新型机电一体化方波无刷直流测速发电机

    王民生(西安微电机研究所710077)

    【摘  要】分析各种测速方法的特点及存在问题。阐述新型机电一体化方波无刷直流测速发电机及其内含测速电路的基本工作原理和结构，给出了特征方程，并对其设计特点及设计参数等进行了分析研究．

1  引  言

随着科学技术的发展，工业自动化、军事装备等对系统的可靠性要求越来越高。在微电机领域，产品的无刷化已成为一种明显的发展趋势。在自动控制装置中，速度的检测、监示，特别是诸如自控变频同步电动机(无换向器电动机clm)和开关磁阻电动机(srm)，其中自控变频同步电动机可分为交一直一交型和交一交型两种，交一直一交型自控变频同步电动机又可分为方波电流控制型和正弦波电流控制型两种，前者称无刷直流伺服电动机(bdcm)，后者称三相永磁同步电动机(pmsm)，这些高性能现代电机为提高其调速或伺服性能，如调速精度、稳定性和快速性，在其转速闭环控制的测速反馈环节(fbs)中，常常需要高性能、高可靠性的现代无刷直流测速发电机，其中bdcm调速系统如图l所示。本文将通过对各类测速机特点的对比分析，提出具有良好发展前景的新型机电一体化方波无刷直流测速发电机，对其原理和结构、特征方程、设计特点及参数等进行分析研究，并给出了工业验证实例。

2测速方法分析

    测速发电机有许多种类，但主要有永磁直流测速发电机、交流测速发电机、数字脉冲测速机和近年来随着电子技术发展起来的无刷直流测速发电机。

    永磁直流测速发电机以其灵敏度高、线性误差小、极性可逆等优点而得到了广泛应用，但因电刷和换向器的存在带来一系列的弊病，如可靠性差，使用环境条件受到限制；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；刷压降变化引起输出电压的不稳定等。可见，发展无刷直流测速发电机非常必要。

    交流测速发电机在一定场合也得到了成功的使用，虽然它克服了有刷直流测速发电机的缺陷，但在某些方面还不能代替有刷直流测速发电机。对于同步型(含感应子式)交流测速发电机，由于整流管管压降的存在，使其低速时的线性度差，且由于平滑输出电压的滤波器，使这种测速机的快速响应较差，因此同步型测速发电机大多用于速度显示和速度范围不宽的场合(一般为100：1的调速范围)，而有刷直流测速机的调速范围达数千比一；异步型交流测速发电机，应用较广的主要是空心杯异步交流测速发电机，其主要优点是转子惯量小、响应快，精度较高，通常主要使用于一些小型的低惯量交流伺服(为两相交流伺服电动机)系统中作阻尼元件和解算元件，由于剩余电压对系统的影响很大，其幅值通常有几十毫伏，因而其低速时的不灵敏区较大，调速范围受到限制，且需专门的交流励磁电源，因此在前面提到的一些高性能现代伺服系统中很少使用。

    各种原理的数字脉冲测速机，主要有编码器和电磁式脉冲测速机，主要适用于直接数字速度控制系统或数字随动系统。就位置伺服系统来说，它的速度环一般习惯上还是采用速度的模拟量反馈，而不是数字量反馈，往往同轴安装一台直流测速发电机作阻尼、稳定用。也有一些新系统采用编码器的测速脉冲经f／v变换获得速度的模拟量，或者由转子位置传感器的脉冲信号经f／v变换获得速度的模拟量，这主要适用于一些转速不是太低的系统，对于随动系统来说，在低速工作时，采用f/v转换要获得平滑的速度模拟信号还是困难的，因而常常采用电动机一测速机组。

    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。特别是电子技术的发展，使其测速电路的集成化程度有了迅速提高，赋于机电一体化的无刷直流测速发电机更强的生命力。在诸如霍尔无刷直流测速发电机、环形转子无刷直流测速发电机及二极管整流型无刷直流测速发电机等许多品种中，新型机电一体化的方波无刷直流测速发电机，将以其信号幅值(指原始信号)大、抗干扰能力强、工艺较为简单、输出电压不灵敏区极小等特点在要求调速范围为几千比一以上，甚至10000：1的调速系统或高精度的随动系统等高性能现代伺服系统中展现它的魅力。

3基本原理和结构

新型机电一体化方波无刷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发电机和测速输出电路两部分组成，组装成一个整体。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