智能三相電動機控制器的製作方法

2023-06-20 11:30:36

專利名稱：智能三相電動機控制器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種智能三相電動機控制器。
背景技術：
在現代社會中，三相交流電機廣泛應用於各種生產生活領域。電機控制是一個成 熟而廣泛應用的技術。如何控制電機的合斷、以及正反轉已經是一個很老的話題。現在的研 究更傾向於如何能合理地控制電機，使其事故率減小，使其使用壽命延長等等方面。目前主 流的電機正反轉控制器一般用固態繼電器，靠機械動作，純手工操作來實現電機的正反轉。固態繼電器SSR是一種沒有機械運動，不含運動零件的繼電器。SSR是一種全部 由固態電子元件組成的無觸點開關元件，他利用電子元器件的點，磁和光特性來完成輸入 與輸出的可靠隔離，利用大功率三極體，功率場效應管，單向可控矽和雙向可控矽等器件的 開關特性，來達到無觸點，無火花地接通和斷開被控電路。固態繼電器的壽命長，靈敏度高， 開關速度快。但是，其導通之後管壓降大，半導體器件關斷之後仍然有數微安甚至毫安的漏 電流，電子元器件的溫度特性和電子線路的抗幹擾能力較差。因此，固態繼電器模塊多用於 負載小，電磁幹擾小的場合，不適用於大的負載電機控制，對電磁幹擾比較強的場合適應性 差。

發明內容
本發明的目的就是為了克服用固態繼電器控制交流電機帶來的問題，提出一種智 能三相電動機控制器，能帶較大的負載，抗幹擾能力強，工作穩定可靠。為實現上述目的，本發明智能三相電動機控制器，包括其觸點連接市電U相和電 機u相的磁保持繼電器K1，連接市電V相和電機V相的正轉磁保持繼電器K2，連接市電W 相和電機W相的正轉磁保持繼電器K3，連接市電W相和電機V相的反轉磁保持繼電器K4， 連接市電V相和電機W相的反轉磁保持繼電器K5，控制微處理器，磁保持繼電器K1至K5斷 開、閉合驅動電路，電機通道狀態反饋電路，電機V相正反轉磁保持繼電器K2、K4互鎖電路， 電機W相正反轉磁保持繼電器K3、K5互鎖電路；所述磁保持繼電器K1至K5斷開、閉合驅動 電路，其每一個磁保持繼電器閉合驅動電路包含閉合隔離光耦、正向電壓施加電路，控制微 處理器輸出閉合控制信號經閉合隔離光耦、正向電壓施加電路施加正向電壓至對應的磁保 持繼電器，其每一個磁保持繼電器斷開驅動電路包含斷開隔離光耦、反向電壓施加電路，控 制微處理器輸出斷開控制信號經斷開隔離光耦、反向電壓施加電路施加反向電壓至對應的 磁保持繼電器，電機V相通道狀態反饋電路輸出反饋信號Saml至電機V相正反轉磁保持繼 電器K2、K4互鎖電路，該互鎖電路的輸出端連接磁保持繼電器K2、K4閉合驅動電路，電機W 相通道狀態反饋電路輸出反饋信號Sam2至電機W相正反轉磁保持繼電器K3、K5互鎖電路， 該互鎖電路的輸出端連接磁保持繼電器K3、K5閉合驅動電路。上述控制微處理器還輸入電機三相通道狀態反饋電路輸出的反饋信號Saml、 Sam2、Sam3 0
在一種實施方式中，上述電機V相正反轉磁保持繼電器K2、K4互鎖電路，電機W相 正反轉磁保持繼電器K3、K5互鎖電路，其任一相正反轉磁保持繼電器互鎖電路包含二個二 輸入端邏輯電路，二個二輸入端邏輯電路的一輸入端互相連接後輸入該相通道狀態反饋電 路輸出的反饋信號，另一輸入端分別輸入控制微處理器輸出的該相正反轉磁保持繼電器的 閉合控制信號，輸出端分別連接該相正反轉磁保持繼電器閉合驅動電路的閉合隔離光耦輸 入端。上述二輸入端邏輯電路可選用二輸入端與門。以便使同相正反轉磁保持繼電器中的 一個閉合時，通過邏輯電路，反饋信號使該相正反轉磁保持繼電器閉合控制信號的輸入失 效。在另一種實施方式中，上述電機V相正反轉磁保持繼電器K2、K4互鎖電路，電機W 相正反轉磁保持繼電器K3、K5互鎖電路，其任一相正反轉磁保持繼電器互鎖電路包含互鎖 光耦，該相通道狀態反饋電路輸出的反饋信號輸入互鎖光耦，互鎖光耦的輸出端串聯在該 相正反轉磁保持繼電器閉合驅動電路的正向電壓施加電路的供電電源迴路。以便使同相正 反轉磁保持繼電器中的一個閉合時，反饋信號使該相正反轉磁保持繼電器正向電壓施加電 路的供電電源無法接入。還可包括過零檢測電路，該過零檢測電路包含鉗位電路、電壓比較器，由電流互感 器取樣輸出的電機交流電流信號經鉗位電路、電壓比較器輸出過零點跳變的方波信號至控 制微處理器。還可包括採樣電路，由電壓互感器取樣輸出的電機交流電壓信號輸入採樣電路， 由電流互感器取樣輸出的電機交流電流信號輸入採樣電路，採樣電路輸出採樣數據信號至 控制微處理器。