直流有刷電機(jī)調(diào)速裝置及調(diào)速方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種調(diào)速裝置，具體說是針對直流有刷電機(jī)的換向器（即轉(zhuǎn)子)的旋轉(zhuǎn) 進(jìn)行調(diào)速的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 直流有刷電機(jī)在工業(yè)民用行業(yè)中得到廣泛地使用。為了實現(xiàn)直流有刷電機(jī)轉(zhuǎn)速的 調(diào)整，需要先檢測電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，然后再加以控制。當(dāng)前對于有刷電機(jī)的速度檢測主要還 是使用測速發(fā)電機(jī)、光電編碼器、霍爾傳感器等方法為主，用這些方法通常都需要在電機(jī)上 增加額外的設(shè)備，不僅大大增加了成本，而且對使用環(huán)境和電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)還有更高的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明要解決的問題是提供一種直流有刷電機(jī)調(diào)速裝置，該裝置通過簡單的電路 組合就能夠?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行測速，進(jìn)而實現(xiàn)調(diào)速的功能，無需在電機(jī)上增加額外的大型器件，成 本較低，且對使用環(huán)境和電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)沒有限制，測速結(jié)果更加精確，能夠更好的對電機(jī)轉(zhuǎn) 速進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。
[0004] 為解決上述問題，采取以下技術(shù)方案： 本發(fā)明的直流有刷電機(jī)調(diào)速裝置包括可調(diào)電源，該可調(diào)電源的正極端和負(fù)極端間通過 導(dǎo)線依次串聯(lián)有直流有刷電機(jī)和電流傳感器。其特點(diǎn)是所述電流傳感器通過導(dǎo)線連接有測 速電路，測速電路通過導(dǎo)線連接有控制器，控制器通過導(dǎo)線與所述可調(diào)電源相連。所述測速 電路包括濾波放大電路和信號比較電路，濾波放大電路和信號比較電路通過導(dǎo)線相連接， 濾波放大電路通過導(dǎo)線與電流傳感器相連，信號比較電路通過導(dǎo)線與控制器相連。所述控 制器內(nèi)置邏輯運(yùn)算單元。
[0005] 其中，所述可調(diào)電源是調(diào)壓直流電源。
[0006] 或者所述可調(diào)電源包括直流電源和開關(guān)電路，直流電源的一端通過導(dǎo)線與開關(guān)電 路相連，開關(guān)電路通過導(dǎo)線與直流有刷電機(jī)相連，直流電源的另一端通過導(dǎo)線與所述電流 傳感器相連。所述控制器通過導(dǎo)線與開關(guān)電路相連。所述直流有刷電機(jī)和電流傳感器的串 聯(lián)電路兩端并聯(lián)有續(xù)流電路。
[0007] 所述濾波放大電路包括低通濾波電路、信號放大電路和高通濾波電路。所述低通 濾波電路、信號放大電路、高通濾波電路三者呈任意先后順序依次串聯(lián)連接。所述低通濾波 電路包括第一電阻，該第一電阻的輸入端即為所述低通濾波電路的輸入端，第一電阻的輸 出端即為所述低通濾波電路的輸出端，且第一電阻的輸出端通過一第一電容接地。所述信 號放大電路包括第一運(yùn)算放大器，該第一運(yùn)算放大器的正極輸入端即為所述信號放大電路 的輸入端，第一運(yùn)算放大器的輸出端即為所述信號放大電路的輸出端，第一運(yùn)算放大器的 負(fù)極輸入端與輸出端間并聯(lián)有第二電阻，且第一運(yùn)算放大器的負(fù)極輸入端通過一第三電阻 接地。所述高通濾波電路包括第二電容、第三電容和第二運(yùn)算放大器，第二電容的輸入端即 為所述高通濾波電路的輸入端，第二電容的輸出端與第三電容的輸入端通過導(dǎo)線相連，第 三電容的輸出端與第二運(yùn)算放大器的正極輸入端通過導(dǎo)線相連，第二運(yùn)算放大器的輸出端 即為所述高通濾波電路的輸出端。所述第二電容的輸出端與第二運(yùn)算放大器的輸出端間通 過導(dǎo)線相連，且該段導(dǎo)線上有第四電阻。所述第二運(yùn)算放大器的負(fù)極輸入端與輸出端間通 過導(dǎo)線相連，第二運(yùn)算放大器的正極輸入端通過導(dǎo)線連接有第五電阻。所述第二運(yùn)算放大 器是雙電源運(yùn)算放大器或單電源運(yùn)算放大器。當(dāng)?shù)诙\(yùn)算放大器是雙電源運(yùn)算放大器時， 所述第五電阻通過導(dǎo)線接地。當(dāng)?shù)诙\(yùn)算放大器是單電源運(yùn)算放大器時，所述第五電阻通 過導(dǎo)線連接有基準(zhǔn)電平電路。
