直流测速发电机(第1章)
直流测速发电机的工作原理
直流测速发电机的工作原理直流测速发电机是一种常用的测速、测量设备，它通过转动磁场产生电势差来测量物体的转速。
它是基于霍尔效应和电磁感应原理设计制造的一种精密仪器。
本文将详细介绍直流测速发电机的工作原理及其应用。
直流测速发电机的内部结构包括转子、定子和霍尔元件。
转子由永磁体和几个磁极组成，固定在被测物体上。
定子由线圈组成，是发电机的主要发电部件。
霍尔元件位于定子上方，并与磁铁相对应，用于感应磁场的变化。
当被测物体旋转时，磁铁的磁场也随之变化。
这种变化被霍尔元件感应到，霍尔元件将磁场变化转化为电压变化，并将其输出给直流测速发电机。
发电机接收到电压信号后，将其转换为测量物体的转速信息。
直流测速发电机的工作原理主要依赖于两个物理规律，即霍尔效应和电磁感应。
首先是霍尔效应。
霍尔效应是指当导电材料通过电流的作用，竖立在磁场中时，会在其两侧产生一定的电压。
这是因为磁场会使电子在导体内发生偏移，产生一种电势差。
直流测速发电机中的霍尔元件利用了这一效应，将转速变化转化为电压变化。
其次是电磁感应。
根据电磁感应原理，当导体相对磁场运动时，导体内部会产生感应电流。
直流测速发电机中的定子线圈通过电磁感应的方式，将被测物体的转速转化为电流输出。
基于霍尔效应和电磁感应原理，直流测速发电机能够准确测量物体的转速。
通过将测得的电压信号进行放大和处理，可以得到精确的转速数据。
直流测速发电机的应用非常广泛。
在工业生产中，它常被用于测量各种旋转设备的转速，如发动机、风机、电机等。
此外，直流测速发电机还可以用于运动控制系统中，实时监测运动的速度和位置。
值得注意的是，在实际使用直流测速发电机时，需要根据被测物体的特性和要求进行合适的参数设置。
例如，可以根据实际需要选择合适的线圈匝数、永磁体的强度和霍尔元件的位置。
总之，直流测速发电机是一种基于霍尔效应和电磁感应的测速设备，其工作原理简单而有效。
通过将物体转速转化为电压信号，它可以提供准确的转速测量数据。
直流测速发电机的工作原理
直流测速发电机的工作原理概述直流测速发电机是一种将机械能转化为电能的设备，其工作原理是通过将旋转的磁场和导体之间的相对运动转化为感应电动势，进而产生电流。
电磁感应电磁感应是直流测速发电机工作的基础原理。
它是指当导体在磁场中运动或磁场变化时，导体内会产生感应电动势和感应电流。
这是由于磁场变化引起了导体中的电子运动，从而生成电动势。
旋转磁场直流测速发电机中需要产生一个旋转的磁场，以便与导体相对运动，从而产生感应电动势。
旋转磁场可以通过使用定子绕组和电流通路进行实现。
定子绕组通常由直流电源供电，电流通过电枢绕组，产生一个磁场。
导体和电枢导体是指直流测速发电机中的旋转部分，它通常由铜制成，在转子上安装有导条或导线。
导体与旋转的磁场之间的相对运动将导致感应电动势的产生。
电枢是连接到导体的电路系统，它可以将感应电动势转化为电流。
电枢是直流测速发电机的输出端，通过连接负载，可以将电能传送到外部电路。
工作过程当导体中的旋转磁场相对电枢运动时，由于电磁感应的作用，电枢中将产生感应电动势。
感应电动势的大小和方向取决于磁场的大小、导体与磁场的相对速度以及导体的几何形状。
一旦感应电动势产生，电枢中将流过感应电流。
感应电流的大小和方向取决于电枢的阻抗和外部电路的负载特性。
直流发电机的稳定性直流测速发电机具有优良的稳定性，这是由于旋转磁场和导体之间的相对运动产生了恒定的感应电动势。
即使负载发生变化，感应电流也可以自动调整以适应负载特性。
然而，在高速旋转时，还需考虑惯性力对导体的影响，以及电机的机械稳定性和动态特性。
应用领域直流测速发电机的工作原理和稳定性使其在许多领域得到广泛应用。
以下是一些常见的应用领域：1.火车牵引2.汽车发电机3.风力发电4.水力发电5.汽轮机发电6.车载发电结论直流测速发电机是一种将机械能转化为电能的设备，其工作原理是通过将旋转的磁场和导体之间的相对运动转化为感应电动势，进而产生电流。
它具有良好的稳定性和多种应用领域。
传感器原理与应用习题及答案
《第一章传感器的一般特性》1转速（r/min）0 500 1000 1500 2000 2500 3000输出电压（V）0 9.1 15.0 23.3 29.9 39.0 47.51）该测速发电机的灵敏度。
2）该测速发电机的线性度。
2．已知一热电偶的时间常数τ=10s，若用它来测量一台炉子的温度，炉内温度在540οC和500οC 之间按近似正弦曲线波动，周期为80s，静态灵敏度k=1，试求该热电偶输出的最大值和最小值，以及输入与输出信号之间的相位差和滞后时间。
