一种磁阻式转速测量系统电磁特性分析及故障处理新方法

作者：郑晓敏   

   在某火电厂小汽机首次冲转过程中，出现了由于磁阻式转速传感器的电磁特性与测量模件的电压限值不匹配而导致的测量故障现象，具体情况可描述为：当小汽机转速在3 100 r/min以下时．转速测量值能够真实反映实际转速；当小汽机升速至3 100～3 600 r/min时，转速测量值急剧增大且波动剧烈，两两转速偏差可达100 r/min左右：当升速至3 600～4 300 r/min时，测量值恰好为实际转速的2倍：当小汽机转速继续上升，测量值又急剧减小，最终等于实际转速。

    针对上述情况．本文对其产生原因及机理进行了分析．并给出了此类问题出现时采取的具体处理措施和建议。

1  磁阻式传感器转速测量臻鬻

    磁阻式转速传感器主要由铁芯、永久磁钢和感应线圈等组成。永久磁钢用来产生一定强度的磁场．当测速齿轮转动时，传感器与其齿顶和齿根的距离周期性变化，随之其磁阻也周期性改变，最终导致其磁通量发生周期性增减，从而在线圈中产生交变的感应电动势。磁阻式转速传感器测量原理如图1所示。

    在测速齿轮转动过程巾，磁阻式转速传感器产生的交变感应电动势E可表示为

式中：E为传感器产生的交变感应电动势，V;N为传感器的线圈匝数：dΦ／dt为通过线圈的磁通量随时间的变化量：g为由传感器的电势系数、安装间隙及齿轮模数等所确定的常数，V·min/r，r代表测速齿轮的转数；f为感应电动势E的交变频率，Hz。

    磁阻式转速传感器与其测量模件一起才能构成完整的转速测量系统。交变感应电动势E是转速传感器产生的空载电压，而测量模件的输入电压U则是其自身负载所承担的电压，其交变频率与感应电动势E的频率相同，而其大小不仅取决于E的大小，也与传感器和测量模件自身的阻抗值有关。当利用测量模件获取输入电压U的交变频率f后，根据下式获取齿轮转速：

式中：n为测速齿轮的转速，r/min;z为齿轮齿数。

2转速测量故障原因分析

2.1  测量模件的“削波”现象

    对于常见的渐开线型测速齿轮，磁阻式转速传感器产生的感应电动势波形近似为正弦波。测量模件对正弦波输入电压进行模数转换后,送入控制器进行计算获取齿轮转速。一般来讲，测量模件都有其低限电压V1和高限电压Vh，其输入电压U需满足V1≤U≤Vh，否则输入电压U被标记为零。

    对某一磁阻式转速测量系统．当测量模件的输入电压U满足V1≤U≤Vh，测量模件能够进行正常采样：随着齿轮转速的升高，传感器产生的交变感应电动势E逐步增大．测量模件的输入电压U也随之增大；当U>Vh时，测量模件就会进行“削波”：即当模件的输入电压U沿上升沿达到Vh时，测量模件会进行一次采样；当u>Vh时，输入电压U被标记为零：当U经过峰值后沿下降沿达到Vh时，测量模件就又会进行一次采样（见图2）。由图2可知，当测量模件的输入电压U超过其高限电压Vh时，经“削波”后，一个波就会进行2次采样．从而导致此时经计算获得的转速测量值剧烈波动：当转速继续升高至某一值时，测量模件对其输入电压的每一个波都会进行2次采样，因此，此时获得的转速测量值为实际转速的2倍。

    由以上分析可知，为了消除由于测量模件的输入电压过高而产生的“削波”现象．可通过降低模件的输入电压U以使其始终满足V1≤U≤Vh的条件,从而避免冈此类情况而造成的转速测量故障。

2.2测量回路磁阻特性分析

    磁阻式转速测量系统的等效电路如图3所示。图3巾，虚线左面是磁阻式转速传感器的等效电路，一般可表示为由电感Lo和电阻Ro串联组成的等效阻抗Zo和交变感应电动势E构成；虚线右面是测量模件的等效电路,通常可表示为由测量模件的输入电容C和输入电阻R并联构成的等效阻抗Z。

