发电机的动态特性是指输入一个阶跃转速时，输出信号电压随时间的变化规律。信号电压随时间的变化规律。可见空载时直流测速发电机是一个理想的比例元件。可见空载时直流测速发电机是一个理想的比例元件。RLLfuaf（t）直流测速发电机的动态特性直流测速发电机的动态特性当测速发电机在有感性负载的情况下工作时，由公式当测速发电机在有感性负载的情况下工作时，由公式当测速发电机在有感性负载的情况下工作时是惯性元件。当测速发电机在有感性负载的情况下工作时是惯性元件。电枢反应电枢反应气隙磁气隙磁气隙磁气隙磁场场是磁极磁是磁极磁是磁极磁是磁极磁场场和和和和电电枢磁枢磁枢磁枢磁场场的合成磁的合成磁的合成磁的合成磁场场。由于由于由于由于电电枢磁枢磁枢磁枢磁场场的存在，使的存在，使的存在，使的存在，使气隙中的合成磁气隙中的合成磁气隙中的合成磁气隙中的合成磁场场与磁极与磁极与磁极与磁极磁磁磁磁场场的大小、方向不同，的大小、方向不同，的大小、方向不同，的大小、方向不同，这这一一一一现现象叫象叫象叫象叫电枢反应电枢反应电枢反应电枢反应。电动机的电枢反应电动机的电枢反应电动机的电枢反应电动机的电枢反应电枢反应对输出特性的影响电枢反应对输出特性的影响电枢反枢反应对气隙合成磁气隙合成磁场有两个影响：有两个影响：电枢反枢反应使气隙合成磁使气隙合成磁场的物理中性面的物理中性面顺着顺着直流直流发电机的机的旋旋转方向方向转过一个角度；而在直流一个角度；而在直流电动机中是机中是逆着逆着旋旋转方方向偏移一个角度。向偏移一个角度。由于在由于在电机机设计时使使电机磁路接近于机磁路接近于饱和，因此和，因此电枢磁枢磁场将使合成磁通减小，即将使合成磁通减小，即电枢反枢反应对磁极磁磁极磁场有去磁效有去磁效应，这和直流和直流电动机中机中发生的情况生的情况完全相同完全相同。而且。而且电枢枢电流越流越大大电枢反枢反应的影响越大，气隙合成磁通被削弱得越多。的影响越大，气隙合成磁通被削弱得越多。气隙合成磁通的减小将使气隙合成磁通的减小将使气隙合成磁通的减小将使气隙合成磁通的减小将使输输出出出出电压电压U Ua a下降，并破下降，并破下降，并破下降，并破坏了坏了坏了坏了输输出出出出电压电压和和和和转转速速速速间间的的的的线线性关系。性关系。性关系。性关系。电枢反应对输出特性的影响电枢反应对输出特性的影响电枢反应对输出特性的影响电枢反应对输出特性的影响电枢反应对输出特性的影响电枢反应对输出特性的影响电枢反应对输出特性的影响电枢反应对输出特性的影响在直流在直流测速速发电机的技机的技术条件中都注明最高条件中都注明最高转速和最小速和最小负载电阻阻值。使用。使用时转速不得超速不得超过最高最高转速，速，负载电阻不得小于阻不得小于规定的定的电阻阻值，以保，以保证非非线性性误差不超差不超过允允许数数值。在。在设计测速机速机时选取取较小的小的线负荷，并适当增大荷，并适当增大电机的气隙，可以机的气隙，可以减小减小电枢反枢反应对输出特性的不利影响。出特性的不利影响。图图 直流测速发电机输出特性直流测速发电机输出特性温度对输出特性的影响温度对输出特性的影响 温度温度变化包括化包括电机周机周围环境温度的境温度的变化以及本身的化以及本身的发热。温度。温度变化会引起化会引起电枢枢绕组电阻阻变化，并引起化，并引起绕组电流的流的变化。化。Ra增加，增加，Uaf下降。下降。永磁式直流测速发电机选用磁稳定性好的永磁材料，永磁式直流测速发电机选用磁稳定性好的永磁材料，则不必考虑温度对输出特性的影响。