自动控制元件及线路-测速发电机-哈工大

自动控制元件及线路
测量元件
测速发电机
哈尔滨工业大学空间控制与惯性技术研究中心 伊国兴
目 录
1 控制系统对直流测速发电机的要求 2 直流测速发电机的基本关系式及输出特性 3 直流测速发电机的误差分析
4 直流测速发电机的性能指标和选择
5 异步测速发电机 5 由位置传感器脉冲数求速度的方法2Fra bibliotek测速机
10.1 概述
如何提高带宽？
10.1.3 输出特性的误差分析 线性特性是希望的理想情况。实际的测速发 电机一定存在误差。
U
一、电枢反应 二、延迟换向去磁 三、电刷与换向器的接触电阻与接触电压 四、纹波 五、火花和电磁干扰
n
10.1.3 输出特性的误差分析
一、电枢反应
负载电流会产生电枢磁场和电枢反应
1. 使气隙磁场的物理中性面顺着直流 发电机的旋转方向偏转。 2. 由于磁路接近于饱和，因此有去磁 效应 ，使输出电压减小 。输出特性 向下弯曲 。
如何提高分辨率？ 若以分辨率 Q 作为转速测量值的误差 Δn ，则误差 Δn 与转 速n无关，但相对误差 Δn/n与转速成反比。高速时相对误 差小。
这种方法适合于什么场合应用？
10.3 由位移传感器的脉冲信号求转速 二、T法测速
由传感器两个脉冲相隔的时间T来确定转速。 用频率为fc 的时钟脉冲向计数器发送脉冲。用传感器两 个相邻脉冲控制计数的起始和终止。
n
直流测速发电机原理图
E Ce n
测速发电机空载时，其输出电 压U为
U E Cen
决定的常数，称为电势常 数。对于永磁式直流发电 机，可认为 为常数
Ce是由电枢绕组结构参数
10.1.2 基本关系式与输出特性
一、基本关系式
基本关系式与电动机相似 动态电压方程 E R I L d I a U a a a a a dt
d Ia / d t 0
La d U a Ke Ua KL R Ra RL d t 1 a RL
K e
Ra L dUa Ua a Ua RL RL d t
La ( s 1)U a ( s ) K L ( s ) Ra RL
G( s )
k L Ua n U ks 1 n RL Ke Ua K Ln Ra 1 RL
RL2 RL1> RL2
1 U a RL 1 ks n
RL＝ RL1
k L
ks
Ce0 R 1 a RL
ki k L
0
n
如何减小电枢反应的影响？
转速升高，负载电阻变小，都使输出电压误差增大
设传感器每转产生的脉冲数为 P，在检测时间段 Tg内测 得的脉冲数为m1，则转速n为
m1 Tg
定时测角法
m1 n 60 （r / min) PTg
10.3 由位移传感器的脉冲信号求转速
当脉冲数增加 1时，转速的变化就是 M 法的分辨率， 记为Q(r/min)。
60( m1 1) 60m1 60 Q PTg PTg PTg
设 计 数 器 在 T 时 间 内 读 到 的 时 钟 脉 冲 个 数 是 m2 ， 则 T=m2/fc ，T时间内转动1/P转，故转速为
t=1/fc
m2 T
n 60
m （r / min) PT
定角测时法
fc n 60 r / min m2 P
10.3 由位移传感器的脉冲信号求转速
当时钟脉冲的计数m2 改变1时，对应的转速的变化就是分 辨率Q（r/min ），有
四、纹波
纹波主要是由电机本身的固有结 构及加工误差引起的，齿槽、椭 圆度、偏心、电枢元件数目等。
• 纹波的大小用纹波系数衡量
U max U min k 100% U max U min
• 电机绕组数目与纹波的关系：绕组元件数越多（或换向 片数越多），则电势波动的频率越高，幅值越小。
输出电压 温度系数Kt
一定转速下，温度变化1°C的变温 输出误差值。
Kt＝ Ut/(t1－t0)
10.1.5 直流测速发电机的选择
二、直流测速发电机的选择
选用直流测速发电机时，应根据它在系统中的功用而提出不 同的要求。 当作为恒速控制或用作解算元件时，应着重考虑其线性度和 纹波电压；而对输出特性斜率的要求则是第二位的。 当作为阻尼元件时，应着重考虑其输出特性的斜率．而对其 线性度和纹波电压的要求并不很严格。
10.1.3 输出特性的误差分析
接触电阻对输出特性曲线的影响
常值接触压降使输出特性 曲线向下平移。 同时考虑电枢反应、延迟 换向去磁、不灵敏区和接 触压降后，实际输出特性 如实线2所示。
降低接触压降，缩小不灵 敏区：采用特殊电刷，黄 铜-石墨，电刷接触表面镀 银，镀金。
10.1.3 输出特性的误差分析