3．用一只时间常数为0.355s 的一阶传感器去测量周期分别为1s、2s和3s的正弦信号，问幅值误差为多少？4．若用一阶传感器作100Hz正弦信号的测试，如幅值误差要求限制在5%以内，则时间常数应取多少？若在该时间常数下，同一传感器作50Hz正弦信号的测试，这时的幅值误差和相角有多大？5．已知某二阶系统传感器的固有频率f0=10kHz，阻尼比ξ=0.1，若要求传感器的输出幅值误差小于3%，试确定该传感器的工作频率范围。
6．某压力传感器属于二阶系统，其固有频率为1000Hz,阻尼比为临界值的50%,当500Hz的简谐压力输入后，试求其幅值误差和相位滞后。
《第二章应变式传感器》1．假设某电阻应变计在输入应变为5000με时电阻变化为1%，试确定该应变计的灵敏系数。
又若在使用该应变计的过程中，采用的灵敏系数为 1.9，试确定由此而产生的测量误差的正负和大小。
2．如下图所示的系统中：①当F＝0和热源移开时，R l＝R2＝R3＝R4，及U0＝0；②各应变片的灵敏系数皆为+2.0，且其电阻温度系数为正值；③梁的弹性模量随温度增加而减小；④应变片的热膨胀系数比梁的大；⑤假定应变片的温度和紧接在它下面的梁的温度一样。
在时间t＝0时，在梁的自由端加上一向上的力，然后维持不变，在振荡消失之后，在一稍后的时间t1打开辐射源，然后就一直开着，试简要绘出U0和t的关系曲线的一般形状，并通过仔细推理说明你给出这种曲线形状的理由。
直流、交流测速发电机的工作原理
直流、交流测速发电机的工作原理来源：机械专家网发布时间：2010-03-20 机械专家网一、直流测速发电机：1、直流测速发电机的工作原理：在空载时，直流测速发电机的输出电压就是电枢感应电动势。
显然输出电压与转速成正比。
2. 误差分析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，其实际的输出特性为图中实线，造成这种非线性误差的原因主要有以下三个方面：（1）电枢反应直流测速发电机负载时电枢电流会产生电枢反应，电枢反应的去磁作用使气隙磁通Φ0减小，使输出电压减小。
从输出特性看，斜率将减小，而且电枢电流越大，电枢反应的去磁作用越显著，输出特性斜率减小越明显，输出特性直线变为曲线。
（2）温度的影响如果直流测速发电机长期使用，其励磁绕组会发热，其绕组阻值随温度的升高而增大，励磁电流因此而减小，从而引起气隙磁通减小，输出电压减小，特性斜率减小。
温度升得越高，斜率减小越明显，使特性向下弯曲。
可在励磁回路中串接一个阻值较大而温度系数较小的锰铜或康铜电阻，以减小由于温度的变化而引起的电阻变化，从而减小因温度而产生的线性误差。
（3）接触电阻如果电枢电路总电阻包括电刷与换向器的接触电阻，那么输出电压受接触电阻压降影响总是随负载电流变化而变化，当输入的转速较低时，接触电阻较大，使此时本来就不大的输出电压变得更小，造成的线性误差很大；当电流较大的，接触电阻较小而且基本上趋于稳定的数值，线性误差相对而言小得多。
另外，直流测速发电机输出的是一个脉动电压，其交变分量对速度反馈控制系统、高精度的解算装置有较明显的影响。
二、交流测速发电机：交流测速发电机分为同步测速发电机和异步测速发电机。
在实际应用中异步测速发电机使用较广泛。
交流异步测速发电机工作原理交流异步测速发电机与交流伺服电动机的结构相似，其转子结构有笼型的，也有杯型的，在自动控制系统中多用空心杯转子异步测速发电机。
空心杯转子异步测速发电机定子上有两个在空间上互差90°电角度的绕组，一为励磁绕组，另一为输出绕组。
《控制电机1~11章》答案解读
第二章直流测速发电机1. 为什么直流发电机电枢绕组元件的电势是交变电势而电刷电势是直流电势?答：电枢连续旋转，导体ab和cd轮流交替地切割N极和S极下的磁力线，因而ab和cd中的电势及线圈电势是交变的。
由于通过换向器的作用，无论线圈转到什么位置，电刷通过换向片只与处于一定极性下的导体相连接，如电刷A 始终与处在N 极下的导体相连接，而处在一定极性下的导体电势方向是不变的，因而电刷两端得到的电势极性不变，为直流电势。
2. 如果图2 - 1 中的电枢反时针方向旋转，试问元件电势的方向和A、B 电刷的极性如何?答：在图示瞬时，N极下导体ab中电势的方向由b指向a, S极下导体cd中电势由d指向c。
电刷A通过换向片与线圈的a端相接触，电刷B 与线圈的d 端相接触,故此时A 电刷为正, B 电刷为负。
当电枢转过180°以后，导体cd处于N极下，导体ab处于S极下,这时它们的电势与前一时刻大小相等方向相反, 于是线圈电势的方向也变为由a 到d，此时d为正，a为负，仍然是A刷为正，B刷为负。
