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1、1,机电控制系统 测量元件,机电控制系统分析与设计,第 三 章,2,概述,测量元件就是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定关系的、容易处理的某种物理量的测量器件。被测量可以是物理量、化学量、生物量等。容易处理的量，主要指的是电信号，因为电信号容易进行放大、加减、积分、微分、滤波、存储和传送。因此测量元件又可狭义地理解为：将外界输入的信号变换为电信号的元件。它的基本功能就是检测和转换。 测量元件又叫传感器，表示它能感受被测量，并能把它对被测量的响应传送出去。测量元件或传感器，一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成，见图31。,3,敏感元件：能直接感受或响应被测量，并输出与之成确定关系
2、的某一另类物理量。 转换元件：将敏感元件的输出转换为电参量。 转换电路：把转换元件输出变为易于处理、显示、记录、控制的信号。既可以和敏感元件作在一起，也可分开。 本章将对机电控制系统中常用的几种测量元件的工作原理，使用方法进行介绍。,图31 测量元件组成框图,4,寿命长，可靠性高，抗干扰能力强。 满足精度、速度和测量范围的要求。 使用维护方便，适合复杂的工作环境。 易于实现高速的动态测量和处理，易于实现自动化。 体积小、重量轻、成本低。,对机电系统中检测元件的要求,5,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
3、；从信号转换的角度来看。它把转速信号转换成电信号。 直流测速发电机是自动控制系统中常用的一种小型直流发电机，它一般有两种形式：永磁式和他励式。其工作原理、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往往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Uaf(n)。,3.1 直流测速发电机,6,3.1 直流测速发电机,7,3.1.1 机电控制系统对直流测速发电机的要求,输出电压Ua和转速n为线性关系，即UaK n，K为比例系数，从而使
4、输出电压能正确反映电机实际转速。 输出特性斜率要大。当Uan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。 正、反转两个方向的输出特性要一致。 温度变化对输出特性的影响要小。 输出电压纹波要小，即要求在一定转速下输出电压要稳定，波动要小。,8,直流测速发电机的工作原理可由图3-2来说明。当励磁电压Uf恒定且主磁通 不变时，测速发电机的电枢与被测机械连轴而随之以转速n旋转，电枢导体切割主磁通 而在其中生成感应电动势E。电动势E的极性决定于测速发电机的转向，电动势E的大小与转速成正比，即,图3-2 直流测速发电机原理图,3.1.2 直流测速发电机的输出特性,测速发电机空载时，其输出
5、电压U为,Ce是由电枢绕组结构参数决定的常数，称为电势常数。对于他励式直流发电机，可认为为常数,9,测速发电机负载时，电枢绕组中因流过电枢电流I而在电枢绕组电阻ra上产生电压降Ira，如果忽略电枢反应、工作温度对主磁通 的影响，忽略电刷与换向器之间的接触压降，则有,由上式可见，只要主磁通、电枢电阻ra、负载电阻RL为常数，则输出电压U与电机的转速n成线性关系。,10,输出电压U随电机转速n变化而变化的关系曲线Uf(n) ，称为输出特性，如图3-3所示。负载电阻RL的值越大时，Uf(n)的斜率越大，测速发电机的灵敏度越高。,图3-3 直流测速发电机输出特性,11,显然，直流测速发电机的输出电压与
