专利名称：：低纹波无刷测速发电机及使用方法
技术领域：
：本发明涉及测速发电机，具体为一种低纹波、无刷的测速发电机及其使用方法。(二)
背景技术：
：测速发电机是自动控制领域常用的测速元件。测速发电机的转子与被测旋转体连轴，测速发电机输出电压信号与转子的转速相关联，由此即可得到其转速值。现有的测速发电机的转子和定子通常是其一为永磁磁钢、另一为绕组。当测速发电机的定子是永磁磁钢、转子是绕组时，转子绕组接换相片、经滑环或碳刷外引，为有刷测速发电机。这种测速发电机的缺陷为其滑环或碳刷运行中有磨损，需要经常维护，易出故障。另外滑环或碳刷与换向片之间有相对滑动，换向时输出的电压纹波较大。总之有刷测速发电机的缺点控制精度不高、可靠性不高。当测速发电机定子是绕组、转子是永磁磁钢时，绕组直接外引，为无刷测速发电机。此种测速发电机随转子的转动、定子输出与其转速相关联的脉动交变电压信号。定子绕组输出的脉动交变电压信号可经整流线路转为脉动直流电压信号、但纹波很大，影响测量和控制精度。虽然引入滤波单元能消除部分纹波，但为了消除低转速时的纹波，滤波单元的时间常数必然很大，将会导致信号严重滞后，使测速机响应的速度大打折扣，制约着测控精度。如上所述现有的测速发电机或者因输出电压纹波制约着其测试精度；或者滑环或碳刷制约着其应用的可靠性，需要改进。(三)
发明内容本发明的目的是设计一种低纹波、无刷的测速发电机及其使用方法，以获得测控精度高、可靠性高的测速元件。本发明设计的低纹波无刷测速发电机含永磁转子、定子单元，还有开关阵列、编码单元。永磁转子端面均匀地装有n对N、S永磁磁钢，n为3至5的整数。定子单元覆设数量与转子磁钢对数相同的n组绕组，各绕组之间的角度间隔均为360度/2n，永磁转子和定子绕组构成发电机，定子单元的各绕组连接开关阵列的电子开关输入端；定子单元上安装有与其绕组数量相同、位置相匹配的n个磁敏元件，以监测转子磁极与各绕组的相对位置，各磁敏元件分别连接编码单元；开关阵列上对应每个绕组的两个输出端各有2个电子开关，各电子开关受编码单元给出的选通信号控制或断开、或接通，开关阵列公共输出端是本测速发电机的输出；编码单元内含磁敏元件信号处理线路，各磁敏元件的输出端连接编码单元。开关阵列中各绕组所接电子开关输出端的选通线路分别连接编码单元对应的选通逻辑信号输出端；外部供电电源连接磁敏元件、编码单元、开关阵列，为之供电。依发电机原理，当永磁转子正向转动时，定子绕组因切割磁力线产生感应电压信号；对于某一组绕组，随着永磁转子转动的N/S磁极逐歩进入、直至远离该绕组区域，该绕组电压信号波形是正/负方向脉动的梯形波；梯形波顶平直无波动，其高度与转速成正比；因各个绕组电角度的差异，各绕组将产生相位差明确、波形相似的电压波形。同理，当永磁转子反向转动时，绕组电压信号波形是负/正方向脉动的梯形波；各绕组电压相位关系与转子正转时相反。与此同时，随着永磁转子N/S磁极转动，对于某一组绕组，定子单元上的与之匹配的磁敏元件经过编码单元内的信号处理线路输出与该绕组电压的波形周期相同、波形相匹配的数字脉冲信号，该数字脉冲信号表征永磁转子磁极位置；调整某个磁敏元件与所匹配的绕组的相对安装位置可改变该绕组电压波形与磁极位置脉冲信号的相位关系；调整两者相对位置，使磁极位置脉冲有效沿与该绕组电压波形开始进入稳定区域的时刻同步，故此磁敏元件的磁极位置脉冲信号包含与之匹配的绕组电压波形开始进入无换相波动的时刻信息。按相同规律调整各磁敏元件和与其匹配绕组的相对位置，即可由各磁敏元件的磁极位置脉冲信号获得各路绕组电压波形开始进入无换相波动的时刻信息。在一个电角度周期内，每相磁极位置信号有0和1两个状态；n相磁极位置信号有2n个状态组合；每相绕组各有一个正值和负值的梯形波顶、无换相波动的区域，n相绕组则有2n所述稳定区域；2n个稳定区域恰好与2n个磁极位置信号编码组合一一对应。本发明低纹波无刷测速发电机的使用方法如下本测速发电机的转子与被测旋转体连轴，编码单元通过磁敏元件动态获得各个磁敏元件磁极位置信号，依据当前各个磁敏元件磁极位置信号构成的编码组合，向开关阵列输出各电子开关的选通逻辑信号，决定开关阵列的各电子开关的通或断。