一種基於微處理器的小型化串勵直流電機控制器的製作方法

2023-06-05 09:52:31 3

專利名稱：一種基於微處理器的小型化串勵直流電機控制器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及電機數字控制和電力電子技術領域，特別涉及一種基於微處理器 的小型化串勵直流電機控制器。
技術背景眾所周知，串勵直流電機是在高壓供配電系統動作執行機構中廣泛採用的執行部 件，用於推動高壓開關動作實現高壓開關的分合。當前對此串勵直流電機通常採用繼電器 和接觸器等構成的繼電器邏輯電路實現啟動、制動、正反轉等控制，控制系統結構複雜，接 線較多，佔用空間大，而且在繼電器和接觸器開關的時候會產生很大的電弧和電火花，電磁 幹擾嚴重，壽命收到繼電器觸點壽命的極大制約。隨著技術的發展，特別是電力電機技術和微處理器技術的發展，以電力電子器件 為開關為主體的無觸點控制，在保證控制裝置原有使用性能和所需技術參數的同時，可以 大大提高裝置使用壽命，消除開關電弧和火花，減小體積，以之取代傳統繼電器控制是一個 好的選擇
實用新型內容
本實用新型的目的是提供一種基於微處理器的小型化串勵直流電機控制器。該裝 置可以在保證控制裝置統原有使用性能和所需技術參數的同時，大大提高裝置使用壽命， 消除開關電弧和火花，減小體積。本實用新型的具體技術方案如下這種串勵直流電機控制器包括依次連接的開關指令信號接口、微處理器、 IGBTdnsulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型電晶體)驅動和保護電路、以及 由IGBT構成的主電路；其特徵在於，所述主電路包括IGBT管Tl、T2、T3、T4、T5，二極體Dl、D2、D3，繼電器Kl ；所述 IGBT管Tl的漏極連接電源正極，IGBT管Tl的源極連接二極體D3負極、繼電器K1、以及電 樞的Al端；所述二極體Dl的正極連接電樞的A2端、二極體D2的負極，二極體Dl的負極連 接IGBT管T2和IGBT管T3的漏極以及制動電阻；所述IGBT管T2的源極連接IGBT管T4 的漏極以及勵磁繞組的Il端；所述IGBT管T3的源極連接IGBT管T5的漏極以及勵磁繞組 的12端；所述IGBT管T4和IGBT管T5的源極以及二極體D2和二極體D3的正極連接電源 負極；所述繼電器Kl還連接制動電阻。本實用新型所述串勵直流電機控制器採用以數字微處理器為控制核心，以電力電 子器件IGBT為開關構成主電路，以外部開關信號發送控制指令，通過數字微處理器實時對 主電路各IGBT的開關狀態控制，以改變電機主電路的拓撲結構，從而實現正反轉和啟制動 控制。並且保證控制裝置原有使用性能和所需技術參數。大大提高裝置使用壽命，消除開 關電弧和火花，減小體積。


以下結合附圖和具體實施方式
來進一步說明本實用新型。圖1為本實用新型所述串勵直流電機控制器的結構框圖。圖2a為串勵直流電機繞組連接順序與轉向的關係中正轉連接的電路圖。圖2b為串勵直流電機繞組連接順序與轉向的關係中反轉連接的電路圖。圖3為本實用新型所述串勵直流電機控制器的主電路結構圖。圖4為本實用新型所述串勵直流電機控制器主電機構成的等效制動迴路圖。圖5為本實用新型所述串勵直流電機控制器中控制器軟體的有限狀態機示意圖。
具體實施方式
為了使本實用新型實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下 面結合具體圖示，進一步闡述本實用新型。如圖1所示，本實用新型所述串勵直流電機控制器包括依次連接的開關指令信號 接口、微處理器、IGBT驅動和保護電路、以及由IGBT構成的主電路。如圖2a和圖2b所示，串勵直流電機的勵磁(定子)繞組和電樞(轉子)繞組串 聯工作，當勵磁繞組和電樞繞組兩端按一種同名端順序連接，電機轉向定義為正向，而當兩 繞組改變同名端相對連接順序，電機轉向定義為反向。故控制串勵直流電機的轉向就是要控制其勵磁和電樞兩套繞組的同名端連接順序。在動作機構中用作伺服應用的串勵直流電機制動採用能耗制動，以能耗電阻消耗 轉子動能從而及時制動停車。