[科普中国]-机电时间常数

电机的机电时间常数也叫机械时间常数，是电动机从启动到转速达到空载转速的63.2%时所经历的时间。

计算公式控制上其计算公式为

R-绕组电阻

J-转子惯性矩

Ke-感应电压常数

Kt-转矩常数

这两者其实是等价的。

电机有两个时间常数：机电时间常数Tm和电气时间常数Te。通常Tm>>Te，这种情况下电机的传递函数可看作两个惯性环节的串联，两个惯性环节的时间常数就分别是Tm和Te，而对于一般的应用，由于Te很小，对应的惯性环节可以忽略不计，于是电机的传函就简化为：1/(Tm*s+1)。对于这样一个惯性环节，其阶越响应为：

在阶越发生后Tm时刻，其输出即为0.632。

GD2R

Tm=--------------

375CeCtφ2n

伺服电动机机电时间常数的微机测试时间常数是衡量伺服电动机快速动作的重要动态性能指标。时间常数可通过计算的方法求得，但是影响时间常数的因素很多，使得计算出的数值是一个近似值，还需要用实际测量的方法来得到实际的时间常数。1

系统原理框图用单片微型计算机测量直流伺服电机机电时间常数系统，单片微型计算机采用MCS一51系列8031型，外接程序存贮器EPROM2716。显示器用4位共阴极LED显示结果。FD39一GP16为微型打印机，该微型打印机的特点可和多种微处理器连接，使用单一的+5V电源。它和主机之间的信息传送可采用查询方式或中断方式。1

TIL117为光电藕合器，用来控制直流接触器ZC的吸合释放，同时防止其它干扰信号窜入单片机系统。TILll7输人端接地点和单片机系统接地点连在一起。

前置端速度检测部分由激光源JGE、光电管GDg、反射盘FP和支承圆盘组成。36个光电管均匀的分布在支承圆盘上构成光电盘，则电机每转一转，光电盘输出36个脉冲。反射盘成45“角贴装在电机轴伸端，其构成由轻质材料构成，则反射盘的转动惯量完全可以忽略。1

系统原理单片机测量系统在测量时间常数TM时，首先由单片机的I/O口P20口输出一个开关量，通过光电藕合器TIL117使直流接触器ZC线圈通电，接触器ZC吸合，启动直流伺服电机S，相当于在电机电枢绕组上，加一额定阶跃控制信号。前置端激光速度传感部分输出反应转速的脉冲信号，该信号经LF324放大后直接进入单片机8031的计数口T0进行计数，并由计算程序换算成相应的转速值送LED显示。启动直流伺服电机的同时，单片机内部计时器开始计时间，一直到T0口测得电机转速到空载转速为止。系统进人中断状态，在中断程序，一方面控制ZC停止电机，另一方面进行数值处理和曲线拟合，最后把时间常数TM送LED显示，同时打印机打印出数值和曲线。1

系统软件测试系统的软件主要包括主程序、检测程序、中断服务程序、各种运算程序、显示扫描和打印管理程序。

主程序：进行初始化和空载转速n0的测取，并将n0值送一单元存贮以备判断比较程序用。空载转速测定后，主程序要通过TIL117控制接触器ZC使电机停转，并做好时间常数TM的准备。主程序包括一段软件定时程序，该程序的目的是控制测定n0以后停机到开始测取TM重新启动电机之间的时间，该时间可根据需要任意设定。1

检测程序、测取TM时，首先由拉测程序发出指令，通过TILll7使接触器ZC吸合，启动直流伺服电机S，同时内部计时器开始计时，T0口开始对激光速度传感器发来的脉冲进行计数，并由计算程序换算为转速值，转速值一方面送到LED显示，另一方面送到数据存贮区存贮，以便数据打印和曲线拟合。当转速到达空载转速时，计时器停止计时，系统进入中断状态。

中断服务程序：中断程序中首先通过TILll7控制直流接触器ZC释放，使电机停转。然后调用数据处理程序，进行数据分析和曲线拟合，并把得到的时间常数TM送到LED显示，打印机打印出数据和函数曲线。1