3. 为了获得最大的直流电势，电刷应放在什么位置? 为什么端部对称的鼓形绕组（见图2 - 3）的电刷放在磁极轴线上? P9-104. 为什么直流测速机的转速不得超过规定的最高转速? 负载电阻不能小于给定值?答：转速越高，负载电阻越小，电枢电流越大，电枢反应的去磁作用越强，磁通被削弱得越多，输出特性偏离直线越远，线性误差越大，为了减少电枢反应对输出特性的影响，直流测速发电机的转速不得超过规定的最高转速，负载电阻不能低于最小负载电阻值，以保证线性误差在限度的范围内。
而且换向周期与转速成反比，电机转速越高，元件的换向周期越短；eL 正比于单位时间内换向元件电流的变化量。
基于上述分析，eL必正比转速的平方，即eL x n2。
同样可以证明ea x n2。
因此，换向元件的附加电流及延迟换向去磁磁通与n2成正比，使输出特性呈现非线性。
直流测速发电机的工作原理
Ia
=
Ua RL
（3-4）
经化简后为
U a= Ea
−
U R
a L
Ra
Ua
=
Ea
1+
Ra RL
=
Ke
1+
Ra RL
n = Cn
（3-5）
式中
C
=
Ke
1+
Ra RL
C 为测速发电机输出特性的斜率。当不考虑电枢反应，且认为Φ、 Ra 和 RL 都能保持为常
数，斜率 C 也是常数，输出特性便有线性关系。对于不同的负载电阻 RL ，测速发电机输出特性
（1）输出电压与转速保持良好的线性关系； （2）剩余电压（转速为零时的输出电压）要小； （3）输出电压的极性和相位能反映被测对象的转向； （4）温度变化对输出特性的影响小； （5）输出电压的斜率大，即转速变化所引起的输出电压的变化要大； （6）摩擦转矩和惯性要小。 此外，还要求它的体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、对无线电通讯的干扰小、噪声 小等。
1
此外，还有性能和可靠性更高的无刷测速发电机。
§3-2 直流测速发电机
一、直流测速发电机的型式 直流测速发电机实际上是一种微型直流发电机。按励磁方式可分为两种型式。 １．电磁式 表示符号如图 3-2（a）所示。定子常为二极，励磁绕组由外部直流电源供电，通电时产生 磁场。目前，我国生产的 CD 系列直流测速发电机为电磁式。 2．永磁式 表示符号如图 3-2（b）所示。定子磁极是由永久磁钢做成。由于没有励磁绕组，所以可省 去励磁电源。具有结构简单，使用方便等特点，近年来发展较快。其缺点是永磁材料的价格较 贵，受机械振动易发生程度不同的退磁。为防止永磁式直流测速发电机的特性变坏，必须选用 矫顽力较高的永磁材料。目前，我国生产的 CY 系列直流测速发电机为永磁式。
直流测速发电机的基本结构和工作原理
正比，因此只要用一个直流压表就可测出速度大
小及方向
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结构
原理 课堂练习
Block Diagram
基本结构 工作原理
课堂练习
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结构原理 课堂练习流测速发电机的结构直流测速发电机的外形如图所示，其结构与直 流伺服电机基本相同，定子装有励磁绕组，加 直流励磁电压。电枢有有槽电枢、无槽电枢、 空心杯电枢、印刷绕组电枢等，电枢接测量仪 器或仪表。
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结构
原理 课堂练习
1.直流测速发电机的结构与直流伺服电机基本相同，
定子装有
，加
。电
枢有有槽电枢、无槽电枢、
电枢、印
刷绕组电枢等，电枢接
或仪表。
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结构
原理 课堂练习
课堂练习——原理
1、直流测速发电机的电枢静止时，不会产生感
应电动势，输出电压为
；电枢转动时，电
枢切割磁力线，产生感应电动势，输出电动势和
与 成正比。由于输出电压与转子的转速成
直流测速发电机的原理
直流测速发电机的工作原理如图，电枢静止时，不会 产生感应电动势，输出电压为零；电枢转动时，电枢 切割磁力线，产生感应电动势，输出电动势和输出电 压与转速成正比。由于输出电压与转子的转速成正比， 因此只要用一个直流压表就可测出速度大小及方向。
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结构
原理 课堂练习
课堂练习——结构
9.直流测速发电机结构与工作原理
N
+
a
A
c
B
-
S
导体ab,cd切割
磁力线产生感应
b
n
d
电势，N极下电 势方向由b指向a， s极下导体cd中
电势由c指向d,
因此电刷A为正，
B为负（左通力
右生电）
当线圈转动180o ,导体cd处于N极下，电势由d到
c ，S极下导体电势由a到b，仍然A刷为正，B刷为
a
B
-
S
