转速测量装置.docx
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转速测量装置
直流调速系统中常用的转速检测装置
通常采用测速发电机作为转速检测装置。
测速发电机有交流、直流两种。
交流测速发电机有CK型及AT型。
它具有结构简单、价廉、无碳刷接触、易维护且无碳刷压降造成的误差等优点。
但用在直流调速系统中时，需要进行整流变换，影响反馈信号的准确度。
因此直流调速系统通常选用直流测速发电机来检测转速。
为了保证测速发电机输出电压与转速之间有严格的比例关系，其关键是严格保证测速发电机磁场恒定。
直流测速发电机磁场有两种形式：
永磁式（CY型测速发电机）及他励式（ZCY型测速发电机）。
永磁式电机在使用时，需注意所处环境温度不能太高或有强烈振动，否则，永久磁铁的磁性将会很快减弱，使检测数据不准。
他励式测速发电机在使用时，为使励磁电流保持不变，最好采用恒流电源。
此外，在使用测速发电机时，不要使其负载电流太大，以免测速发电机电枢反应过大而影响测量精度。
选用测速发电机时，最好使它的额定转速与主电动机额定转速相适应。
如做不到这一点，则需考虑增设齿轮变速装置或直接选用直流电动机—测速发电机的配套设备。
1．转速测量的一般方法
转速表转速表是测量转速的基本仪器。
目前常见的有机械式和数字式两大类，均有系列产品。
2.使用的一般转速检测方法与注意事项
1）转速表的选择：
根据被测量的要求精度和测量范围，合理选择。
原则上机械式转速表的基本误差为
；而显示式转速表精度较高。
在满足要求的条件下，尽量选用机械式转速表，这样可以降低测试费用。
转速表的量程选择是很值得注意的，应尽量减少量程变换，从而可以减少量程误差。
例如，须测量200—1500r／min变化范围内的转速，当选用LZ型手持离心式转速表时，应该注意到该型号所对应的转速测量范围的不同规格，见表。
表LZ型手持式离心转速表规格
型号规格与量程
档数
LZ-30
LZ-45
LZ-60
Ⅰ
30—120
45—180
60—240
Ⅱ
100—400
150—600
200—800
Ⅲ
300—1200
450—1800
600—2400
Ⅳ
1000—4000
1500—6000
2000—8000
Ⅴ
3000—12000
4500—18000
6000—24000
若选用LZ—30，则要用100—400、300—1200、1000—4000三档；而选用LZ—45则只要用150—600、450—1800两档，选用LZ—60时，也用200—800、600—2400两档。
根据尽量减小量程切换所引起的误差的要求，应选用LZ—45或LZ—60．而LZ型转速表的基本误差为
，；那么LZ—45两档的基本误差分别为
、
；而LZ—60的基本误差则为
、
。
由此可见，选用LZ—45较为合适。
2）使用接触式转速表时，应尽量保持转速系的轴线与被测电机的轴线在一条直线上，而且压力大小亦要适宜（如手持式数字转速表的启动力仅需5g），否则将影响到测量的精确性，甚至会损坏转速表。
3）带有传感器的数字式转速表，对传感器的位置必须按规定要求安装：
4）对于磁性式转速表，在使用时，其周围应尽量避免大电流导线靠近。
3．低转速的测量。
在测定调速系统的技术指标时，常常遇到要测低于30r／min的转速。
一些宽调速系统或一些特殊的稳速系统，其转速低至0.1r／min，即10min一转，甚至更低。
对于这种低转速，上述的转速表均已无法使用。
目前，—般采用下列办法测定：
⑴计时法
计时法是在读取电动机转数N的同时，用秒表计取时间t的办法，然后计算转速，即：
n＝N／t（r／min）（）
式中N——转数（r）；
t——对应的时间（min）
这种低转速的测量方法，在任何场合下都可方便地采用。
但应注意计时操作误差。
