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1、 引 言有刷直流测速发电机由于电刷和换向器的存在带来一些弊病:如可靠性差,使用环境受到限制；电刷与换向器的摩擦,增加了被测电机的粘滞转矩；电刷的接触压降造成了输出低速时的不灵敏区；电刷与换向器的间断接触或不良接触引起射频噪声,产生无线电干扰的高频纹波以及电刷压降引起输出电压的不稳定等。以上缺点都是有刷直流测速发电机固有的,为此应大力开展对无刷直流测速发电机的研制。无刷直流测速发电机从根本上取消了电刷与换向器这种接触装置,改善了测速发电机的性能,提高了运行的可靠性,是直流测速机的一个发展方向。产品的无刷化已成为一种明显的发展趋势。由于电子技术的发展, 研制具有与有刷直流测速发电机相同外特性的无刷
2、直流测速发电机成为可能。在最近十多年里, 有许多不同原理、结构、电路的无刷直流测速机方案, 发表各国专利文献之中。它们基本上可分为两大类。一类是测速机的输出直接与半导体磁敏元件(霍尔元件、磁敏电阻等)输出幅值或相位相关的，如霍尔无刷直流测速发电机。另一大类是采用电子电路将交流发电机输出的交流电压进行整流, 换向或解调而获得直流输出的无刷直流测速发电机，如环形转子无刷直流测速发电机和电子换向无刷直流测速机。本文主要介绍这三种测速发电机。关键词： 有刷 缺点 无刷 直流测速发电机一、霍尔无刷直流测速发电机 如图1所示，在一块半导体薄片的相对两侧通入控制电流I，在薄片的垂直方向加以磁场B，则在半导体
3、薄片的另外两侧会产生一个电动势，这一现象叫做霍尔效应。所产生的电动势叫霍尔电动势。该半导体薄片称为霍尔元件。 对厚度为d的霍尔元件，霍尔电动势的计算式 式中：HK为霍尔元件灵敏度；HR为霍尔系数。 图1霍尔效应原理图当磁场方向和元件的平面法线方向N成角度时，如图中。作用在元件上的有效磁通是其法线方向的分量，即为，则霍尔电动势，从上式可知，当控制电流或磁场方向改变时，霍尔电动势的方向也将随之改变。但同时改变控制电流和磁场的方向，则霍尔电动势的方向不变。霍尔电动势可能是直流的，也可能是交流的。当磁场和控制电流都是直流时，霍尔电动势为直流电动势；若磁场和控制电流其中之一是交流的，霍尔电动势为交流电动
4、势。霍尔无刷直流测速机的结构示意图,如图2所示。测速机的定子上有两个相互垂直的绕组A和B,在绕组的中心线上放置霍尔元件HA和HB,转子是一个永久磁钢。霍尔元件HA和HB及电流引线分别与绕组A、B相联,并由绕组A和B供给控制电流,HA和HB的电压引线串联作为测速电压输出。其输出的电压与转速成正比,由于没有接触装置,其优越性是显而易见的。图 2 霍尔无刷直流测速发电机结构示意图二、新型机电一体化方波无刷直流测速发电机 随着电子技术的发展,使其测速电路的集成化程度有了迅速提高,赋予新型机电一体化方波无刷直流测速发电机更强的生命力。新型机电一体化方波直流测速发电机主要由带有转子位置传感器的多相永磁交流
5、发电机和测速输出电路两部分组成,组装成一整体。多相永磁交流测速发电机的输出电势为顶部平坦且有足够密度的方波电势(实际为梯形波),方波电势幅值与转速成正比,它消除了传统正弦无刷直流电动机电磁转矩脉动的缺陷。方波无刷直流测速机与方波无刷直流伺服电动机共用一套磁极和转子位置检测器,它输出三相 120电角宽方波电势,也有的转子位置传感器采用霍尔集成片。测速输出电路主要由一个带有传感器信号译码器的电子模拟开关和一个由运算放大器构成的加法放大电路组成。其工作原理是通过模拟开关对永磁交流发电机输出电势的平坦部分进行分时反馈取样,利用加法器拼接放大,从而形成一个直流电压测速信号,如图3所示。图4给出了一相绕组
6、通路的测速电路图。其中R为限流电阻,Rf为反馈电阻,二极管D为限幅二极管。 图3 方波无刷直流测速发电机图4 方波无刷直流测速发电机一向绕组通路测速电路三、电子换向无刷直流测速机下面着重介绍一种基于电子模拟开关采样技术的电子换向的无刷直流测速发电机。这种原理的测速发电机是在七十年代中期由日本、美国等个别厂商研制问世的, 并于1978年在专刊中发表。西安微电机研究所1982 年研制成功了这种无刷测速发电机。电子换向无刷直流测速机的结构方框图见图5所示。它是由发电机本体和换向电路两部份组成。图5 电子换向无刷直流测速机的结构方框图电机本体是一个交流多相永磁发电机,内有一永磁转子、多相绕组的定子和一
