測速電機：工業(yè)精準控制的核心力量
一、測速電機的概述
測速電機是一種特殊的電機，主要由電機和測速器兩部分組成。其中測速器通常采用霍爾元件、磁敏感元件或光電傳感器等。其作用主要是測量和控制電機轉(zhuǎn)速，通過感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子的位置和速度以及轉(zhuǎn)速的變化，為控制系統(tǒng)提供精確的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對電機運動狀態(tài)的精密控制和管理。

在現(xiàn)代工業(yè)中，測速電機具有至關(guān)重要的地位。隨著工業(yè)自動化的不斷發(fā)展，對電機運行速度的精確控制需求日益增長。測速電機廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自動化控制領(lǐng)域，如驅(qū)動機器人、機械制造、流體控制等。它的高效、精準、可靠等特點，為工業(yè)生產(chǎn)帶來了極大的便利和效益。例如，在機械制造中，精確的轉(zhuǎn)速控制可以確保產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率；在驅(qū)動機器人領(lǐng)域，準確的速度測量和控制能夠?qū)崿F(xiàn)機器人的精準動作?？傊?，測速電機作為檢測和控制電機運行速度的關(guān)鍵設(shè)備，在現(xiàn)代工業(yè)中發(fā)揮著不可或缺的作用。

二、測速電機的種類
（一）直流測速電機
直流測速電機本質(zhì)上是一種微型直流發(fā)電機。它具有輸出電壓斜率大等優(yōu)點，在自動控制系統(tǒng)和計算裝置中有著廣泛的應(yīng)用。
永磁式直流測速電機：采用高性能永久磁鋼勵磁，受溫度變化的影響較小，輸出變化小，斜率高，線性誤差小。例如，ZYS 系列永磁式直流測速發(fā)電機，具有使用簡便，精度高，重量輕，體積小等特點。如 ZYS - 8A 電壓 60V，電流 0.073，功率 4.4W，轉(zhuǎn)速 600。永磁式直流測速電機因新型永磁材料的出現(xiàn)而發(fā)展較快，且不需要另加勵磁電源，應(yīng)用較廣。
電磁式直流測速電機：電磁式采用他勵式，不僅復(fù)雜且因勵磁受電源、環(huán)境等因素的影響，輸出電壓變化較大，用得不多。
特殊類型：有限轉(zhuǎn)角測速發(fā)電機和直線測速發(fā)電機分別用于測量旋轉(zhuǎn)或直線運動速度，其性能要求與直流測速發(fā)電機相近，但結(jié)構(gòu)有些差別。

（二）交流測速電機
空心杯轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機：精度較高，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量也小，性能穩(wěn)定。其結(jié)構(gòu)與杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電動機類似，由內(nèi)、外定子，非磁性材料制成的杯形轉(zhuǎn)子等部分組成。定子上放置兩個在空間相互垂直的單相繞組，一個為勵磁繞組，另一個為輸出繞組。與直流測速發(fā)電機相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠等優(yōu)點，是目前較為理想的測速元件。
籠式轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機：輸出斜率大，但線性度差，相位誤差大，剩余電壓高，一般只用在精度要求不高的控制系統(tǒng)中。
同步測速發(fā)電機：同步測速發(fā)電機又分為永磁式、感應(yīng)子式和脈沖式三種。由于同步測速發(fā)電機感應(yīng)電動勢的頻率隨轉(zhuǎn)速變化，致使負載阻抗和電機本身的阻抗均隨轉(zhuǎn)速而變化，所以在自動控制系統(tǒng)中較少采用。

