專利名稱：一種直流電機(jī)無速度傳感器調(diào)速裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直流電機(jī)調(diào)速裝置，尤其適用于旋轉(zhuǎn)電樞式直流電動機(jī)使用的直 流電機(jī)無速度傳感器調(diào)速裝置。
背景技術(shù)：
在直流電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子速度的閉環(huán)控制環(huán)節(jié)需要檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)速信 號。目前，直流電機(jī)控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)多由不控的直流勵磁電源，微核心處理器控制的 電樞電源，直流電機(jī)及轉(zhuǎn)速、電壓電流傳感器組成。直流勵磁電源與電機(jī)勵磁繞組連接，由 微核心處理器控制電樞電源與電機(jī)電樞繞組連接，轉(zhuǎn)速傳感器與電機(jī)同軸連接。微核心處 理器接收轉(zhuǎn)速，電壓電流信號，對電樞電源進(jìn)行控制，進(jìn)而控制電機(jī)的運(yùn)行，該測試方法是 基于速度傳感器的控制系統(tǒng)，需要在直流電機(jī)上加裝光電碼盤、測速發(fā)電機(jī)等機(jī)械速度傳 感器來進(jìn)行電機(jī)速度檢測，并反饋轉(zhuǎn)速信號，該方法需要附加測速裝置，不僅提高了系統(tǒng)造 價，而且安裝困難。實現(xiàn)高性能的直流電機(jī)控制必須對電機(jī)電樞回路的電阻值進(jìn)行實時檢測。只有準(zhǔn) 確的檢測電機(jī)電樞回路的電阻，才能精確計算出電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速。檢測電機(jī)電樞回路的電 阻值是實現(xiàn)直流電機(jī)無速度傳感器控制的關(guān)鍵。直流電機(jī)內(nèi)部電樞回路的電阻值隨著電機(jī) 運(yùn)行的工況不斷變化，其與電機(jī)內(nèi)部的溫度直接相關(guān)。通常檢測電機(jī)內(nèi)部溫度需要加裝特 殊的傳感器，不僅提高了系統(tǒng)造價又增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且增加了系統(tǒng)的維護(hù)工作量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)和方法簡單、易于維護(hù)、成本低的直流電機(jī)無速度 傳感器調(diào)速裝置及方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的直流電機(jī)無速度傳感器調(diào)速裝置包括包括控制器，控 制器的輸入端分別連接有電樞回路電壓和電流傳感器、勵磁回路電壓和電流傳感器和全數(shù) 字式鍵盤，其輸出端分別連接有電樞直流電源和勵磁直流電源，電樞回路電壓和電流傳感 器與電樞直流電源相連接，勵磁回路電壓和電流傳感器與勵磁直流電源相連接，樞回路電 壓和電流傳感器與勵磁回路電壓和電流傳感器將分別采集到的電壓、電流信號發(fā)送至控制
ο所述的控制器包括順序連接的低通濾波電路、數(shù)字采樣電路、微核心處理器和施 密特觸發(fā)電路；所述的微核心處理器型號為TMS320F2812 ；所述的電樞回路電壓和電流傳 感器的型號為霍爾式電壓電流傳感器；勵磁回路電壓和電流傳感器的型號為霍爾式電壓電 流傳感器。本發(fā)明直流電機(jī)無速度傳感器調(diào)速的方法在直流電機(jī)的電樞直流電源和勵磁直 流電源上分別安裝電樞回路電壓和電流傳感器和勵磁回路電壓和電流傳感器，通過電樞回 路電壓和電流傳感器和勵磁回路電壓和電流傳感器分別對電樞直流電源和勵磁直流電源 的電壓和電流數(shù)值進(jìn)行采樣，并將采樣信息發(fā)送到控制器中；控制器對采樣信息進(jìn)行運(yùn)算處理，得到直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速數(shù)，將轉(zhuǎn)速數(shù)與設(shè)定轉(zhuǎn)速數(shù)值進(jìn)行比較；若轉(zhuǎn)速數(shù)與設(shè)定轉(zhuǎn)數(shù)值 不一致，則控制器計算出此時電樞直流電源和勵磁直流電源所應(yīng)施加于電機(jī)的電壓大小， 對電樞直流電源和勵磁直流電源輸出控制信號，改變電機(jī)的電樞電壓和勵磁電壓，使得電 機(jī)的轉(zhuǎn)速數(shù)發(fā)生改變，與設(shè)定轉(zhuǎn)數(shù)值達(dá)到一致。