CN110376397B - 单相异步交流测速发电机高精度快速测速电路 - Google Patents

单相异步交流测速发电机高精度快速测速电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种单相异步交流测速发电机高精度快速测速电路，适用于利用单相异步交流测速发电机进行测速的各类不可逆速度控制系统。本发明电路包括单相异步交流测速发电机TG1、开关电源模块SP1、电压互感器VS1、励磁RMS/DC芯片IC1、测速RMS/DC芯片IC2、乘法器IC3、运放IC4、上励磁电阻R1、下励磁电阻R2、上测速电阻R3、下测速电阻R4、乘法电阻R5、负端电阻R6、正端电阻R7等。本发明电路的核心主要由有效值检测芯片与乘法器构成，不仅能高精度、宽范围、实时地检测转速信号，还能自动克服励磁电压波动的影响。该电路简单、成本低、可靠性高、通用性好，易于产品化。

Description

单相异步交流测速发电机高精度快速测速电路
技术领域
本发明属于工业测控领域，涉及一种电路，特别涉及一种单相异步交流测速发电机高精度快速测速电路，适用于单相异步交流测速发电机进行测速的各类不可逆速度控制系统。
背景技术
转速检测装置是各类电机控制系统中的关键组成部分，目前在模拟量的转速控制系统中常用的转速检测方案主要有两大类：一种是基于直流测速发电机的测速方案；另一种是基于单相异步交流测速发电机的测速方案。但目前这两个方案分别存在如下问题：一是基于直流测速发电机的测速方案因直流测速发电机存在电刷，影响了测速装置的可靠性与测速精度；二是基于单相异步交流测速发电机的测速方案目前采用的是整流滤波式测速电路，导致其测速范围小、低速区测速精度差，而不适于低速区的测速。由于单相异步交流测速发电机具有可靠性高的优点，因此，如何设计一种基于单相异步交流测速发电机的高精度、宽测速范围的测速电路方案，是本发明的出发点。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提出一种单相异步交流测速发电机高精度快速测速电路。该电路由励磁电压检测电路、测速信号处理电路组成，其核心是由有效值检测芯片与乘法器构成，不仅能高精度、宽范围、实时地检测转速信号，还能自动克服励磁电压波动的影响。
单相异步交流测速发电机高精度快速测速电路，包括励磁电压检测电路、测速信号处理电路。
励磁电压检测电路包括开关电源模块SP1、电压互感器VS1、励磁RMS/DC芯片IC1、上励磁电阻R1、下励磁电阻R2、励磁滤波电容C1、励磁隔直电容C2、励磁输出电容C5，交流励磁电压的一端U1L端与单相异步交流测速发电机TG1的励磁绕组EW的一端AC1端、电压互感器VS1的第一输入端AC1端以及开关电源模块SP1的相线端L端相连接，交流励磁电压另一端U1N端与单相异步交流测速发电机TG1的励磁绕组EW的另一端AC2端、电压互感器VS1的第二输入端AC2端以及开关电源模块SP1的零线端N端相连接，开关电源模块SP1的地端GND端接地，开关电源模块SP1的输出端+V端与电路电源端+VCC端连接，电压互感器VS1的第一输出端OUT1端与上励磁电阻R1的一端连接，上励磁电阻R1的另一端与下励磁电阻R2的一端、励磁滤波电容C1的一端以及励磁RMS/DC转换芯片IC1的正输入端IN+端相连接，电压互感器VS1的第二输出端OUT2端、下励磁电阻R2的另一端、励磁滤波电容C1的另一端、励磁隔直电容C2的一端均接地，励磁隔直电容C2的另一端与励磁RMS/DC转换芯片IC1的负输入端IN-端连接，励磁RMS/DC转换芯片IC1的正输出端OUT+端与励磁输出电容C5的一端、乘法器IC3的第一输入端正端X1端连接，励磁输出电容C5的另一端接地，励磁RMS/DC转换芯片IC1的使能端/EN端、负电源端-V端、地端GND端、负输出端OUT-端均接地，励磁RMS/DC转换芯片IC1的正电源端+V端与电路电源端+VCC端连接。
