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D设计分析esignandanalysis微特电机2007年第11期直流电动机无传感器测速实验方法20收稿日期:2007-03-26改稿日期:2007-05-15基金项目:上海市教委基金项目资助(ZSX104002)直流电动机无传感器测速实验方法袁宝国,周政新,胡志华(上海第二工业大学,上海201209)摘要:介绍了直流电动机无传感器测速的实验方法,并选取了三台不同结构的直流电动机进行实验.
实验结果中,有两例与现有的测速公式相同,一例与现有的测速公式稍有出入.
若在公式中去除磁极对数这一因子,三例均能与此吻合.
实验结果提示,传统的无传感器测速公式有修正必要.
关键词:无传感器测速;直流电动机;速度检测中图分类号:TM33文献标识码:A文章编号:1004-7018(2007)11-0020-03ExperimentMethodonSensorlessSpeedEstimationinDCMotorYUANBao-guo,ZHOUZheng-xin,HUZhi-hua(ShanghaiSecondPolytechnicUniversity,Shanghai201209,China)Abstract:TheexperimentmethodonsensorlessspeedestimationinDCmotorandthreespecialcasesofDCmotorwithdifferentnumberofpolesanddifferentnumberofcommutatorbarswerepresented.
Theresultsshowedthatthereweretwocasesinaccordancewiththeexistingformula,butonecasewasnotconsistentwithit.
Ifthefactorofnumberofpole-pairswasremovedfromtheformula,allthethreecasescouldbeaccordancewithit.
Theresultsimplyedthattherewereconflictindeeplevelsneedberevealed.
Keywords:sensorlessspeedestimation;DCmotor;speeddetection0引言直流电动机旋转时电枢线圈会产生交变电流.
该交变电流经过换向器,由电刷引出,叠加在供电回路的电流上,使直流电流出现脉动.
该直流电流的脉动频率与直流电动机的转速有关.
当直流电动机旋转时,在供电回路中采集脉动电流的频率信息,就可估计直流电动机的转速,这就是所谓直流电动机的无传感器测速.
直流电动机的无传感器测速方法摈弃了传统的测速传感器,它不需要在转件上贴标记,也不需要将光束对准旋转体,甚至可以在看不见转动物件的情况下快速地进行转速测定.
无传感器直流电动机的测速方法弥补了传统测速方法的不足,其优点是不言而喻的.
一般认为直流电动机旋转时产生的电流脉动的频率除了与转速有关外,还与直流电动机的换向片数、磁极对数和换向片数的奇偶性有关[1~3].
其关系可用下式来表达:fn=ckpn60(1)由此可求得直流电动机的转速为:n=60fnckp(2)式中:n为电动机的转速,fn为电流脉动频率,k为换向片数,p为磁极对数,c为与换向片数k的奇偶性有关的系数,k为偶数时c=1;k为奇数时c=2.
从式(2)我们可以看到,磁极对数p与转速n成反比.
由于与式(2)有关的文献均只给出了磁极对数p等于1的实例,没有证实过在磁极对数p不等于1,如等于2时,其余电气参数不变的情况下,转速n是否会有相应的变化.
本文选取了三种不同结构参数的直流电动机,对脉动信号频率与转速关系进行验证.
1实验方法本实验方法与文献[4]中所述方法基本相同.
脉动电流信号用电流互感器采集,用PCI-6221数据采集卡对数据采样,FFT数据处理和结果显示由LabVIEW来实现.
实验结果中脉动频率是指FFT的频域的主峰频率.
具体方法如下:(1)直流电动机的供电电源考虑到本实验主要目的是考察电流脉动频率与转速的关系,因此必须尽量减少其它因素,包括电源波纹对实验的影响.
实验对直流电源的波纹系数要求较高.
本实验采用1∶1变压器隔离,桥堆整流,π1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.
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net微特电机2007年第11期D设计分析esignandanalysis直流电动机无传感器测速实验方法21滤波,后接调压器,电源0~220V可调.
0~50V时最大电流为2A;50~220V时,最大电流为10A.
最大负载时的波纹系数<10-5.
(2)取样及电流-电压信号转换脉动的电流信号从供电回路取出,必须经过电流-电压转换才能被数据采集卡采集.
