直流有刷电机调速装置及调速方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种调速装置，具体说是针对直流有刷电机的换向器（即转子)的旋转 进行调速的装置及方法。
【背景技术】
[0002] 直流有刷电机在工业民用行业中得到广泛地使用。为了实现直流有刷电机转速的 调整，需要先检测电机的旋转速度，然后再加以控制。当前对于有刷电机的速度检测主要还 是使用测速发电机、光电编码器、霍尔传感器等方法为主，用这些方法通常都需要在电机上 增加额外的设备，不仅大大增加了成本，而且对使用环境和电机机械结构还有更高的要求。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的问题是提供一种直流有刷电机调速装置，该装置通过简单的电路 组合就能够对电机进行测速，进而实现调速的功能，无需在电机上增加额外的大型器件，成 本较低，且对使用环境和电机机械结构没有限制，测速结果更加精确，能够更好的对电机转 速进行调节控制。
[0004] 为解决上述问题，采取以下技术方案： 本发明的直流有刷电机调速装置包括可调电源，该可调电源的正极端和负极端间通过 导线依次串联有直流有刷电机和电流传感器。其特点是所述电流传感器通过导线连接有测 速电路，测速电路通过导线连接有控制器，控制器通过导线与所述可调电源相连。所述测速 电路包括滤波放大电路和信号比较电路，滤波放大电路和信号比较电路通过导线相连接， 滤波放大电路通过导线与电流传感器相连，信号比较电路通过导线与控制器相连。所述控 制器内置逻辑运算单元。
[0005] 其中，所述可调电源是调压直流电源。
[0006] 或者所述可调电源包括直流电源和开关电路，直流电源的一端通过导线与开关电 路相连，开关电路通过导线与直流有刷电机相连，直流电源的另一端通过导线与所述电流 传感器相连。所述控制器通过导线与开关电路相连。所述直流有刷电机和电流传感器的串 联电路两端并联有续流电路。
[0007] 所述滤波放大电路包括低通滤波电路、信号放大电路和高通滤波电路。所述低通 滤波电路、信号放大电路、高通滤波电路三者呈任意先后顺序依次串联连接。所述低通滤波 电路包括第一电阻，该第一电阻的输入端即为所述低通滤波电路的输入端，第一电阻的输 出端即为所述低通滤波电路的输出端，且第一电阻的输出端通过一第一电容接地。所述信 号放大电路包括第一运算放大器，该第一运算放大器的正极输入端即为所述信号放大电路 的输入端，第一运算放大器的输出端即为所述信号放大电路的输出端，第一运算放大器的 负极输入端与输出端间并联有第二电阻，且第一运算放大器的负极输入端通过一第三电阻 接地。所述高通滤波电路包括第二电容、第三电容和第二运算放大器，第二电容的输入端即 为所述高通滤波电路的输入端，第二电容的输出端与第三电容的输入端通过导线相连，第 三电容的输出端与第二运算放大器的正极输入端通过导线相连，第二运算放大器的输出端 即为所述高通滤波电路的输出端。所述第二电容的输出端与第二运算放大器的输出端间通 过导线相连，且该段导线上有第四电阻。所述第二运算放大器的负极输入端与输出端间通 过导线相连，第二运算放大器的正极输入端通过导线连接有第五电阻。所述第二运算放大 器是双电源运算放大器或单电源运算放大器。当第二运算放大器是双电源运算放大器时， 所述第五电阻通过导线接地。当第二运算放大器是单电源运算放大器时，所述第五电阻通 过导线连接有基准电平电路。
[0008] 所述信号比较电路包括第三运算放大器，该第三运算放大器的正极输入端即为所 述信号比较电路的输入端，第三运算放大器的输出端即为所述信号比较电路的输出端。所 述第三运算放大器的正极输入端与输出端间并联有第六电阻，第三运算放大器的输出端通 过一第七电阻连接有供电电源。所述第三运算放大器是双电源运算放大器或单电源运算放 大器。当第三运算放大器是双电源运算放大器时，第三运算放大器的负极输入端接地。当第 三运算放大器是单电源运算放大器时，第三运算放大器的负极输入端通过导线连接有基准 电平电路。
[0009] 或者所述信号比较电路包括比较器，该比较器的正极输入端即为所述信号比较电 路的输入端，比较器的输出端即为所述信号比较电路的输出端。所述比较器的正极输入端 与输出端间并联有第六电阻，比较器的输出端通过一第七电阻连接有供电电源。所述比较 器是双电源比较器或单电源比较器。当比较器是双电源比较器时，比较器的负极输入端接 地。当比较器是单电源比较器时，比较器的负极输入端通过导线连接有基准电平电路。
