测速元件及测速方法

控制元件测速元件及测速方法•直流测速发电机结构、基本关系式、输出特性及误差分析•异步测速发电机工作原理及输出特性•由位移传感器的脉冲信号求转速控制元件专门测量转速用的微型直流发电机。控制系统对直流测速发电机的主要要求是：（1）输出电压要与转速成线性关系，正、反转时特性一致；（2）输出特性的灵敏度高；（3）输出电压的波纹小；（4）电机的惯量小。转子，定子、电刷和换向器。磁极在定子上，电枢绕组在转子上，实现输入输出信号转换。测速元件及测速方法结构测速元件－测速发电机直流测速发电机异步测速发电机鼠笼式：精度低空心杯：精度高将转速变换成电压信号控制元件直流测速发电机输出特性RLUaEanIfUfIa工作原理图等效电路图RL输出特性：指当励磁电压和电枢电流不变时，输出电压Ua与转速n的关系。dtdILURIEaaaaaaaaaURIEeeaknCELaaRIU动态静态感应电势输出电压基本关系式控制元件直流测速发电机基本关系式dtdILURIEaaaaadtdJTTTem01eeaknCEaeatemIkICTaaaaURIE01TTTemeeaknCEaeatemIkICT上述关系式是分析直流测速发电机特性的重要公式，说明直流测速发电机中的感应电势的大小与转速成正比，而电势的方向也是由转速的方向决定的，这也是直流测速发电机能够把机械转速转变成电压信号的原因。动态关系式静态关系式控制元件直流测速发电机输出特性空载时有Ia=dIa/dt＝0，空载时直流测速发电机的输出电压Ua为：eeaknCU负载时根据等效电路图可知Ia=Ua/RL，将其代入电压平衡方程式和感应电势的公式得：nKRRKnRRCULLaeLaea11空载时输出电压的大小与转速成正比，电压极性由转动方向决定。负载时直流测速发电机的静态输出特性，KL称为输出斜率或灵敏度。空载输出特性负载时的静态输出特性控制元件直流测速发电机输出特性LaeLLaaRRKKRRLT1,'可见，考虑电流的变化和电感，直流测速发电机是一个惯性环节。当1/T远大于系统的带宽时，测速发电机仍可看成是转速的比例环节。负载时的动态特性，此时的传递函数为动态时0dtdIa1)()()('TsKssUsGLa控制元件直流测速发电机输出特性•当ф，Ra和RL保持恒定不变时，输出电压Ua与转速n或ω将有严格的线性关系，并且输出电压的极性变化反映出转动方向的改变，另外，当负载电阻由大变小时，输出特性的斜率变小，但仍然是线性关系。当测速机空载（RL→∞）,输出特性具有最大斜率。直流测速电机的输出特性控制元件直流测速发电机误差分析线性误差：实际输出与理想输出之间的误差。测速发电机的实际输出曲线如图所示，线性误差用下式表示Umaxnmax理想输出实际输出ΔU0nUδx＝(ΔUmax/Umax)100%式中：ΔUmax是实际输出特性与理想输出特性间的最大差值；Umax是对应最大转速时的理想输出电压。线性误差造成线性误差的原因主要有：电枢反应，延迟换向去磁，电刷接触电阻，纹波，火花和电磁干扰等。控制元件与直流电动机中发生的情况相同，当有负载通过直流发电机电枢绕组时，同样会产生电枢磁场和电枢反应，电枢反应对气隙合成磁场有两个影响。第一是使气隙合成磁场的物理中性面顺着直流发电机的旋转方向转过一个角度；而在直流电动机中，是逆着旋转方向偏移一个角度。第二是对磁极磁场有去磁效应。而且，电枢电流越大，电枢反应的影响越大，气隙合成磁通被削弱的越多。电枢反应使气隙合成磁通减小，从而使输出电压Ua下降电枢反应的影响直流测速发电机误差分析控制元件直流电动机的磁场电枢反应对气隙磁场的影响：磁场的物理中性面逆着旋转方向转过一个角度控制元件直流发电机工作原理直流发电机工作原理模型简图直流发电机等效电路图直流电动机等效电路图控制元件电枢反应的影响φ＝φ0－φs(1)式中φ0―空载时的磁通，即磁极产生的每极磁通；φs―电枢反应的去磁磁通。设负载时电枢反应的去磁磁通φs与电枢电流Ia成正比，即LaiaisRUkIkLsLaRnknkU1'将上式代入（1）式后整理得：不考虑电枢反应时的输出电压Ua0为：nknRRCULLaea'001直流测速发电机误差分析控制元件直流测速发电机误差分析•若以此电压Ua0作为理想输出电压，则由于电枢反应的去磁作用而引起的相对误差为：nkRUUUUsLaaaa1100显然，转速升高，负载电阻变小，都将使输出电压的线性误差增大。这就是为什么在直流测速发电机的技术条件中都注明最高转速和最小负载电阻值的原因。使用时转速不得超过最高转速，负载电阻不得小于规定的电阻值，以保证电枢反应引起的非线性误差不超过允许数值。控制元件直流测速发电机误差分析延迟换向去磁接触电阻与接触电压bU21bU21换向元件中的感应电势产生的附加电流在流过换向元件时又产生了磁通Φk，与主磁通方向相反。