自动控制元件
第二章 直流测速发电机
自动化学院自动化学院 巩冰巩冰
直流测速发电机
可以把机械转速变换成电压信号。
除了作为测速元件，还可以作为阻尼元件，以及解算装置中
的微分元件和积分元件。
电磁转矩与转速方向相反，是制动转矩。
直流测速发电机空载
空载时，Iaf =0，则各关系式变为：
直流测速发电机除用作测速元件外，还可当作阻尼元件以及解算装置中的直流测速发电机除用作测速元件外，还可当作阻尼元件以及解算装置中的
微分元件和积分元件。微分元件和积分元件。
直流测速发电机
控制系统对直流测速发电机的主要技术性能要求：
（1）输出电压要与转速成线性关系，并具有对称性，
而且能保持稳定；
（2）输出特性的灵敏度高，即曲线斜率大。
（3）输出电压纹波小，即要求在一定的转速下输出电
压稳定，波动小；
（4）转动惯量小，以保证响应速度快；
（5）高频干扰小，噪音小，工作可靠，结构简单，体
积小，重量轻等。
直流测速发电机的类型
按照励磁方式分，直流测速发电机有两种型式：
（1）永磁式 其定子磁极由永久磁铁做成，没有励磁绕组.
图图1-9 1-9 永磁直流测速机永磁直流测速机 图图1-10 1-10 他激直流测速机他激直流测速机
（2）电磁式 其定子励磁绕组由外部电源供电，通电时产
生磁场。
直流测速发电机的静态特性
直流测速发电机的静态特性就是它的输出特性，即其输出电
压与稳态转速的关系。
RL
直流测速发电机的静态特性
图图 直流测速机接上负载直流测速机接上负载
RL
图图2-3 2-3 不同负载电阻时的不同负载电阻时的
理想输出特理想输出特性性
RL
RL1
RL2
RL1> RL2
Uaf
n
空载（RL）时，输出特
性将有最大斜率.
直流测速发电机的动态特性
直流测速发电机的动态特性是指输入一个阶跃转速时，输出
信号电压随时间的变化规律。
可见空载时直流测速发电机是一个理想的比例元件。
RL
Lf
uaf
（t）
直流测速发电机的动态特性
当测速发电机在有感性负载的情况下工作时，由公式
当测速发电机在有感性负载的情况下工作时是惯性元件。
电枢反应
气隙磁场是磁极磁场和电气隙磁场是磁极磁场和电
枢磁场的合成磁场。枢磁场的合成磁场。
由于电枢磁场的存在，使由于电枢磁场的存在，使
气隙中的合成磁场与磁极气隙中的合成磁场与磁极
磁场的大小、方向不同，磁场的大小、方向不同，
这一现象叫这一现象叫电枢反应电枢反应。。
电动机的电枢反应电动机的电枢反应
电枢反应对输出特性的影响
电枢反应对气隙合成磁场有两个影响：
① 电枢反应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。
② 由于在电机设计时使电机磁路接近于饱和，因此电枢磁场
将使合成磁通减小，即电枢反应对磁极磁场有去磁效应，
这和直流电动机中发生的情况完全相同。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得越多。
气隙合成磁通的减小将使输出电压气隙合成磁通的减小将使输出电压UUaa下降，并破下降，并破
坏了输出电压和转速间的线性关系。坏了输出电压和转速间的线性关系。
电枢反应对输出特性的影响
电枢反应对输出特性的影响
电枢反应对输出特性的影响
电枢反应对输出特性的影响
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。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，以保证非线性误差不超过允许数值。在设计
测速机时选取较小的线负荷，并适当增大电机的气隙，可以
减小电枢反应对输出特性的不利影响。
图图 直流测速发电机输出特性直流测速发电机输出特性
温度对输出特性的影响
温度变化包括电机周围环境温度的变化以及本身的
发热。温度变化会引起电枢绕组电阻变化，并引起
绕组电流的变化。
Ra增加， Uaf下降。
永磁式直流测速发电机选用磁稳定性好的永磁材料，
则不必考虑温度对输出特性的影响。
温度对输出特性的影响
电磁式直流测速
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。
电刷与换向器的接触电阻与接触电压
电刷与换向器的接触电阻与接触电压是非线性的。当电机
转速较低，电流较小时，接触电阻较大，接触电压使得输
出特性斜率急剧下降；当电机转速较高，电流较大时，接
触电压可被当作常数。
电刷与换向器的接触电阻与接触电压
考虑电刷接触压降后，在转速较低时，直流测速发电
机输出特性上有段斜率显著下降的区域。此区域内，
电机虽有输入信号（转速）但输出电压很小，对转速
的反应很不灵敏，所以此区域叫不灵敏区（nbl）。
RL, ，不灵敏区nbl.