则不必考虑温度对输出特性的影响。温度对输出特性的影响温度对输出特性的影响电磁式直流磁式直流测速速发电机机的磁路的磁路设计得比得比较饱和，和，因而励磁因而励磁电流流变化化时所引起的磁所引起的磁通通变化量化量较小。小。电刷与换向器的接触电阻与接触电压电刷与换向器的接触电阻与接触电压电刷与换向器的接触电阻与接触电压是非线性的。当电机电刷与换向器的接触电阻与接触电压是非线性的。当电机转速较低，电流较小时，接触电阻较大，接触电压使得输转速较低，电流较小时，接触电阻较大，接触电压使得输出特性斜率急剧下降；当电机转速较高，电流较大时，接出特性斜率急剧下降；当电机转速较高，电流较大时，接触电压可被当作常数。触电压可被当作常数。电刷与换向器的接触电阻与接触电压电刷与换向器的接触电阻与接触电压考考虑电刷接触刷接触压降后，在降后，在转速速较低低时，直流，直流测速速发电机机输出特性上有段斜率出特性上有段斜率显著下降的区域。此区域内，著下降的区域。此区域内，电机机虽有有输入信号（入信号（转速）但速）但输出出电压很小，很小，对转速速的反的反应很不灵敏，所以此区域叫不灵敏区（很不灵敏，所以此区域叫不灵敏区（nbl）。RL,，不灵敏区，不灵敏区nbl.与与为减小电枢反应而限制最小为减小电枢反应而限制最小电阻的措施矛盾。电阻的措施矛盾。电刷与换向器的接触电阻与接触电压电刷与换向器的接触电阻与接触电压u为了减小了减小电刷接触刷接触压降的影响，降的影响，缩小不灵敏区，在直流小不灵敏区，在直流测速速发电机中，常常采用接触机中，常常采用接触压降降较小的小的铜-石墨石墨电刷。在高精度刷。在高精度的直流的直流测速速发电机中机中还采用采用铜电刷，并在它和刷，并在它和换向器接触的向器接触的表面上表面上镀上上银层，使，使换向器不向器不易磨易磨损，也能有效地减小接触，也能有效地减小接触压降。降。图图 同时考虑电枢反应和电刷与同时考虑电枢反应和电刷与换向器接触压降后的输出特性换向器接触压降后的输出特性延迟换向的去磁作用延迟换向的去磁作用 延延延延迟迟迟迟换换换换向向向向的的的的存存存存在在在在，使使使使换换换换向向向向元元元元件件件件中中中中的的的的产产产产生生生生一一一一个个个个附附附附加加加加电电电电流流流流，在在在在被被被被电电电电刷刷刷刷短短短短路路路路的的的的换换换换向向向向元元元元件件件件中中中中流流流流动动动动，从从从从而而而而产产产产生生生生磁磁磁磁通通通通，并并并并对对对对主主主主磁磁磁磁通通通通起起起起去去去去磁磁磁磁作作作作用用用用，使主磁通减小。使主磁通减小。使主磁通减小。使主磁通减小。图图图图1-17 1-17 换向电流的去磁作用换向电流的去磁作用换向电流的去磁作用换向电流的去磁作用es延迟换向的去磁作用延迟换向的去磁作用图图1-18 1-18 延迟换向对输出特性的影响延迟换向对输出特性的影响 为了改善线性度，对为了改善线性度，对小容量测速机一般采取限小容量测速机一般采取限制转速的措施来限制延迟制转速的措施来限制延迟换向的去磁作用，这一点换向的去磁作用，这一点与限制电枢反应去磁作用与限制电枢反应去磁作用的措施是一致的，所以直的措施是一致的，所以直流测速发电机规定了最高流测速发电机规定了最高转速，使用时不得超过。转速，使用时不得超过。纹纹 波波纹波主要是由于波主要是由于电机本身的固有机本身的固有结构及加工构及加工误差所差所引起的，例如引起的，例如电枢元件数有限，枢元件数有限，电枢枢铁心有心有齿有槽，有槽，以及以及电枢枢铁心的心的椭圆度、偏心等。