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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電機及其內含測速電路的基本工作原理和結構，給出了特征方程，并對其設計特點及設計參數等進行了分析研究．
1 引 言
隨著科學技術的發展，工業自動化、軍事裝備等對系統的可靠性要求越來越高。在微電機領域，產品的無刷化已成為一種明顯的發展趨勢。在自動控制裝置中，速度的檢測、監示，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)，這些高性能現代電機為提高其調速或伺服性能，如調速精度、穩定性和快速性，在其轉速閉環控制的測速反饋環節(FBS)中，常常需要高性能、高可靠性的現代無刷直流測速發電機，其中BDCM調速系統如圖l所示。本文將通過對各類測速機特點的對比分析，提出具有良好發展前景的新型機電一體化方波無刷直流測速發電機，對其原理和結構、特征方程、設計特點及參數等進行分析研究，并給出了工業驗證實例。
2測速方法分析
測速發電機有許多種類，但主要有永磁直流測速發電機、交流測速發電機、數字脈沖測速機和近年來隨著電子技術發展起來的無刷直流測速發電機。
永磁直流測速發電機以其靈敏度高、線性誤差小、極性可逆等優點而得到了廣泛應用，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矩；電刷的接觸壓降造成了輸出低速時的不靈敏區；電刷與換向器的間斷接觸或不良接觸引起射頻噪聲，產生無線電干擾；刷壓降變化引起輸出電壓的不穩定等。可見，發展無刷直流測速發電機非常必要。
交流測速發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電機的缺陷，但在某些方面還不能代替有刷直流測速發電機。對于同步型(含感應子式)交流測速發電機，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較差，因此同步型測速發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的調速范圍)，而有刷直流測速機的調速范圍達數千比一；異步型交流測速發電機，應用較廣的主要是空心杯異步交流測速發電機，其主要優點是轉子慣量小、響應快，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)系統中作阻尼元件和解算元件，由于剩余電壓對系統的影響很大，其幅值通常有幾十毫伏，因而其低速時的不靈敏區較大，調速范圍受到限制，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代伺服系統中很少使用。
各種原理的數字脈沖測速機，主要有編碼器和電磁式脈沖測速機，主要適用于直接數字速度控制系統或數字隨動系統。就位置伺服系統來說，它的速度環一般習慣上還是采用速度的模擬量反饋，而不是數字量反饋，往往同軸安裝一臺直流測速發電機作阻尼、穩定用。也有一些新系統采用編碼器的測速脈沖經f／V變換獲得速度的模擬量，或者由轉子位置傳感器的脈沖信號經f／V變換獲得速度的模擬量，這主要適用于一些轉速不是太低的系統，對于隨動系統來說，在低速工作時，采用f/V轉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，改善了測速發電機的性能，提高了運行的可靠性，是直流測速機的一個發展方向。特別是電子技術的發展，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電機更強的生命力。在諸如霍爾無刷直流測速發電機、環形轉子無刷直流測速發電機及二極管整流型無刷直流測速發電機等許多品種中，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、輸出電壓不靈敏區極小等特點在要求調速范圍為幾千比一以上，甚至10000：1的調速系統或高精度的隨動系統等高性能現代伺服系統中展現它的魅力。
3基本原理和結構
新型機電一體化方波無刷直流測速發電機主要由帶有轉子位置傳感器的多相永磁交流發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和一個由運算放大器構成的加法放大電路組成。其工作原理是通過模擬開關對永磁交流發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。
方波永磁交流發電機，定子類似于一般的永磁交流同步電動機，一般設計成三相或四相，采用星形連接。轉子有凸極式和爪極式兩種結構，如圖3所示。轉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共用一套轉子位置傳感器，從而使結構更加緊湊，轉子通常選用爪極式結構；對于四相電機，則選用兩個霍爾集成片，空間90o分布，其結構較為簡單，通常選用凸極式轉子。