根据图3．测量模件的等效阻抗Z可表示为

测量模件的输入电压U经整理后可表示为

    根据式(4)，令测量模件的输入电压U对其等效阻抗Z求导并整理可得

由式(7)可知，在测速齿轮处于低转速时，即当感应电动势的交变频率f< fo时，有dU/clZ <O；

随着测速齿轮转速的升高，即当交变频率f> fo时．dU/dZ>O。由此可知，当电动势的交变频率f> fo时，令测量模件的输入电压U对其输入电阻R求导可得

    由式(8)可知，当电动势交变频率f>fo时，测量模件的输入电压U为R的增函数，即通过减小测量模件的电阻值就可以达到降低其输入电压的目的。

    同理，令测量模件的输入电压U对其输入电容C求导可得

    由式(9)可知，当电动势的交变频率f>fo时，测量模件的输入电压U为C的减函数，即通过增大测量模件的电容值就可以达到降低其输入电压的目的。

    令测量模件的输入电压N对电动势E的交变频率f求导可得

    由式(10)和式(12)可知，对某一磁阻式转速测量系统，都存在一个由传感器和测量模件的阻抗值所确定的交变频率f1当f<f1时，dU/df>0，U随f的增大而增大：当f=f1时，dU/df=0，U取得最大值Umax；当f>f1时，dU/d<0，U随f的增大而减小。据此可知，测量模件输入电压U的频率特性曲线是一条以（f1，Umax）为顶点的凸曲线，如图4所示。

    通过以E分析可知，正是由于测量模件的输入电压U与交变频率f之间存在的这种凸型曲线关系以及测量模件的“削波”作用，使转速测量值产生了如引言中所述的故障现象。

3处理措施

    根据以上分析可知，为了消除磁阻式转速测量系统中由于测量模件的输入电压过高而产生的“削波”现象．在实际应用中，可采用下述两种方法：

    (1)存测量模件的输入端并联合适的电阻。由式(8)可知，当感应电动势的交变频率厂>fo时，减小测量模件的电阻值可以降低其输入电压。根据电阻的特性可知，并联电阻可以达到减小测量模件电阻值的目的，从而可消除由于测量模件输入电压过高而产生的“削波”现象。

    据此．针对引言中所述的转速测量故障现象，经检测，其所用磁阻式转速传感器阻值约为610 Ω。为了有效减小测量模件的输入电压，在其输入端并联一阻值为250 Ω的电阻。此后再次冲转，3个转速测量值均能反映实际转速，小汽机冲转及超速试验一次成功。

    (2)在测量模件的输入端并联合适的电容。由式(9)可知，当感应电动势的交变频率f>fo时，增大测量模件的电容值可以降低其输入电压。根据电容的特性可知，并联电容增大了测量模件的电容值，从而可消除由于测量模件输入电压过高而产生的“削波”现象。

4结论

    对于磁阻式转速测量系统,当测速齿盘的转速较高．传感器产生的感应电动势过大，使得传感器的测量模件的输入电压超过其高限电压时，则测量模件会产生“削波”现象，从而导致转速测量故障。

    在实际应用巾，当出现此类原冈造成的转速测量故障时，为了降低其输入电压．可通过并联电阻或电容的方法来实现：并联电阻可避免由并联电容而可能引起的谐波振荡现象．因此．在条件允许的情况下优先选用并联电阻的方法。

本文对磁阻式转速测量系统由于其电磁特性造成的转速测量故障的原因及机理进行了分析．给出了具体的处理措施，对工程巾处理此类问题具有一定的指导意义。

5摘  要：磁阻式转速传感器是一种较为常见的转速测量装置。针对某机组给水泵汽轮机在调试过程中出现的由于磁阻式转速测量系统自身电磁特性造成的转速测量故障现象，分析了故障产生的原因，并对故障机理进行了研究．揭示了磁阻式转速测量系统中测量模件的输入电压随其自身电阻、电容以及电动势的交变频率之间的变化规律，在此基础上，提出了具体的处理措施和建议。实际应用表明，测量故障消除，处理效果良好。