硅整流發電機轉速測量新方法及裝置
湯寧平
(福州大學,福建福州 350002)
1 引 言
汽車用硅整流發電機是內部帶三相橋式整流器的三相交流同步發電機,輸出直流電壓。在發電機生產過程中,需要對發電機的轉速、輸出電壓等運行參數進行檢驗測量。通常采用的轉速測量方法有機械式和光電式等。這些測量方法需要專門的測試臺及安裝工序,這對大批量生產的檢驗,費力費時,也不便實現生產檢驗自動化。根據硅整流發電機內部結構的特點,其輸出端電壓包含著轉速的信息,即與轉速成正比的三相整流電壓中的紋波信號。應用文中提出的設計方案,直接利用發電機端電壓,在測得電壓的同時,也測得其轉速。這種測量方法操作簡單方便,測量精度較高,適合大批量生產的檢驗測量。
2基本測量原理
圖1為硅整流發電機的電氣原理圖。圖中虛線部分是整體式整流發電機的內裝電子調節器部分。由于該發電機由三相同步發電機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所示為實測的發電機輸出電壓波形,其中圖2b是帶內裝電子調節器的發電機的輸出電壓波形。紋波信號頻率與發電機轉速的關系為:
式中 n—發電機轉速,r/min
fw—輸出電壓紋波頻率,Hz
P—發電機轉子極數
顯而易見,拾取發電機輸出直流電壓中包含的紋波信號的頻率,就可以測出發電機的轉速。
通常汽車發電機的轉速在400~18000r/min之問。若P=6,則廠W的變化范圍為240~10800Hz。設計一個高通濾波器,將發電機輸出電壓中的直流分量和低頻分量濾去,取出紋波信號,并經過整形,得到相應的脈沖信號。將該脈沖信號送入由單片面組成的測量系統,鋇9得其頻率,按式(1)可計算出發電機轉速。
另外,將發電機輸出電壓經低通濾波,分壓取樣和A/D轉換后,也送入測量系統,可同時測量發電機的輸出電壓。
3測量電路設計與實現
根據以上所述的原理,可設計出發電機轉速與電壓的測量裝置,其電路主要包括三個部分:轉速測量回路、電壓測量回路以及單片機系統。
3.1轉速測量回路
該回路由高通濾波器和整形電路組成,完成發電機輸出電壓中紋波信號的拾取和脈沖整形。其電原理圖如圖3所示。為了提高測量回路的品質,能有效地濾去直流分量和內裝電子調節器作用產生的低頻分量,這里采用二階有源高通濾波器,由R1、c1、R2、C2及運算放大器A1組成,其低頻端的截止頻率為:
設計時取發電機測量轉速下限對應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通過由R3、R4、R5、A2、D2等元件組成的電壓比較器進行整形,形成幅值為5V的脈沖信號,送入單片機系統的計數器。
3.2電壓測量回路
該回路由三個環節組成:
分壓取樣:由D1、R6、R7完成,使輸入電壓人小滿足A/D轉換器的量程范圍。
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,用于濾去發電機輸出電壓中的紋波,以獲得平穩的直流平均電壓。
A/D轉換:采用V/F變換電路實現A/D轉換,由高性能的LM331及相應外圍元件組成。輸入電壓Vin和輸出頻率f0變換之間的關系為:
該電路的特點是線性度好,性能穩定,結構簡單,與單片機接口只需一根線,配以單片機系統中的計數器完成A/D轉換。
3.3單片機系統
測量參數的數值計算處理、顯示等功能由單片機系統完成。該系統選用性能價格比高的80C52,配置相應的D2PROM、顯示電路及電源等外圍電路。
主要處理環節有:
轉速計算處理:將單片機中的T1設置成計數器工作方式,對轉速測量回路送來的紋波脈沖信號進行計數。將T2設置成定時器工作方式,以產生采樣時間周期。當沒定采樣周期為1s,且T1在一個采樣周期內的計數值為CT1,則按式  |