6、转速要严格保持正比关系在实际中是难以做到的，造成这种非线性误差的原因主要有以下四个方面： 电枢反应 温度的影响 延迟换向去磁作用 电刷接触压降的影响,3.1.3 直流测速发电机的误差及处理方法,12,当电机的磁路较饱和时，交轴电枢反应对主磁场起去磁作用，这使每极总磁通下降，电枢感应电势减小。负载电阻越小，转速越高，负载电流将越大，电枢反应也越强，磁通被削弱得越多，输出特性偏离直线越远，非线性误差越大。如图34所示。,一、电枢反应,为了减小电枢反应对输出特性的影响，在直流测速发电机的技术数据中标有最高转速和最小负载电阻值，用户在使用时转速不得超过最高转速，所接负载电阻不得小于规定电阻值否则非线性
7、误差将变大。,图3-4 电枢反应对输出特性的影响,13,由于电机周围环境温度变化以及电机本身发热，均会引起绕组电阻发生变化尤其是励磁绕组的电阻增大，使励磁电流减小，磁通下降，输出电压就将降低，为减小温度变化对输出特性的影响，通常采取的措施有： (1)将测速发电机的磁路设计得比较饱和，从而使励磁电流变化引起的磁通变化量减小。 (2)用附加电阻减小励磁电流的变化。具体方法是在励磁回路中串联一个热敏电阻并联网络，热敏电阻具有负的温度系数，如图所示。,二、温度的影响,如温度升高，励磁绕组电阻增加，而并联网络总电阻却下降，从而起到补偿作用，使励磁电流基本上不随温度而改变。,14,3.1.4 直流测速发电
8、机的性能指标和选择,一、主要性能指标,15,16,二、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。,17,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。目前国产的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，特别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
9、较高。 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。,18,3.1.5 直流测速发电机的应用,直流测速发电机是重要的机电元件之一，在自动控制系统中用来测量或构成闭环系统，自动调节电动机的转速；在随动系统中用来产生比例于转速的电压信号以提高系统的稳定性和精度；在计算解答装置中作为微分、积分元件。此外它还可以测量各种机械在有限范围内的摆动或非常缓慢的转速，并可代替测速仪直接测量转速。其优点是输出特性斜率大，没有相位误差。其缺点是有电刷和换向器，使它的可靠性差。由于它的优点比较突出，故在自动控制系统中，尤其是在低速测量装置中使用得很广泛，
10、下面举例说明它的应用。,19,图为直流测速发电机在雷达天线控制系统中作阻尼元件的应用实例。,20,如果从自整角机发送机手动输入一个转角，而此时自整角机(或称自整角变压器)由雷达天线驱动的转角为，则自整角接收机就输出一个正比于角度差()的电压，直流测速发电机的输出电压正比于d/dt，并负反馈到直流放大器的输入端。这时直流放大器的输入电压为Kl()K2d/dt，其中Kl为前置放大器的放大倍数，K2为测速发电机输出特性的斜率。,21,如果没有测速发电机，直流伺服电动机的转速仅正比于信号电压Kl()，电动机旋转使增大，减小，当0时，直流伺服电动机的输入信号Kl()0，电动机应停转，但由于电动机及其轴上
11、负载的机械惯性，电机转速并不立即为零，而是继续向增大方向转动，使，此时自整角机又输出反极性的误差信号，电动机将会在此反极性的信号作用下变为反转。同样由于惯性，反转又过了头，这样系统就会产生振荡。,22,当接上测速发电机后，则当=时，虽然Kl()0，但由于d/dt0，故直流放大器的信号电压为K2d/dt，由于此信号负反馈到直流放大器，此电压使电动机产生与原来转向相反的制动转矩，以阻止由于惯性而使电动机继续向增大方向转动，因而电动机很快停留在=位置。由此可见，系统中引入了测速发电机，就使得由于电动机及负载的惯性所造成的系统振荡受到了阻尼，从而改善了系统的动态性能。,23,桥式测速电路,在一些控制系