电枢连续旋转，导体ab.cd
轮流交替地切割N极和S极下的
d
磁力线,ab.cd中产生交变电势， 但是换向器的作用，使电刷通
n 过换向片只与处于一定极性下
b 的导体相连接，从而使电刷两
端得到的电势极性不变，这就
是直流发电机的最基本工作原
理。
• 直流测速发电机的型式
• 按照励磁方式划分， 直流测 速发电机有两种型式。
• 1. 永磁式
•
永磁式直流测速发电机的定
子磁极由永久磁钢做成， 没有励
磁绕组， 以图 所示的符号表示。
2. 电磁式
•
电磁式直流测速发电
机的定子励磁绕组由外部电
源供电， 通电时产生磁场，
以图 所示的符号表示。
三、 输出特性
Ua
E 1 Ra
Ce 1 Ra
n
RL
RL
感谢您的聆听！
日 期：2019.06.16
直流测速电机结构与工作原理是机械工业出本社《控制电机》的第四个任务模块内容，教 学内容难度适中，与之前所讲的，交流测速发电动机联系紧密，并且是我们最后的闭环控制重 要的反馈元件。直流测速电机是目前自动化生产线，智能机器人，高精度数控机床等智能制造 领域内使用最为广泛的一类电机，因此，在本章的学习中具有举足轻重的地位和作用。
直流测速发电机的工作原理
直流测速发电机的工作原理
1. 引言
直流测速发电机是一种能将机械能转换为直流电能的装置。
它
在测速领域起着重要的作用，可以用于测量机械转速或流速等参数。
本文将探讨直流测速发电机的工作原理。
2. 基本构造
直流测速发电机由以下几部分构成：导体线圈、磁场、转子、
电刷和电路等。
导体线圈固定在转子上，转子与磁场之间存在相对
运动，导致导体线圈中产生感应电动势。
3. 工作原理
当转子与磁场之间存在相对运动时，导体线圈中会产生感应电
动势。
这是基于法拉第电磁感应定律的原理，即当导体线圈与磁场
之间相对运动时，会产生感应电流。
直流测速发电机的工作原理可
以简单概括为以下几个步骤：
3.1 磁场产生
在直流测速发电机中，磁场可以由永磁体或电磁体产生。
当电流通过线圈时，线圈中产生的磁场与永磁体或电磁体的磁场相互作用，形成一个稳定的磁场。
3.2 相对运动
直流测速发电机中的转子与磁场之间必须存在相对运动，这样才能产生感应电动势。
转子可以通过机械装置实现相对运动，例如风力发电机中的风车叶片转动，或水力发电机中的水轮转动。
3.3 感应电动势产生
由于转子与磁场之间存在相对运动，导体线圈中会产生感应电动势。
这个电动势的大小取决于导体线圈的长度、磁场的强度以及相对运动的速度等因素。
感应电动势的方向根据楞次定律确定，它的方向与转子与磁场之间的相对运动方向有关。
3.4 输出电能
直流测速发电机的最终目的是将机械能转换为电能，输出到外部电路中进行使用。
为了实现这一点，直流测速发电机通常配备了。
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1.3.1
1.3 直 流 测 速 发 电 机 的 误 差 及 其 减 小 方 法
温度影响
减小温度变化对输出特性的影响，通常采取的措施是：
（1）测速发电机的磁路设计得比较饱和，因而励磁电 流变化时所引起的磁通变化量较小。
B b B
BJ
a B0 0 H
1.3.1
1.3 直 流 测 速 发 电 机 的 误 差 及 其 减 小 方 法
每一导体的感应电势；
一对电刷间的串联导体数。
ei Bxlv
式中 Bx--为导体所在点的磁通密度； l -- 导体在磁场中的长度（电枢铁心的长度）； v -- 导体切割磁通的线速度（电枢的圆周速度）。
1.1.3 直流电势的大小
1.1 直 流 发 电 机 的 工 作 原 理 和 结 构
e p B p lv
式中
Ce为一个常数，其大小由电机本身参数决定。
当每极磁通一定时, 为常数，令
K e Ce
则
Ea K e n
其中，Ke称为电势系数。
1.1 直流发电机的工作原理和结构
结论：
电刷两端的感应电势和电机的转速成 正比。即电势的大小能表征转速的大小。 因此直流发电机能把转速信号转换成 电势信号，从而可用来测速。
绪
论
三、主要参考书：
1、陈隆昌编著《控制电机》 西安电子科技大学出版社；
2、梅晓榕编著《自动控制元件及线路》
哈尔滨工业大学出版社；
3、刘向群编著《自动控制元件》（电磁类）
北航出版社： 4、秦曾煌编著《电工技术》（电机部分） 高等教育出版社。
第一章 直流测速发电机
从能量转换的角度来看，它把机械能转换为电能， 输出直流电；从信号转换的角度来看，它把转换信号 转换成电压信号，其值和转速成正比，即
直流发电机和并励电动机实验
第一章直流电机实验1-1 认识实验一、实验目的1、学习电机实验的基本要求与安全操作注意事项。
2、认识在直流电机实验中所用的电机、仪表、变阻器等组件及使用方法。