有益效果本發(fā)明無機(jī)械速度傳感器，利用繞組的電阻值與繞組本身的溫度呈線 性關(guān)系以及直流電機(jī)本身電磁關(guān)系，間接估算出轉(zhuǎn)子速度，控制效果好，對于直流電動機(jī)速 度閉環(huán)控制系統(tǒng)省略了速度傳感器，不僅具有檢測精度高，可靠性強(qiáng)的特點，而且結(jié)構(gòu)簡 單，操作及維護(hù)方便，造價低，具有廣泛的實用性。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖2為本發(fā)明的控制器結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1_電樞直流電源，2-直流電機(jī)電樞繞組，3-直流電機(jī)勵磁繞組，4-勵磁直流 電源，5-電樞回路電壓和電流傳感器，6-勵磁回路電壓和電流傳感器，7-控制器，8-全數(shù)字 式鍵盤。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖中的實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述如圖所示，本發(fā)明的直流電機(jī)無速度傳感器調(diào)速裝置，包括電樞回路電壓和電流 傳感器5，勵磁回路電壓和電流傳感器6，控制器7和全數(shù)字式鍵盤8 ；控制器7包括順序連 接的低通濾波電路、數(shù)字采樣電路、微核心處理器和施密特觸發(fā)電路，其中微核心處理器型 號為TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812?？刂破?中低通濾波電路的輸入端分別與電樞回路電壓 和電流傳感器5和勵磁回路電壓和電流傳感器6連接，全數(shù)字式鍵盤8與控制器7中的微 核心處理器連接，用以輸入?yún)⒖妓俣?；電樞回路電壓和電流傳感?和勵磁回路電壓和電 流傳感器6分別與電樞直流電源1和勵磁直流電源4連接，控制器7的施密特觸發(fā)電路輸 出端分別連接有電樞直流電源1和勵磁直流電源4，電樞直流電源1與直流電機(jī)電樞繞組2 直接連接，勵磁直流電源4與直流電機(jī)勵磁繞組3直接連接。電樞回路電壓和電流傳感器 5與電樞直流電源1相連接，勵磁回路電壓和電流傳感器6與勵磁直流電源4相連接，電樞 回路電壓和電流傳感器5與勵磁回路電壓和電流傳感器6將分別采集到的電壓、電流信號 發(fā)送至控制器7。電樞回路電壓和電流傳感器5的型號為霍爾式電壓電流傳感器；勵磁回 路電壓和電流傳感器6的型號為霍爾式電壓電流傳感器。本發(fā)明直流電機(jī)無速度傳感器調(diào)速的方法在直流電機(jī)的電樞直流電源1和勵磁 直流電源4上分別安裝電樞回路電壓和電流傳感器5和勵磁回路電壓和電流傳感器6，通過 電樞回路電壓和電流傳感器5和勵磁回路電壓和電流傳感器6分別對電樞直流電源1和勵 磁直流電源4的電壓和電流數(shù)值進(jìn)行采樣，并將采樣信息發(fā)送到控制器7中；控制器7對采 樣信息進(jìn)行運(yùn)算處理，控制器7中的微核心處理器依據(jù)接收到的勵磁回路電壓和電流傳感 器6發(fā)送的電壓與電流信號，計算出電機(jī)勵磁回路的電阻值Rf，測量出勵磁回路的端電壓Uf 和勵磁電流If，再利用歐姆定律計算式
Rf =》計算出電機(jī)勵磁回路的電阻值Rf。
1J根據(jù)電阻值Rf與溫度的變化關(guān)系就可以計算出電機(jī)溫度T，勵磁繞組的電阻值與 勵磁繞組本身的溫度呈線性關(guān)系，通過測量勵磁繞組的電阻值，就可以根據(jù)電阻與溫度的 關(guān)系式Rf = Rf0+(1+ α · Τ)計算出電機(jī)勵磁繞組的溫度。式中Rf是電機(jī)溫度T°C時的勵磁繞組電阻；Rftl是電機(jī)溫度為0°C的電阻；α為電 阻溫度系數(shù)，假如電阻溫度系數(shù)α為4. 27 X KT3CCT1)，根據(jù)公式⑴⑵和預(yù)先測出的電阻Rftl，可以計算出電機(jī)勵磁繞組的溫度為T = 234xRf~Rf0
Rfo根據(jù)電樞電阻與溫度的變化關(guān)系就可以計算出電樞電阻阻值Ra。由于定子勵磁繞 組位于電機(jī)定子磁極上，其距離轉(zhuǎn)子鐵心很近，因此，在正常工作狀態(tài)下轉(zhuǎn)子鐵心的溫度與 電機(jī)勵磁繞組溫度基本相同。根據(jù)直流電機(jī)電樞繞組電阻與溫度的線性關(guān)系，可以計算出 電機(jī)溫度T°c時的電機(jī)電樞繞組的電阻阻值Ra = Ra0+(1+α · Τ)式中Ra是t °C時的電樞繞組電阻；Ra0是電機(jī)電樞繞組0 °C的電阻；α為電阻溫度 系數(shù)。電樞回路電壓和電流傳感器5將檢測的電樞回路電壓和電流信號發(fā)送至控制器 7，控制器7中的微核心處理器依據(jù)接收到的直流電樞電壓與電流信號以及計算出電樞電 阻Ra的阻值，再根據(jù)直流電動機(jī)的速度方程