[0008] 所述信號比較電路包括第三運(yùn)算放大器，該第三運(yùn)算放大器的正極輸入端即為所 述信號比較電路的輸入端，第三運(yùn)算放大器的輸出端即為所述信號比較電路的輸出端。所 述第三運(yùn)算放大器的正極輸入端與輸出端間并聯(lián)有第六電阻，第三運(yùn)算放大器的輸出端通 過一第七電阻連接有供電電源。所述第三運(yùn)算放大器是雙電源運(yùn)算放大器或單電源運(yùn)算放 大器。當(dāng)?shù)谌\(yùn)算放大器是雙電源運(yùn)算放大器時，第三運(yùn)算放大器的負(fù)極輸入端接地。當(dāng)?shù)?三運(yùn)算放大器是單電源運(yùn)算放大器時，第三運(yùn)算放大器的負(fù)極輸入端通過導(dǎo)線連接有基準(zhǔn) 電平電路。
[0009] 或者所述信號比較電路包括比較器，該比較器的正極輸入端即為所述信號比較電 路的輸入端，比較器的輸出端即為所述信號比較電路的輸出端。所述比較器的正極輸入端 與輸出端間并聯(lián)有第六電阻，比較器的輸出端通過一第七電阻連接有供電電源。所述比較 器是雙電源比較器或單電源比較器。當(dāng)比較器是雙電源比較器時，比較器的負(fù)極輸入端接 地。當(dāng)比較器是單電源比較器時，比較器的負(fù)極輸入端通過導(dǎo)線連接有基準(zhǔn)電平電路。
[0010] 所述基準(zhǔn)電平電路包括第九電阻、第十電阻、第十一電阻、第五電容、第六電容和 第四運(yùn)算放大器。所述第九電阻的輸入端通過導(dǎo)線連接有供電電源，第九電阻的輸出端與 第十電阻的輸入端間通過導(dǎo)線相連，第十電阻的輸出端通過導(dǎo)線接地。所述第九電阻的輸 出端與第四運(yùn)算放大器的正極輸入端間通過導(dǎo)線相連，第四運(yùn)算放大器的輸出端與第十一 電阻的輸入端間通過導(dǎo)線相連，第十一電阻的輸出端與第六電容的輸入端間通過導(dǎo)線相 連，第六電容的輸出端通過導(dǎo)線接地。所述第四運(yùn)算放大器的正極輸入端與第五電容的輸 入端相連，第五電容的輸出端通過導(dǎo)線接地。所述第四運(yùn)算放大器的負(fù)極輸入端與輸出端 間通過導(dǎo)線相連。所述第十一電阻的輸出端通過導(dǎo)線與高通濾波電路的第五電阻、信號比 較電路第三運(yùn)算放大器的負(fù)極輸入端或比較器的負(fù)極輸入端相連。
[0011] 本發(fā)明要解決的另一問題是提供一種直流有刷電機(jī)調(diào)速方法，該方法通過對直流 有刷電機(jī)的電樞電流信號的采集、過濾、放大、比較、運(yùn)算，得到精確的電機(jī)轉(zhuǎn)速，再向可調(diào) 電源發(fā)送指令，以改變印加在電機(jī)上的電壓，從而達(dá)到調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。
[0012] 為解決上述問題，采取以下技術(shù)方案： 本發(fā)明的直流有刷電機(jī)調(diào)速方法的特點(diǎn)是包括以下步驟： 第一步，在可調(diào)電源、直流有刷電機(jī)和電流傳感器組成的串聯(lián)電路中，利用電流傳感器 米集直流有刷電機(jī)的電樞電流?目號。
[0013] 直流有刷電機(jī)通過電刷和換向器的接觸實現(xiàn)運(yùn)行時的換向，其換向器由換向片和 絕緣用的云母片組成，換向片和云母片沿電機(jī)轉(zhuǎn)子的外周間隔布置。由于云母片的存在，隨 著電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，電刷刷過一個換向片切換到另一個換向片時就會有間隙，相應(yīng)的造成電樞 電流的脈動，在電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周后則會出現(xiàn)固定個數(shù)的脈動。同時，在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的時候， 電刷上不可避免的帶有電弧等高頻噪音，這些高頻噪音會混入電樞電流中，使得電流傳感 器采集的電流信號的脈動波形的上下兩側(cè)出現(xiàn)很多不規(guī)則的毛刺。