3、熟悉他励电动机(即并励电动机按他励方式)的接线、起动、改变电机转向与调速的方法。
二、预习要点1、如何正确选择使用仪器仪表。
特别是电压表电流表的量程。
2、直流电动机起动时，为什么在电枢回路中需要串接起动变阻器? 不串接会产生什么严重后果?3、直流电动机起动时，励磁回路串接的磁场变阻器应调至什么位置? 为什么? 若励磁回路断开造成失磁时,会产生什么严重后果?4、直流电动机调速及改变转向的方法。
三、实验项目1、了解DD01电源控制屏中的电枢电源、励磁电源、校正过的直流电机、变阻器、多量程直流电压表、电流表及直流电动机的使用方法。
2、用伏安法测直流电动机和直流发电机的电枢绕组的冷态电阻。
3、直流他励电动机的起动、调速及改变转向。
四、实验设备及控制屏上挂件排列顺序12、控制屏上挂件排列顺序D31、D42、D41、D51、D31、D44五、实验说明及操作步骤1、由实验指导人员介绍DDSZ -1型电机及电气技术实验装置各面板布置及使用方法，讲解电机实验的基本要求，安全操作和注意事项。
2、用伏安法测电枢的直流电阻图1-1 测电枢绕组直流电阻接线图（1）按图1-1接线，电阻R 用D44上1800Ω和180Ω串联共1980Ω阻值并调至最大。
A 表选用D31直流、毫安、安培表，量程选用5A 档。
开关S 选用D51挂箱。
（2）经检查无误后接通电枢电源，并调至220V 。
调节R 使电枢电流达到0.2A （如果电流太大，可能由于剩磁的作用使电机旋转，测量无法进行；如果此时电流太小，可能由于接触电阻产生较大的误差），迅速测取电机电枢两端电压U 和电流I 。
将电机分别旋转三分之一和三分之二周，同样测取电U 、I 三组数据列于表1-1中。
（3）增大R 使电流分别达到0.15A 和0.1A ，用同样方法测取六组数据列于表1-1中。
控制电机名词解释简答
第一章1-1名词解释：1、直流测速发电机的输出特性：直流测速发电机的输出特性是指励磁磁通φ和电刷接触电阻Ra为常数时，输出电压U随转子转速n的变化曲线，即U=f（n）2、电枢反应：由于电枢在绕动的过程中产生的磁场影响了主磁场、3、相位误差:自控系统要求异步测速发电机的输出电压和励磁电阻相位相同，即U2和U1的相位相同，在既定的转速范围内，输出电压和励磁电压之间的相位差△Ψ称为相位误差。
第二章直流伺服电动机2—1直流伺服电动机1、直流伺服电动机的动态特性：直流伺服电动机的动态特性是指：电动机的电枢上外施电压突变时，电动机从一种稳定转速过渡到另一稳定转速的过程，即 n=f（t）或Ω=f（t）。
2、双极性PWM的死区：在双极性驱动下，由于开关管自身都有开关延时，如果“开”“关”延时时间不同，可能在同一桥臂出现直通现象，引起电源短路，为了避免这种情况，在同一桥臂的两个开关管在“开”“关”交替时，增加一个低电平延时，这个低电平延时称为死区。
2—21、霍尔效应:通有电流的导体或半导体薄片至于磁场中，由于受到洛伦兹力的作用载流子将向薄片侧边积累，则在垂直于电流I磁场B的方向上出现一个电位差UH，这个现象称为霍尔效应。
2、无传感器位置检测：电动机通过检测定子绕组的反电动势或定子三次谐波或续流二极管电流通路作为转子磁钢的位置信号，该信号检出后，经数字电路处理，送给逻辑开关电路去控制无刷直流电动机换向。
2—31、磁状态角：电枢磁场在空间保持某一状态时转子所转过的空间电角度，即定子上前后出现的两个不同磁场轴线间所夹的电角度称为磁状态角，或成状态角Θm。
2---41、反电动势积分法：当有磁极转过不导通相时，不导通绕组会产生反电动势，通过对电动机不导通相反电动势的积分信号来获取转子位置信息，积分值一旦达到阈值，即换相值清。
2、续流二极管法：通过监视并联在逆变器两端的续流二极管的导通情况来确定电动机功率管的换相瞬时，在某些连接法中，无刷直流电机三相绕组中总有一相处于断开状态，断开相处于发电状态，产生的电动势会使通过其中的一个二极管流入电源，监视6个续流二极管的导通，关断状况就可以获得6个功率管的开关顺序。
直流测速发电机
2 直流测速发电机
2.4 输出特性的误差分析
2.4.2 电枢反应
1、电机的磁场
10
n
主磁场0
电枢磁场a
合成磁场
2 直流测速发电机
2.4 输出特性的误差分析
2.4.2 电枢反应
2、电枢反应
限制负载电阻最小值，并保持负载电阻的稳定；
2 直流测速发电机
2.4 输出特性的误差分析
2.4.3 延迟换向去磁 1、换向过程 2、延迟换向
15
3、延迟换向对特性的影响
4、减小误差的措施
2 直流测速发电机
2.4 输出特性的误差分析
2.4.3 延迟换向去磁 1、换向过程
定义：
I IB v n v
式中
K e Ce
2 直流测速发电机
2.4 输出特性的误差分析
2.4.1 温度的影响
