| 王民生(西安微電機(jī)研究所710077)
【摘 要】分析各種測(cè)速方法的特點(diǎn)及存在問(wèn)題。闡述新型機(jī)電一體化方波無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)及其內(nèi)含測(cè)速電路的基本工作原理和結(jié)構(gòu)，給出了特征方程，并對(duì)其設(shè)計(jì)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)參數(shù)等進(jìn)行了分析研究．
1 引 言
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化、軍事裝備等對(duì)系統(tǒng)的可靠性要求越來(lái)越高。在微電機(jī)領(lǐng)域，產(chǎn)品的無(wú)刷化已成為一種明顯的發(fā)展趨勢(shì)。在自動(dòng)控制裝置中，速度的檢測(cè)、監(jiān)示，特別是諸如自控變頻同步電動(dòng)機(jī)(無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)CLM)和開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(SRM)，其中自控變頻同步電動(dòng)機(jī)可分為交一直一交型和交一交型兩種，交一直一交型自控變頻同步電動(dòng)機(jī)又可分為方波電流控制型和正弦波電流控制型兩種，前者稱(chēng)無(wú)刷直流伺服電動(dòng)機(jī)(BDCM)，后者稱(chēng)三相永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)，這些高性能現(xiàn)代電機(jī)為提高其調(diào)速或伺服性能，如調(diào)速精度、穩(wěn)定性和快速性，在其轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的測(cè)速反饋環(huán)節(jié)(FBS)中，常常需要高性能、高可靠性的現(xiàn)代無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，其中BDCM調(diào)速系統(tǒng)如圖l所示。本文將通過(guò)對(duì)各類(lèi)測(cè)速機(jī)特點(diǎn)的對(duì)比分析，提出具有良好發(fā)展前景的新型機(jī)電一體化方波無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，對(duì)其原理和結(jié)構(gòu)、特征方程、設(shè)計(jì)特點(diǎn)及參數(shù)等進(jìn)行分析研究，并給出了工業(yè)驗(yàn)證實(shí)例。
2測(cè)速方法分析
測(cè)速發(fā)電機(jī)有許多種類(lèi)，但主要有永磁直流測(cè)速發(fā)電機(jī)、交流測(cè)速發(fā)電機(jī)、數(shù)字脈沖測(cè)速機(jī)和近年來(lái)隨著電子技術(shù)發(fā)展起來(lái)的無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)。
永磁直流測(cè)速發(fā)電機(jī)以其靈敏度高、線(xiàn)性誤差小、極性可逆等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用，但因電刷和換向器的存在帶來(lái)一系列的弊病，如可靠性差，使用環(huán)境條件受到限制；電刷與換向器的摩擦，增加了被測(cè)電機(jī)的粘滯轉(zhuǎn)矩；電刷的接觸壓降造成了輸出低速時(shí)的不靈敏區(qū)；電刷與換向器的間斷接觸或不良接觸引起射頻噪聲，產(chǎn)生無(wú)線(xiàn)電干擾；刷壓降變化引起輸出電壓的不穩(wěn)定等�？梢�(jiàn)，發(fā)展無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)非常必要。
交流測(cè)速發(fā)電機(jī)在一定場(chǎng)合也得到了成功的使用，雖然它克服了有刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的缺陷，但在某些方面還不能代替有刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)。