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電機還是四相方波無刷直流測速發電機，其工作原理都是一樣的，只是其設計特點及應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電機的波形圖，如圖5所示，S1、S2分別為轉子位置傳感器信號，a、b、c、d為經譯碼器處理后的信號。
4特征方程
交流發電機輸出電勢：
Ei=Kcn (1)
交流發電機反電勢(峰值)常數為：
Kc=BδDiLcfWφ (2)
式中n——測速機轉速
Bδ——氣隙磁密
Di——電樞直徑
Lef——鐵心長度
Wφ——繞組每相串聯匝數
測速發電機輸出電壓為：
U(n)=KfEi (3)
測速電路放大倍數為：
Kf=Rf／(R+Ri)≈Rf／R (4)
式中Ri——電樞繞組及模擬開關通路電阻等效值，比限流電阻R小得多，可忽略不計
因此，測速發電機輸出電壓斜率為：
Ku=KcKf (5)
5設計特點及參數分析
5．1方波永磁交流發電機
與普通的多相永磁交流發電機相比，方波永磁交流發電機****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，且其頂部應具有足夠的寬度與平坦度。為此，定子可設計成無槽結構，采用表面繞組，電樞鐵心呈環形，繞組均勻地粘貼在環形鐵心上，此結構消除了齒諧波帶來的不利影響，但工藝上較復雜；另一種辦法是采用齒槽結構，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。采用爪極式轉子，結構較復雜一些，凸極式轉子結構較為簡單，但其極靴厚度的設計是很講究的，設計太厚，會造成輸出電勢波形中間下凹，設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，轉子磁鋼宜選用剩磁可逆溫度系數低的磁性材料，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，以便能與交流發電機共同組裝成一體，宜選用較大規模的集成電路芯片。其分時反饋采樣電路可采用內含譯碼器的模擬開關芯片，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定性，減小紋波系數，限流電阻R和反饋電阻R，均應選用高精度金屬膜電阻，并預先進行老化篩選，其中各相通路的限流電阻，應盡可能平衡對稱，且取較大阻值，一般為幾百千歐。
5．3參數分析
除了提到的有關元器件參數外，在進行測速機總體設計時，要根據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，應在其有限的體積內，盡可能設計出較大的反電勢常數Kc，測速電路的放大倍數K，應有較大自由度，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電機，其輸出電壓斜率可根據需要改變，這是它的一個優點，在一些多相調速或伺服系統中，往往希望在不同轉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。而有刷直流測速發電機為了在有限體積內獲得一定的斜率，繞組匝數較多，有相對較大的輸出阻抗，其數值達數百歐，帶上負載后，輸出電壓會有降落，即所謂負載效應，同時此輸出阻抗的溫度效應也直接影響到了測速機的變溫誤差。
零轉速輸出電壓，可在電路調整時，通過末級運算放大器的調零電位器調到零電壓輸出，即O．000V。
不靈敏區(死區)，由于其獨特的系統原理，它幾乎沒有不靈敏區，僅僅由于運算放大器閉環時較小的輸入失調電壓及電路噪聲等會帶來一些不靈敏區，因此其不靈敏區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，與交流發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速度等有關，通過合理的設計，可以得到較小的紋波系數指標。
6結論
實踐證明，上述設計思想是可行的。例如，45CW01．方波無刷直流測速發電機，采用四相星形繞組，凸極式轉子，測速電路與發電機組裝成一體，體積為φ45mm×80mm，測試性能指標為：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0．5％，采用士15VDc電源供電。該產品已在大慶油田某泵閥控制系統中得到了應用。
總之，新型機電一體化的方波無刷直流測速發電機克服了有刷直流測速發電機的弊端，具有可靠性高、壽命長、測速范圍寬、測速精度高、輸出阻抗小、輸出電壓死區極小、摩擦力矩小、無無線電干擾、噪聲低、結構緊湊、體積小、輸出斜率可隨需要改變、機電一體化程度高等優點，可適用于所有有刷直流測速發電機使用的場合，作速度指示、反饋和阻尼穩定元件，特別適用于無刷直流伺服電動機等高性能現代電動機伺服系統及高真空、高氣壓、高振動、有害、易爆介質等惡劣環境。
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