串勵直流電機制動能耗制動一般用自勵方式，制動時切斷電 機供電，並將電樞繞組(或勵磁繞組)的同名端連接對調，與制動電阻串接成制動迴路。這 樣勵磁繞組電流和電樞繞組電流方向相對運行時相反，轉子在勵磁繞組磁場中受到阻礙其 轉動的電磁力矩作用而進入發電狀態釋放動能，迅速制動。如果不使兩繞組改變同名端連 接順序，則轉子在勵磁繞組磁場中依然受到幫助其轉動的電磁力矩作用，使得其無法進入 發電狀態實現能耗制動。 如圖3所示，主電路包括IGBT管T1、T2、T3、T4、T5，二極體D1、D2、D3，繼電器Kl ； 所述IGBT管Tl的漏極連接電源正極，IGBT管Tl的源極連接二極體D3負極、繼電器Kl、以 及電樞的Al端；所述二極體Dl的正極連接電樞的A2端、二極體D2的負極，二極體Dl的負 極連接IGBT管T2和IGBT管T3的漏極以及制動電阻；所述IGBT管T2的源極連接IGBT管 T4的漏極以及勵磁繞組的Il端；所述IGBT管T3的源極連接IGBT管T5的漏極以及勵磁 繞組的12端；所述IGBT管T4和IGBT管T5的源極以及二極體D2和二極體D3的正極連接 電源負極；所述繼電器Kl還連接制動電阻。其中Tl作為電機供電電源總開關，T2，T3，T4，T5按照一定規律導通和關斷，實現 電機勵磁繞組和電樞繞組的不同同名端連接順序。當控制IGBT T1、T2、T5導通，而T3、T4關閉，同時繼電器Kl輸出開路時，供電電 流串行流經Tl、電樞、二極體Dl、Τ2、勵磁繞組和Τ5，並且在電樞中電流從Al端流入Α2端 流出，在勵磁繞組中電流從Il端流入12端流出，此時主電路等效連接電路如圖2a，此時串 勵直流電機正向啟動運轉。二極體D2、D3承受反向電壓均處於截止狀態。[0024]當控制IGBT Tl、T3、T4導通，而T2、T5關閉，同時繼電器Kl輸出開路時，供電電 流串行流經Tl、電樞、二極體Dl、T3、勵磁繞組和T4，並且在電樞中電流從Al端流入A2端 流出，在勵磁繞組中電流從12端流入Il端流出，此時主電路等效連接電路如圖2b，此時串 勵直流電機反向啟動運轉。二極體D2、D3承受反向電壓均處於截止狀態。當串勵直流電機處於正向運轉狀態時，如果控制使得Tl關閉，則電機首先與供電 電源斷開，由於轉子此時仍在轉動，電樞上形成Al端為正A2端為負的電動勢，如果此時其 他IGBT不改變原來的開關邏輯，但控制繼電器Kl閉合，則由電樞電動勢產生的電流先後流 經制動電阻、T2、勵磁繞組、T5和二極體D2，返回A2端。此時，在電樞中電流從Al端流出 A2端流入，在勵磁繞組中電流從Il端流入12端流出，兩者的電流方向相對於正轉運行時 正好相反，轉子在勵磁繞組磁場中受到阻礙其轉動的電磁力矩作用而進入發電狀態釋放動 能，串勵直流電機迅速從正轉狀態進入制動，最終停車。此電流迴路構成正向制動迴路，主 電路等效連接電路如圖4所示。此時由於二極體Dl陰極電壓高於陽極電壓，所以處於截止 狀態，而D2與之相反處於導通狀態連通制動迴路。同理，當串勵直流電機處於反向運轉狀態時，如果控制使得Tl關閉，其他IGBT狀 態與反轉時相同(T3、T4導通，T2、T5關閉)，同時控制繼電器Kl閉合，則主電路可構成反 向制動迴路使得串勵直流電機迅速從反轉狀態進入制動，最終停車。停車時，只要一直保持Tl關閉即可。IGBT的控制信號由微處理器以開關量的方式發出，控制信號經過光耦對IGBT進 行隔離驅動觸發，實現了控制電路與主電路的電器隔離。由於P溝道IGBT —般耐壓和功率 都很小，而N溝道IGBT用於電壓較高、功率較大的場合，故本系統的主電路IGBT均採用N 溝道類型。這樣，各N溝道IGBT所處的位置決定了隔離驅動觸發器的「地」不相同，而且隨 著IGBT的開關其「地」在不斷地浮動變化中，所以隔離驅動觸發的供電應有自由浮動的輸 出端，本系統採用具有不同輸出的隔離電源實現，其中Tl，Τ2，Τ3驅動供電各採用一路獨立 的隔離輸出，Τ3，Τ4發射極連接在一起而具有相同的地，所以共用一路獨立的隔離輸出，這 樣保證了主電路IGBT在任何開關佔空比下都能可靠觸發。