12、统中，为了满足电动机稳速或系统稳定的要求，也常采用简单的速度反馈方法，以获得与速度成正比的电气信号。通常，电气信号取自由电动机组成的桥式测速电路。这种电气信号的线性精度不高，但能满足某些系统的要求。桥式速度传感器又分为由直流电动机组成的和交流电动机组成的测速电路。,24,桥式测速电路,直流桥式速度传感器的测速电路是利用直流电动机的电动势正比于速度的原理构成的，其电路如图所示。由图可以求得桥路的输出电压为,25,桥式测速电路,直流桥式速度传感器的测速电路是利用直流电动机的电动势正比于速度的原理构成的，其电路如图所示。由图可以求得桥路的输出电压为,26,桥式测速电路,它表明，桥式测速电路的输出电压
13、正比于电动机的转速，这种方法可以得到较高的测速精度。 交流桥式速度传感器的侧速电路是利用交流电动机的电流变化反映转速变化的基本原理构成的。交流电桥的平衡条件涉及幅值和相位两个方面，因而电路复杂，而且精度较低，再加上电动机特殊等缺点，故交流桥式测速电路只在少数场合得到使用。,27,3.2.1 概述,旋转变压器简称旋变，是一种输出电压随转子转角以一定规律变化的交流电机。,用途：角度检测与同步传递；三角运算；坐标变换,分类：,按转子输出电压与转角间函数关系分类： 正余弦旋转变压器 线性旋转变压器 特种函数旋转变压器,按是否存在电刷和滑环分类： 接触式旋转变压器 非接触式旋转变压器,按极对数分类： 单
14、对极旋转变压器 多对极旋转变压器,3.2 旋转变压器,28,旋转变压器的结构由定子和转子两大部分组成，定子铁心内圆和转子铁心外圆上都布有齿槽。在定、转子铁心槽中分别嵌放着两个轴线在空间互相垂直的分布绕组，即两极两相绕组。,图2 旋转变压器铁心结构示意,3.2.2 旋转变压器结构,如图3所示。图中D1D2及D3D4分别为定子励磁绕组和定子补偿绕组，它们的结构参数完全相同。,图3 旋转变压器绕组结构示意,圆内的绕组为转子余弦绕组Z1Z 2及转子正弦绕组Z 3Z 4 ，它们的结构参数也完全相同。,如图2所示。,29,如果输出绕组Z1Z2、Z3Z4开路，定子补偿绕组D3D4也开路，只有定子励磁绕组D1
15、D2施加交流励磁电压时，这种工作状态为空载运行。,3.2.3 正余弦旋转变压器,1、空载时的工作原理：,30,A：气隙磁场D在输出绕组Z1Z2上的感应电势有效值为 EZ12=Emcos B：另一输出绕组Z3Z4的轴线与磁场轴线（直轴）的夹角为90-，那么 气隙磁场D在Z3Z4上的感应电势有效值为 EZ34=Emcos（90-）=Emsin D在定子励磁绕组中所感生的电动势为ED，由变压器原理可知 ：,则：EZ12 = KEDcos EZ34 = KEDsin,当忽略定子绕组D1D2的电阻和漏抗时， EDUD EZ12 = KUDcos EZ34 = KUDsin,1、空载时的工作原理：,31,
16、可见，通过调节转子转角的大小，输出绕组Z1Z2输出的电压按余弦规律变化，故又叫余弦输出绕组，绕组Z3Z4输出的电压按正弦规律变化，故叫做正弦输出绕组。,1、空载时的工作原理：,32,在实际应用中，输出绕组都接有负载，实验表明，带上负载的旋变，输出电压不再是转角的正、余弦函数关系，出现了一定的偏差。一般把这种输出特性偏离理想正余弦规律的现象称作输出特性的畸变。,2、负载时的工作原理：,（1）产生畸变的原因,Z12,Z12d,Z12q,33,交轴分量磁通是旋变负载后输出特性畸变的主要原因。为了保证正余弦旋变的输出特性，就要消除交轴分量磁通的影响。,2、负载时的工作原理：,（2）消除畸变的方法,34,1）转子补偿：,两个结构和参数完全一样的输出绕组如果接的负载阻抗一样，那么两绕组产生的交轴方向的磁通大小相等方向相反，刚好抵消，没有交轴磁通；而在直轴方向上磁通为两绕组直轴分量磁通之和。,ZL,ZL,注