度、偏心等。纹波波电压的存在的存在对于于测速机用于阻尼或速机用于阻尼或转速控制速控制时都不利，特都不利，特别是用在是用在积分装置中更是不允分装置中更是不允许，因此，因此在在结构上和构上和设计上都要采用一定的措施来减小（但上都要采用一定的措施来减小（但不能消除）它的幅不能消除）它的幅值。实用纹波系数实用纹波系数实用纹波系数实用纹波系数纹纹 波波多个多个绕组的合成的合成电势只只能使能使纹波减小但决不能波减小但决不能消除。消除。绕组元件数越多元件数越多(或或换向向片数越多片数越多)，则电势脉脉动的的频率越高，幅率越高，幅值越小。越小。火花和电磁干扰火花和电磁干扰由于高速旋由于高速旋转时电刷跳刷跳动以以及被及被电刷短路的刷短路的换向向线圈中圈中短路附加短路附加电流的存在流的存在换向向器和器和电刷刷间经常常发生生电火花，火花，使使输出出电压上有高上有高频尖脉冲，尖脉冲，并并带来无来无线电频率的噪音和率的噪音和干干扰。为了减了减轻和消除和消除输出出电压上的高上的高频毛刺，一般都毛刺，一般都要在直流要在直流测速速发电机的机的输出出端接上低通端接上低通滤波波电路，如路，如图2-10所示。所示。直流测速发电机的技术性能指标直流测速发电机的技术性能指标 灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度 即输出特性斜率，它是在额定的励磁条件下，单位即输出特性斜率，它是在额定的励磁条件下，单位即输出特性斜率，它是在额定的励磁条件下，单位即输出特性斜率，它是在额定的励磁条件下，单位转速（转速（转速（转速（kr/minkr/min）所产生的输出电压。）所产生的输出电压。）所产生的输出电压。）所产生的输出电压。线性误差（线性误差（线性误差（线性误差（x x）在工作速度范围内，实测输出电压与线性在工作速度范围内，实测输出电压与线性在工作速度范围内，实测输出电压与线性在工作速度范围内，实测输出电压与线性输出电压的最大差值对最大线性转速时的输出电压之比。输出电压的最大差值对最大线性转速时的输出电压之比。输出电压的最大差值对最大线性转速时的输出电压之比。输出电压的最大差值对最大线性转速时的输出电压之比。最大线性工作转速（最大线性工作转速（最大线性工作转速（最大线性工作转速（n nmaxmax）在允在允在允在允许线性误差范围内的转子最高转速，许线性误差范围内的转子最高转速，许线性误差范围内的转子最高转速，许线性误差范围内的转子最高转速，即直流测速发电机的额定转速。即直流测速发电机的额定转速。即直流测速发电机的额定转速。即直流测速发电机的额定转速。直流测速发电机的技术性能指标直流测速发电机的技术性能指标负载电阻阻RL 保保证输出出电压在在线性性误差范差范围内的最小内的最小负载电阻。阻。不灵敏区不灵敏区nbl 由于由于 Ub而而导致致测速速发电机机输出特性斜出特性斜率率显著下降（几乎著下降（几乎为零）的零）的转速范速范围。输出出电压的不的不对称度称度kab 在相同在相同转速下，速下，测速速发电机机正反两方向旋正反两方向旋转时，输出出电压绝对值之差之差 U2与两者与两者平均平均值Uafv之比。之比。纹波系数纹波系数ku 在一定转速下，输出电压中交变分量的在一定转速下，输出电压中交变分量的有效值与输出电压直流分量之比。有效值与输出电压直流分量之比。