采样和电压信号转换可采用电阻[1]、电流互感器[2]或霍尔元件[3].
电流互感器结构简单,对直流电源的压降几乎没有影响,缺点是频带不是很宽.
由于电动机转速测量基本局限于低频段,并且不是对电动机起动转速测量,对频带要求不高,因此本实验采用电流互图1电流互感器取样电路感器取样及进行电流-电压转换.
具体电路如图1所示.
电流互感器将脉动电流升压后送入后续电路处理.
电流互感器的铁心选用普通硅钢片.
铁心截面积选取10*10mm2.
圈数比为10∶100.
初级线圈有供电的直流通过,线径较粗,选用Φ0.
5mm铜线绕制.
次级线圈仅流过感应的脉动电流,通过的电流极小,选用Φ0.
07mm铜线.
(3)消噪处理在电流的脉动信号中会夹杂着电火花等高频毛刺.
考虑到本实验不需要测定零转速附近的频率,获得的有效信号一般较强,同时为了保证频响特性不受影响,因此在实验中不采取滤波等消噪处理.
(4)数据采集脉动信号频率一般fn<2kHz,因此对数据采集卡要求不高.
本文选用了美国NI公司价廉的PCI-6221.
该采集卡为16路输入,本文仅用1路即可,采样率最高250kS/s,输入范围-10V~+10V,分辨率16位.
在取样电路的后端与接线端子相连,再通过电缆CB-68LP将信号送入插在PC机PCI槽上的数据采集卡.
(5)信号处理信号处理的软件部分由LabVIEW来实现,LabVIEW的图形化程序如图2所示.
数据采集单元通图2LabVIEW图形化程序道为ai0,采集模式为NSamples,一次采样数为10000,采样速率为20kHz,采样时间为0.
5s.
频谱测量单元进行FFT变换,功率谱输出.
采得信号的时域和频域波形如图3所示.
图3电流脉动频率时域和频域波形2实验结果(1)实验1实验直流电动机取自一汽车风机,额定电压24V,磁极对数1,换向片数14(偶数).
具体数据如表1所示.
表1磁极对数p=1,k=14的直流电动机数据端电压/V脉动频率/Hz光电测速仪读数/(r·min-1)式(2)结果/(r·min-1)5190815814104001714171415510218821862059025252529(2)实验2采用EG-530AD-98微型直流电动机,额定电压9V,磁极对数1,换向片数3(奇数).
具体数据如表2所示.
表2p=1,k=3的直流电动机数据端电压/V脉动频率/Hz光电测速仪读数/(r·min-1)式(2)结果/(r·min-1)115153150312512481250525225182520736836803680948848784880(3)实验3被测电动机为63ZNT48/80永磁直流电动机,额定电压48V,磁极对数2,换向片数16(偶数).
具体数据如表3所示.
表3p=2,k=16的直流电动机数据端电压/V脉动频率/Hz光电测速仪读数/(r·min-1)式(2)结果/(r·min-1)102268484242060422621133309903722185640137651612580481668625631281994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.
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netD设计分析esignandanalysis微特电机2007年第11期直流电动机无传感器测速实验方法223结果讨论实验1的电动机磁极对数为1,换向片数为偶数,它是结构参数比较简单而测速结果没有分歧的一类电动机.
磁极对数为1,显示不出磁极对数对转速的影响.
换向片数为偶数,即使公式包含奇偶性系数,系数也等于1,显示不出奇偶性系数对转速的影响.
由表1可以看到,式(2)与光电测速仪的读数也较为接近.
实验2的电动机磁极对数为1,换向片数为奇数.
由于换向片数为奇数,式(2)的系数c=2,将显示出奇偶性系数对转速的影响.
由表2可以看到,对于磁极对数为1、换向片数为奇数的电动机,式(2)的结果与光电测速仪的读数较为接近.
由实验1和实验2的结果提示,换向片数的奇偶性决定公式系数c.
但是仅从实验1和实验2的结果还看不出磁极对数的真实影响.
实验3的电动机磁极对数为2,换向片数为偶数.
换向片数为偶数,奇偶性系数c=1,在公式中不起作用.
式(2)认为磁极对数与转速成反比,在公式中要除以磁极对数2.
