引 言有刷直流測速發(fā)電機由于電刷和換向器的存在帶來一些弊病:如可靠性差,使用環(huán)境受到限制；電刷與換向器的摩擦,增加了被測電機的粘滯轉(zhuǎn)矩；電刷的接觸壓降造成了輸出低速時的不靈敏區(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)生無線電干擾的高頻紋波以及電刷壓降引起輸出電壓的不穩(wěn)定等。以上缺點都是有刷直流測速發(fā)電機固有的,為此應(yīng)大力開展對無刷直流測速發(fā)電機的研制。無刷直流測速發(fā)電機從根本上取消了電刷與換向器這種接觸裝置,改善了測速發(fā)電機的性能,提高了運行的可靠性,是直流測速機的一個發(fā)展方向。產(chǎn)品的無刷化已成為一種明顯的發(fā)展趨勢。由于電子技術(shù)的發(fā)展, 研制具有與有刷直流測速發(fā)電機相同外特性的無刷直流測速發(fā)電機成為可能。在最近十多年里, 有許多不同原理、結(jié)構(gòu)、電路的無刷直流測速機方案, 發(fā)表各國專利文獻(xiàn)之中。它們基本上可分為兩大類。一類是測速機的輸出直接與半導(dǎo)體磁敏元件(霍爾元件、磁敏電阻等)輸出幅值或相位相關(guān)的，如霍爾無刷直流測速發(fā)電機。另一大類是采用電子電路將交流發(fā)電機輸出的交流電壓進(jìn)行整流, 換向或解調(diào)而獲得直流輸出的無刷直流測速發(fā)電機，如環(huán)形轉(zhuǎn)子無刷直流測速發(fā)電機和電子換向無刷直流測速機。本文主要介紹這三種測速發(fā)電機。關(guān)鍵詞： 有刷 缺點 無刷 直流測速發(fā)電機一、霍爾無刷直流測速發(fā)電機 如圖1所示，在一塊半導(dǎo)體薄片的相對兩側(cè)通入控制電流I，在薄片的垂直方向加以磁場B，則在半導(dǎo)體薄片的另外兩側(cè)會產(chǎn)生一個電動勢，這一現(xiàn)象叫做霍爾效應(yīng)。所產(chǎn)生的電動勢叫霍爾電動勢。該半導(dǎo)體薄片稱為霍爾元件。 對厚度為d的霍爾元件，霍爾電動勢的計算式 式中：HK為霍爾元件靈敏度；HR為霍爾系數(shù)。 圖1霍爾效應(yīng)原理圖當(dāng)磁場方向和元件的平面法線方向N成角度時，如圖中。作用在元件上的有效磁通是其法線方向的分量，即為，則霍爾電動勢，從上式可知，當(dāng)控制電流或磁場方向改變時，霍爾電動勢的方向也將隨之改變。但同時改變控制電流和磁場的方向，則霍爾電動勢的方向不變。霍爾電動勢可能是直流的，也可能是交流的。當(dāng)磁場和控制電流都是直流時，霍爾電動勢為直流電動勢；若磁場和控制電流其中之一是交流的，霍爾電動勢為交流電動勢?；魻枱o刷直流測速機的結(jié)構(gòu)示意圖,如圖2所示。測速機的定子上有兩個相互垂直的繞組A和B,在繞組的中心線上放置霍爾元件HA和HB,轉(zhuǎn)子是一個永久磁鋼?；魻栐﨟A和HB及電流引線分別與繞組A、B相聯(lián),并由繞組A和B供給控制電流,HA和HB的電壓引線串聯(lián)作為測速電壓輸出。其輸出的電壓與轉(zhuǎn)速成正比,由于沒有接觸裝置,其優(yōu)越性是顯而易見的。圖 2 霍爾無刷直流測速發(fā)電機結(jié)構(gòu)示意圖二、新型機電一體化方波無刷直流測速發(fā)電機 隨著電子技術(shù)的發(fā)展,使其測速電路的集成化程度有了迅速提高,賦予新型機電一體化方波無刷直流測速發(fā)電機更強的生命力。新型機電一體化方波直流測速發(fā)電機主要由帶有轉(zhuǎn)子位置傳感器的多相永磁交流發(fā)電機和測速輸出電路兩部分組成,組裝成一整體。