[0014] 第二步，利用濾波放大電路對電流信號進(jìn)行過濾、放大處理。
[0015] 所述濾波放大電路包括低通濾波電路、信號放大電路和高通濾波電路。
[0016] 所述低通濾波電路能夠?qū)㈦娏鱾鞲衅鞑杉碾娏餍盘栔械母哳l噪音信號濾除，即 濾去電流信號脈動波形中的毛刺成分，使得該電流信號的脈動波形呈規(guī)則的鋸齒形。
[0017] 所述信號放大電路能夠?qū)﹄娏餍盘栠M(jìn)行放大處理。由于直流有刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子在使 用時大都處于高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，且換向器中換向片和云母片的厚度都非常小，因此其實際 的電樞電流為一個混有脈動波形的直流電流，該直流電流與電機(jī)負(fù)載大小有關(guān)。與直流電 流相比，脈動波形的振幅非常小，很難直接處理。通過信號放大電路能夠?qū)㈦娏餍盘柗糯笾?適當(dāng)?shù)臄?shù)值，以供后級電路使用。
[0018] 所述高通濾波電路能夠濾去電流信號中的直流成分，得到直流有刷電機(jī)電樞電流 信號的脈動分量。直流有刷電機(jī)電樞電流中的直流分量與電機(jī)負(fù)載的大小有關(guān)，屬于不確 定因素，將該不確定因素濾去有利于后級電路的處理。
[0019] 上述低通濾波電路、信號放大電路、高通濾波電路三者以任意先后順序?qū)﹄娏餍?號進(jìn)行過濾或放大處理。
[0020] 第三步，利用信號比較電路對電樞電流信號的脈動分量進(jìn)行方波處理。
[0021] 通過信號比較電路將電樞電流信號的脈動分量轉(zhuǎn)變成高低交變的、具有固定周期 且形狀為方波的速度信號。
[0022] 第四步，控制器對方波的速度信號進(jìn)行運(yùn)算處理，并換算成直流有刷電機(jī)的旋轉(zhuǎn) 速度。
[0023] 控制器接收經(jīng)信號比較電路轉(zhuǎn)換后的方波的速度信號，其內(nèi)置的邏輯運(yùn)算單元對 該速度信號的周期或頻率進(jìn)行測量，該方波速度信號的周期、頻率即為電樞電流的波動周 期、頻率。由于每一個直流有刷電機(jī)的換向器中換向片和云母片的數(shù)量都是特定的，因此邏 輯運(yùn)算單元根據(jù)電樞電流的波動周期或頻率，結(jié)合換向器中換向片和云母片的數(shù)量，即可 換算出直流有刷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。
[0024] 第五步，控制器根據(jù)測得的直流有刷電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度，向可調(diào)電源發(fā)送指令信號，控 制輸出電壓，調(diào)節(jié)直流有刷電機(jī)轉(zhuǎn)速。
[0025] 當(dāng)可調(diào)電源為調(diào)壓直流電源時，控制器根據(jù)測得的直流有刷電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度，生成 電壓指令信號并輸出至調(diào)壓直流電源，調(diào)壓直流電源根據(jù)電壓指令信號輸出相應(yīng)大小的直 流電壓以驅(qū)動直流有刷電機(jī)，即通過控制印加在直流有刷電機(jī)上的直流電壓幅度達(dá)到調(diào)節(jié) 直流有刷電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。
[0026] 當(dāng)可調(diào)電源由直流電源和開關(guān)電路串聯(lián)而成時，控制器根據(jù)測得的直流有刷電機(jī) 旋轉(zhuǎn)速度，生成的電壓指令信號為一個高低交變的方波信號，該方波信號直接控制所述開 關(guān)電路的導(dǎo)通、關(guān)斷時間，使得印加在直流有刷電機(jī)上的電壓可變，從而達(dá)到調(diào)節(jié)直流有刷 電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的