直流电机转速分析与测速方法.pdf

技术与应用_ T e c h n o l o g y Ap p I i c a l i o n 摘要：为提高直流电机的速度检测效率，实现规模化生产中电机速度指标的在线检测，对现有直流 电机的速度检测方法进行了总结。通过对直流电机电枢电流的分析，得出电枢电流的时间响应由衰 减的指数分量、直流分量和正弦分量构成，从而得出电枢电流携有正弦分量的结论，进一步推导出 正弦分量与电机转速的关系，由此得到了一种根据电机电枢电流测量电机转速的方案。经在线实际 测量使用，结果表明，该方案具有简单、可靠、高效的特点。 关键词：直流电机；电机检测；电枢电流；电机测速 中图分类号：T H 8 6 2 文献标识码：A文章编号：10 0 6 8 8 3 ( 2 0 15 ) 0 2 一12 一0 4 收稿日期：2 。1 4 1 2 一0 5 庞尔江王新峰张少煌 厦门大学物理与机电工程学院，福建厦门3 6 1 0 0 5 一、前言 d j 机转速是电机最基础、最重要的参数状态指标， 卜巳电机制造过程中需要及时对产品电机进行实时 转速参数检测。测量转速的方法有离心式及光电式两 大类，目前电机制造工厂生产线上大都采用光电式方 法测量。 频闪静像仪( 频闪转速计) 是电机生产线上最常 用的转速测量仪器，其原理是利用荧光灯、L E D 灯及 其他气体放电灯作为频闪灯发射频率可调的交变光线， 频闪灯发出的光线与待测电机转速产生差拍，调节频 闪灯的闪光频率，当其与被测电机的转速成倍数关系 时，差拍产生的效果会出现一个或者多个的静止图像， 此时根据频闪光线的频率就可计算出被测电机的转速 【3 川。这种测量方法具非接触、精度高、使用灵活等优点， 适用于电机检测数量不多的试验和拔取抽样检测。但 这种方法的缺点也很突出，需手动调节灯源闪光频率， 需配置有色线标识的测试轮，测量结果需经换算得到。 因此，测量的速度和效率受到约束，不适合于规模化 生产的在线连续测量。 为了实现电机制造工厂在线测量，本文提出了一 种利用电机电枢电流进行测量直流有刷电机的在线高 僦勰磐_ 速测量方法。 二、工作原理 直流电机工作时，电机转子经历了接近磁极和远 万方数据 离磁极过程，电枢铁芯通过的磁通量为正弦变化】， 电枢稳态电流存在一个与之对应的正弦分量，通过对 该正弦分量的测量处理，就可测出电机转速。 为了获得直流电机电枢电流以及测量其转速，搭 建了图1 ( a ) 实验电路。采用1 5 Q 的采样电阻月与电 机串联，电机供电电压为直流5 v ，当电机进入稳定状 态后，电枢电流( 0 经过电阻R 转化为电压信号，通 过对电流的采样信号进行处理分析，可得到电机转速。 取某企业生产的直流电机作为测试样品，工作电 T e c h n o I o g y & Ap p l i c a t i o n - 技术与应用 压5 V ，电机功率1 w ，空载转速3 0 0 0 r m 。图l ( b ) 为通过示波器观测 的采样电阻电压时域波形，电机电枢电流由直流分量及正弦分量组成陋】， 图中的间断和上冲、下冲是对应于电机电刷在换向时不连续抖动产生 的结果。显然，将电枢电流的直流分量以及毛刺抖动去除，将正弦信 号整形后作测量其频率或者周期，就可换算出电机的转速。 正弦分量频率与电机转速的关系为蚓： 厶咆罟 ( 1 ) 其中，五一脉冲数； C 卜系数： P _ 一电枢线圈支路数： 一电机转速。 当线圈支路数尸为奇数时，e 的取值为2 ：当线圈支路数尸为偶 数时，e 的取值为1 。 根据( 1 ) 式，有：等 ( 2 ) 对于被测直流电机，电枢线圈支路数是确定的，因此，测量电 机电枢电流，根据电流正弦分量的频率就可得到待测电机的转速。 三、检测电路 图l 中电流检测部分电路框图如图2 所示，电路由隔直、带通通 滤波、波形变换、射极跟随等部分组成。工作原理为：采样电阻采得 的电流信号经电容隔离，去掉了直流分量。