多相永磁交流測速發(fā)電機的輸出電勢為頂部平坦且有足夠密度的方波電勢(實際為梯形波),方波電勢幅值與轉(zhuǎn)速成正比,它消除了傳統(tǒng)正弦無刷直流電動機電磁轉(zhuǎn)矩脈動的缺陷。方波無刷直流測速機與方波無刷直流伺服電動機共用一套磁極和轉(zhuǎn)子位置檢測器,它輸出三相 120電角寬方波電勢,也有的轉(zhuǎn)子位置傳感器采用霍爾集成片。測速輸出電路主要由一個帶有傳感器信號譯碼器的電子模擬開關(guān)和一個由運算放大器構(gòu)成的加法放大電路組成。其工作原理是通過模擬開關(guān)對永磁交流發(fā)電機輸出電勢的平坦部分進(jìn)行分時反饋取樣,利用加法器拼接放大,從而形成一個直流電壓測速信號,如圖3所示。圖4給出了一相繞組通路的測速電路圖。其中R為限流電阻,Rf為反饋電阻,二極管D為限幅二極管。 圖3 方波無刷直流測速發(fā)電機圖4 方波無刷直流測速發(fā)電機一向繞組通路測速電路三、電子換向無刷直流測速機下面著重介紹一種基于電子模擬開關(guān)采樣技術(shù)的電子換向的無刷直流測速發(fā)電機。這種原理的測速發(fā)電機是在七十年代中期由日本、美國等個別廠商研制問世的, 并于1978年在?？邪l(fā)表。西安微電機研究所1982 年研制成功了這種無刷測速發(fā)電機。電子換向無刷直流測速機的結(jié)構(gòu)方框圖見圖5所示。它是由發(fā)電機本體和換向電路兩部份組成。圖5 電子換向無刷直流測速機的結(jié)構(gòu)方框圖電機本體是一個交流多相永磁發(fā)電機,內(nèi)有一永磁轉(zhuǎn)子、多相繞組的定子和一個位置傳感器。與普通永磁同步發(fā)電機不同之處是相繞組的輸出電勢波形呈平頂狀梯形波,其頂部的寬度和平坦度與測速機的紋波系數(shù)指標(biāo)有密切關(guān)系,應(yīng)有嚴(yán)格的要求,從而也決定了它的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有自己的特點。和無刷直流電動機一樣,它需要一個轉(zhuǎn)子位置傳感器來感知轉(zhuǎn)子的相位,以確定后述采樣開關(guān)的動作時刻,如電磁感應(yīng)式、諧振式、光電式、磁敏式等傳感器方案均可采用。其工作原理以四相電機為例簡要說明如下:當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)子被驅(qū)動時,在四相定子繞組感應(yīng)出四相、相互相移為90的平頂梯形電壓波,它們被送到四個電子模擬開關(guān)的輸入端。位置傳感器輸出信號經(jīng)邏輯部份進(jìn)行信號處理,得到四個占空比均為1: 3的時序采樣方波信號。用此四個信號控制上述四個模擬開關(guān),對四相交流電壓的相應(yīng)平頂部份依次進(jìn)行分段采樣,然后在加法放大器中將此四段被采樣的信號連接成正比于轉(zhuǎn)速的直流電壓輸出。當(dāng)電機被驅(qū)動反轉(zhuǎn)時,交流發(fā)電機輸出的平頂波隨之而反相(相對于位置傳感器信號而言),被模擬開關(guān)采樣后,從加法放大器輸出與正轉(zhuǎn)時極性相反的直流電從而達(dá)到反映轉(zhuǎn)向的目的。無刷直流測速機的信號波形示意圖如圖6所示。圖中, A、B 、C 、D 、為四相交流繞組輸出電勢;W 、X、Y 、Z 為時序采樣方波信號。在圖中給出了它們之間的相對相位關(guān)系及相應(yīng)的采樣時刻。