这种测量方法，随着转速的变低，所花的测量时间就越多。
由式（）可知，这种测量误差，除了计时秒表的基本误差外，主要来自操作误差，即在读取转数时，由秒表的配合操作误差以及读取转数时的视觉误差等所引起的。
采取读转速和计时由同一个测量者进行，可以减少这种误差；增长测量时间，也是减少测量误差的一种办法。
例如：
在测量转速N时的视觉误差为
，而计时操作误差为
，则
，若测量时间增加K倍，则
，当测量时间的倍数K越大，则
和
就越小，测量结果就越精确。
当然这有一个前提，就是在整个测量期间，电机的转速一直是均匀的。
应该注意到，在用这种测量方法时，必须以读取转速为整数，把时间t带有小数的办法为宜。
如果以读取时间t为整数，必然会出现转数不一定是整数，这将会导致测量误差的增大。
（2）脉冲计数法将转速转换成脉冲数，送到计数器（或频率计）中计数的办法测定转速，称为脉冲计数法。
令转速为n（r/min）：
每转发出的脉冲为m个；计数时间为t，它由一个控制门控制，如图所示。
图2.1.3脉冲计数法原理图
此时计数器记录的脉冲数为M，则
（）
这种测量方法，也适用于测高转速。
应该指出，测量高转速时，门电路的开门与关门时间对计数器是有影响的，将是造成测量误差的原因之一。
上述两种测量方法，所得的测量结果均为在测量时间t内的平均转速值，不是瞬时值。
所以对于评价稳速系统的稳速精度而言，并不是合适的。
从稳速的角度看，减少测量时间反而是有利的。
4．小功率电机转速的测量
对于1kw以下，通常为几十瓦的小功率电机，若采用接触式转速表相当于在电机的轴上加了一个相当大的负载，于是电机的转速将发生变化，严重影响测量的精确性。
因此必须采用非接触式转速表，至于其测定方法，可以来用本节“低转速的测量”中所述的办法进行。
5.简易转速检测环节
根据现有条件的限制，在实训中经常用的转速检测环节为直流测速发电机，测速发电机外带的电位器可将转速反馈信号变换成大小合适的电压信号。
其具体连接方法为图。
6.测速发电机的工作原理
直流测速发电机的工作原理
测速发电机是一种把转子转速转换为电压信号的机电式元件。
它的输出电压与转速成正比关系，即
或者
测速发电机的输出电压能表征转速，因而可用来测量转速；测速发电机的输出电压正比于转子转角对时间的微分，在解算装置中可以把它作为微分或积分元件。
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。
6.1.2.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，造成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。
一般应用时测速发电机的输出电流要尽量小，这样才能减小电枢反应的影响，获得较好的测速效果。
（2）温度的影响
假如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
假如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。
6.2.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。
6.2.1.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。
空心杯转子异步测速发电机原理
当定子励磁绕组外接频率为f的恒压交流电源u，励磁绕组中有电流i流过，在直轴上产生以频率f脉振的磁通。