设转子顺时针转动为"正转"，则转子的逆时针转动则为"反转"。另外以绕组输出的某向电压为"正"，而以绕组输出的另一向电压为"负"。当转子"正转"且绕组产生正电压时，依据编码组合只将对应的电子开关接通、使波形处于稳定区域的绕组正向接通至开关阵列公共输出端;而当转子"正转"且绕组输出电压为"负"时，依据编码组合只将对应的电子开关接通、使波形处于稳定区域的绕组反向接通至开关阵列公共输出端，即转子"正转"时本测速发电机的当前输出为与转子转速相对应的"正值"；同样转子"反转"时，将与此磁极位置信号编码组合相对应的电子开关接通、使波形处于稳定区域的绕组或正向或反向接通至开关阵列公共输出端，测速发电机的当前输出为与转子转速相对应的"负值"。如此动态执行。电子开关的切换速度一般仅为50100纳秒，故本测速发电机总是动态输出处于稳定区域的波形。选通逻辑信号与磁极位置信号的逻辑关系由真值表获得，编码单元的信号处理线路是通用的译码器、或者是可编程逻辑器件。本发明低纹波无刷测速发电机及使用方法的有益效果是(1)始终输出处于稳定区域的电压波形，测速发电机的输出纹波小，控制精度高；(2)无碳刷或换向器，无需经常维护，故障率低，可靠性高；(3)因输出纹波小，不需接入大延时的消除纹波的滤波线路，响应速度快。图1为本低纹波无刷测速发电机实施例的结构示意图；图2为本低纹波无刷测速发电机实施例的永磁转子示意图；图3为本低纹波无刷测速发电机的使用方法实施例转子"正转"时的各相绕组输出的电压波形与各磁敏元件的磁极位置脉冲信号的相位关系图4为本低纹波无刷测速发电机的使用方法实施例转子"反转"时的各相绕组输出的电压波形与各磁敏元件的磁极位置脉冲信号的相位关系图。图中标记为1、永磁转子，2、定子单元，3、开关阵列，4、编码单元，5、电子开关的选通线路，6、电子开关，7、绕组，8、磁敏元件。具体实施例方式本低纹波无刷测速发电机实施例如图1所示，本例中永磁转子1有3对N/S磁极，定子单元2含3组绕组7、3个磁敏元件8。本实施例的低纹波测速发电机的永磁转子1如图2所示，其端面均匀地装有3对N、S永磁磁钢。永磁转子4定子单元2按间隔60度、覆设3组绕组7，各绕组7之间的角度间隔均为60度。永磁转子1和定子单元2的绕组7按公知的发电机原理构成发电机。定子单元2的每个绕组7对应开关阵列3的4个电子开关6，各绕组7的二输出端各连接2个电子开关6的输入端；定子单元2上安装3个磁敏元件8，分别与三个绕组7的位置相匹配，以监测转子1的磁极与各绕组7的相对位置。各磁敏元件8的输出端Ma、Mb、Mc分别连接编码单元4;开关阵列3上的12个电子开关6的输出端各接其选通线路5，受其控制或断开、或接通，12个电子开关6的输出公共端0、P是本测速发电机的输出；编码单元4内含磁敏元件8的信号处理线路，编码单元4的输出端S1、S2、S3、S4、S5、S6分别连接开关阵列3的各电子开关6的选通线路5;还有外接的供电电源连接磁敏元件8、编码单元4、开关阵列3为之供电。本实施例中永磁转子1也可有4对或5对N/S磁极，定子单元2相对应地含4组或5组绕组7，各绕组7之间的电角度间隔分别为45度或36度，定子单元2还有4个或5个磁敏元件8，按与本例相同的结构规律实现本测速发电机。本低纹波无刷测速发电机的使用方法实施例如下-本测速发电机的转子1与被测旋转体连轴，当永磁转子1"正转"时，定子单元2的绕组7因切割磁力线产生感应电压信号；对于A相绕组7，随着转动的N/S磁极逐步进入、直至远离A相绕组区域，A相绕组7电压信号波形是正/负方向脉动的梯形波；梯形波顶平直无波动，其高度与转速成正比。本实施例中，如图3所示因A、B、C三相绕组7电角度的差异，各绕组7产生相位差为60度波形相似的电压波形。当永磁转子1"反转"时，A、B、C相绕组7相序关系相反、电压信号极性相反，如图4所示。