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王民生(西安微電機研究所)
【摘 要】分析各種測速方法的特點及存在問題。闡述新型機電一體化方波無刷直流測速發(fā)電機及其內(nèi)含測速電路的基本工作原理和結(jié)構(gòu)，給出了特征方程，并對其設(shè)計特點及設(shè)計參數(shù)等進行了分析研究．
1 引 言
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動化、軍事裝備等對系統(tǒng)的可靠性要求越來越高。在微電機領(lǐng)域，產(chǎn)品的無刷化已成為一種明顯的發(fā)展趨勢。在自動控制裝置中，速度的檢測、監(jiān)示，特別是諸如自控變頻同步電動機(無換向器電動機CLM)和開關(guān)磁阻電動機(SRM)，其中自控變頻同步電動機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機又可分為方波電流控制型和正弦波電流控制型兩種，前者稱無刷直流伺服電動機(BDCM)，后者稱三相永磁同步電動機(PMSM)，這些高性能現(xiàn)代電機為提高其調(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)代無刷直流測速發(fā)電機，其中BDCM調(diào)速系統(tǒng)如圖l所示。本文將通過對各類測速機特點的對比分析，提出具有良好發(fā)展前景的新型機電一體化方波無刷直流測速發(fā)電機，對其原理和結(jié)構(gòu)、特征方程、設(shè)計特點及參數(shù)等進行分析研究，并給出了工業(yè)驗證實例。
2測速方法分析
測速發(fā)電機有許多種類，但主要有永磁直流測速發(fā)電機、交流測速發(fā)電機、數(shù)字脈沖測速機和近年來隨著電子技術(shù)發(fā)展起來的無刷直流測速發(fā)電機。
永磁直流測速發(fā)電機以其靈敏度高、線性誤差小、極性可逆等優(yōu)點而得到了廣泛應(yīng)用，但因電刷和換向器的存在帶來一系列的弊病，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；刷壓降變化引起輸出電壓的不穩(wěn)定等�？梢�，發(fā)展無刷直流測速發(fā)電機非常必要。
交流測速發(fā)電機在一定場合也得到了成功的使用，雖然它克服了有刷直流測速發(fā)電機的缺陷，但在某些方面還不能代替有刷直流測速發(fā)電機。對于同步型(含感應(yīng)子式)交流測速發(fā)電機，由于整流管管壓降的存在，使其低速時的線性度差，且由于平滑輸出電壓的濾波器，使這種測速機的快速響應(yīng)較差，因此同步型測速發(fā)電機大多用于速度顯示和速度范圍不寬的場合(一般為100：1的調(diào)速范圍)，而有刷直流測速機的調(diào)速范圍達(dá)數(shù)千比一；異步型交流測速發(fā)電機，應(yīng)用較廣的主要是空心杯異步交流測速發(fā)電機，其主要優(yōu)點是轉(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機)系統(tǒng)中作阻尼元件和解算元件，由于剩余電壓對系統(tǒng)的影響很大，其幅值通常有幾十毫伏，因而其低速時的不靈敏區(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)字脈沖測速機，主要有編碼器和電磁式脈沖測速機，主要適用于直接數(shù)字速度控制系統(tǒng)或數(shù)字隨動系統(tǒng)。就位置伺服系統(tǒng)來說，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，往往同軸安裝一臺直流測速發(fā)電機作阻尼、穩(wěn)定用。也有一些新系統(tǒng)采用編碼器的測速脈沖經(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)，對于隨動系統(tǒng)來說，在低速工作時，采用f/V轉(zhuǎn)換要獲得平滑的速度模擬信號還是困難的，因而常常采用電動機一測速機組。