测速信号处理电路包括单相异步交流测速发电机TG1、测速RMS/DC芯片IC2、乘法器IC3、运放IC4、上测速电阻R3、下测速电阻R4、乘法电阻R5、负端电阻R6、正端电阻R7、测速滤波电容C3、测速隔直电容C4、测速输出电容C6、正端电容C7，单相异步交流测速发电机TG1的励磁绕组OW的第一输出端OUT1端与上测速电阻R3的一端连接，上测速电阻R3的另一端与下测速电阻R4的一端、测速滤波电容C3的一端、测速RMS/DC转换芯片IC2的正输入端IN+端连接，单相异步交流测速发电机TG1励磁绕组OW的第二输出端OUT2端、下测速电阻R4的另一端、测速滤波电容C3的另一端、测速隔直电容C4的一端均接地，测速隔直电容C4的另一端与测速RMS/DC转换芯片IC2的负输入端IN-端连接，测速RMS/DC转换芯片IC2的正输出端OUT+端与测速输出电容C6的一端、正端电阻R7的一端连接，测速RMS/DC转换芯片IC2的使能端/EN端、负电源端-V端、地端GND端、负输出端OUT-端均接地，测速RMS/DC转换芯片IC2的正电源端+V端与电路电源端+VCC端连接，正端电阻R7的另一端与正端电容C7的一端、运放IC4的正输入端IN+端连接，运放IC4的负电源端-V端、测速输出电容C6的另一端、正端电容C7的另一端均接地，运放IC4的正电源端+V端与电路电源端+VCC端连接，运放IC4的负输入端IN-端与乘法电阻R5的一端、负端电阻R6的一端连接，负端电阻R6的另一端接地，乘法电阻R5的另一端与乘法器IC3的输出端W端连接，乘法器IC3的第二输入端正端Y1端与运放IC4的输出端OUT端连接，乘法器IC3的第一输入端负端X2端、第二输入端负端Y2端、偏置端Z端以及乘法器IC3的负电源端-V端均接地，乘法器IC3的正电源端+V端与电路电源端+VCC端连接。
本发明的有益效果如下：
本发明以有效值检测芯片、乘法器芯片、电压互感器、运放等为主的电路方案，能完全地满足基于单相异步交流测速发电机的高精度、宽范围的实时测速要求。该电路简单、成本低、可靠性高、通用性好，易于产品化。
附图说明
图1为本发明的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，单相异步交流测速发电机高精度快速测速电路，包括励磁电压检测电路、测速信号处理电路。
励磁电压检测电路包括开关电源模块SP1、电压互感器VS1、励磁RMS/DC芯片IC1、上励磁电阻R1、下励磁电阻R2、励磁滤波电容C1、励磁隔直电容C2、励磁输出电容C5，交流励磁电压的一端U1L端与单相异步交流测速发电机TG1的励磁绕组EW的一端AC1端、电压互感器VS1的第一输入端AC1端以及开关电源模块SP1的相线端L端相连接，交流励磁电压另一端U1N端与单相异步交流测速发电机TG1的励磁绕组EW的另一端AC2端、电压互感器VS1的第二输入端AC2端以及开关电源模块SP1的零线端N端相连接，开关电源模块SP1的地端GND端接地，开关电源模块SP1的输出端+V端与电路电源端+VCC端连接，电压互感器VS1的第一输出端OUT1端与上励磁电阻R1的一端连接，上励磁电阻R1的另一端与下励磁电阻R2的一端、励磁滤波电容C1的一端以及励磁RMS/DC转换芯片IC1的正输入端IN+端相连接，电压互感器VS1的第二输出端OUT2端、下励磁电阻R2的另一端、励磁滤波电容C1的另一端、励磁隔直电容C2的一端均接地，励磁隔直电容C2的另一端与励磁RMS/DC转换芯片IC1的负输入端IN-端连接，励磁RMS/DC转换芯片IC1的正输出端OUT+端与励磁输出电容C5的一端、乘法器IC3的第一输入端正端X1端连接，励磁输出电容C5的另一端接地，励磁RMS/DC转换芯片IC1的使能端/EN端、负电源端-V端、地端GND端、负输出端OUT-端均接地，励磁RMS/DC转换芯片IC1的正电源端+V端与电路电源端+VCC端连接。
测速信号处理电路包括单相异步交流测速发电机TG1、测速RMS/DC芯片IC2、乘法器IC3、运放IC4、上测速电阻R3、下测速电阻R4、乘法电阻R5、负端电阻R6、正端电阻R7、测速滤波电容C3、测速隔直电容C4、测速输出电容C6、正端电容C7，单相异步交流测速发电机TG1的励磁绕组OW的第一输出端OUT1端与上测速电阻R3的一端连接，上测速电阻R3的另一端与下测速电阻R4的一端、测速滤波电容C3的一端、测速RMS/DC转换芯片IC2的正输入端IN+端连接，单相异步交流测速发电机TG1励磁绕组OW的第二输出端OUT2端、下测速电阻R4的另一端、测速滤波电容C3的另一端、测速隔直电容C4的一端均接地，测速隔直电容C4的另一端与测速RMS/DC转换芯片IC2的负输入端IN-端连接，测速RMS/DC转换芯片IC2的正输出端OUT+端与测速输出电容C6的一端、正端电阻R7的一端连接，测速RMS/DC转换芯片IC2的使能端/EN端、负电源端-V端、地端GND端、负输出端OUT-端均接地，测速RMS/DC转换芯片IC2的正电源端+V端与电路电源端+VCC端连接，正端电阻R7的另一