3、减少温度影响的方法 2）减小温度对磁场的影响； 基本方法： （1）采用永磁式测速发电机
Uj Ri
/
9
Ra Ia Ea
=f (Ij)
较饱和
//
Ua
非饱和
RL
I
I
Ij
（2）采用励磁电机的方法
29
U a k ( )
有测速电机
d U a k1 ( ) k2 dt
2 直流测速发电机
2.5 在控制系统中的主要应用
2.5.3 在控制系统中作微分或积分解算元件
微分元件：
输出电压——等于其输出转角的微分；
30
d Ua dt
自动控制元件部分课后题答案
自动控制元件 部分课后题答案第一章 直流伺服电动机1-1直流伺服电动机的电磁转矩和控制电流由什么决定？答：a ：由T em =C m ΦI a 知电磁转矩由每极磁通量和绕组电流大小决定。
b ：由T em =T 0 +T 2 =CmΦIa 控制电流由负载转矩(T 2)和空载转矩(T 0)大小决定。
1-2当直流伺服电动机的负载转矩恒定不变时，控制电压升高将使稳态的电磁转矩、控制电流、转速发生怎样的变化？为什么？答：a ：电磁转矩T em =T 0 +T 2可见电磁转矩也不变。
由T em =C m ΦI a 知控制电流I a 也不变b ：KeKtRaTem Ke Ua n -=知T em 不变可见U a 转速升高理想空载转速变大导致转速n 升高。
1-3已知一台直流电动机，其电枢额定电压Ua=110V ，额定运行时电枢电流Ia=0.4A ，转速n=3600rpm ，它的电枢电阻Ra=50欧姆，负载阻转矩To=15mN.m 。
试问该电动机额定负载转矩是多少？答：Ea= Ua- IaRa=110-0.4×50=90VEa=Ce Φn, Ce=0.105Cm Cm Φ=0.23836000.10590n 105.0=⨯=⨯Ea T em =T 0 +T 2=CmΦIa→T 2=CmΦIa -T 0 =0.40.238=0.0952-15×10-3=80.2mN.m 1-6当直流伺服电动机电枢电压、励磁电压不变时，如将负载转矩减少，试问此时电动机的电枢电流、电磁转矩、转速将怎样变化？并说明由原来的状态到新的稳态的物理过程。
答：磁转矩T em =T 0 +T 2可见T 2 ↓电磁转矩也↓。
由T em =C m ΦI a 知控制电流I a ↓Ea= Ua- IaRa 可见I a ↓知Ea↑，由Ea=Ce Φn 知Ea↑知n ↑第二章 直流测速发电机2-4某直流测速发电机，其电枢电压U=50V ，负载电阻R L =3000Ω，电枢电阻Ra=180Ω，转速n=3000rpm ，求该转速下的空载输出电压Uo 和输出电流Ia 。
第2章_直流测速发电机
反之， 当温度下降时， 输出电压便升高。
第一章 直流测速发电机
减少温度影响的措施： ①测速发电机磁路通常被设计的比较饱和，磁路 饱和后励磁电流变化引起的磁通变化较小； ②励磁回路串一个阻值比励磁绕组电阻大几倍的 附加电阻来稳流；
③对温度变化引起误差要求比较严格的场合，可 在励磁回路中串联负温度系数的热敏电阻并联网 络。
第一章 直流测速发电机
(4) 输出电压的纹波要小， 即要求在一定的转速 下输出电压要稳定， 波动要小；
(5) 正、 反转两个方向的输出特性要一致。
图 2 - 17 测速发电机的理想输出特性
第一章 直流测速发电机
2.3.3 输出特性
在2.2节中已经推导了直流电势公式:
Ea=CeΦn
Ea∝n
(2 - 14)
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第一章 直流测速发电机
式(2 - 14)是负载时输出电压与转速的关系。 如果 式中Φ、 Ra和RL都能保持为常数， 则Ua与n之间仍呈 线性关系， 只不过是随着负载电阻的减小， 输出特性 的斜率变小而已， 如图 2 - 19 所示。 但该图是理想情 况下， 即Φ、 Ra不变， RL为一定时的输出特性。
pN 其中 C e 称电动势常数，Φ为每极磁通。 60 a
第一章 直流测速发电机
2.3 直流测速发电机及其输出特性 2.3.1 直流测速发电机的型式
按照励磁方式划分， 直流测速发电机有两 种型式。
1. 永磁式
永磁式直流测速发电机的定子磁极由永久 磁钢做成， 没有励磁绕组， 以图 2 - 15 所示 的符号表示。
第一章 直流测速发电机
2.4.2 电枢反应影响 电机空载时，只有励磁绕组产生的主磁场。 电机负载时， 电枢绕组中流过电流也要产生磁 场， 称为电枢磁场。 所以， 负载运行时， 电
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1.1
直流测速发电机的原理和结构
直流电机
N
一、直流测速发电机的结构
定子 空 气 隙 转子
+
n
定 子 铁 心