對(duì)于同步型(含感應(yīng)子式)交流測(cè)速發(fā)電機(jī)，由于整流管管壓降的存在，使其低速時(shí)的線(xiàn)性度差，且由于平滑輸出電壓的濾波器，使這種測(cè)速機(jī)的快速響應(yīng)較差，因此同步型測(cè)速發(fā)電機(jī)大多用于速度顯示和速度范圍不寬的場(chǎng)合(一般為100：1的調(diào)速范圍)，而有刷直流測(cè)速機(jī)的調(diào)速范圍達(dá)數(shù)千比一；異步型交流測(cè)速發(fā)電機(jī)，應(yīng)用較廣的主要是空心杯異步交流測(cè)速發(fā)電機(jī)，其主要優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子慣量小、響應(yīng)快，精度較高，通常主要使用于一些小型的低慣量交流伺服(為兩相交流伺服電動(dòng)機(jī))系統(tǒng)中作阻尼元件和解算元件，由于剩余電壓對(duì)系統(tǒng)的影響很大，其幅值通常有幾十毫伏，因而其低速時(shí)的不靈敏區(qū)較大，調(diào)速范圍受到限制，且需專(zhuān)門(mén)的交流勵(lì)磁電源，因此在前面提到的一些高性能現(xiàn)代伺服系統(tǒng)中很少使用。
各種原理的數(shù)字脈沖測(cè)速機(jī)，主要有編碼器和電磁式脈沖測(cè)速機(jī)，主要適用于直接數(shù)字速度控制系統(tǒng)或數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)。就位置伺服系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它的速度環(huán)一般習(xí)慣上還是采用速度的模擬量反饋，而不是數(shù)字量反饋，往往同軸安裝一臺(tái)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)作阻尼、穩(wěn)定用。也有一些新系統(tǒng)采用編碼器的測(cè)速脈沖經(jīng)f／V變換獲得速度的模擬量，或者由轉(zhuǎn)子位置傳感器的脈沖信號(hào)經(jīng)f／V變換獲得速度的模擬量，這主要適用于一些轉(zhuǎn)速不是太低的系統(tǒng)，對(duì)于隨動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在低速工作時(shí)，采用f/V轉(zhuǎn)換要獲得平滑的速度模擬信號(hào)還是困難的，因而常常采用電動(dòng)機(jī)一測(cè)速機(jī)組。
無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)從根本上取消了電刷與換向器這種接觸裝置，改善了測(cè)速發(fā)電機(jī)的性能，提高了運(yùn)行的可靠性，是直流測(cè)速機(jī)的一個(gè)發(fā)展方向。特別是電子技術(shù)的發(fā)展，使其測(cè)速電路的集成化程度有了迅速提高，賦于機(jī)電一體化的無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)更強(qiáng)的生命力。在諸如霍爾無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)、環(huán)形轉(zhuǎn)子無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)及二極管整流型無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)等許多品種中，新型機(jī)電一體化的方波無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，將以其信號(hào)幅值(指原始信號(hào))大、抗干擾能力強(qiáng)、工藝較為簡(jiǎn)單、輸出電壓不靈敏區(qū)極小等特點(diǎn)在要求調(diào)速范圍為幾千比一以上，甚至10000：1的調(diào)速系統(tǒng)或高精度的隨動(dòng)系統(tǒng)等高性能現(xiàn)代伺服系統(tǒng)中展現(xiàn)它的魅力。
3基本原理和結(jié)構(gòu)
新型機(jī)電一體化方波無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)主要由帶有轉(zhuǎn)子位置傳感器的多相永磁交流發(fā)電機(jī)和測(cè)速輸出電路兩部分組成，組裝成一個(gè)整體。多相永磁交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電勢(shì)為頂部平坦且有足夠密度的方波電勢(shì)(實(shí)際為梯形波)，方波電勢(shì)幅值與轉(zhuǎn)速成正比。測(cè)速輸出電路主要由一個(gè)帶有傳感器信號(hào)譯碼器的電子模擬開(kāi)關(guān)和一個(gè)由運(yùn)算放大器構(gòu)成的加法放大電路組成。其工作原理是通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)對(duì)永磁交流發(fā)電機(jī)輸出電勢(shì)的平坦部分進(jìn)行分時(shí)反饋取樣，利用加法器拼接放大，從而形成一個(gè)直流電壓測(cè)速信號(hào)，如圖2所示。