在一種優選實施方式中，上述採樣電路包含電壓差分濾波、電流差分濾波、 採樣晶片，採樣微處理器，由電壓互感器取樣輸出的電機交流電壓信號經電壓差分濾波輸 入採樣晶片，由電流互感器取樣輸出的電機交流電流信號經電流差分濾波輸入採樣晶片， 採樣晶片輸出採樣數據信號至採樣微處理器，採樣微處理器和控制微處理器之間通過通信 接口交換數據。還可設有和監控中心通信的通信接口，該通信接口連接微處理器。微處理器經通 信接口輸出數據信號至監控中心，輸入通信接口接收的監控中心控制命令。本發明採用微處理器，純數字控制方式，完全克服機械模擬式控制器的缺點。本發 明採用磁保持繼電器，過電流能力強，能帶較大負載。磁保持繼電器內部採用機械結構，抗 幹擾能力強，工作穩定可靠。本發明與目前的手工操作模擬控制的交流電機正反轉控制器 相比，有非常大的優越性，本發明設有正反轉磁保持繼電器互鎖電路，有效防止繼電器來不 及關斷造成的電源短路。本發明設有過零檢測電路，在電流過零點斷開繼電器，有效減少高 壓拉弧的產生。本發明設有採樣電路，能夠實時輸出電網中的各相電壓電流有效值、頻率、 以及電機的功率因素等。此外，本發明還設有和監控中心通信的通信接口，如RS485總線通 信，Zigbee無線通信和CAN總線通信，通過和監控中心通信的通信接口，組成控制網路，用 於多組電機控制。這是普通手工操作模擬式電機控制器無法比擬的。


圖1是實施例三相電機M正反轉控制示意圖；圖2是實施例系統結構示意框圖3是實施例控制微處理器外圍電路示意圖；圖4是實施例磁保持繼電器斷開、閉合驅動電路原理圖；圖5是實施例電機通道狀態反饋電路原理圖；圖6是實施例電壓互感器PT1、PT2、PT3的接法示意圖；圖7是實施例電機三相通道狀態反饋電路輸出的反饋信號Saml、Sam2、Sam3走向 圖；圖8是實施例電機V相正反轉磁保持繼電器K2、K4雙重互鎖電路原理圖；圖9是實施例過零檢測電路連接示意框圖；圖10是實施例過零檢測電路原理圖；圖11是實施例示波器觀察到的過零檢測波形；圖12是實施例採樣電路示意框圖；圖13是實施例電壓採樣示意框圖；圖14是實施例電流採樣示意框圖；圖15是實施例採樣晶片電路圖；圖16是實施例電壓差分濾波電路圖；圖17是實施例電流差分濾波電路圖；圖18是實施例RS485通信接口電路圖；圖19是實施例CAN總線收發器實現電路圖；圖20是實施例ZigBee通信方框圖；圖21是實施例ZigBee電平轉換電路圖；圖22是實施例EEPR0M實現電路圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明實施例的結構細節進行詳細描述。如圖1、圖2所示，本發明實施例，包括其觸點連接市電U相和電機U相的磁保持繼 電器K1，連接市電V相和電機V相的正轉磁保持繼電器K2，連接市電W相和電機W相的正轉 磁保持繼電器K3，連接市電W相和電機V相的反轉磁保持繼電器K4，連接市電V相和電機W 相的反轉磁保持繼電器K5，控制微處理器，磁保持繼電器K1至K5斷開、閉合驅動電路，電機 三相通道狀態反饋電路，電機V相正反轉磁保持繼電器K2、K4雙重互鎖電路，電機W相正反 轉磁保持繼電器K3、K5雙重互鎖電路、過零檢測電路、採樣電路、以及和監控中心通信的通 信接口。磁保持繼電器K1至K5斷開、閉合驅動電路，其每一個磁保持繼電器閉合驅動電路 包含閉合隔離光耦、正向電壓施加電路，控制微處理器輸出閉合控制信號經閉合隔離光耦、 正向電壓施加電路施加正向電壓至對應的磁保持繼電器，其每一個磁保持繼電器斷開驅動 電路包含斷開隔離光耦、反向電壓施加電路，控制微處理器輸出斷開控制信號經斷開隔離 光耦、反向電壓施加電路施加反向電壓至對應的磁保持繼電器。電機V相通道狀態反饋電 路輸出反饋信號Saml至電機V相正反轉磁保持繼電器K2、K4雙重互鎖電路，該互鎖電路 的輸出端連接磁保持繼電器K2、K4閉合驅動電路，電機W相通道狀態反饋電路輸出反饋信 號Sam2至電機W相正反轉磁保持繼電器K3、K5雙重互鎖電路，該互鎖電路的輸出端連接磁 保持繼電器K3、K5閉合驅動電路，電機三相通道狀態反饋電路輸出的反饋信號Saml、Sam2、Sam3還送至控制微處理器。由電流互感器取樣輸出的電機交流電流信號經過零檢測電路輸 出過零點跳變的方波信號至控制微處理器。