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。特別是電子技術(shù)的發(fā)展，使其測速電路的集成化程度有了迅速提高，賦于機電一體化的無刷直流測速發(fā)電機更強的生命力。在諸如霍爾無刷直流測速發(fā)電機、環(huán)形轉(zhuǎn)子無刷直流測速發(fā)電機及二極管整流型無刷直流測速發(fā)電機等許多品種中，新型機電一體化的方波無刷直流測速發(fā)電機，將以其信號幅值(指原始信號)大、抗干擾能力強、工藝較為簡單、輸出電壓不靈敏區(qū)極小等特點在要求調(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)
新型機電一體化方波無刷直流測速發(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，組裝成一個整體。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。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2所示。
方波永磁交流發(fā)電機，定子類似于一般的永磁交流同步電動機，一般設(shè)計成三相或四相，采用星形連接。轉(zhuǎn)子有凸極式和爪極式兩種結(jié)構(gòu)，如圖3所示。轉(zhuǎn)子位置傳感器采用霍爾集成片，對于三相電機則選用三個霍爾集成片，空間120o分布，也可與BDCM共用一套轉(zhuǎn)子位置傳感器，從而使結(jié)構(gòu)更加緊湊，轉(zhuǎn)子通常選用爪極式結(jié)構(gòu)；對于四相電機，則選用兩個霍爾集成片，空間90o分布，其結(jié)構(gòu)較為簡單，通常選用凸極式轉(zhuǎn)子。
為了便于分析，圖4給出了一相繞組通路的測速電路圖。其中尺為限流電阻，Rl為反饋電阻，二極管D為限幅二極管。
不論是三相方波無刷直流測速發(fā)電機還是四相方波無刷直流測速發(fā)電機，其工作原理都是一樣的，只是其設(shè)計特點及應(yīng)用的具體場合有所不同，因而這里只給出四相方波無刷直流測速發(fā)電機的波形圖，如圖5所示，S1、S2分別為轉(zhuǎn)子位置傳感器信號，a、b、c、d為經(jīng)譯碼器處理后的信號。
4特征方程
交流發(fā)電機輸出電勢：
Ei=Kcn (1)
交流發(fā)電機反電勢(峰值)常數(shù)為：
Kc=BδDiLcfWφ (2)
式中n——測速機轉(zhuǎn)速
Bδ——氣隙磁密
Di——電樞直徑
Lef——鐵心長度
Wφ——繞組每相串聯(lián)匝數(shù)
測速發(fā)電機輸出電壓為：
U(n)=KfEi (3)
測速電路放大倍數(shù)為：
Kf=Rf／(R+Ri)≈Rf／R (4)
式中Ri——電樞繞組及模擬開關(guān)通路電阻等效值，比限流電阻R小得多，可忽略不計
因此，測速發(fā)電機輸出電壓斜率為：
Ku=KcKf (5)
5設(shè)計特點及參數(shù)分析
5．1方波永磁交流發(fā)電機
與普通的多相永磁交流發(fā)電機相比，方波永磁交流發(fā)電機****的不同之處就在于要求各相繞組輸出電勢波形為平頂狀梯形波，且其頂部應(yīng)具有足夠的寬度與平坦度。為此，定子可設(shè)計成無槽結(jié)構(gòu)，采用表面繞組，電樞鐵心呈環(huán)形，繞組均勻地粘貼在環(huán)形鐵心上，此結(jié)構(gòu)消除了齒諧波帶來的不利影響，但工藝上較復(fù)雜；另一種辦法是采用齒槽結(jié)構(gòu)，工藝比較簡單，為了彌補槽脈動電勢的不足，可以采用小的槽口／氣隙比，一般可取0．3～0．5，同時采用磁性槽楔。采用爪極式轉(zhuǎn)子，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜一些，凸極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)較為簡單，但其極靴厚度的設(shè)計是很講究的，設(shè)計太厚，會造成輸出電勢波形中間下凹，設(shè)計太薄則會使輸出電勢波形中間呈拱形，其材料一般選用軟鐵(如10鋼)，極靴寬度應(yīng)能保證輸出電勢平頂部分寬度足夠被反饋采樣。為了使測速機的變溫誤差盡可能小，轉(zhuǎn)子磁鋼宜選用剩磁可逆溫度系數(shù)低的磁性材料，如鈰鈷銅鐵或釤鈷等稀土永磁材料。
