专利名称：一种直流电机无速度传感器调速装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种直流电机调速装置，尤其适用于旋转电枢式直流电动机使用的直 流电机无速度传感器调速装置。
背景技术：
在直流电机双闭环控制系统中，转子速度的闭环控制环节需要检测电机的转速信 号。目前，直流电机控制系统的控制系统多由不控的直流励磁电源，微核心处理器控制的 电枢电源，直流电机及转速、电压电流传感器组成。直流励磁电源与电机励磁绕组连接，由 微核心处理器控制电枢电源与电机电枢绕组连接，转速传感器与电机同轴连接。微核心处 理器接收转速，电压电流信号，对电枢电源进行控制，进而控制电机的运行，该测试方法是 基于速度传感器的控制系统，需要在直流电机上加装光电码盘、测速发电机等机械速度传 感器来进行电机速度检测，并反馈转速信号，该方法需要附加测速装置，不仅提高了系统造 价，而且安装困难。实现高性能的直流电机控制必须对电机电枢回路的电阻值进行实时检测。只有准 确的检测电机电枢回路的电阻，才能精确计算出电机的实际转速。检测电机电枢回路的电 阻值是实现直流电机无速度传感器控制的关键。直流电机内部电枢回路的电阻值随着电机 运行的工况不断变化，其与电机内部的温度直接相关。通常检测电机内部温度需要加装特 殊的传感器，不仅提高了系统造价又增加了系统的复杂性，而且增加了系统的维护工作量。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构和方法简单、易于维护、成本低的直流电机无速度 传感器调速装置及方法。为实现上述目的，本发明的直流电机无速度传感器调速装置包括包括控制器，控 制器的输入端分别连接有电枢回路电压和电流传感器、励磁回路电压和电流传感器和全数 字式键盘，其输出端分别连接有电枢直流电源和励磁直流电源，电枢回路电压和电流传感 器与电枢直流电源相连接，励磁回路电压和电流传感器与励磁直流电源相连接，枢回路电 压和电流传感器与励磁回路电压和电流传感器将分别采集到的电压、电流信号发送至控制
ο所述的控制器包括顺序连接的低通滤波电路、数字采样电路、微核心处理器和施 密特触发电路；所述的微核心处理器型号为TMS320F2812 ；所述的电枢回路电压和电流传 感器的型号为霍尔式电压电流传感器；励磁回路电压和电流传感器的型号为霍尔式电压电 流传感器。本发明直流电机无速度传感器调速的方法在直流电机的电枢直流电源和励磁直 流电源上分别安装电枢回路电压和电流传感器和励磁回路电压和电流传感器，通过电枢回 路电压和电流传感器和励磁回路电压和电流传感器分别对电枢直流电源和励磁直流电源 的电压和电流数值进行采样，并将采样信息发送到控制器中；控制器对采样信息进行运算处理，得到直流电机的转速数，将转速数与设定转速数值进行比较；若转速数与设定转数值 不一致，则控制器计算出此时电枢直流电源和励磁直流电源所应施加于电机的电压大小， 对电枢直流电源和励磁直流电源输出控制信号，改变电机的电枢电压和励磁电压，使得电 机的转速数发生改变，与设定转数值达到一致。有益效果本发明无机械速度传感器，利用绕组的电阻值与绕组本身的温度呈线 性关系以及直流电机本身电磁关系，间接估算出转子速度，控制效果好，对于直流电动机速 度闭环控制系统省略了速度传感器，不仅具有检测精度高，可靠性强的特点，而且结构简 单，操作及维护方便，造价低，具有广泛的实用性。
图1为本发明的结构原理示意图。图2为本发明的控制器结构示意图。图中1_电枢直流电源，2-直流电机电枢绕组，3-直流电机励磁绕组，4-励磁直流 电源，5-电枢回路电压和电流传感器，6-励磁回路电压和电流传感器，7-控制器，8-全数字 式键盘。
具体实施例方式下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述如图所示，本发明的直流电机无速度传感器调速装置，包括电枢回路电压和电流 传感器5，励磁回路电压和电流传感器6，控制器7和全数字式键盘8 ；控制器7包括顺序连 接的低通滤波电路、数字采样电路、微核心处理器和施密特触发电路，其中微核心处理器型 号为TI公司生产的TMS320F2812。控制器7中低通滤波电路的输入端分别与电枢回路电压 和电流传感器5和励磁回路电压和电流传感器6连接，全数字式键盘8与控制器7中的微 核心处理器连接，用以输入参考速度；电枢回路电压和电流传感器5和励磁回路电压和电 流传感器6分别与电枢直流电源1和励磁直流电源4连接，控制器7的施密特触发电路输 出端分别连接有电枢直流电源1和励磁直流电源4，电枢直流电源1与直流电机电枢绕组2 直接连接，励磁直流电源4与直流电机励磁绕组3直接连接。电枢回路电压和电流传感器 5与电枢直流电源1相连接，励磁回路电压和电流传感器6与励磁直流电源4相连接，电枢 回路电压和电流传感器5与励磁回路电压和电流传感器6将分别采集到的电压、电流信号 发送至控制器7。电枢回路电压和电流传感器5的型号为霍尔式电压电流传感器；励磁回 路电压和电流传感器6的型号为霍尔式电压电流传感器。本发明直流电机无速度传感器调速的方法在直流电机的电枢直流电源1和励磁 直流电源4上分别安装电枢回路电压和电流传感器5和励磁回路电压和电流传感器6，通过 电枢回路电压和电流传感器5和励磁回路电压和电流传感器6分别对电枢直流电源1和励 磁直流电源4的电压和电流数值进行采样，并将采样信息发送到控制器7中；控制器7对采 样信息进行运算处理，控制器7中的微核心处理器依据接收到的励磁回路电压和电流传感 器6发送的电压与电流信号，计算出电机励磁回路的电阻值Rf，测量出励磁回路的端电压Uf 和励磁电流If，再利用欧姆定律计算式