方波永磁交流發(fā)電機(jī)，定子類(lèi)似于一般的永磁交流同步電動(dòng)機(jī)，一般設(shè)計(jì)成三相或四相，采用星形連接。轉(zhuǎn)子有凸極式和爪極式兩種結(jié)構(gòu)，如圖3所示。轉(zhuǎn)子位置傳感器采用霍爾集成片，對(duì)于三相電機(jī)則選用三個(gè)霍爾集成片，空間120o分布，也可與BDCM共用一套轉(zhuǎn)子位置傳感器，從而使結(jié)構(gòu)更加緊湊，轉(zhuǎn)子通常選用爪極式結(jié)構(gòu)；對(duì)于四相電機(jī)，則選用兩個(gè)霍爾集成片，空間90o分布，其結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，通常選用凸極式轉(zhuǎn)子。
為了便于分析，圖4給出了一相繞組通路的測(cè)速電路圖。其中尺為限流電阻，Rl為反饋電阻，二極管D為限幅二極管。
不論是三相方波無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)還是四相方波無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，其工作原理都是一樣的，只是其設(shè)計(jì)特點(diǎn)及應(yīng)用的具體場(chǎng)合有所不同，因而這里只給出四相方波無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的波形圖，如圖5所示，S1、S2分別為轉(zhuǎn)子位置傳感器信號(hào)，a、b、c、d為經(jīng)譯碼器處理后的信號(hào)。
4特征方程
交流發(fā)電機(jī)輸出電勢(shì)：
Ei=Kcn (1)
交流發(fā)電機(jī)反電勢(shì)(峰值)常數(shù)為：
Kc=BδDiLcfWφ (2)
式中n——測(cè)速機(jī)轉(zhuǎn)速
B δ——?dú)庀洞琶?/DIV>
Di——電樞直徑
Lef——鐵心長(zhǎng)度
Wφ——繞組每相串聯(lián)匝數(shù)
測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出電壓為：
U(n)=KfEi (3)
測(cè)速電路放大倍數(shù)為：
Kf=Rf／(R+Ri)≈Rf／R (4)
式中Ri——電樞繞組及模擬開(kāi)關(guān)通路電阻等效值，比限流電阻R小得多，可忽略不計(jì)
因此，測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出電壓斜率為：
Ku=KcKf (5)
5設(shè)計(jì)特點(diǎn)及參數(shù)分析
5．1方波永磁交流發(fā)電機(jī)
與普通的多相永磁交流發(fā)電機(jī)相比，方波永磁交流發(fā)電機(jī)****的不同之處就在于要求各相繞組輸出電勢(shì)波形為平頂狀梯形波，且其頂部應(yīng)具有足夠的寬度與平坦度。為此，定子可設(shè)計(jì)成無(wú)槽結(jié)構(gòu)，采用表面繞組，電樞鐵心呈環(huán)形，繞組均勻地粘貼在環(huán)形鐵心上，此結(jié)構(gòu)消除了齒諧波帶來(lái)的不利影響，但工藝上較復(fù)雜；另一種辦法是采用齒槽結(jié)構(gòu)，工藝比較簡(jiǎn)單，為了彌補(bǔ)槽脈動(dòng)電勢(shì)的不足，可以采用小的槽口／氣隙比，一般可取0．3～0．5，同時(shí)采用磁性槽楔。采用爪極式轉(zhuǎn)子，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜一些，凸極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但其極靴厚度的設(shè)計(jì)是很講究的，設(shè)計(jì)太厚，會(huì)造成輸出電勢(shì)波形中間下凹，設(shè)計(jì)太薄則會(huì)使輸出電勢(shì)波形中間呈拱形，其材料一般選用軟鐵(如10鋼)，極靴寬度應(yīng)能保證輸出電勢(shì)平頂部分寬度足夠被反饋采樣。為了使測(cè)速機(jī)的變溫誤差盡可能小，轉(zhuǎn)子磁鋼宜選用剩磁可逆溫度系數(shù)低的磁性材料，如鈰鈷銅鐵或釤鈷等稀土永磁材料。
5．2測(cè)速電路
為了使測(cè)速電路小型化，以便能與交流發(fā)電機(jī)共同組裝成一體，宜選用較大規(guī)模的集成電路芯片。其分時(shí)反饋采樣電路可采用內(nèi)含譯碼器的模擬開(kāi)關(guān)芯片，該芯片可直接與位置傳感器的霍爾集成片相兼容，從而使其電路體積大為縮小。為了提高測(cè)速精度，特別是其低速性能，加法電路中的集成運(yùn)算放大器宜選用高精度、低漂移類(lèi)運(yùn)算放大器。為了保證測(cè)速電路的穩(wěn)定性，減小紋波系數(shù)，限流電阻R和反饋電阻R，均應(yīng)選用高精度金屬膜電阻，并預(yù)先進(jìn)行老化篩選，其中各相通路的限流電阻，應(yīng)盡可能平衡對(duì)稱(chēng)，且取較大阻值，一般為幾百千歐。
5．3參數(shù)分析