直流测速发电机的选择直流测速发电机的选择u应根根据据直直测速速发电机机在在系系统中中的的功功用用而而提提出出不不同同的的技技术要要求求。当当作作为高高精精度度速速度度伺伺服服系系统中中的的测量量元元件件时，既既要要注注意意考考虑线性性度度和和纹波波电压，又又要要注注意意考考虑灵灵敏敏度度；而而作作为解解算算元元件件时，则重重点点考考虑纹波波电压和和线性性度度，灵灵敏敏度度是是第第二二位位的的；当当作作为阻阻尼尼元元件件时，应着着重重考考虑灵灵敏敏度度，而而对其其线性性度度和和纹波波电压的要求并不是很的要求并不是很严格的。格的。灵敏度的选择灵敏度的选择误差信号的最小值误差信号的最小值误差信号的最小值误差信号的最小值系统要求的控制精度系统要求的控制精度系统要求的控制精度系统要求的控制精度测速发电机的额定输出电压测速发电机的额定输出电压测速发电机的额定输出电压测速发电机的额定输出电压负载轴的最大转速负载轴的最大转速负载轴的最大转速负载轴的最大转速直流测速发电机用作反馈元件直流测速发电机用作反馈元件 直流测速发电机的应用直流测速发电机的应用直流测速发电机直流测速发电机实现输入量对时间的积分实现输入量对时间的积分 图图2-15 2-15 实现输入量对时间积分的原理图实现输入量对时间积分的原理图u1(t)um直流测速发电机的发展趋势直流测速发电机的发展趋势 直直流流测测速速发发电电机机的的发发展展趋趋势势是是提提高高灵灵敏敏度度和和线线性性度度，减减小小纹纹波波电电压压和和变变温温所所引引起起的的误误差差，减减轻轻重重量量，缩缩小小体体积积，增增加加可靠性，发展新品种。可靠性，发展新品种。目目前前国国内内外外较较重重视视发发展展永永磁磁高高灵灵敏敏度度直直流流测测速速发发电电机机，其其输输出出电电压压斜斜率率大大，低低速速精精度度高高。改改进进电电刷刷和和换换向向器器的的接接触触装装置置，发发展展无无刷刷直直测测速速发发电电机机，以以增增加加可可靠靠性性及及减减小小对对其其它它线线路路的的影影响响，永永磁磁式式无无槽槽电电枢枢、杯杯形形电电刷刷、印印制制绕绕组组电电枢枢测测速速发发电电机机因因其其转转动动惯惯量量小小，线线性性度度好好，纹纹波波电电压压小小，也也是是测测速速发电机发展方向之一。发电机发展方向之一。l在在理理想想条条件件下下，输输出出特特性性为为一一直直线线，而而实实际际的的特特性性与与直直线线有偏差，此偏差称非线性误差。有偏差，此偏差称非线性误差。l造造成成非非线线性性误误差差的的原原因因有有好好几几种种，电电枢枢反反应应和和延延迟迟换换向向的的去去磁磁效效应应使使非非线线性性误误差差随随着着转转速速的的增增大大或或负负载载电电阻阻的的减减小小而而增增大大。因因此此，在在使使用用时时必必须须注注意意电电机机转转速速得得不不超超过过规规定定的的最最高高转转速速，负负载载电电阻阻不不可可小小于于给给定定值值。纹纹波波电电压压、电电刷刷和和换换向向器器接接触触压压降降的的变变化化造造成成了了输输出出特特性性的的不不稳稳定定。因因而而降降低低了了测测速速发发电电机机的的精精度度。测测速速发发电电机机的的输输出出特特性性对对于于温温度度的的变变化化是是比比较较敏敏感感的的，凡凡是是温温度度变变化化较较大大，或或对对变变温温输输出出误误差差要要求求严严格的场合，应对测速机进行温度补偿。格的场合，应对测速机进行温度补偿。l学习重点是掌握直测速发电机的输出特性及其误差分析。学习重点是掌握直测速发电机的输出特性及其误差分析。小小 结结