由表3可以看到,式(2)的结果与光电测速仪的读数比较小了一倍.
实验3的结果提示:电动机磁极对数在转速公式中不起作用.
4结语本文选取了三台不同结构的直流电动机进行了实验.
实验结果显示,有两例与现有的测速公式相同,一例与现有的测速公式稍有出入.
若在公式中去除磁极对数这一因子,三例均能与此吻合.
本文结果提示,现有的直流电动机无传感器的测速公式应该还存在更深层次的问题有待研究.
参考文献[1]黄进,黄建华,陈暾等.
基于小波分析的直流电机转矩-转速特性测试[J].
中小型电机,2001,28(2):49-53.
[2]魏云冰,黄进,黄建华.
基于小波包变换的电机测试信号去噪处理[J].
电工技术学报,2001,16(5):64-67.
[3]陈暾,黄进,马健等.
小波包变换在电机性能测试中的应用能力[J].
浙江大学学报(工学版),2003,37(2):235-238.
[4]袁宝国.
微型直流电动机无传感器测速的虚拟仪器设计[J].
微特电机.
2006,33(11):44-45.
作者简介:袁宝国(1946-),男,教授,主要研究方向直流电机无传感器测速、高速电路信号完整性.
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(上接第17页)平均模型进行了分析,推导出发电机d、q轴电压电流与整流桥输出直流侧电压电流的关系式,借助于精确仿真模型,利用MATLAB/Simulink建立了发电机整流桥系统的平均模型,并与精确仿真模型的运行结果进行对比.
得出如下结论:建立平均模型时仅考虑系统直流变量的平均值和交流变量的基波分量,而忽略叠加在直流变量平均值上的波动和交流变量的其它各次谐波.
系统平均模型可以较为准确地反映出发电机整流桥系统电压、电流的稳态和动态变化过程.
不仅可以大大节省仿真时间,还可以为进一步设计系统控制律创造条件.
参考文献[1]徐松,高景德,郑逢时.
带整流负载同步发电机的数字仿真:(Ⅰ)[J].
电工技术学报,1992(1):1-7.
[2]徐松,高景德,郑逢时.
带整流负载同步发电机的数字仿真:(Ⅱ)[J].
电工技术学报,1992(2):1-6.
[3]徐松,高景德,郑逢时.
带整流负载同步发电机的数字仿真:(Ⅲ)[J].
电工技术学报,1992(3):1-4.
[4]田铭兴,励庆孚,李文富.
带整流负载同步发电机的Matlab建模和仿真[J].
西安交通大学学报,2003(2):132-135.
[5]陈亚娟.
带整流负载同步发电机的Saber建模及仿真[J].
中小型电机,2005(3):5-9.
[6]SudhoffSD,WasynczukO.
AnalysisandAverage-ValueModelingofLine-CommutatedConverter-SynchronousMachineSystems[J].
IEEETrans.
onEnergyConversion,1993,8(1):92-99.
[7]SudhoffSD,CorzineKA,HegnerHJ,DeliselDE.
TransientandDy2namicAverage-ValueModelingofSynchronousMachineFedLoad-CommutatedConverters[J].
IEEETrans.
onEnergyCon2version,1996,11(3):508-514.
[8]IvanJadric,DusanBorojevic,MartinJadric.
ModelingandControlofaSynchronousGeneratorwithanActiveDCLoad[J].
IEEETrans.
onpowerelectronics,2000,15(2):303-311.
[9]OngChee-Mun.
DynamicSimulationofElectricMachinery:U2singMATLAB/Simulink[M].
America:PrenticeHallPTR,1997.
[10]高朝晖,张晓斌,吴小华.
基于MATLAB的飞机高压直流电源系统数字仿真[J].
系统仿真学报,2003,15(4):564-567.
[11]高朝晖,张晓斌,刘敏.
带均衡电抗器12脉波变压整流器仿真模型的研究[J].
系统仿真学报,2006,18(7):1976-1979.
[12]王兆安,黄俊.
电力电子技术[M].
北京:机械工业出版社,2001.
作者简介:高朝晖(1971-),女,讲师,主要研究方向为飞机电气系统仿真与控制.
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