微控电机机电时间常数测量误差微控电机，作为执行元件已被广泛地应用于自动控制系统之中。工程上为了使系统在其传感器接到指令后迅速动作，就设法减小系统各个环节的机电时间常数。因此，对微控电机的机电时间常数提出了较高的要求。从微控电机设计和制造的水平看，机电时间常数达到零点几毫秒是能办到的。但对于零点几毫秒级的机电时间常数的测量，尤其是高精度的测量却是相当困难的。实际。上通常连百分之几的精度也是很难达到的。这一点在实际测量中或微控电机的具体使用中应给予充分重视。2

机电时间常数的测量误差1、电源设备的内阻抗，电源设备到被测电机引出线(或接线柱)之间线路的阻抗以及线路中所使用的仪器，仪表的阻抗。这一类误差在整个测量或使用过程中始终存在着，而且对不同的电机有着不同程度的影响。

2、各种不同的测量环境条件、测量环境条件的同一性和稳定性。由于各种环境因素与要求的标准状态不一致而引起的测量装置和被测量体本身变化所造成的误差。

3、测量方法的先进性和同一性以及试验人员的情绪和水平。特别应当指出的是，由于试验人员在测量过程中的任河疏忽大意都将使这三方面的误差增大，而使测得的数值远离被测电机真实值。因此，从典型试件入手，通过对测试方法、测试条件、测试设备的分析，以阐明这几类误差的影响程度。2

直流伺服电动机的机电时间常数的测量直流伺服电动机的机电时间常数的大小，就其自身而言，主要决定于其旋转体的材料和结构形状(旋转体的转功惯量)、空载转速、电枢回路阻抗、电动机的起动力矩、轴承和电刷的摩擦力矩等因素。但是由于直流伺服电动机其电枢回路的短路阻抗通常较小，因此其起功电流和空载稳态电流之比较大，故当电源内阻及测试线路电阻与被测电机的电枢回路短路阻抗可比拟时，将使起动时与空载稳态时电机的端电压出现很大的差值，而这种因电阻压降引起的差值将延长电机的机电时间常数并使测量误差波动增大，也就是说这时的第1类误差特别显著，同时还由于热状态对电机输入功率、输出力矩及回路电阻的影响，所以试验条件的同一性就得不到保证，从而使第2类误差也逐渐增大，且出现不稳定现象。同样，测试方法和设备的优劣也将在相当大的范围内影响到误差的大小及其分布。

直流伺服电动机机电时间常数最简捷的测定方法之一是电流法，即分别测出堵转电流、空载电流和起动电流过渡过程的下滑段后，则可用作图法求出机电时间常数Tm。2

交流伺服测速机组的机电时间常数的测量交流伺服测速机组的机电时间常数的大小与直流伺服电动机相似，就其本身也决定于机组转动件的材料和结构形状(转动惯量的大小)、电动机的空载转速、控制相的短路阻抗的性质、起动力矩、轴承的摩擦力矩、发电机输出功率等因素。合理选择电源内阻、减小线路的阻抗，以便使第1类误差限定在误差允许的范围以内。同时还应认真选定试验方法和创造标定的试验条件(如规定的安装方式、相同的热状态、仪器仪表的总精度和内阻)，并使测量有很好的重复性。2

对于小容量的交流伺服测速机组，因其电动机控制回路的功率不大，而测速发电机通常又工作在电压输出状态，并有很好的线性精度，所以当交流测速发电机在轻载荷输出下，其输出电压Us与转速No基本成线性关系。这就为其机电时间常数的测量提供了方便，因为当机组的电动机带着发电机同轴运转后，当发电机输出电压与激磁电压同相时，则发电机输出电压的幅值Us随时间的增长过程与其转速随时间的增长过程相一致，而且不论电动机的电气时间常数如何，只要以合闸时作为起点，则发电机输出电压的波形包络线与时间的关系曲线就可代表机组的转速时间曲线。当用光线示波器取得了测速机输出电压波形曲线之后，以包络线的水平稳定段为100，则可作图得到63.2的水平线与包络线的交点B，因此可得到机电时间常数Tm。2

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学