新型機電一體化方波無刷直流測速發電機

    王民生(西安微電機研究所710077)

    【摘  要】分析各種測速方法的特點及存在問題。闡述新型機電一體化方波無刷直流測速發電機及其內含測速電路的基本工作原理和結構，給出了特征方程，并對其設計特點及設計參數等進行了分析研究．

1  引  言

隨著科學技術的發展，工業自動化、軍事裝備等對系統的可靠性要求越來越高。在微電機領域，產品的無刷化已成為一種明顯的發展趨勢。在自動控制裝置中，速度的檢測、監示，特別是諸如自控變頻同步電動機(無換向器電動機clm)和開關磁阻電動機(srm)，其中自控變頻同步電動機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機又可分為方波電流控制型和正弦波電流控制型兩種，前者稱無刷直流伺服電動機(bdcm)，后者稱三相永磁同步電動機(pmsm)，這些高性能現代電機為提高其調速或伺服性能，如調速精度、穩定性和快速性，在其轉速閉環控制的測速反饋環節(fbs)中，常常需要高性能、高可靠性的現代無刷直流測速發電機，其中bdcm調速系統如圖l所示。本文將通過對各類測速機特點的對比分析，提出具有良好發展前景的新型機電一體化方波無刷直流測速發電機，對其原理和結構、特征方程、設計特點及參數等進行分析研究，并給出了工業驗證實例。

2測速方法分析

    測速發電機有許多種類，但主要有永磁直流測速發電機、交流測速發電機、數字脈沖測速機和近年來隨著電子技術發展起來的無刷直流測速發電機。

    永磁直流測速發電機以其靈敏度高、線性誤差小、極性可逆等優點而得到了廣泛應用，但因電刷和換向器的存在帶來一系列的弊病，如可靠性差，使用環境條件受到限制；電刷與換向器的摩擦，增加了被測電機的粘滯轉矩；電刷的接觸壓降造成了輸出低速時的不靈敏區；電刷與換向器的間斷接觸或不良接觸引起射頻噪聲，產生無線電干擾；刷壓降變化引起輸出電壓的不穩定等。可見，發展無刷直流測速發電機非常必要。

    交流測速發電機在一定場合也得到了成功的使用，雖然它克服了有刷直流測速發電機的缺陷，但在某些方面還不能代替有刷直流測速發電機。對于同步型(含感應子式)交流測速發電機，由于整流管管壓降的存在，使其低速時的線性度差，且由于平滑輸出電壓的濾波器，使這種測速機的快速響應較差，因此同步型測速發電機大多用于速度顯示和速度范圍不寬的場合(一般為100：1的調速范圍)，而有刷直流測速機的調速范圍達數千比一；異步型交流測速發電機，應用較廣的主要是空心杯異步交流測速發電機，其主要優點是轉子慣量小、響應快，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機)系統中作阻尼元件和解算元件，由于剩余電壓對系統的影響很大，其幅值通常有幾十毫伏，因而其低速時的不靈敏區較大，調速范圍受到限制，且需專門的交流勵磁電源，因此在前面提到的一些高性能現代伺服系統中很少使用。

    各種原理的數字脈沖測速機，主要有編碼器和電磁式脈沖測速機，主要適用于直接數字速度控制系統或數字隨動系統。就位置伺服系統來說，它的速度環一般習慣上還是采用速度的模擬量反饋，而不是數字量反饋，往往同軸安裝一臺直流測速發電機作阻尼、穩定用。也有一些新系統采用編碼器的測速脈沖經f／v變換獲得速度的模擬量，或者由轉子位置傳感器的脈沖信號經f／v變換獲得速度的模擬量，這主要適用于一些轉速不是太低的系統，對于隨動系統來說，在低速工作時，采用f/v轉換要獲得平滑的速度模擬信號還是困難的，因而常常采用電動機一測速機組。

    無刷直流測速發電機從根本上取消了電刷與換向器這種接觸裝置，改善了測速發電機的性能，提高了運行的可靠性，是直流測速機的一個發展方向。特別是電子技術的發展，使其測速電路的集成化程度有了迅速提高，賦于機電一體化的無刷直流測速發電機更強的生命力。在諸如霍爾無刷直流測速發電機、環形轉子無刷直流測速發電機及二極管整流型無刷直流測速發電機等許多品種中，新型機電一體化的方波無刷直流測速發電機，將以其信號幅值(指原始信號)大、抗干擾能力強、工藝較為簡單、輸出電壓不靈敏區極小等特點在要求調速范圍為幾千比一以上，甚至10000：1的調速系統或高精度的隨動系統等高性能現代伺服系統中展現它的魅力。

3基本原理和結構

新型機電一體化方波無刷直流測速發電機主要由帶有轉子位置傳感器的多相永磁交流發電機和測速輸出電路兩部分組成，組裝成一個整體。多相永磁交流測速發電機的輸出電勢為頂部平坦且有足夠密度的方波電勢(實際為梯形波)，方波