-
S
励 机 端 电 电 换 电 转 磁 枢 向 枢 绕 绕 器 铁 组 壳 盖 刷 组 心 轴
控制电机
直流电机的定子
控制电机
直流电机的转子
控制电机
励磁方式： 励磁方式：电磁式和永磁式 直流永磁电机
第 1 章 直流测速发电机
中国矿大信电学院
第1章
直流测速发电机
1.1 直流测速发电机的工作原理和结构 1.2 直流测速发电机的输出特性 1.3 直流测速发电机的误差和减小方法 1.4 直流测速发电机的性能指标及应用 1.5 直流测速发电机的应用举例 1.6 直流测速发电机的发展动向
第1章
本 章 要 求：
F2 S2
1.5
直流测速发电机的应用举例
直流测速发电机在自动控制系统和计算装 测速元件、 置中可以作为测速元件 校正元件、 置中可以作为测速元件、校正元件、解算元件 角加速度信号元件。 和角加速度信号元件。它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 摆动或非常缓慢的转速。 有限范围内的摆动或非常缓慢的转速。 下面以测速发电机在速度控制系统中作为 转速负反馈元件调节电动机的转速 调节电动机的转速， 转速负反馈元件调节电动机的转速，以稳定系 统的转速为例，介绍测速发电机的使用。 统的转速为例，介绍测速发电机的使用。
原理动画
1.2
直流测速发电机的输出特性
一、基本概念 根据已学过的直流发电机的工作原理 知，电刷两端的感应电势 ： Ea = Ceфn=Ke n 由上可知：1.电刷两端的感应电势与 由上可知：1.电刷两端的感应电势与 电机的转速成正比。2.直流发电机能够把 电机的转速成正比。2.直流发电机能够把 转速信号换成电势信号，从而用来测速。 转速信号换成电势信号，从而用来测速。
控制电机
二 电枢磁场的影响 N N
不论转子转 到哪个位置， 到哪个位置，电 枢导体电流在空 间分布情况始终 不变， 不变，因此电枢 磁场在空间是固 定不动的恒定磁 场。
S 主磁场
S 电枢磁场
减小误差的考虑： 减小误差的考虑：
控制电机
电枢磁场产生附加去磁作用， 电枢磁场产生附加去磁作用，负载时的气 附加去磁作用 隙磁通较空载时小，从而产生误差。 隙磁通较空载时小，从而产生误差。 当负载电阻越小或转速越高， 当负载电阻越小或转速越高，负载电流就 越大，电枢磁场产生的附加去磁作用就越强， 越大，电枢磁场产生的附加去磁作用就越强， 磁通被削弱的就越多，输出特性偏离直线越远， 磁通被削弱的就越多，输出特性偏离直线越远， 非线性误差越大。 非线性误差越大。 N Ua
n
S
控制电机
为了减小电枢反应对输出特性的影响， 为了减小电枢反应对输出特性的影响，测 速发电机在使用时，转速不得超过技术条件中 速发电机在使用时，转速不得超过技术条件中 规定的最大转速；负载电阻不得小于技术条件 规定的最大转速；负载电阻不得小于技术条件 给定的电阻值，以保证非线性误差较小。 给定的电阻值，以保证非线性误差较小。 三、其它影响 除了以上两种原因引起输 出特性的误差外，还有延迟换 出特性的误差外，还有延迟换 向去磁、 向去磁、电势的纹波以及电刷 接触压降等都会引起输出特性 接触压降等都会引起输出特性 的误差， 的误差，对此在电机中都采用 了相应减小误差的措施。 了相应减小误差的措施。 Ia Uj EU
控制电机
三、输出特性 Ia Uj Ea RL
由直流电机电势公式得： 由直流电机电势公式得：
Ea=Ceфn=Ke n Ua
在图示正方向下得： 在图示正方向下得：
Ua=Ea-IaRa Ia=Ua/RL
负载时测速发电机的输出电压为： 负载时测速发电机的输出电压为：
C eφ Ua = n 1 + Ra / RL
为了减小温度变化对输出特性的影响， 为了减小温度变化对输出特性的影响，测 速发电机的磁路应较为饱和。当磁路饱和时， 速发电机的磁路应较为饱和。当磁路饱和时， 磁路应较为饱和 励磁电流变化引起的磁通变化较小。但是， 励磁电流变化引起的磁通变化较小。但是，由 于绕组电阻随温度变化的变化太大， 于绕组电阻随温度变化的变化太大，要使输出 稳定， 稳定，还必须采取措施以减小温度对输出特性 的影响。 的影响。 φ If
给定
控制器
控制电机 电磁滑差 磁极 离合器 电枢
L
信号处 理电路 测速发电机
M
直流励 磁绕组
Uu Uv Uw
电磁滑旋转，其 中有短路绕组；磁极与负载同轴旋转， 中有短路绕组；磁极与负载同轴旋转，其中的励磁 绕组通入直流电流，在离合器的磁路中产生磁通。 绕组通入直流电流，在离合器的磁路中产生磁通。 电枢旋转时，其绕组切割气隙磁场，感应电势， 电枢旋转时，其绕组切割气隙磁场，感应电势，产 生电流，该电流与气隙磁场作用就产生电磁转矩， 生电流，该电流与气隙磁场作用就产生电磁转矩， 使磁极和负载随着电枢向同一个方向旋转。 使磁极和负载随着电枢向同一个方向旋转。