电刷与换向器之间的滑动接触使其间的接触电阻是非线性的，而且不稳定。当电机转速较低，电机电流较小时，接触电阻较大。控制元件接触电阻对输出特性的影响这时测速发电机的输出电压则变的很小，甚至无输出。考虑接触电压降∆Ub时电枢回路的电压方程式为LabLaeaRRUnRRCU11'Ua＝Ea-IaRa-∆Ub整理得∆Ub的存在使特性曲线下移。00‘称为不灵敏区0‘纹波、火花和电磁干扰bLaaaaURRUUU11'控制元件练习题1电枢反应对直流测速发电机的输出特性有何影响？定性分析影响输出特性的其它因素。2在直流测速发电机技术数据中为什么要限制最高转速和最小负载？控制元件交流测速发电机交流测速发电机与两相伺服电动机的结构相似。转子结构有笼形和杯形两种。基本结构和工作原理基本结构定子上放有空间相差900电角度的两相绕组，一个是激磁绕组，另一个是输出绕组。笼形转子的测速发电机输出斜率大，灵敏度高，但输出特性的线性度差，相位误差和剩余电压也大；杯形转子的测速发电机精度高，应用广泛。1测速机转子不动时为什么没有电压输出？转子转动时输出电压为何与频率无关？2交流异步测速电机输出电势是旋转电势还是变压器电势？控制元件异步测速发电机•杯形转子异步测速发电机的工作原理定子的两相绕组在空间位置上严格保持900电角度。其中的一相W1作为激磁绕组，外施稳频稳压的交流电源激磁。另一相W2作为输出绕组，其两端电压U2就是测速发电机的输出电压。异步测速发电机工作原理图当频率为f的激磁电压U1加在激磁绕组W1上以后，在测速发电机内、外定子间的气隙中，就会产生一个与W1轴线相一致，频率为f的脉振磁通φ1，称φ1所在的直线为直轴方向，与φ1成900电角度的方向为交轴方向。控制元件•在转子不动时，激磁绕组的直轴脉振磁通只能在空心杯转子中感应出变压器电势，气隙中的磁通就是直轴磁通φ1，它与输出绕组轴线的空间位置相差900电角度，与输出绕组没有匝链，所以输出绕组中不产生感应电势，输出电压为零。nCEr12异步测速发电机转子转动时，转子切割直轴磁通φ1从而在转子杯中产生旋转电势Er。由于φ1为脉振磁通，所以电势Er为交变电势。从定子上看，转子电势Er的交变频率就是激磁电压和φ1的脉振频率f，它的大小为：若φ1恒定，则电势Er就与转子的转速n成正比控制元件•电势在转子杯中产生短路电流，频率为f，大小正比于和转速。产生的磁通频率为f，方向为交轴方向，大小与电流和转速成正比。该磁通在输出绕组中感应出频率为f的变压器电势，大小为•异步测速发电机的输出电势的频率就是激磁频率，大小正比于转速。转向改变时输出电势的相位也跟着改变。2324ECCnrErE2I2I2控制元件•与直流测速发电机相比，交流测速发电机优点是–（1）没有电刷和换向器，构造简单，维护容易，运行可靠；–（2）无滑动接触，输出特性稳定，精度高；–（3）摩擦力矩小，惯性小；（无刷，空心杯）–（4）不产生干扰火花。•缺点是–（1）存在剩余电压和相位误差；–（2）输出斜率小；–（3）输出特性随负载性质（电阻，电容，电感）变化。控制元件由位移传感器的脉冲信号求转速M法测速测速方法T法测速M/T法测速在规定的检测时间内，检测传感器输出的脉冲数并计算速度的方法内总的脉冲数－检测时间冲数；－传感器每转产生的脉ggTmPrPTmn11min),/(60M法测速的分辨率gggPTPTmPTmQ6060)1(6011与转速成反比。但相对误差，则误差与转速无关；作为转速测量值的误差若以分辨率nnnQ高速精度高控制元件由位移传感器的脉冲信号求转速M法测速测速方法T法测速M/T法测速测量传感器相邻两个脉冲相隔的时间T来确定转速的方法。时间内读到的脉冲数计数器在数；传感器每转产生的脉冲时钟脉冲频率，TmPfrPmfncc22min),/(60T法测速的分辨率nPfPnPmmfPmfPmfQcccc60)1(60)1(606022222越小，相对误差越大。越大，转速，，相对误差为的误差为脉冲计数22211mnmm低速精度高控制元件由位移传感器的脉冲信号求转速M法测速测速方法T法测速M/T法测速时间内读到的脉冲数计数器在数；传感器每转产生的脉冲内传感器脉冲个数，检测时间时钟脉冲频率，，TmPTmrPmmfPTmnfsfmTccc212112min),/(6060)(M/T法测速的分辨率min)/(1)1(60)111(602221221rmnmPmmfmmPmfQcc精度高为，所以分辨率误差为无误差，Qmm121控制元件由位移传感器的脉冲信号求转速－检测时间规定的检测时间，TTg控制元件练习题•影响异步测速发电机测量精度的主要因素是什么？(负载大小和性质、激磁电压的频率与温度变化)•由位移传感器的输出脉冲信号求转速的方法有几种？各有何特点？