低紋波無刷測速發電機及使用方法
2023-07-16 06:47:21 2
專利名稱：：低紋波無刷測速發電機及使用方法
技術領域：
：本發明涉及測速發電機，具體為一種低紋波、無刷的測速發電機及其使用方法。(二)
背景技術：
：測速發電機是自動控制領域常用的測速元件。測速發電機的轉子與被測旋轉體連軸，測速發電機輸出電壓信號與轉子的轉速相關聯，由此即可得到其轉速值。現有的測速發電機的轉子和定子通常是其一為永磁磁鋼、另一為繞組。當測速發電機的定子是永磁磁鋼、轉子是繞組時，轉子繞組接換相片、經滑環或碳刷外引，為有刷測速發電機。這種測速發電機的缺陷為其滑環或碳刷運行中有磨損，需要經常維護，易出故障。另外滑環或碳刷與換向片之間有相對滑動，換向時輸出的電壓紋波較大。總之有刷測速發電機的缺點控制精度不高、可靠性不高。當測速發電機定子是繞組、轉子是永磁磁鋼時，繞組直接外引，為無刷測速發電機。此種測速發電機隨轉子的轉動、定子輸出與其轉速相關聯的脈動交變電壓信號。定子繞組輸出的脈動交變電壓信號可經整流線路轉為脈動直流電壓信號、但紋波很大，影響測量和控制精度。雖然引入濾波單元能消除部分紋波，但為了消除低轉速時的紋波，濾波單元的時間常數必然很大，將會導致信號嚴重滯後，使測速機響應的速度大打折扣，制約著測控精度。如上所述現有的測速發電機或者因輸出電壓紋波制約著其測試精度；或者滑環或碳刷制約著其應用的可靠性，需要改進。(三)
發明內容本發明的目的是設計一種低紋波、無刷的測速發電機及其使用方法，以獲得測控精度高、可靠性高的測速元件。本發明設計的低紋波無刷測速發電機含永磁轉子、定子單元，還有開關陣列、編碼單元。永磁轉子端面均勻地裝有n對N、S永磁磁鋼，n為3至5的整數。定子單元覆設數量與轉子磁鋼對數相同的n組繞組，各繞組之間的角度間隔均為360度/2n，永磁轉子和定子繞組構成發電機，定子單元的各繞組連接開關陣列的電子開關輸入端；定子單元上安裝有與其繞組數量相同、位置相匹配的n個磁敏元件，以監測轉子磁極與各繞組的相對位置，各磁敏元件分別連接編碼單元；開關陣列上對應每個繞組的兩個輸出端各有2個電子開關，各電子開關受編碼單元給出的選通信號控制或斷開、或接通，開關陣列公共輸出端是本測速發電機的輸出；編碼單元內含磁敏元件信號處理線路，各磁敏元件的輸出端連接編碼單元。開關陣列中各繞組所接電子開關輸出端的選通線路分別連接編碼單元對應的選通邏輯信號輸出端；外部供電電源連接磁敏元件、編碼單元、開關陣列，為之供電。依發電機原理，當永磁轉子正向轉動時，定子繞組因切割磁力線產生感應電壓信號；對於某一組繞組，隨著永磁轉子轉動的N/S磁極逐歩進入、直至遠離該繞組區域，該繞組電壓信號波形是正/負方向脈動的梯形波；梯形波頂平直無波動，其高度與轉速成正比；因各個繞組電角度的差異，各繞組將產生相位差明確、波形相似的電壓波形。同理，當永磁轉子反向轉動時，繞組電壓信號波形是負/正方向脈動的梯形波；各繞組電壓相位關係與轉子正轉時相反。與此同時，隨著永磁轉子N/S磁極轉動，對於某一組繞組，定子單元上的與之匹配的磁敏元件經過編碼單元內的信號處理線路輸出與該繞組電壓的波形周期相同、波形相匹配的數字脈衝信號，該數字脈衝信號表徵永磁轉子磁極位置；調整某個磁敏元件與所匹配的繞組的相對安裝位置可改變該繞組電壓波形與磁極位置脈衝信號的相位關係；調整兩者相對位置，使磁極位置脈衝有效沿與該繞組電壓波形開始進入穩定區域的時刻同步，故此磁敏元件的磁極位置脈衝信號包含與之匹配的繞組電壓波形開始進入無換相波動的時刻信息。