在转子不动时，脉振磁通在空心杯转子中感应出变压器电势（空心杯转子可以看成有无数根导条的笼式转子，相当于变压器短路时的二次绕组，而励磁绕组相当于变压器的一次绕组），产生的磁场与励磁电源同频率的脉振磁场，在转子转动时，转子切割直轴磁通，在杯型转子中感应产生旋转电势，其大小正比于转子转速，并以励磁磁场的脉振频率交变，又因空心杯转子相当于短路绕组，故旋转电势在杯型转子中产生交流短路电流，若忽视杯型转子的漏抗的影响，那么此短路电流所产生的脉振磁通在空间位置上与输出绕组的轴线一致，因此转子脉振磁场与输出绕组相交链而产生感应电势。
输出绕组感应产生的电势实际就是交流异步测速发电机输出的空载电压，其大小正比于转速，其频率为励磁电源的频率。
6.2.2．误差分析
交流异步测速发电机的误差主要有三种：
非线性误差、剩余电压和相位误差。
7.光电编码器的原理与应用
7.0引言
光电编码器是一种旋转式位置传感器，在现代伺服系统中广泛应用于角位移或角速率的测量，它的转轴通常与被测旋转轴连接，随被测轴一起转动。
它能将被测轴的角位移转换成二进制编码或一串脉冲。
光电编码器分为绝对式和增量式两种类型。
增量式光电编码器具有结构简单、体积小、价格低、精度高、响应速度快、性能稳定等优点，应用更为广泛。
在高分辨率和大量程角速率／位移测量系统中，增量式光电编码器更具优越性。
绝对式编码器能直接给出对应于每个转角的数字信息，便于计算机处理，但当进给数大于一转时，须作特别处理，而且必须用减速齿轮将两个以上的编码器连接起来，组成多级检测装置，使其结构复杂、成本高。
7.1增量式编码器
增量式光电编码器的结构
增量式编码器是指随转轴旋转的码盘给出一系列脉冲，然后根据旋转方向用计数器对这些脉冲进行加减计数，以此来表示转过的角位移量。
增量式光电编码器结构示意图如图7.1所示。
图7.1增量式光电码盘结构示意图
光电码盘与转轴连在一起。
码盘可用玻璃材料制成，表面镀上一层不透光的金属铬，然后在边缘制成向心的透光狭缝。
透光狭缝在码盘圆周上等分，数量从几百条到几千条不等。
这样，整个码盘圆周上就被等分成n个透光的槽。
增量式光电码盘也可用不锈钢薄板制成，然后在圆周边缘切割出均匀分布的透光槽。
增量式编码器的工作原理
增量式编码器的工作原理如图7.2所示。
它由主码盘、鉴向盘、光学系统和光电变换器组成。
在图形的主码盘（光电盘）周边上刻有节距相等的辐射状窄缝，形成均匀分布的透明区和不透明区。
鉴向盘与主码盘平行，并刻有a、b两组透明检测窄缝，它们彼此错开1/4节距，以使A、B两个光电变换器的输出信号在相位上相差90°。
工作时，鉴向盘静止不动，主码盘与转轴一起转动，光源发出的光投射到主码盘与鉴向盘上。
当主码盘上的不透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线被全部遮住，光电变换器输出电压为最小；当主码盘上的透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线全部通过，光电变换器输出电压为最大。
主码盘每转过一个刻线周期，光电变换器将输出一个近似的正弦波电压，且光电变换器A、B的输出电压相位差为90°。
图7.2增量式编码器工作原理 图7.3光电编码器的输出波形
光电编码器的光源最常用的是自身有聚光效果的发光二极管。
当光电码盘随工作轴一起转动时，光线透过光电码盘和光栏板狭缝，形成忽明忽暗的光信号。
光敏元件把此光信号转换成电脉冲信号，通过信号处理电路后，向数控系统输出脉冲信号，也可由数码管直接显示位移量。
光电编码器的测量准确度与码盘圆周上的狭缝条纹数n有关，能分辨的角度α为：
α=360°/n
（1）
分辨率=1/n
（2）
例如：
码盘边缘的透光槽数为1024个，则能分辨的最小角度α=360°/1024=0.352°。
为了判断码盘旋转的方向，必须在光栏板上设置两个狭缝，其距离是码盘上的两个狭缝距离的（m+1/4）倍，m为正整数，并设置了两组对应的光敏元件，如图7.1中的A、B光敏元件，有时也称为cos、sin元件。