端与正端电容C7的一端、运放IC4的正输入端IN+端连接，运放IC4的负电源端-V端、测速输出电容C6的另一端、正端电容C7的另一端均接地，运放IC4的正电源端+V端与电路电源端+VCC端连接，运放IC4的负输入端IN-端与乘法电阻R5的一端、负端电阻R6的一端连接，负端电阻R6的另一端接地，乘法电阻R5的另一端与乘法器IC3的输出端W端连接，乘法器IC3的第二输入端正端Y1端与运放IC4的输出端OUT端连接，乘法器IC3的第一输入端负端X2端、第二输入端负端Y2端、偏置端Z端以及乘法器IC3的负电源端-V端均接地，乘法器IC3的正电源端+V端与电路电源端+VCC端连接。
本发明所使用的包括电压互感器VS1、励磁RMS/DC芯片IC1、测速RMS/DC芯片IC2、乘法器IC3、运放IC4、开关电源模块SP1等在内的所有器件均采用现有的成熟产品，可以通过市场取得。电压互感器采用JDG系列，RMS/DC芯片采用LTC1968，乘法器采用AD633，运放采用TLC4501。
本发明中的主要电路参数配合关系如下：
电压互感器VS1的输出信号为u3＝kvu1(单位：V)，
Figure BDA0002168229230000051
为单相异步交流测速发电机的励磁电压(单位：V)，kv为电压互感器VS1的变比，单相异步交流测速发电机输出的交流电压信号的最大幅值为
Figure BDA0002168229230000052
(单位：V)，其中的kn是常数(对于特定的单相异步交流测速发电机而言)(单位：1/rpm)，U1为交流励磁电压u1的有效值，n为单相异步交流发电机的转速。R1、R2、R3、R4、R5、R6分别表示上励磁电阻R1、下励磁电阻R2、上测速电阻R3、下测速电阻R4、乘法电阻R5、负端电阻R6的电阻值，主要参数配合如下：
Figure BDA0002168229230000053
Figure BDA0002168229230000054
Figure BDA0002168229230000061
Uoutmax≤Vcc (4)
电路输出信号Uout(单位：V)与被测速度间的关系如式(5)所示。
Figure BDA0002168229230000062
式中的km为乘法器IC3的运算系数，由具体型号的乘法器芯片产品给定。Uoutmax、Vcc分别为电路输出信号Uout的最大值、电路供电电压值(单位：V)，nmax为被测速度的最大值(单位：rpm)。
本发明工作过程如下：
(1)克服励磁电压U1的波动对测速精度的影响，电路中设计了以电压互感器VS1、励磁RMS/DC芯片IC1为主的励磁电压检测电路，其输出信号Ud1∝U1。
(2)本发明中测速信号处理电路是以测速RMS/DC芯片IC2、乘法器IC3、运放IC4为主组成。因单相异步交流发电机输出绕组OW的输出交流电压信号u2幅值里包含有转速信号，经R3、R4分压后输入到励磁RMS/DC芯片IC2，经IC2内部运算后输出与转速n(单位：rpm)及交流励磁电压u1有效值U1(单位：V)成正比的直流信号Ud2∝U1n，为进一步克服励磁电压U1变化对测速精度的影响，经以乘法器IC3、运放IC4构成的除法电路运放后输出信号Uout∝n。即实现了不受励磁电压变化影响的高精度、宽范围的实时测速，这就是本发明电路的主要功能。

Claims (3)

1.单相异步交流测速发电机高精度快速测速电路,包括励磁电压检测电路、测速信号处理电路，其特征在于：
所述励磁电压检测电路包括开关电源模块SP1、电压互感器VS1、励磁RMS/DC芯片IC1、上励磁电阻R1、下励磁电阻R2、励磁滤波电容C1、励磁隔直电容C2、励磁输出电容C5，交流励磁电压的一端U1L端与所述单相异步交流测速发电机TG1的励磁绕组EW的一端AC1端、所述电压互感器VS1的第一输入端AC1端以及所述开关电源模块SP1的相线端L端连接，所述交流励磁电压二端U1N端与所述单相异步交流测速发电机TG1的励磁绕组EW的另一端AC2端、所述电压互感器VS1的第二输入端AC2端、所述开关电源模块SP1的零线端N端连接，所述开关电源模块SP1的地端GND端接地，所述开关电源模块SP1的输出端+V端与所述电路电源端+VCC端连接，所述电压互感器VS1的第1输出端OUT1端与所述上励磁电阻R1的一端连接，所述上励磁电阻R1的另一端与所述下励磁电阻R2的一端、所述励磁滤波电容C1的一端以及所述励磁RMS/DC芯片IC1的正输入端IN+端连接，所述电压互感器VS1的第二输出端OUT2端、所述下励磁电阻R2的另一端、所述励磁滤波电容C1的另一端、所述励磁隔直电容C2的一端均接地，所述励磁隔直电容C2的另一端与所述励磁RMS/DC芯片IC1的负输入端IN-端连接，所述励磁RMS/DC芯片IC1的正输出端OUT+端与所述励磁输出电容C5的一端、乘法器IC3的第一输入端正端X1端连接，所述励磁输出电容C5的另一端接地，所述励磁RMS/DC芯片IC1的使能端/EN端、负电源端-V端、地端GND端、负输出端OUT-端均接地，所述励磁RMS/DC芯片IC1的正电源端+V端与电路电源端+VCC端连接；