圖6無刷直流測速機的信號波形示意圖無刷直流測速機的主要性能指標(biāo)和普通有刷直流測速機一樣，是輸出斜率、線性誤差、正反轉(zhuǎn)不對稱度和紋波系數(shù)。表1給出了36 CZW01 電子換向無刷直流測速發(fā)電機性能指標(biāo),并列出了目前收集到的多摩川精機（日本) T S 6 0 0 E4無刷直流測速機相應(yīng)數(shù)據(jù)作對比。表1 36 CZW01 電子換向無刷直流測速發(fā)電機與多摩川精機（日本) T S 6 0 0 E4無刷直流測速相應(yīng)數(shù)據(jù)對比。(說明: 日本多摩川的紋波系數(shù)原樣本為1.5 % , 新樣本為l %。36 C Z W 01 的紋波系教實側(cè)值 1 % ) 。從上表可見無刷測速機性能指標(biāo)與一般有刷測速機水平是相當(dāng)?shù)?。輸出特?輸出電壓U0與轉(zhuǎn)速n 的關(guān)系)如圖7 所示。在最高允許轉(zhuǎn)速nmax范圍內(nèi),具有良好的線性。由于末級電路采用15伏供電的運算放大器,限于它的輸出動態(tài)范圍,當(dāng)工作轉(zhuǎn)速超出nmax以外時,輸出特性的線性消失。圖7 輸出特性通常在測速機輸出端有R C 低通濾波器。以減少測速機輸出的紋波電壓分量。濾波器的時間常數(shù)由系統(tǒng)設(shè)計需要而決定。在圖8中給出了無刷測速發(fā)電機在濾波器時間常數(shù)分別為0.2 、0.5和1.0 ms時不同轉(zhuǎn)速情況下的紋波系數(shù)變化情況。顯然,這個變化規(guī)律和有刷直流測速機的也是相似的。圖8 不同轉(zhuǎn)速情況下的紋波系數(shù)變化情況由于末級采用運算放大器,因此這種測速機輸出斜率是可以進(jìn)行調(diào)整或可控的。 這對于需要運行于高速段和低速段,又希望測速機保持大致相同的輸出電壓, 以兼顧高低速性能的應(yīng)用場合,是很方便的。末級放大器采用了強的電壓負(fù)反饋,使測速機的輸出阻抗極低,在輸出空載和規(guī)定負(fù)載(負(fù)載電阻不小于10 k ) 情況下, 測速機能保持其輸出斜率不變?？偨Y(jié)由上所述,無刷直流測速電機在外特性,主要性能指標(biāo)方面,均與有刷直流測速機相同,同時又克服了有刷測速電機的缺點。直流測速電機與交流測速機相比,具有無相移、無剩余電壓、容易與控制電路配合、使系統(tǒng)易于校正補償?shù)葍?yōu)點。因此無刷直流測速電機是一種較之有刷直流測速電機和交流測速電機都為優(yōu)異的新型測速發(fā)電機,它在自動控制系統(tǒng)中將具有良好的應(yīng)用前景。原理上可研制出性能指標(biāo)完全與目前所有規(guī)格的有刷測速電機相應(yīng)的無刷直流測速發(fā)電機，因此,從使用角度來說,無刷測速電機可適用于所有有刷測速機使用的場合,在控制系統(tǒng)中作速度檢測、監(jiān)示、反饋和阻尼元件。特別適用于高真空、高氣壓、高振動、有害介質(zhì)、易爆等為一般直流測速發(fā)電機難以勝任的惡劣環(huán)境和要求長壽命、高轉(zhuǎn)速、無法維護(hù)、要求高的重要場合。無刷直流測速電機除用于速度指示情況下的單獨使用之外,更多的是與電動機同軸安裝組成機組。采用無刷直流電動機一無刷直流測速機機組是最合適的。 參考文獻(xiàn)1 譚建成, 曹淑文,賀晉菲. 一種新型直流測速機-電子換向無刷直流測速發(fā)電機D. 西安.西安微電機研究所.