採樣電路包含採樣晶片、採樣微處理器，由電壓 互感器取樣輸出的電機交流電壓信號、由電流互感器取樣輸出的電機交流電流信號經採樣 晶片輸出採樣數據信號至採樣微處理器，採樣微處理器通過CAN通信接口和控制微處理器 交換數據。微處理器經RS485通信接口、ZigBee無線通信接口、CAN通信接口輸出數據信號 至監控中心，輸入通信接口接收的監控中心控制命令。如圖2所示，本實施例採用雙微處理器，兩個微處理器之間通過CAN通信接口協同 工作。控制微處理器負責磁保持繼電器K1至K5的控制，RS485通信和ZigBee無線通信。 採樣微處理器負責三相電壓、電流、頻率、功率因素以及有功無功的測量，以及過壓、欠壓、 缺相和過流的保護。掉電存儲模塊用來存儲每塊微處理器的地址，負載電機消耗的電能，以 及用於判斷和計算的參數。當系統掉電時，這些參數被存儲在EEPR0M中，系統再次上電，這 些參數被重新讀出。雙重互鎖電路獨立於微處理器，其工作狀態不受微處理器的控制，僅僅 與繼電器的開合狀態相關。雙重互鎖電路有效地防止碰相的發生。過零檢測電路檢測交流 電流的零點，並通知控制處理器，在零點的時候切斷，減少和避免拉弧的產生。電壓和電流 互感器用來從電網中取樣，取樣電壓和電流分別用於檢測、過零檢測。採樣微處理器從採樣 晶片中讀取測量值，進行分析計算處理，並判斷異常狀態，如果發現異常，則通知控制微處 理器立即進行切斷操作。如圖1所示，本發明通過任意交換三相中的兩相實現三相電機M的正反轉控制。其 中，K1、K2、K3、K4*K5為五個磁保持繼電器。當K1、K2、K3閉合時，相序為U、V、W，此時 電機M正轉。當K1、K4、K5閉合時，相序為山、1、乂，此時電機11反轉。本發明要求帶大功率負載，因此選用磁保持繼電器，採用上海萬佳WJ302型磁保 持繼電器。額定負載100A/240VAC，線圈控制電壓DC12V。一般電器壽命10000次，機械壽 命1000000次，觸點接觸電阻最大2mQ。因此，具有省電、性能穩定、體積小、承載能力大，比 一般電磁繼電器性能優越的特點。磁保持繼電器其觸點開、合狀態平時是由永久磁鋼所產生的磁力所保持。當繼電 器的觸點需要開或合狀態時，即接通或切斷負載時，只需用正或反直流脈衝電壓激勵線圈， 繼電器在瞬間就完成了開與合的狀態轉換。這時的功率損耗一般小於1W。通常觸點處於保 持狀態時，線圈不需繼續通電，僅靠永久磁鋼的磁力就能維持繼電器的狀態不變。控制微處理器和採樣微處理器均選取NEC電子的78K0系列8位單片機，單片機型 號為UPD78F0881。此單片機包含32K Flash程序存儲器，1K高速RAM。最大支持20M晶振。 內置4個8位定時器和2個16位定時器。通信部分包括兩個串行通信口和一個CAN通信 口，內置CAN控制器。片內集成上電清零P0C電路和低電壓檢測器LVI。如圖3所示，為控制微處理器外圍電路示意圖，其中LED 1、LED2、LED3分別為正轉、 停機、反轉指示燈。如圖4所示，利用H橋電路來驅動磁保持繼電器的斷合，由於磁保持繼電器的觸點 狀態由永久磁鋼的磁力所保持，因此，控制觸點轉換時，只需在線圈兩端輸入一定寬度的正 向或反向直流脈衝就可以實現磁保持繼電器的接通或切斷。磁保持繼電器閉合驅動電路 包含閉合隔離光耦GA、正向電壓施加電路，正向電壓施加電路由三極體Q1、Q4和電阻R1組 成，控制微處理器輸出閉合控制信號CtrlA經閉合隔離光耦GA、正向電壓施加電路施加正向電壓至磁保持繼電器K的線圈，使磁保持繼電器K的觸點閉合。磁保持繼電器斷開驅動 電路包含斷開隔離光耦GB、反向電壓施加電路，反向電壓施加電路由三極體Q2、Q3和電阻 R2組成，控制微處理器輸出斷開控制信號CtrlB經斷開隔離光耦GB、反向電壓施加電路施 加反向電壓至磁保持繼電器K的線圈，使磁保持繼電器K的觸點斷開。具體工作過程為當 CtrlA為高電平，CtrlB為低電平時，Q1與Q4導通，延時100ms，清零CtrlA，形成12V、100ms 脈寬的正脈衝驅動繼電器K閉合。當CtrlA為低電平，CtrlB為高電平時，Q2與Q3導通，延 時100ms，清零CtrlB，形成12V、100ms脈寬的反脈衝驅動繼電器K斷開。可見，磁保持繼電器，給其100ms脈寬的12V正脈衝可以使其閉合，當它閉合後，將 一直保持這種閉合的狀態，當給其100ms脈寬的12V負脈衝時，可以使其斷開。100ms的12V 正負脈衝由單片機的10 口控制，Ctrl A與CtrlB為單片機10 口輸出端。