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)

    【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)，方波电势幅值与转速成正比。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2所示。

方波永磁交流发电机，定子类似于一般的永磁交流同步电动机，一般设计成三相或四相，采用星形连接。转子有凸极式和爪极式两种结构，如图3所示。转子位置传感器采用霍尔集成片，对于三相电机则选用三个霍尔集成片，空间120^o分布，也可与BDCM共用一套转子位置传感器，从而使结构更加紧凑，转子通常选用爪极式结构；对于四相电机，则选用两个霍尔集成片，空间90^o分布，其结构较为简单，通常选用凸极式转子。

为了便于分析，图4给出了一相绕组通路的测速电路图。其中尺为限流电阻，Rl为反馈电阻，二极管D为限幅二极管。

不论是三相方波无刷直流测速发电机还是四相方波无刷直流测速发电机，其工作原理都是一样的，只是其设计特点及应用的具体场合有所不同，因而这里只给出四相方波无刷直流测速发电机的波形图，如图5所示，S1、S2分别为转子位置传感器信号，a、b、c、d为经译码器处理后的信号。

4特征方程

交流发电机输出电势：

    E_i=K_cn    (1)

交流发电机反电势(峰值)常数为：

    K_c=B_δD_iL_cfW_φ    (2)

式中n——测速机转速

    B_δ——气隙磁密

    D_i——电枢直径

    L_ef——铁心长度

    W_φ——绕组每相串联匝数

测速发电机输出电压为：

    U(n)=K_fE_i    (3)

测速电路放大倍数为：

    K_f=R_f／(R+R_i)≈R_f／R    (4)

式中R_i——电枢绕组及模拟开关通路电阻等效值，比限流电阻R小得多，可忽略不计

    因此，测速发电机输出电压斜率为：

    K_u=K_cK_f    (5)

5设计特点及参数分析

5．1方波永磁交流发电机

    与普通的多相永磁交流发电机相比，方波永磁交流发电机****的不同之处就在于要求各相绕组输出电势波形为平顶状梯形波，且其顶部应具有足够的宽度与平坦度。为此，定子可设计成无槽结构，采用表面绕组，电枢铁心呈环形，绕组均匀地粘贴在环形铁心上，此结构消除了齿谐波带来的不利影响，但工艺上较复杂；另一种办法是采用齿槽结构，工艺比较简单，为了弥补槽脉动电势的不足，可以采用小的槽口／气隙比，一般可取0．3～0．5，同时采用磁性槽楔。采用爪极式转子，结构较复杂一些，凸极式转子结构较为简单，但其极靴厚度的设计是很讲究的，设计太厚，会造成输出电势波形中间下凹，设计太薄则会使输出电势波形中间呈拱形，其材料一般选用软铁(如10钢)，极靴宽度应能保证输出电势平顶部分宽度足够被反馈采样。为了使测速机的变温误差尽可能小，转子磁钢宜选用剩磁可逆温度系数低的磁性材料，如铈钴铜铁或钐钴等稀土永磁材料。

5．2测速电路

    为了使测速电路小型化，以便能与交流发电机共同组装成一体，宜选用较大规模的集成电路芯片。其分时反馈采样电路可采用内含译码器的模拟开关芯片，该芯片可直接与位置传感器的霍尔集成片相兼容，从而使其电路体积大为缩小。为了提高测速精度，特别是其低速性能，加法电路中的集成运算放大器宜选用高精度、低漂移类运算放大器。为了保证测速电路的稳定性，减小纹波系数，限流电阻R和反馈电阻R，均应选用高精度金属膜电阻，并预先进行老化筛选，其中各相通路的限流电阻，应尽可能平衡对称，且取较大阻值，一般为几百千欧。

5．3参数分析

    除了提到的有关元器件参数外，在进行测速机总体设计时，要根据它所使用场合对其体积、输出电压斜率等具体要求，合理选择K_c和K_f。为了****限度提高测速机的低速性能，对于小机座号的测速机，应在其有限的体积内，尽可能设计出较大的反电势常数K_c，测速电路的放大倍数K，应有较大自由度，但不可选择过大，否则会影响输出阻抗和零飘。值得一提的是，对于同一台方波无刷直流测速发电机，其输出电压斜率可根据需要改变，这是它的一个优点，在一些多相调速或伺服系统中，往往希望在不同转速档时测速机能保持相近的输出电压，以便兼顾高低速性能，这是其它测速机很难做到的。

    输出阻抗，由于采用运算放大器输出，其输出阻抗是非常小的，如果在其末级加上电压跟随器输出，其输出阻抗仅lΩ左右。而有刷直流测速发电机为了在有限体积内获得一定的斜率，绕组匝数较多，有相对较大的输出阻抗，其数值达数百欧，带上负载后，输出电压会有降落，即所谓负载效应，同时此输出阻抗的温度效应也直接影响到了测速机的变温误差。

    零转速输出电压，可在电路调整时，通过末级运算放大器的调零电位器调到零电压输出，即O．000V。

    不灵敏区(死区)，由于其独特的系统原理，它几乎没有不灵敏区，仅仅由于运算放大器闭环时较小的输入失调电压及电路噪声等会带来一些不灵敏区，因此其不灵敏区从实用角度考虑近乎于零。

线性误差，通过对特征方程式(4)的分析，R_i相当小，因此其输出电压斜率基本固定不变，可知，其线性误差是比较小的。

纹波系数，与交流发电机输出电势顶部平坦程度、各相限流电阻R的平衡程度及分时采样的开关速度等有关，通过合理的设计，可以得到较小的纹波系数指标。

6结论

实践证明，上述设计思想是可行的。例如，45CW01．方波无刷直流测速发电机，采用四相星形绕组，凸极式转子，测速电路与发电机组装成一体，体积为φ45mm×80mm，测试性能指标为：斜率3．3V／kr．min^-1，线性误差0．05％，输出电压不对称度O．03％，纹波系数0．5％，采用士15VDc电源供电。该产品已在大庆油田某泵阀控制系统中得到了应用。

总之，新型机电一体化的方波无刷直流测速发电机克服了有刷直流测速发电机的弊端，具有可靠性高、寿命长、测速范围宽、测速精度高、输出阻抗小、输出电压死区极小、摩擦力矩小、无无线电干扰、噪声低、结构紧凑、体积小、输出斜率可随需要改变、机电一体化程度高等优点，可适用于所有有刷直流测速发电机使用的场合，作速度指示、反馈和阻尼稳定元件，特别适用于无刷直流伺服电动机等高性能现代电动机伺服系统及高真空、高气压、高振动、有害、易爆介质等恶劣环境。