与此同时，随着永磁转子1的N/S磁极转动，对于A相绕组7，定子单元2上与之匹配的A磁敏元件8通过编码单元4的信号处理线路输出与A相绕组7电压波形同周期、波形相匹配的数字脉冲信号，该数字脉冲信号表征转子1磁极位置；调整A磁敏元件8与所匹配的A相绕组7的相对安装位置可改变A相绕组7电压波形与A磁敏元件8的磁极位置脉冲信号的相位关系；调整两者相对位置，使A磁敏元件8的磁极位置脉冲有效沿与A相绕组7电压波形开始进入稳定区域的时刻同步；此时所得A磁敏元件8的磁极位置脉冲信号包含A相绕组7电压波形开始进入稳定区域的时刻信息。按相同规律，调整B、C磁敏元件8与B、C相绕组7的相对位置，使得各磁敏元件8的磁极位置脉冲信号包含对应的各相绕组7电压波形开始进入稳定区域的时刻信息，如图3、4所示。如图3、4所示，在一个电角度周期内，每相磁极位置信号有0和1两个状态；三相磁极位置信号有2X3个状态组合；在一个电角度周期内，每相绕组7的输出电压各有一个正值和负值的梯形波顶、无换相波动的区域，三相绕组7的电压输出则有2X3所述稳定区域；2X3个电压稳定区域恰好与2X3个磁极位置信号编码组合一一对应。编码单元4通过磁敏元件8动态获得各相磁极位置信号Ma、Mb、Mc，依据当前各相磁极位置信号Ma、Mb、Mc构成的编码组合，求取选通逻辑信号Sl、S2、S3、S4、S5、S6、并向开关阵列3的各电子开关6的选通线路5输出，决定开关阵列3的各电子开关6的通或断，将与此磁极位置信号编码组合相对应的、波形处于稳定区域的、极性与转向吻合的绕组7信号接通至开关阵列3公共输出端0、P，作为本测速发电机的当前输出。如图1所示，当绕组7的端与开关阵列3的公共输出端"0"连接，为绕组7正向接通，而绕组7的"*"端与开关阵列3的公共输出端"P"连接为绕组7反向接通。表1为图3所示永磁转子1"正转"时编码单元4输出的电子开关6通断信号关系表。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>假定开关阵列3的选通信号为0有效，依据真值表求得选通逻辑与磁极位置关系逻辑为Sl=/Ma+Mb+McS3=/Ma+/Mb+McS5=/Ma+/Mb+/McS2=Ma+/Mb+/McS4=Ma+Mb+/McS6二Ma+Mb+Mc表1中永磁转子1"正转"时各状态具体情况如下状态1:选通信号S1有效，开关阵列3中的K1和K3同时接通，其余开关断开，A绕组7"正向"接到开关阵列3的公共输出端；如图3所示，电角度60至120度之间，测速发电机输出A绕组7电压为"正值"；状态2:选通信号S3有效，开关阵列3中的K5和K7同时接通，其余开关断开，B绕组7"正向"接到开关阵列3的公共输出端；如图3所示，电角度120至180度之间，测速发电机输出B绕组7电压为"正值"；状态3:选通信号S5有效，开关阵列3中的K9和K11同时接通，其余开关断开，C绕组7"正向"接到开关阵列3的公共输出端；如图3所示，电角度180至240度之间，测速发电机输出C绕组7电压为"正值"；状态4:选通信号S2有效，开关阵列3中的K2和K4同时接通，其余开关断开，A绕组7"反向"接到开关阵列3的公共输出端；如图3所示，电角度240至300度之间，测速发电机输出A绕组7电压为"正值"；状态5:选通信号S4有效，开关阵列3中的K6和K8同时接通，其余开关断开，B绕组7"反向"接到开关阵列3的公共输出端；如图3所示，电角度300至360度之间，测速发电机输出B绕组7的电压为"正值"；状态6:选通信号S6有效，开关阵列3中的K10和K12同时接通，其余开关断开，C绕组7"反向"接到开关阵列3的公共输出端；如图3所示，电角度360至60度之间，测速发电机输出C绕组7的电压为"正值"。如此动态切换，永磁转子1"正转"时本测速发电机输出与转速成线性关系的"正向"电压。若开关阵列3的选通信号为1有效，按同样方法，依据真值表选用满足要求的公知数字编码芯片或采用公知的可编程的数字逻辑器件实现编码控制。永磁转子l"反转"时，控制规律与"正转"时的相同；因线圈切割磁力线方向相反，相对应时刻各个绕组7输出电压极性相反，本测速发电机输出与转速成线性关系的"负值"电压，表2为图4所示永磁转子1反转时编码单元4输出的电子开关6通断信号关系表。