當Ctrl A = 1， Ctrl B = 0時，閉合隔離光耦GA導通，斷開隔離光耦GB截止，此時三極體Q1與Q4導通，Q2 與Q3截止，RelayA端約為12V，RelayB端約為0V，此時，繼電器為正嚮導通，因此繼電器會 閉合。反之當Ctrl A = 0，Ctrl B = 1時，繼電器會斷開。如圖5所示，電機通道狀態反饋電路包含電壓互感器、儀表放大器AD623、整流濾 波電路、電壓比較器LM339。U，U』為從電壓互感器副邊取樣電阻兩端取得的電壓，儀表放大 器AD623具有極高的輸入阻抗，此處主要用於提高輸入阻抗，並起到隔離的作用。電壓互感 器副邊的差分電壓信號通過儀表放大器AD623，經過半波整流濾波電路，變成脈動直流，半 波整流後經RC濾波電路，得到一個近似穩定的直流電壓信號，最後通過電壓比較器LM339 與設定的門限電壓進行比較，輸出反饋信號Sam。經試驗，當電壓互感器原邊加上380V交流電壓時，副邊輸出有效值為0. 44V的交 流信號，經整流濾波後，直流信號大約為0.37V。當電壓互感器原邊加上(380*30% )V交流 電壓時，副邊輸出有效值為0. 33V的交流信號，經整流濾波後，直流信號大約為0. 28V。因 此，門限信號設置為0.28 <Vo< 0.37。即，當測量信號電壓彡(380*30% )V時，反饋信號 Sam狀態不翻轉。選取門限電壓為0. 30V。電機三相通道狀態反饋電路設有三路電機通道狀態反饋電路，分別從電壓互感器 PT1、PT2、PT3副邊的取樣電阻兩端取得電壓。如圖6所示，電壓互感器PT1的原邊連接在 電機U相、V相之間，測UV之間的線電壓，電壓互感器PT2的原邊連接在電機U相、W相之 間，測UW之間的線電壓，電壓互感器PT3的原邊連接在電機V相、W相之間，測VW之間的線 電壓。電壓互感器PT1對應反饋信號Saml，電壓互感器PT2對應反饋信號Sam2，電壓互感 器PT3對應反饋信號Sam3。在磁保持繼電器全部斷開情況下，Saml = Sam2 = Sam3 = 1。由於電壓互感器原邊迴路接在磁保持繼電器輸出端，當繼電器閉合，三相通路導 通的時候，反饋信號輸出為低電平。當繼電器斷開，輸出端電壓為零，反饋信號輸出為高電 平。反饋信號實際上反映了三相通道的通斷狀態。在程序上，總是讓U相首先閉合，正轉閉合Kl、K2、K3，反轉閉合Kl、K4、K5。當U閉合，V，W均未閉合時，此時UV = UW 190V，VW = 0V，不能使反饋信號翻轉。 此時反饋信號Saml = Sam2 = Sam3 = 1。當U，V閉合，W還未來得及閉合時，此時UV = 380V，UW = VW 190V。貝丨」，通過PT1 得到的反饋信號Saml = 0，Sam2 = Sam3 = 1。這時，反饋信號Saml翻轉，說明K2或者K4 已經閉合，此時將K4或者K2鎖住，使其無法閉合。
同理，當U，W閉合，V還未來得及閉合時，此時UW = 380V, UV = Vff ^ 190V。貝丨J， 通過PT2得到的反饋信號Sam2 = 0，Saml = Sam3 = 1。這時，反饋信號Sam2翻轉，說明K3 或者K5閉合，此時將K5或者K3鎖住，使其無法閉合。當 U，V，W 均閉合時，UV = Vff = UW = 380V。Saml = Sam2 = Sam3 = 0。此時反 饋信號Saml與Sam2均將相應的繼電器鎖死。可見，U相閉合的情況下，反饋信號Saml反映了電機V相通道狀態，對應的反饋電 路為電機V相通道狀態反饋電路。反饋信號Sam2反映了電機W相通道狀態，對應的反饋電 路為電機W相通道狀態反饋電路。如圖7所示，因電機三相通道狀態反饋電路輸出的反饋信號Saml、Sam2、Sam3反 應了電機三相通道的通斷狀態，故均送入控制微處理器MCU單片機的I/O 口，將三相通道的 通斷狀態告知單片機，單片機以此為依據來判斷對繼電器的控制是否成功。同時反饋信號 SamUSam2還參與互鎖，反饋信號Saml輸入電機V相正反轉磁保持繼電器K2、K4雙重互鎖 電路，反饋信號Sam2輸入電機W相正反轉磁保持繼電器K3、K5雙重互鎖電路。若發出閉合指令後，三相閉合動作全部執行完畢，控制微處理器單片機只要檢測 到反饋信號中有任意一個信號狀態仍然為「1」，則立即執行切斷指令，同時單片機復位。互鎖，是兩個繼電器相互鎖定，當其中一個繼電器閉合的話，另外一個繼電器一定 無法動作。實施例通過雙重互鎖電路防止兩個正反轉磁保持繼電器K2、K4或K3、K5同時閉