由于电机周围环 境温度的变化以及电 机本身发热， 机本身发热，使电机 绕组的电阻发生变化。 绕组的电阻发生变化。 升高， 温度t 升高，励磁绕 增大， 组电阻R 增大，磁通 ф减小输出电压U 降 反之， 升高。 低。反之，U 升高。
If
Ia Ea Ua
RL
Uj
减小误差的考虑： 减小误差的考虑：
控制电机
控制电机
2、直流测速发电机的接线 、
电磁式直流测速发电机在使用前必须区别清 楚电枢绕组端头和激磁绕组端头。 楚电枢绕组端头和激磁绕组端头。
S1 F1
一般标有F 一般标有 1和F2的为 激磁绕组，标有S 激磁绕组，标有 1和S2的 为电枢绕组。 为电枢绕组。 如果标记看不清或已 脱落，如何判断？ 脱落，如何判断？
控制电机
二、直流测速发电机的使用 1、直流测速发电机的选用 、 选用直流测速发电机时， 选用直流测速发电机时，应根据其在系统 中的用途来选择。 中的用途来选择。 1）当作为运算元件或用于恒速控制时，应着重 ）当作为运算元件或用于恒速控制时， 考虑其线性度和纹波电压 线性度和纹波电压， 考虑其线性度和纹波电压，而对输出斜率的要 求则是第二位的； 求则是第二位的； 2）当作为校正元件时，应着重考虑其输出斜率， ）当作为校正元件时，应着重考虑其输出斜率， 斜率 而对其其线性度和纹波电压的要求并不是很严 格的。 格的。
直流测速发电机
熟练掌握直流测速发电机的工作原理。 熟练掌握直流测速发电机的工作原理。 了解直流测速发电机的结构和型式。 了解直流测速发电机的结构和型式。 熟练掌握直流测速发电机的输出特性。 熟练掌握直流测速发电机的输出特性。 搞清直流测速发电机的误差及其减小方法。 搞清直流测速发电机的误差及其减小方法。 搞清直流测速发电机的性能指标。 搞清直流测速发电机的性能指标。 熟练掌握直流测速发电机的应用。 熟练掌握直流测速发电机的应用。
1.4 直流测速发电机的性能指标及使用 一、主要性能指标 1、线性误差 、 在工作转速范围内， 在工作转速范围内， 输出电压与理想输出电压 之差对最大理想输出电压 之比
δx = ∆U
Um × 100%
U(V)
实测值
Um
理论值
o
5 nb一般为 nmax , δ x 一般为 0.5%左右 6
nb nmax
直流永磁电机
控制电机
永磁直流测速发电机
控制电机
永 磁 直 流 测 速 发 电 机
控制电机
2577稀土直流伺服测速机组 稀土直流伺服测速机组
用途： 用途：在随动系统中提供驱动力矩和 速度反馈信号， 速度反馈信号，本产品已用于某机光学瞄 准具随动系统中 。
控制电机
二、直流测速发电机的工作原理
N
b
+
a c
n
d
A
-
B
S
导体ab,cd切割 磁力线产生感应 电势，N极下电 势方向由b指向a， s极下导体cd中 电势由c指向d, 因此电刷A为正， B为负
当线圈转动180 导体cd处于N极下， cd处于 当线圈转动180 ,导体cd处于N极下，电 势由d 极下导体电势由 导体电势 仍然A 势由d到c ，S极下导体电势由a到b，仍然A刷 为正， 刷为负。 为正，B刷为负。
控制电机
二、自动控制系统对测速发电机的要求： 自动控制系统对测速发电机的要求： 1.输出电压与转速的关系曲线（ 1.输出电压与转速的关系曲线（即输 输出电压与转速的关系曲线 出特性）应为线性。 出特性）应为线性。 2.输出特性的斜率要大。 2.输出特性的斜率要大。 输出特性的斜率要大 3.温度变化对输出特性的影响要小。 3.温度变化对输出特性的影响要小。 温度变化对输出特性的影响要小 4.输出电压的纹波要小 输出电压的纹波要小， 4.输出电压的纹波要小，即要求在一 定的转速下输出电压要稳定，波动要小。 定的转速下输出电压要稳定，波动要小。 5.正 5.正，反转两个方向的输出特性要一 致。
控制电机 电磁滑差离合器的异步调速系统 电磁滑差 磁极 离合器 电枢
给定
控制器
L
信号处 理电路 测速发电机
M
直流励 磁绕组
Uu Uv Uw
系统由异步电动机、电磁滑差离合器、 系统由异步电动机、电磁滑差离合器、测速发电机 和控制电路组成。通过离合器来调节负载速度。 和控制电路组成。通过离合器来调节负载速度。
控制电机
热敏网络参数选择方法： 热敏网络参数选择方法： 1）作出励磁绕组电阻随温度变 化的曲线1 化的曲线1； 2）作并联网络电阻随温度变化 的曲线2 的曲线2。 R 3 1 2 0 t
R(t) Uf R Rf(t)
曲线1温度系数为正; 曲线1温度系数为正; 曲线2温度系数为负； 曲线2温度系数为负； 当两条曲线的斜率 相等， 相等，励磁回路的总电 阻就不随温度而变化, 阻就不随温度而变化,曲 线3 。