当检测对象旋转时，同轴或关联安装的光电编码器便会输出A、B两路相位相差90°的数字脉冲信号。
光电编码器的输出波形如图7.3所示。
为了得到码盘转动的绝对位置，还须设置一个基准点，如图1中的“零位标志槽”。
码盘每转一圈，零位标志槽对应的光敏元件产生一个脉冲，称为“一转脉冲”，见图3中的C0脉冲。
图7.4给出了编码器正反转时A、B信号的波形及其时序关系，当编码器正转时A信号的相位超前B信号90°，如图4（a）所示；反转时则B信号相位超前A信号90°，如图4（b）所示。
A和B输出的脉冲个数与被测角位移变化量成线性关系，因此，通过对脉冲个数计数就能计算出相应的角位移。
根据A和B之间的这种关系正确地解调出被测机械的旋转方向和旋转角位移/速率，就是所谓的脉冲辨向和计数。
脉冲的辨向和计数既可用软件实现也可用硬件实现。
图7.4光电编码器的正转和反转波形
7.2绝对式编码器
绝对式编码器是把被测转角通过读取编码盘上的图案信息直接转换成相应代码的检测元件。
编码盘有光电式、接触式和电磁式三种。
光电式码盘是目前应用较多的一种，它是在透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码。
图7.5所示为四位二进制的码盘，码盘上各圈圆环分别代表一位二进制的数字码道，在同一个码道上印制黑白等间隔图案，形成一套编码。
黑色不透光区和白色透光区分别代表二进制的“0”和“1”。
在一个四位光电码盘上，有四圈数字码道，每一个码道表示二进制的一位，里侧是高位，外侧是低位，在360°范围内可编数码数为24=16个。
工作时，码盘的一侧放置电源，另一边放置光电接受装置，每个码道都对应有一个光电管及放大、整形电路。
码盘转到不同位置，光电元件接受光信号，并转成相应的电信号，经放大整形后，成为相应数码电信号。
但由于制造和安装精度的影响，当码盘回转在两码段交替过程中，会产生读数误差。
例如，当码盘顺时针方向旋转，由位置“0111”变为“1000”时，这四位数要同时都变化，可能将数码误读成16种代码中的任意一种，如读成1111、1011、1101、…0001等，产生了无法估计的很大的数值误差，这种误差称非单值性误差。
为了消除非单值性误差，可采用以下的方法。
循环码盘（或称格雷码盘）
图7.5四位二进制的码盘 图7.6四位二进制循环码盘
循环码习惯上又称格雷码，它也是一种二进制编码，只有“0”和“1”两个数。
图7.6所示为四位二进制循环码。
这种编码的特点是任意相邻的两个代码间只有一位代码有变化，即“0”变为“1”或“1”变为“0”。
因此，在两数变换过程中，所产生的读数误差最多不超过“1”，只可能读成相邻两个数中的一个数。
所以，它是消除非单值性误差的一种有效方法。
2.2带判位光电装置的二进制循环码盘
这种码盘是在四位二进制循环码盘的最外圈再增加一圈信号位。
图7.7所示就是带判位光电装置的二进制循环码盘。
该码盘最外圈上的信号位的位置正好与状态交线错开，只有当信号位处的光电元件有信号时才读数，这样就不会产生非单值性误差。
图7.7带判位光电装置的二进制循环码盘
7.3编码器的应用
角编码器除了能直接测量角位移或间接测量直线位移外，还可以测量轴的转速。
由于增量式角编码器的输出信号是脉冲形式，因此，可以通过测量脉冲频率或周期的方法来测量转速。
角编码器可代替测速发电机的模拟测速，而成为数字测速装置。
M法和T法测速原理如图7.8所示。
图7.8M法和T法测速原理
在一定的时间间隔tc内（又称闸门时间，如10s、1s、0.1s等），用角编码器所产生的脉冲数来确定速度的方法称为M法测速。
若角编码器每转产生N个脉冲，在闸门时间间隔tc内得到m1个脉冲，则角编码器所产生的脉冲频率f为：
例如：