Rf =》计算出电机励磁回路的电阻值Rf。
1J根据电阻值Rf与温度的变化关系就可以计算出电机温度T，励磁绕组的电阻值与 励磁绕组本身的温度呈线性关系，通过测量励磁绕组的电阻值，就可以根据电阻与温度的 关系式Rf = Rf0+(1+ α · Τ)计算出电机励磁绕组的温度。式中Rf是电机温度T°C时的励磁绕组电阻；Rftl是电机温度为0°C的电阻；α为电 阻温度系数，假如电阻温度系数α为4. 27 X KT3CCT1)，根据公式⑴⑵和预先测出的电阻Rftl，可以计算出电机励磁绕组的温度为T = 234xRf~Rf0
Rfo根据电枢电阻与温度的变化关系就可以计算出电枢电阻阻值Ra。由于定子励磁绕 组位于电机定子磁极上，其距离转子铁心很近，因此，在正常工作状态下转子铁心的温度与 电机励磁绕组温度基本相同。根据直流电机电枢绕组电阻与温度的线性关系，可以计算出 电机温度T°c时的电机电枢绕组的电阻阻值Ra = Ra0+(1+α · Τ)式中Ra是t °C时的电枢绕组电阻；Ra0是电机电枢绕组0 °C的电阻；α为电阻温度 系数。电枢回路电压和电流传感器5将检测的电枢回路电压和电流信号发送至控制器 7，控制器7中的微核心处理器依据接收到的直流电枢电压与电流信号以及计算出电枢电 阻Ra的阻值，再根据直流电动机的速度方程
ιη = —--(U-iaRa -丄^·)计算出电机转速。
klfat式中η是电机转速；k是常系数；If是励磁电流；U是电枢电压；ia是电枢电流；Ra 是电枢电阻；L是电枢电感。将得到的直流电机转速数与设定转速数值进行比较，若转速数与设定转数值不一 致，则通过控制器7计算出此时电枢直流电源1和励磁直流电源4所应施加于电机的电压 大小，并通过施密特触发电路的发送端分别连接电枢直流电源1和励磁直流电源4，对电枢 直流电源1和励磁直流电源4输出控制信号，改变电机的电枢电压和励磁电压，从而有效控 制直流电机的出力，使得电机的转速数发生改变，与设定转数值达到一致。
权利要求
一种直流电机无速度传感器调速装置，其特征在于它包括控制器(7)，控制器(7)的输入端分别连接有电枢回路电压和电流传感器(5)、励磁回路电压和电流传感器(6)和全数字式键盘(8)，其输出端分别连接有电枢直流电源(1)和励磁直流电源(4)，电枢回路电压和电流传感器(5)与电枢直流电源(1)相连接，励磁回路电压和电流传感器(6)与励磁直流电源(4)相连接，枢回路电压和电流传感器(5)与励磁回路电压和电流传感器(6)将分别采集到的电压、电流信号发送至控制器(7)。
2.根据权利要求1所述的直流电机无速度传感器调速装置，其特征在于所述的控制 器(7)包括顺序连接的低通滤波电路、数字采样电路、微核心处理器和施密特触发电路。
3.根据权利要求2所述的直流电机无速度传感器调速装置，其特征在于所述的微核 心处理器型号为TMS320F2812。
4.根据权利要求1所述的直流电机无速度传感器调速装置，其特征在于所述的电枢 回路电压和电流传感器(5)的型号为霍尔式电压电流传感器；励磁回路电压和电流传感器 (6)的型号为霍尔式电压电流传感器。
5.一种直流电机无速度传感器调速的方法，其特征在于在直流电机的电枢直流电源 (1)和励磁直流电源(4)上分别安装电枢回路电压和电流传感器(5)和励磁回路电压和电 流传感器(6)，通过电枢回路电压和电流传感器(5)和励磁回路电压和电流传感器(6)分别 对电枢直流电源⑴和励磁直流电源⑷的电压和电流数值进行采样，并将采样信息发送 到控制器(7)中；控制器(7)对采样信息进行运算处理，得到直流电机的转速数，将转速数 与设定转速数值进行比较；若转速数与设定转数值不一致，则控制器(7)计算出此时电枢 直流电源(1)和励磁直流电源⑷所应施加于电机的电压大小，对电枢直流电源⑴和励 磁直流电源⑷输出控制信号，改变电机的电枢电压和励磁电压，使得电机的转速数发生 改变，与设定转数值达到一致。
全文摘要
一种直流电机无速度传感器调速装置及方法，适用于旋转电枢式直流电动机使用。包括控制器，控制器的输入端分别连接有电枢回路电压和电流传感器、励磁回路电压和电流传感器和全数字式键盘，其输出端分别连接有电枢直流电源和励磁直流电源，电枢回路电压和电流传感器与电枢直流电源相连接，励磁回路电压和电流传感器与励磁直流电源相连接，枢回路电压和电流传感器与励磁回路电压和电流传感器将分别采集到的电压、电流信号发送至控制器。无需速度传感器，结构及方法简单，可靠性强。
文档编号H02P7/06GK101969290SQ201010506040
公开日2011年2月9日 申请日期2010年9月30日 优先权日2010年9月30日
发明者何凤有, 宋吉, 张嘉敏, 王抗, 谭国俊, 邓先明 申请人:中国矿业大学;徐州中矿大传动与自动化有限公司