所述测速信号处理电路包括单相异步交流测速发电机TG1、测速RMS/DC芯片IC2、乘法器IC3、运放IC4、上测速电阻R3、下测速电阻R4、乘法电阻R5、负端电阻R6、正端电阻R7、测速滤波电容C3、测速隔直电容C4、测速输出电容C6、正端电容C7，所述单相异步交流测速发电机TG1的励磁绕组OW的第一输出端OUT1端与所述上测速电阻R3的一端连接，所述上测速电阻R3的另一端与所述下测速电阻R4的一端、所述测速滤波电容C3的一端、所述测速RMS/DC芯片IC2的正输入端IN+端连接，所述单相异步交流测速发电机TG1的励磁绕组OW的第二输出端OUT2端、所述下测速电阻R4的另一端、所述测速滤波电容C3的另一端、所述测速隔直电容C4的一端均接地，所述测速隔直电容C4的另一端与所述测速RMS/DC芯片IC2的负输入端IN-端连接，所述测速RMS/DC芯片IC2的正输出端OUT+端与所述测速输出电容C6的一端、所述正端电阻R7的一端连接，所述测速RMS/DC芯片IC2的使能端/EN端、负电源端-V端、地端GND端、负输出端OUT-端均接地，所述测速RMS/DC芯片IC2的正电源端+V端与电路电源端+VCC端连接，所述正端电阻R7的另一端与所述正端电容C7的一端、所述运放IC4的正输入端IN+端连接，所述运放IC4的负电源端-V端、所述测速输出电容C6的另一端、所述正端电容C7的另一端均接地，所述运放IC4的正电源端+V端与电路电源端+VCC端连接，所述运放IC4的负输入端IN-端与所述乘法电阻R5的一端、所述负端电阻R6的一端连接，所述负端电阻R6的另一端接地，所述乘法电阻R5的另一端与所述乘法器IC3的输出端W端连接，所述乘法器IC3的第二输入端正端Y1端与所述运放IC4的输出端OUT端连接，所述乘法器IC3的第一输入端负端X2端、第二输入端负端Y2端、偏置端Z端以及所述乘法器IC3的负电源端-V端均接地，所述乘法器IC3的正电源端+V端与电路电源端+VCC端连接。
2.根据权利要求1所述的单相异步交流测速发电机高精度快速测速电路，其特征在于所使用的电压互感器VS1、励磁RMS/DC芯片IC1、测速RMS/DC芯片IC2、乘法器IC3、运放IC4、开关电源模块SP1均采用现有的成熟产品，可以通过市场取得；其中电压互感器VS1采用JDG系列，励磁RMS/DC芯片IC1、测速RMS/DC芯片IC2采用LTC1968，乘法器IC3采用AD633，运放IC4采用TLC4501。
3.根据权利要求1所述的单相异步交流测速发电机高精度快速测速电路，其特征在于电路参数配合关系如下：
电压互感器VS1的输出信号为u3＝kvu1，
Figure FDA0002954753700000031
为单相异步交流测速发电机的励磁电压，kv为电压互感器VS1的变比，单相异步交流测速发电机输出的交流电压信号的最大幅值为
Figure FDA0002954753700000032
其中的kn是常数，U1为交流励磁电压u1的有效值，n为单相异步交流发电机的转速；R1、R2、R3、R4、R5、R6分别表示上励磁电阻R1、下励磁电阻R2、上测速电阻R3、下测速电阻R4、乘法电阻R5、负端电阻R6的电阻值，主要参数配合如下：
Figure FDA0002954753700000033
Figure FDA0002954753700000034
Figure FDA0002954753700000035
Uoutmax≤Vcc (4)
电路输出信号Uout与被测速度间的关系如式(5)所示；
Figure FDA0002954753700000036
式中的km为乘法器IC3的运算系数，由具体型号的乘法器芯片产品给定，Uoutmax、Vcc分别为电路输出信号Uout的最大值、电路供电电压值，nmax为被测速度的最大值。
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