三、測速電機的工作原理
在測速電機工作原理中，當電流通過電動機線圈時，線圈內(nèi)的磁場產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動過程中會產(chǎn)生感應(yīng)電位，這會引起感應(yīng)電流通過電動機線圈。而感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁場又會與電動機線圈內(nèi)的磁場產(chǎn)生交互作用，由此產(chǎn)生的洛倫茲力推動轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動。這個過程一直重復(fù)，直到測速電機的轉(zhuǎn)速和輸出功率達到穩(wěn)定狀態(tài)。
測速電機的工作原理與其它電機類似，其發(fā)展主要集中在控制系統(tǒng)和測速裝置方面?？刂葡到y(tǒng)可以基于單片機、PLC 和計算機等不同的控制芯片來實現(xiàn)，通過采用 PID 調(diào)節(jié)算法等方法，可以實現(xiàn)對測速電機的輸出功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的精確控制。測速裝置則可以采用激光測速、霍爾效應(yīng)和電壓測量等技術(shù)，以獲得更高精度的轉(zhuǎn)速測量結(jié)果。
例如，在一些工業(yè)自動化控制領(lǐng)域，采用激光測速技術(shù)的測速電機能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的轉(zhuǎn)速測量。激光測速通過測量激光束被旋轉(zhuǎn)物體反射或散射的頻率變化來確定物體的轉(zhuǎn)速，其測量精度可以達到非常高的水平，通常在千分之一甚至更高?；魻栃?yīng)測速則是利用霍爾元件對磁場變化的敏感性，當電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，磁場的變化會引起霍爾元件輸出電壓的變化，通過檢測這個變化可以確定電機的轉(zhuǎn)速。電壓測量測速是通過測量電機繞組兩端的電壓變化來推算電機的轉(zhuǎn)速，這種方法相對簡單，但精度可能會受到一些因素的影響。
總之，測速電機通過精確的控制系統(tǒng)和測速裝置的設(shè)計，可以實現(xiàn)高效的轉(zhuǎn)動控制和運動穩(wěn)定性，推動工業(yè)生產(chǎn)和能源利用的更加智能化和高效。

四、測速電機的性能要求
1. 輸出電壓和轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線應(yīng)為線性
在自動控制系統(tǒng)中，精確的速度測量是至關(guān)重要的。為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確性，測速電機的輸出電壓和轉(zhuǎn)速之間應(yīng)保持良好的線性關(guān)系。例如，在一些高精度的數(shù)控機床中，對電機轉(zhuǎn)速的控制精度要求極高，測速電機的線性輸出特性能夠使得控制系統(tǒng)準確地根據(jù)輸出電壓來確定電機的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)精確的加工操作。
2. 溫度變化影響小
電機在工作過程中，由于自身發(fā)熱以及周圍環(huán)境溫度的變化，會導(dǎo)致電機繞組電阻發(fā)生變化。對于測速電機來說，溫度變化對輸出特性的影響應(yīng)盡可能小。以某型號的測速電機為例，在不同的溫度環(huán)境下進行測試，其輸出電壓的變化幅度應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。例如，在 -20℃至 60℃的溫度范圍內(nèi)，輸出電壓的變化不應(yīng)超過 5%。這樣才能保證在各種工作環(huán)境下，測速電機都能穩(wěn)定地輸出準確的轉(zhuǎn)速信號。
3. 斜率大
輸出特性的斜率大意味著速度變化相對的電壓變化大，從而提高測速電機的靈敏度。例如，在一些需要快速響應(yīng)速度變化的控制系統(tǒng)中，如機器人的運動控制系統(tǒng)，斜率大的測速電機能夠更及時地反饋電機轉(zhuǎn)速的變化，使控制系統(tǒng)能夠迅速調(diào)整電機的輸出功率，實現(xiàn)精確的運動控制。
4. 紋波小
輸出電壓的紋波小要求在一定的轉(zhuǎn)速下輸出電壓要穩(wěn)定，波動要小。在一些對電壓穩(wěn)定性要求極高的場合，如精密儀器的驅(qū)動系統(tǒng)，紋波小的測速電機能夠確保儀器的穩(wěn)定運行。例如，在電子顯微鏡的驅(qū)動系統(tǒng)中，測速電機的紋波系數(shù)應(yīng)小于 0.1%，以保證顯微鏡的高分辨率和清晰度。
5. 正反轉(zhuǎn)輸出特性一致
在實際應(yīng)用中，電機往往需要正反轉(zhuǎn)運行。為了保證系統(tǒng)的準確性和穩(wěn)定性，測速電機在正反轉(zhuǎn)時的輸出特性應(yīng)盡量一致。例如，在一些自動化生產(chǎn)線中，電機的正反轉(zhuǎn)頻繁切換，如果測速電機在正反轉(zhuǎn)時的輸出特性不一致，會導(dǎo)致控制系統(tǒng)對電機轉(zhuǎn)速的判斷出現(xiàn)誤差，從而影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

