新型機(jī)電一體化方波無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)

    王民生(西安微電機(jī)研究所710077)

    【摘  要】分析各種測(cè)速方法的特點(diǎn)及存在問(wèn)題。闡述新型機(jī)電一體化方波無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)及其內(nèi)含測(cè)速電路的基本工作原理和結(jié)構(gòu)，給出了特征方程，并對(duì)其設(shè)計(jì)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)參數(shù)等進(jìn)行了分析研究．

1  引  言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化、軍事裝備等對(duì)系統(tǒng)的可靠性要求越來(lái)越高。在微電機(jī)領(lǐng)域，產(chǎn)品的無(wú)刷化已成為一種明顯的發(fā)展趨勢(shì)。在自動(dòng)控制裝置中，速度的檢測(cè)、監(jiān)示，特別是諸如自控變頻同步電動(dòng)機(jī)(無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)clm)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(srm)，其中自控變頻同步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(wú)刷直流伺服電動(dòng)機(jī)(bdcm)，后者稱三相永磁同步電動(dòng)機(jī)(pmsm)，這些高性能現(xiàn)代電機(jī)為提高其調(diào)速或伺服性能，如調(diào)速精度、穩(wěn)定性和快速性，在其轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的測(cè)速反饋環(huán)節(jié)(fbs)中，常常需要高性能、高可靠性的現(xiàn)代無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，其中bdcm調(diào)速系統(tǒng)如圖l所示。本文將通過(guò)對(duì)各類測(cè)速機(jī)特點(diǎn)的對(duì)比分析，提出具有良好發(fā)展前景的新型機(jī)電一體化方波無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，對(duì)其原理和結(jié)構(gòu)、特征方程、設(shè)計(jì)特點(diǎn)及參數(shù)等進(jìn)行分析研究，并給出了工業(yè)驗(yàn)證實(shí)例。

2測(cè)速方法分析

    測(cè)速發(fā)電機(jī)有許多種類，但主要有永磁直流測(cè)速發(fā)電機(jī)、交流測(cè)速發(fā)電機(jī)、數(shù)字脈沖測(cè)速機(jī)和近年來(lái)隨著電子技術(shù)發(fā)展起來(lái)的無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)。

    永磁直流測(cè)速發(fā)電機(jī)以其靈敏度高、線性誤差小、極性可逆等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用，但因電刷和換向器的存在帶來(lái)一系列的弊病，如可靠性差，使用環(huán)境條件受到限制；電刷與換向器的摩擦，增加了被測(cè)電機(jī)的粘滯轉(zhuǎn)矩；電刷的接觸壓降造成了輸出低速時(shí)的不靈敏區(qū)；電刷與換向器的間斷接觸或不良接觸引起射頻噪聲，產(chǎn)生無(wú)線電干擾；刷壓降變化引起輸出電壓的不穩(wěn)定等。可見，發(fā)展無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)非常必要。

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

    各種原理的數(shù)字脈沖測(cè)速機(jī)，主要有編碼器和電磁式脈沖測(cè)速機(jī)，主要適用于直接數(shù)字速度控制系統(tǒng)或數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)。就位置伺服系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它的速度環(huán)一般習(xí)慣上還是采用速度的模擬量反饋，而不是數(shù)字量反饋，往往同軸安裝一臺(tái)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)作阻尼、穩(wěn)定用。也有一些新系統(tǒng)采用編碼器的測(cè)速脈沖經(jīng)f／v變換獲得速度的模擬量，或者由轉(zhuǎn)子位置傳感器的脈沖信號(hào)經(jīng)f／v變換獲得速度的模擬量，這主要適用于一些轉(zhuǎn)速不是太低的系統(tǒng)，對(duì)于隨動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在低速工作時(shí)，采用f/v轉(zhuǎn)換要獲得平滑的速度模擬信號(hào)還是困難的，因而常常采用電動(dòng)機(jī)一測(cè)速機(jī)組。

    無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)從根本上取消了電刷與換向器這種接觸裝置，改善了測(cè)速發(fā)電機(jī)的性能，提高了運(yùn)行的可靠性，是直流測(cè)速機(jī)的一個(gè)發(fā)展方向。特別是電子技術(shù)的發(fā)展，使其測(cè)速電路的集成化程度有了迅速提高，賦于機(jī)電一體化的無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)更強(qiáng)的生命力。在諸如霍爾無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)、環(huán)形轉(zhuǎn)子無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)及二極管整流型無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)等許多品種中，新型機(jī)電一體化的方波無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，將以其信號(hào)幅值(指原始信號(hào))大、抗干擾能力強(qiáng)、工藝較為簡(jiǎn)單、輸出電壓不靈敏區(qū)極小等特點(diǎn)在要求調(diào)速范圍為幾千比一以上，甚至10000：1的調(diào)速系統(tǒng)或高精度的隨動(dòng)系統(tǒng)等高性能現(xiàn)代伺服系統(tǒng)中展現(xiàn)它的魅力。

3基本原理和結(jié)構(gòu)

新型機(jī)電一體化方波無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)主要由帶有轉(zhuǎn)子位置傳感器的多相永磁交流發(fā)電機(jī)和測(cè)速輸出電路兩部分組成，組裝成一個(gè)整體。多相永磁交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電勢(shì)為頂部平坦且有足夠密度的方波電勢(shì)(實(shí)際為梯形波)，方波