按相同規律調整各磁敏元件和與其匹配繞組的相對位置，即可由各磁敏元件的磁極位置脈衝信號獲得各路繞組電壓波形開始進入無換相波動的時刻信息。在一個電角度周期內，每相磁極位置信號有0和1兩個狀態；n相磁極位置信號有2n個狀態組合；每相繞組各有一個正值和負值的梯形波頂、無換相波動的區域，n相繞組則有2n所述穩定區域；2n個穩定區域恰好與2n個磁極位置信號編碼組合一一對應。本發明低紋波無刷測速發電機的使用方法如下本測速發電機的轉子與被測旋轉體連軸，編碼單元通過磁敏元件動態獲得各個磁敏元件磁極位置信號，依據當前各個磁敏元件磁極位置信號構成的編碼組合，向開關陣列輸出各電子開關的選通邏輯信號，決定開關陣列的各電子開關的通或斷。設轉子順時針轉動為"正轉"，則轉子的逆時針轉動則為"反轉"。另外以繞組輸出的某向電壓為"正"，而以繞組輸出的另一向電壓為"負"。當轉子"正轉"且繞組產生正電壓時，依據編碼組合只將對應的電子開關接通、使波形處於穩定區域的繞組正向接通至開關陣列公共輸出端;而當轉子"正轉"且繞組輸出電壓為"負"時，依據編碼組合只將對應的電子開關接通、使波形處於穩定區域的繞組反向接通至開關陣列公共輸出端，即轉子"正轉"時本測速發電機的當前輸出為與轉子轉速相對應的"正值"；同樣轉子"反轉"時，將與此磁極位置信號編碼組合相對應的電子開關接通、使波形處於穩定區域的繞組或正向或反向接通至開關陣列公共輸出端，測速發電機的當前輸出為與轉子轉速相對應的"負值"。如此動態執行。電子開關的切換速度一般僅為50100納秒，故本測速發電機總是動態輸出處於穩定區域的波形。選通邏輯信號與磁極位置信號的邏輯關係由真值表獲得，編碼單元的信號處理線路是通用的解碼器、或者是可編程邏輯器件。本發明低紋波無刷測速發電機及使用方法的有益效果是(1)始終輸出處於穩定區域的電壓波形，測速發電機的輸出紋波小，控制精度高；(2)無碳刷或換向器，無需經常維護，故障率低，可靠性高；(3)因輸出紋波小，不需接入大延時的消除紋波的濾波線路，響應速度快。圖1為本低紋波無刷測速發電機實施例的結構示意圖；圖2為本低紋波無刷測速發電機實施例的永磁轉子示意圖；圖3為本低紋波無刷測速發電機的使用方法實施例轉子"正轉"時的各相繞組輸出的電壓波形與各磁敏元件的磁極位置脈衝信號的相位關係圖4為本低紋波無刷測速發電機的使用方法實施例轉子"反轉"時的各相繞組輸出的電壓波形與各磁敏元件的磁極位置脈衝信號的相位關係圖。圖中標記為1、永磁轉子，2、定子單元，3、開關陣列，4、編碼單元，5、電子開關的選通線路，6、電子開關，7、繞組，8、磁敏元件。具體實施例方式本低紋波無刷測速發電機實施例如圖1所示，本例中永磁轉子1有3對N/S磁極，定子單元2含3組繞組7、3個磁敏元件8。本實施例的低紋波測速發電機的永磁轉子1如圖2所示，其端面均勻地裝有3對N、S永磁磁鋼。永磁轉子4定子單元2按間隔60度、覆設3組繞組7，各繞組7之間的角度間隔均為60度。永磁轉子1和定子單元2的繞組7按公知的發電機原理構成發電機。