某角编码器的指标为2048个脉冲/r（即N＝2048P/r），在0.2s时间内测得8K脉冲（1K=1024），即ts=0.2s，m1=8K=8192个脉冲，f＝8192/0.2s＝40960Hz，则：
角编码器轴的转速为：
M法测速主要应用于要求转速较快，否则计数值较少，测量准确度较低。
工位编码
由于绝对式编码器每一转角位置均有一个固定的编码输出，若编码器与转盘同轴相连，则转盘上每一工位安装的被加工工件均可有一个编码相对应，转盘工位编码原理图如图9所示。
当转盘上某一工位转到加工点时，该工位对应的编码由编码器输出给控制系统。
图7.9转盘工位编码原理图
例如要使处于工位4上的工件转到加工点等待钻孔加工，计算机就控制电动机通过带轮带动转盘逆时针旋转。
与此同时，绝对式编码器（假设为4码道）输出的编码不断变化。
设工位1的绝对二进制码为0000，当输出从工位3的0100，变为0110时，表示转盘已将工位4转到加工点，电动机停转。
光电编码器在重力测量仪中的应用
采用旋转式光电编码器，其转轴与重力测量仪中补偿旋钮轴相连。
将重力测量仪中补偿旋钮的角位移量转化为某种电信号量进行测量。
光电编码器在传动控制系统中的应用
所谓传动控制系统就是对电动机转矩、转速以及转角进行精确控制，以便控制生产机械的运行特征这样一种控制系统。
光电编码器可以实现转速、转角以及位移的测量与控制，这是最常见的一种应用。
应用实例
以EPC-755A光电编码器的应用为例。
该光电编码器在角度测量、位移测量时抗干扰能力很强，并具有稳定可靠的输出脉冲信号，且该脉冲信号经计数后可得到被测量的数字信号。
因此，在研制汽车驾驶模拟器时，对方向盘旋转角度的测量选用EPC-755A光电编码器作为传感器，其输出电路选用集电极开路型，输出分辨率选用360个脉冲/圈，考虑到汽车方向盘转动是双向的，既可顺时针旋转，也可逆时针旋转，需要对编码器的输出信号鉴相后才能计数。
图7.10所示为EPC-755A光电编码器实际使用的鉴相与双向计数电路，鉴相电路用1个D触发器和2个与非门组成，计数电路用3片74LS193组成。
图7.10光电编码器鉴相计数电路
当光电编码器顺时针旋转时，通道A输出波形超前通道B输出波形90°，D触发器输出Q（波形W1）为高电平，（波形W2）为低电平，上面与非门打开，计数脉冲通过（波形W3），送至双向计数器74LS193的加脉冲输入端CU，进行加法计数；此时，下面与非门关闭，其输出为高电平（波形W4）。
当光电编码器逆时针旋转时，通道A输出波形比通道B输出波形延迟90°，D触发器输出Q（波形W1）为低电平，（波形W2）为高电平，上面与非门关闭，其输出为高电平（波形W3）；此时，下面与非门打开，计数脉冲通过（波形W4），送至双向计数器74LS193的减脉冲输入端CD，进行减法计数。
汽车方向盘顺时针和逆时针旋转时，其最大旋转角度均为两圈半，选用分辨率为360个脉冲/圈的编码器，其最大输出脉冲数为900个；实际使用的计数电路用3片74LS193组成，在系统上电初始化时，先对其进行复位（CLR信号），再将其初值设为800H，即2048（LD信号）；如此，当方向盘顺时针旋转时，计数电路的输出范围为2048～2948，当方向盘逆时针旋转时，计数电路的输出范围为2048～1148；计数电路的数据输出D0～D11送至数据处理电路。
实际使用时，方向盘频繁地进行顺时针和逆时针转动，由于存在量化误差，工作较长一段时间后，方向盘回中时计数电路输出可能不是2048，而是有几个字的偏差；为解决这一问题，我们增加了一个方向盘回中检测电路，系统工作后，数据处理电路在模拟器处于非操作状态时，系统检测回中检测电路，若方向盘处于回中状态，而计数电路的数据输出不是2048，可对计数电路进行复位，并重新设置初值。
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