硅整流發(fā)電機轉(zhuǎn)速測量新方法及裝置
湯寧平
(福州大學(xué)，福建福州 350002)
1 引 言
汽車用硅整流發(fā)電機是內(nèi)部帶三相橋式整流器的三相交流同步發(fā)電機，輸出直流電壓。在發(fā)電機生產(chǎn)過程中，需要對發(fā)電機的轉(zhuǎn)速、輸出電壓等運行參數(shù)進(jìn)行檢驗測量。通常采用的轉(zhuǎn)速測量方法有機械式和光電式等。這些測量方法需要專門的測試臺及安裝工序，這對大批量生產(chǎn)的檢驗，費力費時，也不便實現(xiàn)生產(chǎn)檢驗自動化。根據(jù)硅整流發(fā)電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點，其輸出端電壓包含著轉(zhuǎn)速的信息，即與轉(zhuǎn)速成正比的三相整流電壓中的紋波信號。應(yīng)用文中提出的設(shè)計方案，直接利用發(fā)電機端電壓，在測得電壓的同時，也測得其轉(zhuǎn)速。這種測量方法操作簡單方便，測量精度較高，適合大批量生產(chǎn)的檢驗測量。
2基本測量原理
圖1為硅整流發(fā)電機的電氣原理圖。圖中虛線部分是整體式整流發(fā)電機的內(nèi)裝電子調(diào)節(jié)器部分。由于該發(fā)電機由三相同步發(fā)電機和三相橋式整流器組成，其輸出端B+直流電壓中帶有紋波，圖2所示為實測的發(fā)電機輸出電壓波形，其中圖2b是帶內(nèi)裝電子調(diào)節(jié)器的發(fā)電機的輸出電壓波形。紋波信號頻率與發(fā)電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：
式中 n—發(fā)電機轉(zhuǎn)速，r／min
fw—輸出電壓紋波頻率，Hz
P—發(fā)電機轉(zhuǎn)子極數(shù)
顯而易見，拾取發(fā)電機輸出直流電壓中包含的紋波信號的頻率，就可以測出發(fā)電機的轉(zhuǎn)速。
通常汽車發(fā)電機的轉(zhuǎn)速在400～18000r／min之問。若P=6，則廠W的變化范圍為240～10800Hz。設(shè)計一個高通濾波器，將發(fā)電機輸出電壓中的直流分量和低頻分量濾去，取出紋波信號，并經(jīng)過整形，得到相應(yīng)的脈沖信號。將該脈沖信號送入由單片面組成的測量系統(tǒng)，鋇9得其頻率，按式(1)可計算出發(fā)電機轉(zhuǎn)速。
另外，將發(fā)電機輸出電壓經(jīng)低通濾波，分壓取樣和A／D轉(zhuǎn)換后，也送入測量系統(tǒng)，可同時測量發(fā)電機的輸出電壓。
3測量電路設(shè)計與實現(xiàn)
根據(jù)以上所述的原理，可設(shè)計出發(fā)電機轉(zhuǎn)速與電壓的測量裝置，其電路主要包括三個部分：轉(zhuǎn)速測量回路、電壓測量回路以及單片機系統(tǒng)。
3．1轉(zhuǎn)速測量回路
該回路由高通濾波器和整形電路組成，完成發(fā)電機輸出電壓中紋波信號的拾取和脈沖整形。其電原理圖如圖3所示。為了提高測量回路的品質(zhì)，能有效地濾去直流分量和內(nèi)裝電子調(diào)節(jié)器作用產(chǎn)生的低頻分量，這里采用二階有源高通濾波器，由R1、c1、R2、C2及運算放大器A1組成，其低頻端的截止頻率為：
設(shè)計時取發(fā)電機測量轉(zhuǎn)速下限對應(yīng)的紋波頻率等于濾波器的截止頻率，并按式(2)選用R1、C1、R2、C2等元件。濾波器輸出的紋波信號通過由R3、R4、R5、A2、D2等元件組成的電壓比較器進(jìn)行整形，形成幅值為5V的脈沖信號，送入單片機系統(tǒng)的計數(shù)器。
3．2電壓測量回路
該回路由三個環(huán)節(jié)組成：
分壓取樣：由D1、R6、R7完成，使輸入電壓人小滿足A／D轉(zhuǎn)換器的量程范圍。
低通濾波器：該濾波器的作用與上述的高通濾波器的作用相反，用于濾去發(fā)電機輸出電壓中的紋波，以獲得平穩(wěn)的直流平均電壓。
A／D轉(zhuǎn)換：采用V／F變換電路實現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換，由高性能的LM331及相應(yīng)外圍元件組成。輸入電壓Vin和輸出頻率f0變換之間的關(guān)系為：
該電路的特點是線性度好，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，與單片機接口只需一根線，配以單片機系統(tǒng)中的計數(shù)器完成A／D轉(zhuǎn)換。
3．3單片機系統(tǒng)
測量參數(shù)的數(shù)值計算處理、顯示等功能由單片機系統(tǒng)完成。該系統(tǒng)選用性能價格比高的80C52，配置相應(yīng)的D2PROM、顯示電路及電源等外圍電路。
主要處理環(huán)節(jié)有：
轉(zhuǎn)速計算處理：將單片機中的T1設(shè)置成計數(shù)器工作方式，對轉(zhuǎn)速測量回路送來的紋波脈沖信號進(jìn)行計數(shù)。將T2設(shè)置成定時器工作方式，以產(chǎn)生采樣時間周期。當(dāng)沒定采樣周期為1s，且T1在一個采樣周期內(nèi)的計數(shù)值為CT1，則按式 |