定子單元2的每個繞組7對應開關陣列3的4個電子開關6，各繞組7的二輸出端各連接2個電子開關6的輸入端；定子單元2上安裝3個磁敏元件8，分別與三個繞組7的位置相匹配，以監測轉子1的磁極與各繞組7的相對位置。各磁敏元件8的輸出端Ma、Mb、Mc分別連接編碼單元4;開關陣列3上的12個電子開關6的輸出端各接其選通線路5，受其控制或斷開、或接通，12個電子開關6的輸出公共端0、P是本測速發電機的輸出；編碼單元4內含磁敏元件8的信號處理線路，編碼單元4的輸出端S1、S2、S3、S4、S5、S6分別連接開關陣列3的各電子開關6的選通線路5;還有外接的供電電源連接磁敏元件8、編碼單元4、開關陣列3為之供電。本實施例中永磁轉子1也可有4對或5對N/S磁極，定子單元2相對應地含4組或5組繞組7，各繞組7之間的電角度間隔分別為45度或36度，定子單元2還有4個或5個磁敏元件8，按與本例相同的結構規律實現本測速發電機。本低紋波無刷測速發電機的使用方法實施例如下-本測速發電機的轉子1與被測旋轉體連軸，當永磁轉子1"正轉"時，定子單元2的繞組7因切割磁力線產生感應電壓信號；對於A相繞組7，隨著轉動的N/S磁極逐步進入、直至遠離A相繞組區域，A相繞組7電壓信號波形是正/負方向脈動的梯形波；梯形波頂平直無波動，其高度與轉速成正比。本實施例中，如圖3所示因A、B、C三相繞組7電角度的差異，各繞組7產生相位差為60度波形相似的電壓波形。當永磁轉子1"反轉"時，A、B、C相繞組7相序關係相反、電壓信號極性相反，如圖4所示。與此同時，隨著永磁轉子1的N/S磁極轉動，對於A相繞組7，定子單元2上與之匹配的A磁敏元件8通過編碼單元4的信號處理線路輸出與A相繞組7電壓波形同周期、波形相匹配的數字脈衝信號，該數字脈衝信號表徵轉子1磁極位置；調整A磁敏元件8與所匹配的A相繞組7的相對安裝位置可改變A相繞組7電壓波形與A磁敏元件8的磁極位置脈衝信號的相位關係；調整兩者相對位置，使A磁敏元件8的磁極位置脈衝有效沿與A相繞組7電壓波形開始進入穩定區域的時刻同步；此時所得A磁敏元件8的磁極位置脈衝信號包含A相繞組7電壓波形開始進入穩定區域的時刻信息。按相同規律，調整B、C磁敏元件8與B、C相繞組7的相對位置，使得各磁敏元件8的磁極位置脈衝信號包含對應的各相繞組7電壓波形開始進入穩定區域的時刻信息，如圖3、4所示。如圖3、4所示，在一個電角度周期內，每相磁極位置信號有0和1兩個狀態；三相磁極位置信號有2X3個狀態組合；在一個電角度周期內，每相繞組7的輸出電壓各有一個正值和負值的梯形波頂、無換相波動的區域，三相繞組7的電壓輸出則有2X3所述穩定區域；2X3個電壓穩定區域恰好與2X3個磁極位置信號編碼組合一一對應。編碼單元4通過磁敏元件8動態獲得各相磁極位置信號Ma、Mb、Mc，依據當前各相磁極位置信號Ma、Mb、Mc構成的編碼組合，求取選通邏輯信號Sl、S2、S3、S4、S5、S6、並向開關陣列3的各電子開關6的選通線路5輸出，決定開關陣列3的各電子開關6的通或斷，將與此磁極位置信號編碼組合相對應的、波形處於穩定區域的、極性與轉向吻合的繞組7信號接通至開關陣列3公共輸出端0、P，作為本測速發電機的當前輸出。如圖1所示，當繞組7的端與開關陣列3的公共輸出端"0"連接，為繞組7正向接通，而繞組7的"*"端與開關陣列3的公共輸出端"P"連接為繞組7反向接通。