ιη = —--(U-iaRa -丄^·)計算出電機(jī)轉(zhuǎn)速。
klfat式中η是電機(jī)轉(zhuǎn)速；k是常系數(shù)；If是勵磁電流；U是電樞電壓；ia是電樞電流；Ra 是電樞電阻；L是電樞電感。將得到的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)與設(shè)定轉(zhuǎn)速數(shù)值進(jìn)行比較，若轉(zhuǎn)速數(shù)與設(shè)定轉(zhuǎn)數(shù)值不一 致，則通過控制器7計算出此時電樞直流電源1和勵磁直流電源4所應(yīng)施加于電機(jī)的電壓 大小，并通過施密特觸發(fā)電路的發(fā)送端分別連接電樞直流電源1和勵磁直流電源4，對電樞 直流電源1和勵磁直流電源4輸出控制信號，改變電機(jī)的電樞電壓和勵磁電壓，從而有效控 制直流電機(jī)的出力，使得電機(jī)的轉(zhuǎn)速數(shù)發(fā)生改變，與設(shè)定轉(zhuǎn)數(shù)值達(dá)到一致。
權(quán)利要求
一種直流電機(jī)無速度傳感器調(diào)速裝置，其特征在于它包括控制器(7)，控制器(7)的輸入端分別連接有電樞回路電壓和電流傳感器(5)、勵磁回路電壓和電流傳感器(6)和全數(shù)字式鍵盤(8)，其輸出端分別連接有電樞直流電源(1)和勵磁直流電源(4)，電樞回路電壓和電流傳感器(5)與電樞直流電源(1)相連接，勵磁回路電壓和電流傳感器(6)與勵磁直流電源(4)相連接，樞回路電壓和電流傳感器(5)與勵磁回路電壓和電流傳感器(6)將分別采集到的電壓、電流信號發(fā)送至控制器(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流電機(jī)無速度傳感器調(diào)速裝置，其特征在于所述的控制 器(7)包括順序連接的低通濾波電路、數(shù)字采樣電路、微核心處理器和施密特觸發(fā)電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的直流電機(jī)無速度傳感器調(diào)速裝置，其特征在于所述的微核 心處理器型號為TMS320F2812。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流電機(jī)無速度傳感器調(diào)速裝置，其特征在于所述的電樞 回路電壓和電流傳感器(5)的型號為霍爾式電壓電流傳感器；勵磁回路電壓和電流傳感器 (6)的型號為霍爾式電壓電流傳感器。
5.一種直流電機(jī)無速度傳感器調(diào)速的方法，其特征在于在直流電機(jī)的電樞直流電源 (1)和勵磁直流電源(4)上分別安裝電樞回路電壓和電流傳感器(5)和勵磁回路電壓和電 流傳感器(6)，通過電樞回路電壓和電流傳感器(5)和勵磁回路電壓和電流傳感器(6)分別 對電樞直流電源⑴和勵磁直流電源⑷的電壓和電流數(shù)值進(jìn)行采樣，并將采樣信息發(fā)送 到控制器(7)中；控制器(7)對采樣信息進(jìn)行運(yùn)算處理，得到直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速數(shù)，將轉(zhuǎn)速數(shù) 與設(shè)定轉(zhuǎn)速數(shù)值進(jìn)行比較；若轉(zhuǎn)速數(shù)與設(shè)定轉(zhuǎn)數(shù)值不一致，則控制器(7)計算出此時電樞 直流電源(1)和勵磁直流電源⑷所應(yīng)施加于電機(jī)的電壓大小，對電樞直流電源⑴和勵 磁直流電源⑷輸出控制信號，改變電機(jī)的電樞電壓和勵磁電壓，使得電機(jī)的轉(zhuǎn)速數(shù)發(fā)生 改變，與設(shè)定轉(zhuǎn)數(shù)值達(dá)到一致。
全文摘要
一種直流電機(jī)無速度傳感器調(diào)速裝置及方法，適用于旋轉(zhuǎn)電樞式直流電動機(jī)使用。包括控制器，控制器的輸入端分別連接有電樞回路電壓和電流傳感器、勵磁回路電壓和電流傳感器和全數(shù)字式鍵盤，其輸出端分別連接有電樞直流電源和勵磁直流電源，電樞回路電壓和電流傳感器與電樞直流電源相連接，勵磁回路電壓和電流傳感器與勵磁直流電源相連接，樞回路電壓和電流傳感器與勵磁回路電壓和電流傳感器將分別采集到的電壓、電流信號發(fā)送至控制器。無需速度傳感器，結(jié)構(gòu)及方法簡單，可靠性強(qiáng)。
文檔編號H02P7/06GK101969290SQ201010506040
公開日2011年2月9日 申請日期2010年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月30日
發(fā)明者何鳳有, 宋吉, 張嘉敏, 王抗, 譚國俊, 鄧先明 申請人:中國礦業(yè)大學(xué);徐州中礦大傳動與自動化有限公司