口 O如圖8所示，電機V相正反轉磁保持繼電器K2、K4雙重互鎖電路，包含二個二輸入 端邏輯電路與門F、F』、電壓跟隨器T和互鎖光耦GS，二個二輸入端邏輯電路與門F、F』的一 輸入端互相連接後輸入電機V相通道狀態反饋電路輸出的反饋信號Saml，另一輸入端分別 輸入控制微處理器輸出的V相正反轉磁保持繼電器K2、K4的閉合控制信號CtrlA、CtrlA』， 輸出端分別連接閉合隔離光耦GA、GA』的輸入端，反饋信號Saml還經電壓跟隨器T輸入互 鎖光耦GS，互鎖光耦GS的輸出端串聯在正向電壓施加電路的供電電源端12V和閉合隔離光 耦GA、GA，的供電端之間。如圖8所示圖中包含兩個繼電器K2、K4驅動電路，為需要互鎖的兩部分。其中電 壓跟隨器T為反饋信號Saml與互鎖光耦GS之間隔離，並改變此迴路的輸入阻抗，避免反饋 信號Saml被互鎖光耦GS拉低。a、當其中兩個繼電器K2、K4都處於斷開狀態時反饋信號Saml = 1。此時Ctrl A與Ctrl A』端的與門F、F』均處於開放狀態；並且互鎖光耦GS導通。 12V通過互鎖光耦GS加至光耦GA和光耦GA』。此時，兩個繼電器K2、K4均可以自由閉合。b、當其中任意一個繼電器K2或K4閉合後，反饋信號Saml = 0。此時Ctrl A與Ctrl A』端的與門F、F』均被Saml信號鎖住。無論CtrlA與Ctrl A』端的狀態如何，與門F、F』輸出均為低電平。因此光耦GA與光耦GA』截止。又由於Saml 信號為低電平，電壓跟隨器T輸出低電平，使得互鎖光耦GS截止。光耦GA與光耦GA』的 12V電源被切斷。即被鎖的兩路繼電器K2、K4均無法再執行閉合動作。直到執行斷開指 令，反饋信號Saml重新為高電平。電機W相正反轉磁保持繼電器K3、K5雙重互鎖電路和電機V相正反轉磁保持繼電 器K2、K4雙重互鎖電路相同，此時，輸入的是W相通道狀態反饋電路輸出的反饋信號Sam2。
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圖8所示的雙重互鎖電路通過兩個方面防止兩個正反轉磁保持繼電器同時閉合1、通過二個二輸入端與門F、F』，使正反轉磁保持繼電器閉合驅動電路的閉合隔離 光耦GA、GA』輸入端無法置1。也就是當其中一個繼電器閉合時，反饋信號使得閉合隔離光 耦的輸入失效。2、通過電壓跟隨器T和互鎖光耦GS，使閉合隔離光耦GA、GA』無法接入12V電源， 繼電器無法獲得12V的驅動脈衝。也就是當其中一個繼電器閉合時，反饋信號使閉合隔離 光耦GA、GA』的12V電源斷開。實施例反饋信號使閉合隔離光耦GA、GA』的12V電源斷開， 也可以設計成使需要互鎖的兩路繼電器正向電壓施加電路的12V電源斷開，設計成使三極 管Q1、Q1』的12V電源斷開等等，總之，只要將互鎖光耦GS的輸出端串聯在需要互鎖的兩路 繼電器正向電壓施加電路的供電電源迴路，使12V供電電源無法接入即可。此互鎖電路的好處是雙重保護，不僅僅在控制微處理器輸出10端做到互鎖。即使 10互鎖失效，後級互鎖還能發揮作用。在開關器件通斷電路中，當電壓不低於10 20V，電流不小於80 100mA，開關器 件的觸頭間便會產生電弧。電弧是高溫高導電率的游離氣體，它不僅對觸頭有可達的破壞 作用，而且使斷開電路的時間延長。作為一種大功率開關，磁保持繼電器開關時將會產生電 弧，從而影響本發明的穩定性及使用壽命。為避免在開關過程中電弧的產生，選擇在電流為 零時控制繼電器的斷開，使電弧產生的條件不具備。因此，檢測電流為零時控制繼電器動 作，將是一種避免產生電弧的有效方法。如圖9所示，電流互感器CT接負載RL，將電流信號轉換成電壓信號。一方面用於 過零檢測，一方面用於測量。由於測量部分輸入阻抗低，所以用於過零檢測的信號通過儀表 放大器AD623跟隨輸出，提高過零檢測部分輸入阻抗。同時將信號與測量部分隔離。電流 互感器輸出的正弦信號經過過零檢測電路後，整形為標準方波，送至控制微處理器的外部 中斷口。 如圖10所示，過零檢測電路包含鉗位電路、電壓比較器，由電流互感器CT取樣輸 出的電機交流電流信號經儀表放大器AD623、鉗位電路、電壓比較器輸出過零點跳變的方波 信號至控制微處理器。工作過程是從取樣電阻RL兩端取的正弦電壓信號，經過穩壓二極 管D1、D2鉗位，使信號低於5. IV。送至四電壓比較器LM339的同相端與反相端。LM339的 同相端用「 + 」表示，反相輸入端，用「_」表示。用作比較兩個電壓時，任意一個輸入端加一個 固定電壓做參考電壓，也稱為門限電平，它可選擇LM339輸入共模範圍的任何一點，另一端 加一個待比較的信號電壓。