表1為圖3所示永磁轉子1"正轉"時編碼單元4輸出的電子開關6通斷信號關係表。表ltableseeoriginaldocumentpage8tableseeoriginaldocumentpage9假定開關陣列3的選通信號為0有效，依據真值表求得選通邏輯與磁極位置關係邏輯為Sl=/Ma+Mb+McS3=/Ma+/Mb+McS5=/Ma+/Mb+/McS2=Ma+/Mb+/McS4=Ma+Mb+/McS6二Ma+Mb+Mc表1中永磁轉子1"正轉"時各狀態具體情況如下狀態1:選通信號S1有效，開關陣列3中的K1和K3同時接通，其餘開關斷開，A繞組7"正向"接到開關陣列3的公共輸出端；如圖3所示，電角度60至120度之間，測速發電機輸出A繞組7電壓為"正值"；狀態2:選通信號S3有效，開關陣列3中的K5和K7同時接通，其餘開關斷開，B繞組7"正向"接到開關陣列3的公共輸出端；如圖3所示，電角度120至180度之間，測速發電機輸出B繞組7電壓為"正值"；狀態3:選通信號S5有效，開關陣列3中的K9和K11同時接通，其餘開關斷開，C繞組7"正向"接到開關陣列3的公共輸出端；如圖3所示，電角度180至240度之間，測速發電機輸出C繞組7電壓為"正值"；狀態4:選通信號S2有效，開關陣列3中的K2和K4同時接通，其餘開關斷開，A繞組7"反向"接到開關陣列3的公共輸出端；如圖3所示，電角度240至300度之間，測速發電機輸出A繞組7電壓為"正值"；狀態5:選通信號S4有效，開關陣列3中的K6和K8同時接通，其餘開關斷開，B繞組7"反向"接到開關陣列3的公共輸出端；如圖3所示，電角度300至360度之間，測速發電機輸出B繞組7的電壓為"正值"；狀態6:選通信號S6有效，開關陣列3中的K10和K12同時接通，其餘開關斷開，C繞組7"反向"接到開關陣列3的公共輸出端；如圖3所示，電角度360至60度之間，測速發電機輸出C繞組7的電壓為"正值"。如此動態切換，永磁轉子1"正轉"時本測速發電機輸出與轉速成線性關係的"正向"電壓。若開關陣列3的選通信號為1有效，按同樣方法，依據真值表選用滿足要求的公知數字編碼晶片或採用公知的可編程的數字邏輯器件實現編碼控制。永磁轉子l"反轉"時，控制規律與"正轉"時的相同；因線圈切割磁力線方向相反，相對應時刻各個繞組7輸出電壓極性相反，本測速發電機輸出與轉速成線性關係的"負值"電壓，表2為圖4所示永磁轉子1反轉時編碼單元4輸出的電子開關6通斷信號關係表。表2tableseeoriginaldocumentpage10如圖4所示，在電角度60-360-300-240度之間，C、B、A相繞組7依次"反向"接通到開關陣列3的公共端，測速發電機輸出電壓為"負值"，在電角度240-180-120-60度內，C、B、A相繞組7依次"正向"接通到開關陣列3的公共端，測速發電機輸出電壓仍為"負值"。依據發電機原理，開關陣列3的公共端輸出的"正值"或"負值"電壓的大小與發電機轉子轉速相對應。