交流分量经带通滤波器滤 波后，去掉了各种噪声，只取出电枢正弦电流分量，正弦分量经波形 变换后得到对应的脉冲信号，该脉冲信号经射极跟随器隔离后作为时 间标准送出限9 1 ，图3 为电枢电流经带通滤波器后的波形和经波形变换 后的波形。 代表电枢电流正弦信息的脉冲信号可由c P U 在一定时间内计数， 然后根据( 2 ) 式计算出相应的电机转速，再经相应的显示模块将转速 显示出来。 四、测试实验及结果分析 1 、实验平台 为了验证直流电机速度检测方法的有效性，搭建了直流电机测速 实验平台，如图4 所示。利用该平台对某公司生产的D Z 3 0 0 二极三槽 式永磁有刷直流电机进行速度测量，电机数量1 5 0 P c s ，将样品电机分 为三组进行测速，并用频闪速度仪进行速度同步检测比对，为了测试 本检测方法的重复性，三组电机分别进行了四次重复测试。 - 僦勰浮2 1N o 0 2 1 1 2 3 6 _ 万方数据 技术与应用- T e c h n o I o g y Ap p I i c a t i o n 表1 检测电路与频闪仪分组检测比对数据表 第一组 3 0 1 2 2 23 0 1 2 0 83 0 1 2 5 63 0 1 2 5 83 0 1 2 5 23 0 1 2 7 03 0 1 2 5 23 0 1 2 4 0 ( N 0 1 N 0 5 0 ) 第：组 3 0 1 1 8 03 0 1 20 43 0 1 14 23 0 1 l9 43 0 1 19 03 0 1 1 3 43 0 1 20 03 0 1 1 8 4 ( N 0 5 1 N 0 1 0 0 ) 第三组 3 0 1 1 5 23 0 1 1 6 03 0 1 1 2 23 0 1 1 8 23 0 1 1 2 63 0 1 1 3 83 0 1 1 5 23 0 1 1 6 6 ( N 0 1 0 l N O l 5 0 ) 汴：农巾速度检测数搀：为平均值 2 、实验结果及分析 直流电机速度测量的结果如表l ，由于电机数量 较大，所有电机检测结果都要列表需占用较大版面， 因此表1 只列出四次重复试验的平均结果。 表1 所示即为检测电路测试的电机转速，并用频 闪测速仪进行校对，实际验证其测试输出的数据能否 正确显示电机的转速，能否达到相应的精度要求和稳 定性要求。为此，做了相应的误差分析和稳定性分析。 第一组电机最大偏差及第一循环的相对误差如图 5 ( 第二、第三、第四循环相对误差图略) 。 图5 所示是检测电路所测第一组电机第一循环转 速的相对误差及四个循环的最大偏差，相对误差计算 公式为： J ：删1 0 0 ( 3 ) 其中，h 一频闪仪所测转速； o 一检测电路所测转速： 6 一相对误差。 由图5 可知，检测电路所测转速的误差均 低于0 1 ，符合生产实际对精确度的要求。 最大偏差的计算公式为： f ：鱼堡 堑1 0 0 ( 4 ) r 其中，r 眦一同一电机四次循环中检测电路所测 的最大转速； 一同一电机四次循环中检测电路所测 的最小转速： 口区盗翻 i 一同一电机四次循环中检测电路所测转速的平 均值； f 一最大偏差。 由图5 可知，检测电路在四次循环中，同一电机 的最大偏差不超过0 3 5 ，表明电路的稳定性较好。 五、结论 上述方法测量方法在线测量多款有刷永磁直流电 动机，测量的数据均稳定，精确度极高。并且此检测 方法对电机速度的检测效率极高，可应用在大批量生 产工程中实现电机在线速度检测。如加入被测量电机 速度规格的上、下限警示功能后，可嵌入自动化电机 组装设备中实现无人智能检测呷。”。 