与为减小电枢反应而限制最
小电阻的措施矛盾。
电刷与换向器的接触电阻与接触电压
为了减小电刷接触压降的影响，
缩小不灵敏区，在直流测速发
电机中，常常采用接触压降较
小的铜-石墨电刷。在高精度
的直流测速发电机中还采用铜
电刷，并在它和换向器接触的
表面上镀上银层，使换向器不
易磨损，也能有效地减小接触
压降。
图 同时考虑电枢反应和电刷与
换向器接触压降后的输出特性
延迟换向的去磁作用
延延迟迟换换向向的的存存在在
，，使使换换向向元元件件中中的的
产产生生一一个个附附加加电电流流，，
在在被被电电刷刷短短路路的的换换
向向元元件件中中流流动动，，从从
而而产产生生磁磁通通，，并并对对
主主磁磁通通起起去去磁磁作作用用，，
使主磁通减小。使主磁通减小。
图图1-17 1-17 换向电流的去磁作用换向电流的去磁作用
es
延迟换向的去磁作用
图图1-18 1-18 延迟换向对输出特性的影响延迟换向对输出特性的影响
为了改善线性度，对
小容量测速机一般采取限
制转速的措施来限制延迟
换向的去磁作用，这一点
与限制电枢反应去磁作用
的措施是一致的，所以直
流测速发电机规定了最高
转速，使用时不得超过。
纹 波
纹波主要是由于电机本身的固有结构及加工误差所
引起的，例如电枢元件数有限，电枢铁心有齿有槽，
以及电枢铁心的椭圆度、偏心等。
纹波电压的存在对于测速机用于阻尼或转速控制时
都不利，特别是用在积分装置中更是不允许，因此
在结构上和设计上都要采用一定的措施来减小（但
不能消除）它的幅值。
实用纹波系数实用纹波系数
纹 波
多个绕组的合成电势只
能使纹波减小但决不能
消除。
绕组元件数越多(或换向
片数越多)，则电势脉动
的频率越高，幅值越小。
火花和电磁干扰
由于高速旋转时电刷跳动以
及被电刷短路的换向线圈中
短路附加电流的存在．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，如图2-
10所示。
直流测速发电机的技术性能指标
灵敏度灵敏度 即输出特性斜率，它是在额定的励磁条件下，单位转即输出特性斜率，它是在额定的励磁条件下，单位转
速（速（kr/minkr/min）所产生的输出电压。）所产生的输出电压。
线性误差（线性误差（xx）） 在工作速度范围内，实测输出电压与线性输在工作速度范围内，实测输出电压与线性输
出电压的最大差值对最大线性转速时的输出电压之比。出电压的最大差值对最大线性转速时的输出电压之比。
最大线性工作转速（最大线性工作转速（nnmaxmax）） 在允许在允许
线性误差范围内的转子最高转速，线性误差范围内的转子最高转速，
即直流测速发电机的额定转速。即直流测速发电机的额定转速。
直流测速发电机的技术性能指标
负载电阻RL 保证输出电压在线性误差范围内的最小
负载电阻。
不灵敏区nbl 由于Ub而导致测速发电机输出特性斜
率显著下降（几乎为零）的转速范围。
输出电压的不对称度kab 在相同转速下，测速发电机
正反两方向旋转时，输出电压绝对值之差U2与两者
平均值Uafv之比。
纹波系数ku 在一定转速下，输出电压中交变分量的
有效值与输出电压直流分量之比。
直流测速发电机的选择
应根据直测速发电机在系统中的功用而提出不同的
技术要求。当作为高精度速度伺服系统中的测量元
件时，既要注意考虑线性度和纹波电压，又要注意
考虑灵敏度；而作为解算元件时，则重点考虑纹波
电压和线性度，灵敏度是第二位的；当作为阻尼元
件时，应着重考虑灵敏度，而对其线性度和纹波电
压的要求并不是很严格的。
灵敏度的选择
误差信号的最小值误差信号的最小值
系统要求的控制精度系统要求的控制精度
测速发电机的额定输出电压测速发电机的额定输出电压
负载轴的最大转速负载轴的最大转速
直流测速发电机用作反馈元件
直流测速发电机的应用
直流测速发电机
实现输入量对时间的积分
图图2-15 2-15 实现输入量对时间积分的原理图实现输入量对时间积分的原理图
u1(t)
um
直流测速发电机的发展趋势
直流测速发电机的发展趋势是提高灵敏度和线性度，减小
纹波电压和变温所引起的误差，减轻重量，缩小体积，增加
可靠性，发展新品种。
目前国内外较重视发展永磁高灵敏度直流测速发电机，其
输出电压斜率大，低速精度高。改进电刷和换向器的接触装
置，发展无刷直测速发电机，以增加可靠性及减小对其它线
路的影响，永磁式无槽电枢、杯形电刷、印制绕组电枢测速
发电机因其转动惯量小，线性度好，纹波电压小，也是测速
发电机发展方向之一。
在理想条件下，输出特性为一直线，而实际的特性与直线
有偏差，此偏差称非线性误差。
造成非线性误差的原因有好几种，电枢反应和延迟换向的
去磁效应使非线性误差随着转速的增大或负载电阻的减小而
增大。因此，在使用时必须注意电机转速得不超过规定的最
高转速，负载电阻不可小于给定值。纹波电压、电刷和换向
器接触压降的变化造成了输出特性的不稳定。因而降低了测
速发电机的精度。测速发电机的输出特性对于温度的变化是
比较敏感的，凡是温度变化较大，或对变温输出误差要求严
格的场合，应对测速机进行温度补偿。
学习重点是掌握直测速发电机的输出特性及其误差分析。
小 结
