机电控制系统分析 第三章

哈尔滨工业大学机电学院专业课 机电控制系统分析 第三章 课件

机电控制系统分析与设计

第 三 章

机电控制系统 测量元件1

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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3-1。2

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图3-1 测量元件组成框图

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。

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对机电系统中检测元件的要求 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。

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3.1

直流测速发电机

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。 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Ua = f(n)。5

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3.1

直流测速发电机

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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。 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。 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。7

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3.1.2 直流测速发电机的输出特性 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 测速发电机空载时，其输 E 出电压U为 C e n

图3-2 直流测速发电机原理图

U E Ce n

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8

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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 I·a,如果忽略电枢反应、工作温度对主磁通 r 的影响，忽略电刷与换向器之间的接触压 降，则有U U E I ra E ra RLE Ce U n ra ra 1 1 RL RL

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。9

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E Ce U n ra ra 1 1 RL RL

U

RL= RL1 RL2 RL1> RL2

输出电压U随电机 转速n变化而变化的关 系曲线U=f(n) ,称为 输出特性，如图3-3所 示。负载电阻RL 的值 越大时，U=f(n)的斜 率越大，测速发电机 的灵敏度越高。

n图3-3 直流测速发电机输出特性

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3.1.3 直流测速发电机的误差及处理方法

显然，直流测速发电机的输出电压与转 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11

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