[0010] 所述基准电平电路包括第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第五电容、第六电容和 第四运算放大器。所述第九电阻的输入端通过导线连接有供电电源，第九电阻的输出端与 第十电阻的输入端间通过导线相连，第十电阻的输出端通过导线接地。所述第九电阻的输 出端与第四运算放大器的正极输入端间通过导线相连，第四运算放大器的输出端与第十一 电阻的输入端间通过导线相连，第十一电阻的输出端与第六电容的输入端间通过导线相 连，第六电容的输出端通过导线接地。所述第四运算放大器的正极输入端与第五电容的输 入端相连，第五电容的输出端通过导线接地。所述第四运算放大器的负极输入端与输出端 间通过导线相连。所述第十一电阻的输出端通过导线与高通滤波电路的第五电阻、信号比 较电路第三运算放大器的负极输入端或比较器的负极输入端相连。
[0011] 本发明要解决的另一问题是提供一种直流有刷电机调速方法，该方法通过对直流 有刷电机的电枢电流信号的采集、过滤、放大、比较、运算，得到精确的电机转速，再向可调 电源发送指令，以改变印加在电机上的电压，从而达到调整电机转速的目的。
[0012] 为解决上述问题，采取以下技术方案： 本发明的直流有刷电机调速方法的特点是包括以下步骤： 第一步，在可调电源、直流有刷电机和电流传感器组成的串联电路中，利用电流传感器 米集直流有刷电机的电枢电流?目号。
[0013] 直流有刷电机通过电刷和换向器的接触实现运行时的换向，其换向器由换向片和 绝缘用的云母片组成，换向片和云母片沿电机转子的外周间隔布置。由于云母片的存在，随 着电机的旋转，电刷刷过一个换向片切换到另一个换向片时就会有间隙，相应的造成电枢 电流的脉动，在电机旋转一周后则会出现固定个数的脉动。同时，在转子高速旋转的时候， 电刷上不可避免的带有电弧等高频噪音，这些高频噪音会混入电枢电流中，使得电流传感 器采集的电流信号的脉动波形的上下两侧出现很多不规则的毛刺。
[0014] 第二步，利用滤波放大电路对电流信号进行过滤、放大处理。
[0015] 所述滤波放大电路包括低通滤波电路、信号放大电路和高通滤波电路。
[0016] 所述低通滤波电路能够将电流传感器采集的电流信号中的高频噪音信号滤除，即 滤去电流信号脉动波形中的毛刺成分，使得该电流信号的脉动波形呈规则的锯齿形。
[0017] 所述信号放大电路能够对电流信号进行放大处理。由于直流有刷电机的转子在使 用时大都处于高速旋转的状态，且换向器中换向片和云母片的厚度都非常小，因此其实际 的电枢电流为一个混有脉动波形的直流电流，该直流电流与电机负载大小有关。与直流电 流相比，脉动波形的振幅非常小，很难直接处理。通过信号放大电路能够将电流信号放大至 适当的数值，以供后级电路使用。
[0018] 所述高通滤波电路能够滤去电流信号中的直流成分，得到直流有刷电机电枢电流 信号的脉动分量。直流有刷电机电枢电流中的直流分量与电机负载的大小有关，属于不确 定因素，将该不确定因素滤去有利于后级电路的处理。
[0019] 上述低通滤波电路、信号放大电路、高通滤波电路三者以任意先后顺序对电流信 号进行过滤或放大处理。
[0020] 第三步，利用信号比较电路对电枢电流信号的脉动分量进行方波处理。
[0021] 通过信号比较电路将电枢电流信号的脉动分量转变成高低交变的、具有固定周期 且形状为方波的速度信号。
[0022] 第四步，控制器对方波的速度信号进行运算处理，并换算成直流有刷电机的旋转 速度。
[0023] 控制器接收经信号比较电路转换后的方波的速度信号，其内置的逻辑运算单元对 该速度信号的周期或频率进行测量，该方波速度信号的周期、频率即为电枢电流的波动周 期、频率。由于每一个直流有刷电机的换向器中换向片和云母片的数量都是特定的，因此逻 辑运算单元根据电枢电流的波动周期或频率，结合换向器中换向片和云母片的数量，即可 换算出直流有刷电机的旋转速度。
[0024] 第五步，控制器根据测得的直流有刷电机旋转速度，向可调电源发送指令信号，控 制输出电压，调节直流有刷电机转速。
[0025] 当可调电源为调压直流电源时，控制器根据测得的直流有刷电机旋转速度，生成 电压指令信号并输出至调压直流电源，调压直流电源根据电压指令信号输出相应大小的直 流电压以驱动直流有刷电机，即通过控制印加在直流有刷电机上的直流电压幅度达到调节 直流有刷电机转速的目的。
[0026] 当可调电源由直流电源和开关电路串联而成时，控制器根据测得的直流有刷电机 旋转速度，生成的电压指令信号为一个高低交变的方波信号，该方波信号直接控制所述开 关电路的导通、关断时间，使得印加在直流有刷电机上的电压可变，从而达到调节直流有刷 电机转速的目的