權利要求1、一種低紋波無刷測速發電機，含永磁轉子(1)和定子單元(2)，其特徵在於還有開關陣列(3)、編碼單元(4)，永磁轉子(1)端面均勻地裝有n對N、S永磁磁鋼，n為3至5的整數；定子單元(2)覆設數量與轉子磁鋼對數相同的n組繞組(7)，各繞組(7)之間的角度間隔均為360度/2n，永磁轉子(1)和定子繞組(7)構成發電機，定子單元(2)的各繞組(7)連接開關陣列(3)的電子開關(6)輸入端；定子單元(2)上安裝有與其繞組(7)數量相同、位置相匹配的n個磁敏元件(8)，各磁敏元件(8)分別連接編碼單元(4)；開關陣列(3)上對應每個繞組(7)的兩個輸出端各有2個電子開關(6)，各電子開關(6)受編碼單元(4)給出的選通信號控制或斷開、或接通，開關陣列(3)的公共輸出端是本測速發電機的輸出；編碼單元(4)內含磁敏元件信號處理線路，各磁敏元件(8)的輸出端連接編碼單元(4)；開關陣列(3)中各繞組(7)所接電子開關(6)輸出端的選通線路(5)分別連接編碼單元(4)對應的選通邏輯信號輸出端；外部供電電源連接磁敏元件(8)、編碼單元(4)、開關陣列(3)。2、根據權利要求l所述的低紋波無刷測速發電機，其特徵在於所述永磁轉子(1)有3對N、S永磁磁鋼；定子單元(2)覆設3組繞組(7)，各繞組(7)之間的角度間隔均為60度，定子單元(2)上安裝有3個磁敏元件(8)。3、根據權利要求1或2所述的低紋波無刷測速發電機的使用方法，其特徵在於測速發電機的轉子(1)與被測旋轉體連軸，調整各個磁敏元件(8)與所匹配的繞組(7)的相對安裝位置，使磁極位置脈衝有效沿與該繞組(7)電壓波形開始進入穩定區域的時刻同步；編碼單元(4)通過磁敏元件(8)動態獲得各個磁敏元件(8)的磁極位置信號，依據當前各個磁敏元件(8)的磁極位置信號構成的編碼組合，向開關陣列(3)輸出各電子開關(6)的選通邏輯信號，決定開關陣列(3)的各電子開關(6)的通或斷；當永磁轉子(1)"正轉"且繞組(7)產生正電壓時，依據編碼組合只將使波形處於穩定區域的繞組(7)對應的電子開關(6)正向接通至開關陣列(3)公共輸出端；而當轉子"正轉'''且繞組(7)輸出電壓為"負"時，依據編碼組合只將波形處於穩定區域的繞組(7)對應的電子開關(6)反向接通至開關陣列(3)的公共輸出端，即永磁轉子(1)"正轉"時本測速發電機的當前輸出為與轉子轉速相對應的"正值"；同樣永磁轉子(1)"反轉"時，將與此磁極位置信號編碼組合相對應的、波形處於穩定區域的繞組(7)對應的電子開關(6)或正向或反向接通至開關陣列(3)的公共輸出端，測速發電機的當前輸出為與轉子轉速相對應的"負值"。全文摘要本發明為低紋波無刷測速發電機及使用方法，本測速發電機轉子有n對永磁，定子單元有n組均布的繞組，各繞組連接開關陣列的電子開關；定子單元上有n個連接編碼單元的磁敏元件；開關陣列對應各繞組有4個電子開關，開關陣列的公共端是本發電機輸出；編碼單元內含磁敏元件信號處理線路。各電子開關選通線路分別連接編碼單元選通邏輯信號輸出端。調整各磁敏元件和其繞組的相對位置，使磁極位置脈衝有效沿與該繞組電壓波形開始進入穩定區域的時刻同步。使用方法為編碼單元依磁極位置信號的編碼組合，輸出選通邏輯信號，各電子開關通或斷，將波形處於穩定區域的繞組正/反接，按轉子正/反轉輸出正/負值電壓。本發明輸出紋波小，控制精度高、可靠。文檔編號H02K29/08GK101409492SQ20081007391公開日2009年4月15日申請日期2008年11月14日優先權日2008年11月14日發明者虹呂申請人:桂林星辰科技有限公司