7、个位置传感器。与普通永磁同步发电机不同之处是相绕组的输出电势波形呈平顶状梯形波,其顶部的宽度和平坦度与测速机的纹波系数指标有密切关系,应有严格的要求,从而也决定了它的定转子结构有自己的特点。和无刷直流电动机一样,它需要一个转子位置传感器来感知转子的相位,以确定后述采样开关的动作时刻,如电磁感应式、谐振式、光电式、磁敏式等传感器方案均可采用。其工作原理以四相电机为例简要说明如下:当发电机转子被驱动时,在四相定子绕组感应出四相、相互相移为90的平顶梯形电压波,它们被送到四个电子模拟开关的输入端。位置传感器输出信号经逻辑部份进行信号处理,得到四个占空比均为1: 3的时序采样方波信号。用此四个信号控制
8、上述四个模拟开关,对四相交流电压的相应平顶部份依次进行分段采样,然后在加法放大器中将此四段被采样的信号连接成正比于转速的直流电压输出。当电机被驱动反转时,交流发电机输出的平顶波随之而反相(相对于位置传感器信号而言),被模拟开关采样后,从加法放大器输出与正转时极性相反的直流电从而达到反映转向的目的。无刷直流测速机的信号波形示意图如图6所示。图中, A、B 、C 、D 、为四相交流绕组输出电势;W 、X、Y 、Z 为时序采样方波信号。在图中给出了它们之间的相对相位关系及相应的采样时刻。图6无刷直流测速机的信号波形示意图无刷直流测速机的主要性能指标和普通有刷直流测速机一样，是输出斜率、线性误差、正反
9、转不对称度和纹波系数。表1给出了36 CZW01 电子换向无刷直流测速发电机性能指标,并列出了目前收集到的多摩川精机（日本) T S 6 0 0 E4无刷直流测速机相应数据作对比。表1 36 CZW01 电子换向无刷直流测速发电机与多摩川精机（日本) T S 6 0 0 E4无刷直流测速相应数据对比。(说明: 日本多摩川的纹波系数原样本为1.5 % , 新样本为l %。36 C Z W 01 的纹波系教实侧值 1 % ) 。从上表可见无刷测速机性能指标与一般有刷测速机水平是相当的。输出特性(输出电压U0与转速n 的关系)如图7 所示。在最高允许转速nmax范围内,具有良好的线性。由于末级电路采
10、用15伏供电的运算放大器,限于它的输出动态范围,当工作转速超出nmax以外时,输出特性的线性消失。图7 输出特性通常在测速机输出端有R C 低通滤波器。以减少测速机输出的纹波电压分量。滤波器的时间常数由系统设计需要而决定。在图8中给出了无刷测速发电机在滤波器时间常数分别为0.2 、0.5和1.0 ms时不同转速情况下的纹波系数变化情况。显然,这个变化规律和有刷直流测速机的也是相似的。图8 不同转速情况下的纹波系数变化情况由于末级采用运算放大器,因此这种测速机输出斜率是可以进行调整或可控的。 这对于需要运行于高速段和低速段,又希望测速机保持大致相同的输出电压, 以兼顾高低速性能的应用场合,是很方
11、便的。末级放大器采用了强的电压负反馈,使测速机的输出阻抗极低,在输出空载和规定负载(负载电阻不小于10 k ) 情况下, 测速机能保持其输出斜率不变。总结由上所述,无刷直流测速电机在外特性,主要性能指标方面,均与有刷直流测速机相同,同时又克服了有刷测速电机的缺点。直流测速电机与交流测速机相比,具有无相移、无剩余电压、容易与控制电路配合、使系统易于校正补偿等优点。因此无刷直流测速电机是一种较之有刷直流测速电机和交流测速电机都为优异的新型测速发电机,它在自动控制系统中将具有良好的应用前景。原理上可研制出性能指标完全与目前所有规格的有刷测速电机相应的无刷直流测速发电机，因此,从使用角度来说,无刷测速
12、电机可适用于所有有刷测速机使用的场合,在控制系统中作速度检测、监示、反馈和阻尼元件。特别适用于高真空、高气压、高振动、有害介质、易爆等为一般直流测速发电机难以胜任的恶劣环境和要求长寿命、高转速、无法维护、要求高的重要场合。无刷直流测速电机除用于速度指示情况下的单独使用之外,更多的是与电动机同轴安装组成机组。采用无刷直流电动机一无刷直流测速机机组是最合适的。 参考文献1 谭建成, 曹淑文,贺晋菲. 一种新型直流测速机-电子换向无刷直流测速发电机D. 西安.西安微电机研究所.2009 2 程明. 微特电机及系统M. 修订2版. 北京:中国电力出版社, 2014. 13 邓星钟. 电机的几种测速方法D. 合肥. 合肥工业大学自动化研究所，20014 孙萍，崔新艺. 电机学及拖动基础实验M. 西安.西安交通大学，20085 杨渝.控制电机M.北京：机械工业出版社，19906 阎治安,崔新艺,苏少平.电机学M.西安:西安交通大学出版社，2006