五、測速電機的應(yīng)用領(lǐng)域
測速電機廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化控制的各個領(lǐng)域，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。
在驅(qū)動機器人領(lǐng)域，測速電機為機器人的精確運動提供動力。通過精確測量和控制電機轉(zhuǎn)速，機器人能夠完成復(fù)雜的任務(wù)操作。例如，在工業(yè)生產(chǎn)線上的裝配機器人，測速電機能夠確保機器人的手臂以準確的速度和角度進行操作，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。據(jù)統(tǒng)計，在采用測速電機的機器人系統(tǒng)中，生產(chǎn)效率可提高 30% 以上。
在機械制造領(lǐng)域，測速電機用于精確控制產(chǎn)品的運動速度，確保生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。例如，在數(shù)控機床中，測速電機能夠?qū)崟r監(jiān)測主軸的轉(zhuǎn)速，通過控制系統(tǒng)調(diào)整電機的輸出功率，實現(xiàn)高精度的加工操作。在一些高端機械制造企業(yè)中，測速電機的應(yīng)用使得產(chǎn)品的精度誤差控制在 0.01 毫米以內(nèi)。
在流體控制領(lǐng)域，測速電機可以精確控制流體的流速和流量。例如，在化工生產(chǎn)過程中，通過測速電機對泵的轉(zhuǎn)速進行精確控制，從而實現(xiàn)對流體流量的準確調(diào)節(jié)。這不僅提高了生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性，還減少了能源消耗。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，采用測速電機進行流體控制的系統(tǒng)，能源消耗可降低 20% 左右。
此外，測速電機還可用作校正元件和解算元件。在自動控制系統(tǒng)中，測速電機作為校正元件，能夠?qū)ο到y(tǒng)的誤差進行實時監(jiān)測和修正，提高系統(tǒng)的控制精度。作為解算元件，測速電機可以將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為其他物理量，為系統(tǒng)的分析和決策提供依據(jù)。
總之，測速電機在工業(yè)自動化控制各領(lǐng)域以及作為校正元件和解算元件方面都有著廣泛的應(yīng)用，為工業(yè)生產(chǎn)的智能化和高效化提供了有力支持。

六、測速電機的發(fā)展歷程
20 世紀 60 年代，測速電機技術(shù)處于起步階段，應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在工業(yè)生產(chǎn)和航空航天等領(lǐng)域。當時的測速電機技術(shù)相對簡單，精度和可靠性也有待提高。
隨著電子技術(shù)和材料科學的不斷發(fā)展，測速電機的軸向尺寸和功率密度得到了大幅提升。在材料方面，新型永磁材料的出現(xiàn)使得永磁式直流測速電機發(fā)展迅速。例如，高性能永久磁鋼勵磁的永磁式直流測速電機，受溫度變化的影響較小，輸出變化小，斜率高，線性誤差小。同時，電子技術(shù)的進步使得控制系統(tǒng)更加智能化和精確。
測速電機逐漸應(yīng)用到汽車、家電、船舶等領(lǐng)域。在汽車領(lǐng)域，無刷直流測速發(fā)電機具有體積小、重量輕、維護成本低等優(yōu)點，在汽車電子化和節(jié)能環(huán)保方面具有明顯優(yōu)勢。還可以實現(xiàn)智能化控制和能量回饋，提高了汽車的動力性能和燃油經(jīng)濟性。在家電領(lǐng)域，測速電機的應(yīng)用使得家電產(chǎn)品的性能更加穩(wěn)定，操作更加智能化。在船舶領(lǐng)域，由于船舶工作環(huán)境復(fù)雜，對發(fā)電機的穩(wěn)定性和可靠性要求較高，無刷直流測速發(fā)電機具有長壽命、低噪音、抗干擾等特點，為航行安全和舒適提供了可靠保障。
近年來，隨著先進電子技術(shù)的不斷發(fā)展，測速電機的控制系統(tǒng)變得更加智能化和精確。例如，采用激光測速技術(shù)的測速電機能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的轉(zhuǎn)速測量，其測量精度可以達到千分之一甚至更高?；魻栃?yīng)測速和電壓測量測速等技術(shù)也不斷得到改進和應(yīng)用，以獲得更高精度的轉(zhuǎn)速測量結(jié)果。同時，隨著微特電機行業(yè)的發(fā)展，測速電機作為微特電機的一種重要類型，也在不斷創(chuàng)新和完善。據(jù)統(tǒng)計，到 2021 年我國微特電機產(chǎn)量達 143 億臺，其中測速電機的產(chǎn)量也在不斷增長。

總之，測速電機的發(fā)展歷程是一個不斷創(chuàng)新和完善的過程。從 20 世紀 60 年代起步，隨著電子技術(shù)和材料科學的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，控制系統(tǒng)更加智能化和精確，為工業(yè)生產(chǎn)和人們的生活帶來了極大的便利和效益。