5．2測速電路
為了使測速電路小型化，以便能與交流發(fā)電機共同組裝成一體，宜選用較大規(guī)模的集成電路芯片。其分時反饋采樣電路可采用內(nèi)含譯碼器的模擬開關(guān)芯片，該芯片可直接與位置傳感器的霍爾集成片相兼容，從而使其電路體積大為縮小。為了提高測速精度，特別是其低速性能，加法電路中的集成運算放大器宜選用高精度、低漂移類運算放大器。為了保證測速電路的穩(wěn)定性，減小紋波系數(shù)，限流電阻R和反饋電阻R，均應(yīng)選用高精度金屬膜電阻，并預(yù)先進行老化篩選，其中各相通路的限流電阻，應(yīng)盡可能平衡對稱，且取較大阻值，一般為幾百千歐。
5．3參數(shù)分析
除了提到的有關(guān)元器件參數(shù)外，在進行測速機總體設(shè)計時，要根據(jù)它所使用場合對其體積、輸出電壓斜率等具體要求，合理選擇Kc和Kf。為了****限度提高測速機的低速性能，對于小機座號的測速機，應(yīng)在其有限的體積內(nèi)，盡可能設(shè)計出較大的反電勢常數(shù)Kc，測速電路的放大倍數(shù)K，應(yīng)有較大自由度，但不可選擇過大，否則會影響輸出阻抗和零飄。值得一提的是，對于同一臺方波無刷直流測速發(fā)電機，其輸出電壓斜率可根據(jù)需要改變，這是它的一個優(yōu)點，在一些多相調(diào)速或伺服系統(tǒng)中，往往希望在不同轉(zhuǎn)速檔時測速機能保持相近的輸出電壓，以便兼顧高低速性能，這是其它測速機很難做到的。
輸出阻抗，由于采用運算放大器輸出，其輸出阻抗是非常小的，如果在其末級加上電壓跟隨器輸出，其輸出阻抗僅lΩ左右。而有刷直流測速發(fā)電機為了在有限體積內(nèi)獲得一定的斜率，繞組匝數(shù)較多，有相對較大的輸出阻抗，其數(shù)值達(dá)數(shù)百歐，帶上負(fù)載后，輸出電壓會有降落，即所謂負(fù)載效應(yīng)，同時此輸出阻抗的溫度效應(yīng)也直接影響到了測速機的變溫誤差。
零轉(zhuǎn)速輸出電壓，可在電路調(diào)整時，通過末級運算放大器的調(diào)零電位器調(diào)到零電壓輸出，即O．000V。
不靈敏區(qū)(死區(qū))，由于其獨特的系統(tǒng)原理，它幾乎沒有不靈敏區(qū)，僅僅由于運算放大器閉環(huán)時較小的輸入失調(diào)電壓及電路噪聲等會帶來一些不靈敏區(qū)，因此其不靈敏區(qū)從實用角度考慮近乎于零。
線性誤差，通過對特征方程式(4)的分析，Ri相當(dāng)小，因此其輸出電壓斜率基本固定不變，可知，其線性誤差是比較小的。
紋波系數(shù)，與交流發(fā)電機輸出電勢頂部平坦程度、各相限流電阻R的平衡程度及分時采樣的開關(guān)速度等有關(guān)，通過合理的設(shè)計，可以得到較小的紋波系數(shù)指標(biāo)。
6結(jié)論
實踐證明，上述設(shè)計思想是可行的。例如，45CW01．方波無刷直流測速發(fā)電機，采用四相星形繞組，凸極式轉(zhuǎn)子，測速電路與發(fā)電機組裝成一體，體積為φ45mm×80mm，測試性能指標(biāo)為：斜率3．3V／kr．min-1，線性誤差0．05％，輸出電壓不對稱度O．03％，紋波系數(shù)0．5％，采用士15VDc電源供電。該產(chǎn)品已在大慶油田某泵閥控制系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。
總之，新型機電一體化的方波無刷直流測速發(fā)電機克服了有刷直流測速發(fā)電機的弊端，具有可靠性高、壽命長、測速范圍寬、測速精度高、輸出阻抗小、輸出電壓死區(qū)極小、摩擦力矩小、無無線電干擾、噪聲低、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、輸出斜率可隨需要改變、機電一體化程度高等優(yōu)點，可適用于所有有刷直流測速發(fā)電機使用的場合，作速度指示、反饋和阻尼穩(wěn)定元件，特別適用于無刷直流伺服電動機等高性能現(xiàn)代電動機伺服系統(tǒng)及高真空、高氣壓、高振動、有害、易爆介質(zhì)等惡劣環(huán)境。
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