當「 + 」端電壓高於「_」端時，輸出管截止，相當於輸出端開路。 當「_」端電壓高於「 + 」端時，輸出管飽和，相當於輸出端接低電位。兩個輸入端電壓差別大 於10mV就能確保輸出能從一種狀態可靠地轉換到另一種狀態，因此，把LM339用在弱信號 檢測等場合是比較理想的。LM339的輸出端相當於一隻不接集電極電阻的晶體三極體，在使 用時輸出端到正電源一般須接一隻電阻，稱為上拉電阻，選3-15K。選不同阻值的上拉電阻 會影響輸出端高電位的值。因為當輸出晶體三極體截止時，它的集電極電壓基本上取決於 上拉電阻與負載的值。如圖11所示，為示波器所觀察到的過零檢測波形。由於LM339兩輸 入端壓差大於10mV，其輸出就能從一種狀態轉變到另一種狀態。因此，當電流互感器輸出信 號越大時，零點檢測越準確。圖中，正弦信號為電流互感器輸出信號波形，方波為電壓比較 器LM339輸出波形。可以看出，方波的下降沿幾乎與正弦交流信號過零點吻合。
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如圖12所示，採樣電路包含電壓差分濾波、電流差分濾波、採樣晶片、採樣微處理 器，由電壓互感器PT取樣輸出的電機交流電壓信號經電壓差分濾波輸入採樣晶片，由電流 互感器CT取樣輸出的電機交流電流信號經電流差分濾波輸入採樣晶片，採樣晶片輸出採 樣數據信號至採樣微處理器。採樣晶片採用珠海炬力公司的電度計量晶片ATT7022A。ATT7022A是一種高精度三相電能專用計量晶片，適用於三相三線和三相四線的應 用。ATT7022A集成了六路二階sigma-delta ADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效 值、功率因素以及頻率測量的數位訊號處理等電路。ATT7022A提供一個SPI接口，方便與外 部微處理器之間進行計量參數以及校表參數的傳遞。所有計量參數都可以通過SPI接口讀
出o如圖13所示，電壓採樣信號從電壓互感器PT輸出，電壓互感器PT採用環氧灌封 電流型電壓互感器TV19E。從電壓互感器PT出來的小信號經過差分濾波電路直接輸入採樣 晶片進行採樣。電壓互感器PT輸出信號分成兩路，一路用於產生反饋信號，如圖虛線所示， 另一路用於測量，如圖實線所示。三相電壓通道共三組同樣的採集裝置分別對三相電壓進 行測量，採樣微處理器通過SPI接口讀取電壓採樣值，並通過計算判斷是否存在欠壓、過壓 以及缺相等現象。如果出現以上異常情況，則通過CAN總線立即向控制微處理器發送立即 切斷命令，對負載電機進行保護。如圖14所示，電流採樣信號為電流互感器CT輸出信號，電流互感器CT輸出信號 分成兩路，一路用於過零檢測，如圖虛線所示，一路用於測量，如圖實線所示。三相電流通 道共三組同樣採集裝置分別對三相電流進行測量，採樣微處理器通過SPI接口與採樣晶片 ADT7022A進行通信，讀取採樣值，並通過計算分析電網中電流的大小以及變化趨勢。如果測 得電流超過設定額定電流，則將進入保護狀態，採樣微處理器通過CAN總線向控制微處理 器發送立即切斷命令。如圖15所示，為採樣晶片實現電壓、電流測量電路圖。如圖16所示，為電壓差分 濾波電路圖，如圖17所示，為電流差分濾波電路圖，只畫出一路電壓採樣通道和一路電流 採樣通道，Uv, Uv，和Ui，Ui』分別為電壓互感器和電流互感器取樣電阻兩端所取的差分信 號，差分信號通過濾波網絡輸入採樣晶片進行採樣。本發明設有和監控中心通信的通信接口，可以通過通信接口實時地向用戶反映設 備的運行情況，同時用戶也可以根據需要和設備發送的信息將控制命令反饋給本發明。本 發明的通信方式靈活，設計了 RS485通信接口、CAN通信接口、ZigBee無線通信接口等多種 通信接口來滿足信息交換的需要。以下詳細介紹各種通信接口。1)RS485 通信RS485採用差分信號負邏輯，+2V +6V表示「0」，-6V -2V表示「1」。RS485有 兩線制和四線制兩種接線，四線制只能實現點對點的通信方式，現很少採用，現在多採用的 是兩線制接線方式，這種接線方式為總線式拓樸結構，在同一總線上最多可以掛接32個結 點。在RS485通信網絡中一般採用的是主從通信方式，即一個主機帶多個從機。本發明的RS485通信採用MAX3082實現。外圍電路如圖18所示。2) CAN 通信CAN總線是一種有效支持分布式控制和實時控制的穿行通信網絡。