电机的几种测速方法
合肥工业大学自动化研究所(230009) 肖本贤 陈荣保安徽省电力工业局中心调度所(230061) 李 斌 葛 晖
【摘要】分析讨论了几种常用的电机测速方法的特点和应用,它对不同使用场合,选择合适的测速方法构成转速闭环具有实际意义。
关键词 测速方法 反馈测量 传感器
一、引言
数控系统中,检测是不可缺少的一个重要环节。
在N C 机床中,最关键的检测环节就是电机进给速度与位置的测试。为了提高N C 机床中电机的调速与伺服性能,如调速精度、稳定性和快速性,均需采用转速闭环控制,从而需要检测电机的转速,其检测方法多种多样,且与选用的传感器类型有关,但概括起来主要有脉冲数字式、电压模拟式及专用集成电路方式。因此在选配时要根据不同的使用场合,全面衡量。因此,我们针对带有转子位置检测器这类伺服电机,分析讨论了与之相适应的几种测速方法,并对各种方法作了研究和评价。
二、永磁直流测速发电机
永磁直流测速发电机以其灵敏度高、线性误差小、受温度变化的影响较小、结构简单、耐振动冲击、极性可逆等优点目前受到了广泛应用,但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,如图1所示;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,有些缺点可通过特殊设计、补偿及滤波方法来解决,它是以电压的形式直接给出被测电机的转速。
图1 直流测速发电机的实际输出特性
三、无刷直流测速
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。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。无刷直流测速发电机还有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。主要介绍前两种类型。
11霍尔无刷直流测速发电机
霍尔无刷直流测速机的结构示意图,如图2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H A 和H B ,转子是一个永久磁钢。霍尔元件H A 和H B 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,H A 和H B 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
21新型机电一体化方波无刷直流测速发电机
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
通路的测速电路图。其中R 为限流电阻,R f 为反馈电阻,二极管D 为限幅二极管。
四、M T 法测速
该方法属于数字式测速,通常由光电脉冲编码器、直线
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光栅尺、感应同步器、旋转变压器、直线磁栅尺等传感器来完成。该类转子位置传感器发出的脉冲信号,可在可编程计数器8253的配合下,基于微机系统采用M T 法对电机转速实现高精度的数字测量,这类传感器一般都输出两组相位相差
90°的脉冲序列A 、B ,根据A 、B 的相位关系可以鉴别电机转
向,同时还可以进行四倍频处理,以减少通过M T 法获取速度反馈信号的纹波。其基本原理是:电机每转一圈,传感器输出的脉冲数一定,随着电动机转速和输出脉冲频率的不同,频率与转速成正比,能测量其频率,通过软件计算就能得到速度,鉴相电路还能同时反映实际转速的方向
。
图3
方波无刷直流测速发电机原理
图4 方波无刷直流测速发电机一相绕组通路测速电路
设电机转速为n ,每转一转光码盘发出k 个脉冲,设定一个标准频率f 0(f 0=f cp =2M H z ),在采样周期Tm s 内采样到标准脉冲N 个、电机脉冲M 个,则有:
N f 0=M
(k n )=T 电机转速:n =(M f 0) (N k )
一般f 0µf ,则M 《N ,这样在T 内采样到整数个电机脉冲M ,则由标准频率f 0采样引起的量化误差可忽略。在低速段为保证每采样周期得到整个脉冲数,则每转脉冲数越多越好,测速越精确,一是通过倍频来提高,二是通过加长低速段的采样周期T 。
五、F V 测速
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。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,因此基于计
数器和微机软件实现的M T 法测速,还需增加D A 转换,也有一些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。F V 法测速原理是:电机每转输出的脉冲信号频率与电机转速成正比,然后通过频压变换将脉冲信号转换成反映转速高低的模拟电压。为了反映转速的方向,要有旋转方向自动切换功能。测速精度与编码器每转脉冲数以及f v 变换电路时间常数的选择有关,每转脉冲数越多,测速越精确,这在低速段尤为重要。为保证f v 线性变换,f 必
须变成宽度一定的脉冲,事先由单稳电路定宽,然后经由运放组成的低通滤波器把频率变换为直流电压。f v 测速电路,如图5所示
。
图5 f v 测速原理图
图中,f +、f -是经过鉴相、倍频处理后的分别代表电机正、反转的且与转速成正比的脉冲序列。为防止信号中杂有噪声及共模干扰,放大电路采用新型的双差分电路,它由3个运放组成,其差动输入端为v +和v -,且采用对称结构。该电路输入阻抗高,且失调电压、温度漂移系数低、放大倍数稳定,放大倍数:
G =v out
(v +-v -)=R 3 R 2(1+2R 1 R G ),
其中R G 是用于调整速度反馈信号的放大系数。当电机正向旋转时,f +有脉冲,f -为低电平,此时v out 为正;当电机反向旋转时,f -有脉冲,f +为低电平,v out 输出为负。
六、专用集成块式
M C 33039是M O TOROLA 公司设计专门用于无刷直流
电机控制系统的高性能闭环速度控制附加器。实施过程将允许精确的速度调节而不需用电磁或光电测速器。这个器件包括有3个具有抗干扰能力的磁滞输入缓冲器、3个数字界限检测器、一个可编程单稳态电路、一个内部刹车调节器,以及一个用于需要作传感器相位转换的系统的倒相输出。该测速方法的基本思想是:转子位置信号也是脉冲波,其频率的高低也反映了电机转速的快慢,以无刷直流电动机为例,其转子位置信号波形,如图6所示,因此从转子位置信号中也可生成转速信号。但电机低速时转子位置信号频率很低,宜先
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55・机电工程 1998年 第1期