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>如图4所示，在电角度60-360-300-240度之间，C、B、A相绕组7依次"反向"接通到开关阵列3的公共端，测速发电机输出电压为"负值"，在电角度240-180-120-60度内，C、B、A相绕组7依次"正向"接通到开关阵列3的公共端，测速发电机输出电压仍为"负值"。依据发电机原理，开关阵列3的公共端输出的"正值"或"负值"电压的大小与发电机转子转速相对应。权利要求1、一种低纹波无刷测速发电机，含永磁转子(1)和定子单元(2)，其特征在于还有开关阵列(3)、编码单元(4)，永磁转子(1)端面均匀地装有n对N、S永磁磁钢，n为3至5的整数；定子单元(2)覆设数量与转子磁钢对数相同的n组绕组(7)，各绕组(7)之间的角度间隔均为360度/2n，永磁转子(1)和定子绕组(7)构成发电机，定子单元(2)的各绕组(7)连接开关阵列(3)的电子开关(6)输入端；定子单元(2)上安装有与其绕组(7)数量相同、位置相匹配的n个磁敏元件(8)，各磁敏元件(8)分别连接编码单元(4)；开关阵列(3)上对应每个绕组(7)的两个输出端各有2个电子开关(6)，各电子开关(6)受编码单元(4)给出的选通信号控制或断开、或接通，开关阵列(3)的公共输出端是本测速发电机的输出；编码单元(4)内含磁敏元件信号处理线路，各磁敏元件(8)的输出端连接编码单元(4)；开关阵列(3)中各绕组(7)所接电子开关(6)输出端的选通线路(5)分别连接编码单元(4)对应的选通逻辑信号输出端；外部供电电源连接磁敏元件(8)、编码单元(4)、开关阵列(3)。2、根据权利要求l所述的低纹波无刷测速发电机，其特征在于所述永磁转子(1)有3对N、S永磁磁钢；定子单元(2)覆设3组绕组(7)，各绕组(7)之间的角度间隔均为60度，定子单元(2)上安装有3个磁敏元件(8)。3、根据权利要求1或2所述的低纹波无刷测速发电机的使用方法，其特征在于测速发电机的转子(1)与被测旋转体连轴，调整各个磁敏元件(8)与所匹配的绕组(7)的相对安装位置，使磁极位置脉冲有效沿与该绕组(7)电压波形开始进入稳定区域的时刻同步；编码单元(4)通过磁敏元件(8)动态获得各个磁敏元件(8)的磁极位置信号，依据当前各个磁敏元件(8)的磁极位置信号构成的编码组合，向开关阵列(3)输出各电子开关(6)的选通逻辑信号，决定开关阵列(3)的各电子开关(6)的通或断；当永磁转子(1)"正转"且绕组(7)产生正电压时，依据编码组合只将使波形处于稳定区域的绕组(7)对应的电子开关(6)正向接通至开关阵列(3)公共输出端；而当转子"正转'''且绕组(7)输出电压为"负"时，依据编码组合只将波形处于稳定区域的绕组(7)对应的电子开关(6)反向接通至开关阵列(3)的公共输出端，即永磁转子(1)"正转"时本测速发电机的当前输出为与转子转速相对应的"正值"；同样永磁转子(1)"反转"时，将与此磁极位置信号编码组合相对应的、波形处于稳定区域的绕组(7)对应的电子开关(6)或正向或反向接通至开关阵列(3)的公共输出端，测速发电机的当前输出为与转子转速相对应的"负值"。全文摘要本发明为低纹波无刷测速发电机及使用方法，本测速发电机转子有n对永磁，定子单元有n组均布的绕组，各绕组连接开关阵列的电子开关；定子单元上有n个连接编码单元的磁敏元件；开关阵列对应各绕组有4个电子开关，开关阵列的公共端是本发电机输出；编码单元内含磁敏元件信号处理线路。各电子开关选通线路分别连接编码单元选通逻辑信号输出端。调整各磁敏元件和其绕组的相对位置，使磁极位置脉冲有效沿与该绕组电压波形开始进入稳定区域的时刻同步。使用方法为编码单元依磁极位置信号的编码组合，输出选通逻辑信号，各电子开关通或断，将波形处于稳定区域的绕组正/反接，按转子正/反转输出正/负值电压。本发明输出纹波小，控制精度高、可靠。文档编号H02K29/08GK101409492SQ20081007391公开日2009年4月15日申请日期2008年11月14日优先权日2008年11月14日发明者虹吕申请人:桂林星辰科技有限公司