直流测速发电机是直流电机作为发电机的运行状态，是一 种测量转速用的小型直流发电机。 从能量转换的角度来看，它将机械能转换成电能输出 从信号转换的角度来看。它把转速信号转换成电信号。
10.1 概述
一般有两种形式：永磁式和他励式。
工作原理、特性、结构等与普通直流发电机均相同。
由于它在控制系统中作为一种测速传感器使用，把转速信 号转换为直流电信号输出，因此控制系统对它的输出特性有 特殊要求。 直流测速发电机的输出特性是指当励磁保持不变，负载也 保持一定的情况下，发电机的转速与负载端电压之间的关系， 即为ua＝f(n)。
10.1 概述 测速发电机属于哪一类传感器？
速率测量元件 基于电磁感应原理 结构型的测量元件 模拟型
10.1 概述
控制系统对直流测速发电机的要求
1. 输出电压Ua和转速 n为线性关系，即 Ua＝K n，K为 比例系数，从而使输出电压能正确反映电机实际转速。
2. 输出特性斜率要大。当ΔUa／Δn越大，则测速发电机 对转速反应越灵敏，即测速发电机的灵敏度越高。
10.1.5 直流测速发电机的选择
直流测速发电机有电磁式和永磁式两类。电磁式需要专门 的励磁电源，因而损耗大，还需要考虑温度补偿。
永磁式不需要励磁电源，故效率高。永磁式测速发电机的 灵敏度高、反应快、分辨率高、低速精度高，适合于低速 伺服系统中作为速度检测元件。它的缺点是不易于进行温 度补偿，成本比较高。
Ua ( s) K L ( s ) (Ts 1)
10.1.2 基本关系式与输出特性
四、负载时的动态特性
K L G( s) Ts 1
La T Ra RL
K L Ke 1 Ra / RL
考虑电流的变化和电枢电感，直流测速发电机是一个惯性 环节。不过，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。
限制最高转速和最小负载电阻值
10.1.3 输出特性的误差分析
二、延迟换向去磁
换向元件中存在电势和电流，方 向与换向前的电流相同。产生的磁 通与主磁通方向相反，起去磁作用， 称为延迟换向去磁。 换向元件的电流及其去磁磁通与 转速的平方成正比，它们往往是输 出特性曲线高速部分产生弯曲现象 的主要原因。 高精度直流测速机的转速上限主 要是受到延迟换向去磁效应的限制。
U n
10.1.3 输出特性的误差分析
三、电刷与换向器的接触电阻与接触电压
电刷与换向器之间的电阻称为接触电阻，数值不确定。 当转速较低，电流较小时，接触电阻较大，测速发电机 的输出电压很小，形成不灵敏区。
接触电阻上的压降∆Ub 称为接触压降。当转速较高，电 枢电流较大时，接触压降为常数。
10.1.3 输出特性的误差分析
10.1.3 输出特性的误差分析
五、火花和电磁干扰
换向器和电刷间经常发生电火花，使输出电压上有高频 尖脉冲，并带来无线电频率的噪音和干扰。 为了减轻和消除输出电压上的高频毛刺，一般都要在直 流测速发电机的输出端接上低通滤波电路。
U0 ( s) 1 1 U1 ( s ) R RCs 1 Cs
以光电增量码盘为代表的角位移传感器的输出信号是方波 脉冲信号，脉冲的个数与角位移成正比。
10.3 由位移传感器的脉冲信号求转速
由此类脉冲信号求速度有下述三种方法。
一、M法测速 二、T法测速 三、M/T法测速
10.3 由位移传感器的脉冲信号求转速
一、M法测速
由规定的检测时间内传感器的脉冲数计算速度。
10.1.3 输出特性的误差分析 设气隙的合成磁通 设电枢反应的去磁磁通
0 s
由前面推导的电压方程
Ua s ki I a ki RL Ce Ua n Ra 1 RL
Ua C e ( 0 ki ) RL Ua n R 1 a RL
带入参数 s可得
10.1.3 输出特性的误差分析
为了减轻和消除输出电压上的高频毛刺，一般都要在直流 测速发电机的输出端接上低通滤波电路。
为保证直流测速发电机的非线性误差不超过规定值，其转 速不应超过规定的线性工作转速，负载电阻也不应小于规 定值。
10.1.5 直流测速发电机的选择
北京微电机厂生产的部分测速发电机型号与参数
10.3 由位移传感器的脉冲信号求转速
项目 含义 说明
不灵敏区 (无信号区)n
输出电压 不对称度 变温输出 误差Ut
由于换向器和电刷接触压降导致输 出斜率下降的转速范围
在相同转速下，测速发电机正反转 时的输出电压绝对值之差与两者平 均值之比 一定转速下，温度变化引起输出电 压变化值与常温输出电压的比值
Ut＝(Ut1－Ut0)/Ut0
三、电刷与换向器的接触电阻与接触电压
' Ua Ea I a Ra U b
Ua Ce n Ra U b RL