CAN通信採用短幀結構，每一幀為8個字節，並採用了位填充、數據塊編碼、CRC檢驗等功能，數據出錯率 極低。CAN是目前為止唯一有國際標準的現場總線，或採用多主方式工作，直接通信距離最 遠可達10km，速率在5kbps之下，通信速率最高可達1Mbps。CAN總線通信的實現主要包括兩方面的內容一個是CAN控制器的設計；另一個就 是實現CAN控制器與外部物理總線之間的接口 CAN收發器。(1) CAN總線控制器對於控制器可以直接使用NEC單片機UPD78F0881內部集成的CAN總線控制器，只 需要設置必要的參數即可使用。此模塊滿足IS011898號CAN總線通信協議；包涵標準幀和 擴展幀兩種工作方式；具有16個數據緩存區等功能特點。可以很好地滿足需要。(2) CAN總線收發器此模塊選用的是Philips公司生產的TJA1050晶片來驅動總線電路。該器件提供 了 CAN控制器與物理總線之間的接口以及對CAN總線的差動發送和接收功能。實現電路如圖19所示。3)ZigBee 通信ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網絡技術，它是一種介於無線標記技術 和藍牙之間的技術方案。主要用於近距離無線連接。它有自己的無線電標準，在數千個微 小的傳感器之間相互協調實現通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無 線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高。本發明ZigBee通信方框圖如圖20所示。此模塊中所用的Zigbee模塊是3. 3V供電系統，而微處理器為5V供電系統，為了 將單片機串口信號電平轉換成Zigbee模塊可以使用的電平，因此在微處理器與Zigbee之 間需加一級電平轉換電路。電平轉換電路如圖21所示。當信號由串口向Zigbee模塊傳輸，如圖21左圖所示，信號為5V電平時，Q7. 1導 通，Q7. 2截止，輸出電平為3. 3V電平；信號為低電平時，Q7. 1截止，Q7. 2導通，輸出電平為 低。反之亦然，如圖21右圖所示。Vdd為3. 3V, Vcc為5V, TOUT和TIN是與單片機串口相連的，ZigTx和ZigRx是與 ZigBee模塊相連的。本發明的數據存儲採用EEPR0M存儲晶片。在掉電的情況下，仍然能夠完整的保存 數據。重複可擦寫次數為十萬次。在此設計中，EEPR0M用來保存每塊單片機的地址，CAN節 點的ID，繼電器動作時間，判斷保護的閥值以及電機所消耗的電能等等。總的存儲數據量不 大，因此選用256位元組的24C02作為存儲單元，24C02與單片機之間通過IIC總線通信，其實 現電路如圖22所示，SCL與SDA分別與單片機相連，SCL為IIC總線的時鐘線，SDA為數據 線，單片機通過模擬IIC程序擦寫、讀取EEraOM。綜上所述，本發明智能三相電動機控制器強電與控制電路部分隔離，發光二極體 指示正、反轉狀態，通信方式靈活，可方便實現對三相電機正、反轉運行的切換。設有互鎖、 過零檢測等功能，切換安全可靠，切換時無、火花，無噪音。產品主要用於大功率三相電動機 正反轉運行的切換。本發明的實施方式不限於此，根據本發明的上述內容，按照本領域的普通技術知識和慣用手段，在不脫離本發明上述基本技術思想前提下，還可以做出其它多種形式的修 改、替換或變更，均落在本發明權利保護範圍之內。
權利要求
一種智能三相電動機控制器，其特徵在於包括其觸點連接市電U相和電機U相的磁保持繼電器K1，連接市電V相和電機V相的正轉磁保持繼電器K2，連接市電W相和電機W相的正轉磁保持繼電器K3，連接市電W相和電機V相的反轉磁保持繼電器K4，連接市電V相和電機W相的反轉磁保持繼電器K5，控制微處理器，磁保持繼電器K1至K5斷開、閉合驅動電路，電機通道狀態反饋電路，電機V相正反轉磁保持繼電器K2、K4互鎖電路，電機W相正反轉磁保持繼電器K3、K5互鎖電路；所述磁保持繼電器K1至K5斷開、閉合驅動電路，其每一個磁保持繼電器閉合驅動電路包含閉合隔離光耦、正向電壓施加電路，控制微處理器輸出閉合控制信號經閉合隔離光耦、正向電壓施加電路施加正向電壓至對應的磁保持繼電器，其每一個磁保持繼電器斷開驅動電路包含斷開隔離光耦、反向電壓施加電路，控制微處理器輸出斷開控制信號經斷開隔離光耦、反向電壓施加電路施加反向電壓至對應的磁保持繼電器，電機V相通道狀態反饋電路輸出反饋信號Sam1至電機V相正反轉磁保持繼電器K2、K4互鎖電路，該互鎖電路的輸出端連接磁保持繼電器K2、K4閉合驅動電路，電機W相通道狀態反饋電路輸出反饋信號Sam2至電機W相正反轉磁保持繼電器K3、K5互鎖電路，該互鎖電路的輸出端連接磁保持繼電器K3、K5閉合驅動電路。