参考文献 【l 】李海发，朱东起电机学 M 】北京：科学出版社，1 9 9 9 【2 】陈隆昌，阎治安，刘新正控制电机 M 北京：西安电子 科技大学出版社，2 0 0 0 万方数据 3 袁宝国换向过程对直流电动机电流脉动频率影响的分析 J 】微电机，2 0 0 7 ，4 0 ( 5 ) ：3 7 3 8 4 】冯海青永磁直流电机测试系统研究 D 】哈尔滨：哈尔滨 工程大学，2 0 1 2 【5 】陈雅文直流微电机测速新方法 J 】微电机，1 9 9 9 ， 3 2 ( 1 ) ： 3 6 3 7 6 黄进，黄建华，陈暾，等基于小波分析的直流电机转矩一 转速特性测试m 中小型电机，2 0 0 l ，2 8 ( 2 ) ：4 9 5 3 7 张文海直流电机转速的特殊测试方法叨电工技术杂志， 1 9 9 7 ，( 3 ) ：4 0 - 4 1 【8 】李彦明，马培荪，徐军，等基于反射式光电传感器的直 流电机测速及控制系统【J 】机械与电子，2 0 0 2 ，( 3 ) ：2 4 2 7 9 】肖兵，薛琦，余师棠基于D s P 的M 厂r 测速法改进【J t 重 庆工学院学报( 自然科学) ，2 0 0 9 ，2 3 ( 1 0 ) ：6 5 6 7 1 0 】张海涛。谷玉海，徐小力，等精密电机转速测量的 F P G A 系统设计 J 】仪表技术与传感器，2 0 1 3 ，8 ：1 0 8 1 1 0 【1 1 牛沽，周静，苟娜基于霍尔传感器的直流电机转速测 量系统设计【J 电子测试，2 0 0 8 ，5 ：7 5 7 7 R o t a t i o nr a t ea n a l y s e sa n dm e a s u r i n gm e t h o d so fD C m O t o r s P A N GE r _ j i a n g ，w A N Gx i n f e n g ，z H A N GS h a o _ h u 蚰g U 9 e p a r t m e n to fM e c h 口n i c a ln n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g 砌m P 玎己砌f v P ，百函弘j 膏口m g 玎3 6l0 0 5 ，C 垤f 捍口) A b s t r a c t ：I no r d e rt oi n c r e a s er o t a t i o nr a t ed e t e c t i o n e f h c i e n c yo fD Cm o t o r sa n da c h i e V eo n l i n ed e t e c t i o no f r o t a t i o nr a t e si nm a s sp r o d u c t i o n ，e x i s t i n gr o t a t i o nr a t e T e c h n o I o g y Ap p l i c a t i o n _ 技术与应用 d e t e c t i O nm e t h O d sf o rD Cm O t O r sa r es u m m a r l z e dl n t h i sp 叩e r B a s e do nt h ea n a l y s e so fD Cm o t o ra m a m r e c u r r e n t ，t h ec o n c l u s i o ni sg o tt h a tt i m er e s p o n s eo f a n n a m r ec u r r e n tc o n s i s t so fa t t e n u a t i o ni n d e xc o I I I p o n e n t ， D Cc o m p o n e n ta n ds i n u s o i d a lc o m p o n e n t T h u si tc o m e s t ot h ec o n c l u s i o nt h a ta m a t u r ec u r r e n th a ss i n u s o i d a l c o m p o n e n t F u r t h e rt h er e l a t i o n s h i pb e t w e