硅整流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量新方法及裝置
湯寧平
(福州大學(xué)，福建福州 350002)
1 引 言
汽車(chē)用硅整流發(fā)電機(jī)是內(nèi)部帶三相橋式整流器的三相交流同步發(fā)電機(jī)，輸出直流電壓。在發(fā)電機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中，需要對(duì)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、輸出電壓等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)測(cè)量。通常采用的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法有機(jī)械式和光電式等。這些測(cè)量方法需要專門(mén)的測(cè)試臺(tái)及安裝工序，這對(duì)大批量生產(chǎn)的檢驗(yàn)，費(fèi)力費(fèi)時(shí)，也不便實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)檢驗(yàn)自動(dòng)化。根據(jù)硅整流發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，其輸出端電壓包含著轉(zhuǎn)速的信息，即與轉(zhuǎn)速成正比的三相整流電壓中的紋波信號(hào)。應(yīng)用文中提出的設(shè)計(jì)方案，直接利用發(fā)電機(jī)端電壓，在測(cè)得電壓的同時(shí)，也測(cè)得其轉(zhuǎn)速。這種測(cè)量方法操作簡(jiǎn)單方便，測(cè)量精度較高，適合大批量生產(chǎn)的檢驗(yàn)測(cè)量。
2基本測(cè)量原理
圖1為硅整流發(fā)電機(jī)的電氣原理圖。圖中虛線部分是整體式整流發(fā)電機(jī)的內(nèi)裝電子調(diào)節(jié)器部分。由于該發(fā)電機(jī)由三相同步發(fā)電機(jī)和三相橋式整流器組成，其輸出端B+直流電壓中帶有紋波，圖2所示為實(shí)測(cè)的發(fā)電機(jī)輸出電壓波形，其中圖2b是帶內(nèi)裝電子調(diào)節(jié)器的發(fā)電機(jī)的輸出電壓波形。紋波信號(hào)頻率與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：
式中 n—發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，r／min
fw—輸出電壓紋波頻率，Hz
P—發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子極數(shù)
顯而易見(jiàn)，拾取發(fā)電機(jī)輸出直流電壓中包含的紋波信號(hào)的頻率，就可以測(cè)出發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
通常汽車(chē)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速在400～18000r／min之問(wèn)。若P=6，則廠W的變化范圍為240～10800Hz。設(shè)計(jì)一個(gè)高通濾波器，將發(fā)電機(jī)輸出電壓中的直流分量和低頻分量濾去，取出紋波信號(hào)，并經(jīng)過(guò)整形，得到相應(yīng)的脈沖信號(hào)。將該脈沖信號(hào)送入由單片面組成的測(cè)量系統(tǒng)，鋇9得其頻率，按式(1)可計(jì)算出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。
另外，將發(fā)電機(jī)輸出電壓經(jīng)低通濾波，分壓取樣和A／D轉(zhuǎn)換后，也送入測(cè)量系統(tǒng)，可同時(shí)測(cè)量發(fā)電機(jī)的輸出電壓。
3測(cè)量電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
根據(jù)以上所述的原理，可設(shè)計(jì)出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與電壓的測(cè)量裝置，其電路主要包括三個(gè)部分：轉(zhuǎn)速測(cè)量回路、電壓測(cè)量回路以及單片機(jī)系統(tǒng)。
3．1轉(zhuǎn)速測(cè)量回路
該回路由高通濾波器和整形電路組成，完成發(fā)電機(jī)輸出電壓中紋波信號(hào)的拾取和脈沖整形。其電原理圖如圖3所示。為了提高測(cè)量回路的品質(zhì)，能有效地濾去直流分量和內(nèi)裝電子調(diào)節(jié)器作用產(chǎn)生的低頻分量，這里采用二階有源高通濾波器，由R1、c1、R2、C2及運(yùn)算放大器A1組成，其低頻端的截止頻率為：
設(shè)計(jì)時(shí)取發(fā)電機(jī)測(cè)量轉(zhuǎn)速下限對(duì)應(yīng)的紋波頻率等于濾波器的截止頻率，并按式(2)選用R1、C1、R2、C2等元件。濾波器輸出的紋波信號(hào)通過(guò)由R3、R4、R5、A2、D2等元件組成的電壓比較器進(jìn)行整形，形成幅值為5V的脈沖信號(hào)，送入單片機(jī)系統(tǒng)的計(jì)數(shù)器。
3．2電壓測(cè)量回路
該回路由三個(gè)環(huán)節(jié)組成：
分壓取樣：由D1、R6、R7完成，使輸入電壓人小滿足A／D轉(zhuǎn)換器的量程范圍。
低通濾波器：該濾波器的作用與上述的高通濾波器的作用相反，用于濾去發(fā)電機(jī)輸出電壓中的紋波，以獲得平穩(wěn)的直流平均電壓。
A／D轉(zhuǎn)換：采用V／F變換電路實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換，由高性能的LM331及相應(yīng)外圍元件組成。輸入電壓Vin和輸出頻率f0變換之間的關(guān)系為：
該電路的特點(diǎn)是線性度好，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與單片機(jī)接口只需一根線，配以單片機(jī)系統(tǒng)中的計(jì)數(shù)器完成A／D轉(zhuǎn)換。
3．3單片機(jī)系統(tǒng)
測(cè)量參數(shù)的數(shù)值計(jì)算處理、顯示等功能由單片機(jī)系統(tǒng)完成。該系統(tǒng)選用性能價(jià)格比高的80C52，配置相應(yīng)的D2PROM、顯示電路及電源等外圍電路。
主要處理環(huán)節(jié)有：
轉(zhuǎn)速計(jì)算處理：將單片機(jī)中的T1設(shè)置成計(jì)數(shù)器工作方式，對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)量回路送來(lái)的紋波脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。將T2設(shè)置成定時(shí)器工作方式，以產(chǎn)生采樣時(shí)間周期。當(dāng)沒(méi)定采樣周期為1s，且T1在一個(gè)采樣周期內(nèi)的計(jì)數(shù)值為CT1，則按式 |