2.根據權利要求1所述的控制器，其特徵在於所述電機V相、W相通道狀態反饋電路， 其任一電機通道狀態反饋電路包含電壓互感器、整流濾波電路、電壓比較器，電壓互感器副 邊的電壓信號經整流濾波電路、電壓比較器輸出反饋信號，電機V相通道狀態反饋電路的 電壓互感器PT1的原邊連接在電機U相、V相之間，電機W相通道狀態反饋電路的電壓互感 器PT2的原邊連接在電機U相、W相之間。
3.根據權利要求2所述的控制器，其特徵在於還設有電壓互感器PT3的原邊連接 在電機V相、W相之間的電機通道狀態反饋電路，輸出反饋信號Sam3，所述反饋信號Saml、 Sam2、Sam3均輸入控制微處理器。
4.根據權利要求1所述的控制器，其特徵在於所述電機V相正反轉磁保持繼電器K2、 K4互鎖電路，電機W相正反轉磁保持繼電器K3、K5互鎖電路，其任一相正反轉磁保持繼電 器互鎖電路包含二個二輸入端邏輯電路，二個二輸入端邏輯電路的一輸入端互相連接後輸 入該相通道狀態反饋電路輸出的反饋信號，另一輸入端分別輸入控制微處理器輸出的該相 正反轉磁保持繼電器的閉合控制信號，輸出端分別連接該相正反轉磁保持繼電器閉合驅動 電路的閉合隔離光耦輸入端。
5.根據權利要求1所述的控制器，其特徵在於所述電機V相正反轉磁保持繼電器K2、 K4互鎖電路，電機W相正反轉磁保持繼電器K3、K5互鎖電路，其任一相正反轉磁保持繼電 器互鎖電路包含互鎖光耦，該相通道狀態反饋電路輸出的反饋信號輸入互鎖光耦，互鎖光 耦的輸出端串聯在該相正反轉磁保持繼電器閉合驅動電路的正向電壓施加電路的供電電 源迴路。
6.根據權利要求1所述的控制器，其特徵在於所述電機V相正反轉磁保持繼電器K2、 K4互鎖電路，電機W相正反轉磁保持繼電器K3、K5互鎖電路，其任一相正反轉磁保持繼電 器互鎖電路包含二個二輸入端邏輯電路、電壓跟隨器和互鎖光耦，二個二輸入端邏輯電路 的一輸入端互相連接後輸入該相通道狀態反饋電路輸出的反饋信號，另一輸入端分別輸入 控制微處理器輸出的該相正反轉磁保持繼電器的閉合控制信號，輸出端分別連接該相正反 轉磁保持繼電器閉合驅動電路的閉合隔離光耦輸入端，該相通道狀態反饋電路輸出的反饋信號還經電壓跟隨器輸入互鎖光耦，互鎖光耦的輸出端串聯在該相正反轉磁保持繼電器閉 合驅動電路的正向電壓施加電路的供電電源迴路。
7.根據權利要求1所述的控制器，其特徵在於還包括過零檢測電路，該過零檢測電路 包含鉗位電路、電壓比較器，由電流互感器取樣輸出的電機交流電流信號經鉗位電路、電壓 比較器輸出過零點跳變的方波信號至控制微處理器。
8.根據權利要求1所述的控制器，其特徵在於還包括採樣電路，由電壓互感器取樣輸 出的電機交流電壓信號輸入採樣電路，由電流互感器取樣輸出的電機交流電流信號輸入採 樣電路，採樣電路輸出採樣數據信號至控制微處理器。
9.根據權利要求8所述的控制器，其特徵在於所述採樣電路包含電壓差分濾波、電流 差分濾波、採樣晶片、採樣微處理器，由電壓互感器取樣輸出的電機交流電壓信號經電壓差 分濾波輸入採樣晶片，由電流互感器取樣輸出的電機交流電流信號經電流差分濾波輸入採 樣晶片，採樣晶片輸出採樣數據信號至採樣微處理器，採樣微處理器和控制微處理器之間 通過通信接口交換數據。
10.根據權利要求1至9任一項所述的控制器，其特徵在於還設有和監控中心通信的 通信接口，該通信接口連接微處理器。
全文摘要
本發明公開了一種智能三相電動機控制器，包括連接市電U相和電機U相的磁保持繼電器K1，連接市電V相和電機V相的正轉磁保持繼電器K2，連接市電W相和電機W相的正轉磁保持繼電器K3，連接市電W相和電機V相的反轉磁保持繼電器K4，連接市電V相和電機W相的反轉磁保持繼電器K5，微處理器；微處理器經閉合驅動電路使繼電器閉合，經斷開驅動電路使繼電器斷開，V相通道狀態反饋電路連接K2、K4互鎖電路，該互鎖電路連接K2、K4閉合驅動電路，W相通道狀態反饋電路連接K3、K5互鎖電路，該互鎖電路連接K3、K5閉合驅動電路。本發明能帶較大負載，抗幹擾能力強，工作穩定可靠。
文檔編號H02P1/40GK101860288SQ20101018406
公開日2010年10月13日 申請日期2010年5月20日 優先權日2010年5月20日
發明者鄭貴林 申請人:鄭貴林