除了提到的有關(guān)元器件參數(shù)外，在進(jìn)行測(cè)速機(jī)總體設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)它所使用場(chǎng)合對(duì)其體積、輸出電壓斜率等具體要求，合理選擇Kc和Kf。為了****限度提高測(cè)速機(jī)的低速性能，對(duì)于小機(jī)座號(hào)的測(cè)速機(jī)，應(yīng)在其有限的體積內(nèi)，盡可能設(shè)計(jì)出較大的反電勢(shì)常數(shù)Kc，測(cè)速電路的放大倍數(shù)K，應(yīng)有較大自由度，但不可選擇過(guò)大，否則會(huì)影響輸出阻抗和零飄。值得一提的是，對(duì)于同一臺(tái)方波無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，其輸出電壓斜率可根據(jù)需要改變，這是它的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，在一些多相調(diào)速或伺服系統(tǒng)中，往往希望在不同轉(zhuǎn)速檔時(shí)測(cè)速機(jī)能保持相近的輸出電壓，以便兼顧高低速性能，這是其它測(cè)速機(jī)很難做到的。
輸出阻抗，由于采用運(yùn)算放大器輸出，其輸出阻抗是非常小的，如果在其末級(jí)加上電壓跟隨器輸出，其輸出阻抗僅lΩ左右。而有刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)為了在有限體積內(nèi)獲得一定的斜率，繞組匝數(shù)較多，有相對(duì)較大的輸出阻抗，其數(shù)值達(dá)數(shù)百歐，帶上負(fù)載后，輸出電壓會(huì)有降落，即所謂負(fù)載效應(yīng)，同時(shí)此輸出阻抗的溫度效應(yīng)也直接影響到了測(cè)速機(jī)的變溫誤差。
零轉(zhuǎn)速輸出電壓，可在電路調(diào)整時(shí)，通過(guò)末級(jí)運(yùn)算放大器的調(diào)零電位器調(diào)到零電壓輸出，即O．000V。
不靈敏區(qū)(死區(qū))，由于其獨(dú)特的系統(tǒng)原理，它幾乎沒(méi)有不靈敏區(qū)，僅僅由于運(yùn)算放大器閉環(huán)時(shí)較小的輸入失調(diào)電壓及電路噪聲等會(huì)帶來(lái)一些不靈敏區(qū)，因此其不靈敏區(qū)從實(shí)用角度考慮近乎于零。
線(xiàn)性誤差，通過(guò)對(duì)特征方程式(4)的分析，Ri相當(dāng)小，因此其輸出電壓斜率基本固定不變，可知，其線(xiàn)性誤差是比較小的。
紋波系數(shù)，與交流發(fā)電機(jī)輸出電勢(shì)頂部平坦程度、各相限流電阻R的平衡程度及分時(shí)采樣的開(kāi)關(guān)速度等有關(guān)，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，可以得到較小的紋波系數(shù)指標(biāo)。
6結(jié)論
實(shí)踐證明，上述設(shè)計(jì)思想是可行的。例如，45CW01．方波無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，采用四相星形繞組，凸極式轉(zhuǎn)子，測(cè)速電路與發(fā)電機(jī)組裝成一體，體積為φ45mm×80mm，測(cè)試性能指標(biāo)為：斜率3．3V／kr．min-1，線(xiàn)性誤差0．05％，輸出電壓不對(duì)稱(chēng)度O．03％，紋波系數(shù)0．5％，采用士15VDc電源供電。該產(chǎn)品已在大慶油田某泵閥控制系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。
總之，新型機(jī)電一體化的方波無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)克服了有刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的弊端，具有可靠性高、壽命長(zhǎng)、測(cè)速范圍寬、測(cè)速精度高、輸出阻抗小、輸出電壓死區(qū)極小、摩擦力矩小、無(wú)無(wú)線(xiàn)電干擾、噪聲低、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、輸出斜率可隨需要改變、機(jī)電一體化程度高等優(yōu)點(diǎn)，可適用于所有有刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)使用的場(chǎng)合，作速度指示、反饋和阻尼穩(wěn)定元件，特別適用于無(wú)刷直流伺服電動(dòng)機(jī)等高性能現(xiàn)代電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)及高真空、高氣壓、高振動(dòng)、有害、易爆介質(zhì)等惡劣環(huán)境。 |