控制指令包括正向啟動、正向制動停車、反向啟動、反向制動停車、與另一臺控制 器的互鎖信號，本控制器通過數字處理器的數字IO 口獲取經過光耦隔離轉換的啟動、制動 等外部操作開關指令。控制器的軟體結構總體為一個有限狀態機，如圖5所示，讓控制器在7個狀態間切 換，在某個時刻控制器總是處於7個狀態中的一個，在某個狀態中處理器掃描外部指令開 關，當檢測到相應的指令開關信號有效時，按照有限狀態機進行相應的狀態切換，狀態切換 時控制器按照新的狀態控制IGBT和繼電器的開關狀態，從而使得主電路拓撲結構發生相 應變化而使串勵直流電機進入相應的運行狀態。對指令開關的掃描時進行相應的邏輯互鎖 判斷，當相互矛盾的開關信號同時有效時，只能按照一個邏輯開關有效處理。處理器在上電 初始化完成後，處於「停車」狀態，當控制器在控制電機正向或反向啟動時，進入「正向啟動」 或「反向啟動」狀態，在啟動狀態中，由於電機轉子轉速較小，所以反電動勢較小，啟動電流 很大，為了減小啟動電流對線路的衝擊，處理器控制對Tl的控制並不是馬上全部打開，而 是按照脈寬調製(PWM)的方式，對Tl進行高速開關控制，並隨著轉速的上升，逐步加大PWM 的佔空比，最終達到全部打開(即100%佔空比)，而進入全速運行狀態。當電機處於「正向制動」或「反向制動」狀態時，處理器控制主電路構成相應的制動電路，並使得該狀態持續足 夠的制動時間，以保證電機可靠制動停車，此狀態中控制器不再響應外部開關信號，直到持 續到預設的制動時間，進入「停車」狀態。 以上顯示和描述了本實用新型的基本原理和主要特徵和本實用新型的優點。本行 業的技術人員應該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述 的只是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和範圍的前提下，本實用新型還 會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型範圍內。本實用新型 要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
權利要求一種基於微處理器的小型化串勵直流電機控制器，包括依次連接的開關指令信號接口、微處理器、IGBT驅動和保護電路、以及由IGBT構成的主電路；其特徵在於，所述主電路包括IGBT管T1、T2、T3、T4、T5，二極體D1、D2、D3，繼電器K1；所述IGBT管T1的漏極連接電源正極，IGBT管T1的源極連接二極體D3負極、繼電器K1、以及電樞的A1端；所述二極體D1的正極連接電樞的A2端、二極體D2的負極，二極體D1的負極連接IGBT管T2和IGBT管T3的漏極以及制動電阻；所述IGBT管T2的源極連接IGBT管T4的漏極以及勵磁繞組的I1端；所述IGBT管T3的源極連接IGBT管T5的漏極以及勵磁繞組的I2端；所述IGBT管T4和IGBT管T5的源極以及二極體D2和二極體D3的正極連接電源負極；所述繼電器K1還連接制動電阻。
專利摘要本實用新型公開了一種基於微處理器的小型化串勵直流電機控制器，包括依次連接的開關指令信號接口、微處理器、IGBT驅動和保護電路、以及由IGBT構成的主電路。所述主電路包括IGBT管T1、T2、T3、T4、T5，二極體D1、D2、D3，繼電器K1；所述IGBT管T1的漏極連接電源正極，IGBT管T1的源極連接二極體D3負極、繼電器K1、以及電樞的A1端；所述二極體D1的正極連接電樞的A2端、二極體D2的負極，二極體D1的負極連接IGBT管T2和IGBT管T3的漏極以及制動電阻；所述IGBT管T2的源極連接IGBT管T4的漏極以及勵磁繞組的I1端；所述IGBT管T3的源極連接IGBT管T5的漏極以及勵磁繞組的I2端；所述IGBT管T4和IGBT管T5的源極以及二極體D2和二極體D3的正極連接電源負極；所述繼電器K1還連接制動電阻。
文檔編號H02P7/29GK201656892SQ20102019123
公開日2010年11月24日 申請日期2010年5月11日 優先權日2010年5月11日
發明者陳巨濤 申請人:上海海事大學