運行狀態監測的直流電機驅動系統的製作方法

2023-07-25 17:39:41

專利名稱：運行狀態監測的直流電機驅動系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電機驅動裝置，尤其涉及一種可對直流電機的運行狀 態監測的裝置。
背景技術：
現有技術中，自動化控制系統已經在各行各業得到了廣泛的應用和發展， 而直流調速控制作為電氣傳動的主流在現代化生產中起著主要作用。長期以來， 直流電動機因其具有調節轉速比較靈活、方法簡單、易於大範圍內平滑調速、 控制性能好等特點，在傳動領域佔有一定地位。在數控工具機，機器人等柔性傳 動系統中，經常需要可逆直流電機調速驅動。現代設備一般是全數位化自動控制，控制核心一般是運行在工控機或PC機上的控制決策程序，程序需要及時了解電機當前運轉情況，而為下一步決策提 供依據，但是現有驅動系統沒有相應的電路給出這些參數，從而使得上層控制 無法獲知指令的執行情況，基本上處於開環的控制狀態。同時， 一臺設備上電 機多而分散，現有技術沒有一個統一的系統來控制、管理一臺設備上所有的電 機，而是多個電機多個控制系統，使得高層軟體控制協調起來相當困難，甚至極易出現系統失控的情況；而且一個設備、系統中往往用到多個不同種類的直 流電機，例如大功率的直流動力電機、有刷直流電機、無刷直流電機、步進電 機、伺服電機等等不同的電機控制方法不同；由於應用場合的不同，電機系統 需要通過特定的接口與工控機相連，很多電機驅動電路只有單一的接口電路例 如232接口，其具有4艮大的局限性。全數位化自動控制中，單片機驅動技術由單片機驅動與運動控制器組成電 機驅動系統，整個系統通常由四部分組成單片機進行軟體編程及控制信號傳 遞，通過I/O接口與控制處理器連接，控制處理模塊可產生P麗脈衝控制；光 碼盤和位置反饋實現電機轉角位移測試。這種驅動電路與本申請專利的區別在 於控制器與單片機分離，通過1/0接口連接，使其數據傳遞的速度慢，而且信息通道少、無組網功能，存儲器與總線擴展困難，不便於實現多軸電機驅動系 統的聯合控制。伺服系統中電機控制和多電機間協調控制的好壞直接影響設備工作效率與 可靠性，如何高效管理、方便應用、實時控制是多電機伺服系統亟待解決的首要 問題。實用新型內容本實用新型的技術效果能夠克服上述缺陷，提供一種運行狀態監測的直流電 機驅動系統，其具有在線監測功能、保護功能。為實現上述目的，本實用新型採用如下技術方案其包括控制器、協議轉 換器、CAN總線、電機驅動器、直流電機，控制器與協議轉換器通信，協議轉換 器通過CAN總線與電機驅動器連接，電機驅動器連接直流電機。控制器採用PC機或工控機，其上運行系統控制決策程序，通過一定的協議 規範與協議轉換器通信，控制各電機運轉和獲取電機運轉情況。控制器與協議 轉換器之間釆用USB、乙太網、無線乙太網、RS232、 RS485中的一種或多種結 合的方式通信，其通信協議轉換都集成在協議轉換器中；直流電機至少設置一 個，直流電機與電機驅動器——對應；PC或工控機統一控制、管理多個不同種 類的直流電動機，包括有刷電機、無刷電機、步進電機、伺服電機，實現電機 的啟停、變速、變相、步長控制等，並能實施監測電機的運轉情況，包括正常、 空轉、過載、卡死、故障，並能粗略估計電機負荷，進而根據電機運轉情況實 施不同的控制保護策略。協議轉換器實現控制器與CAN總線的銜接；協議轉換器通過不同接口將獲 得的控制器的指令轉換為適合於CAN總線上傳輸的信號發送到CAN總線上，同 時把從CAN總線上獲得的直流電機運轉狀態信息和傳感器信息轉換為控制器所 能接收的數據格式發送給控制器。CAN總線內設有CAN收發器，CAN收發器採用MCP2551型號，其應符合CAN2. OB 標準， 一般為兩根屏蔽或非屏蔽雙絞線。電機驅動器包括電氣連接的主控器、驅動模塊、P麵驅動電路；主控器採用 PIC30F4011型號；驅動模塊採用IR2136型號。主控器內集成了 CAN總線控制器、P麗產生器、AD採樣器，CAN總線控制器與CAN總線連接，P麗產生器與驅動模塊連接，AD採樣器與P麗驅動電路連接。P畫驅動電路包括四片或六片功率M0SFET管，其採用IRFP054N型號；P麗驅動電路連接霍爾電流傳感器。
電機驅動器為系統核心器件，有多種類型，對應於不同種類的直流電動機，電機驅動器的具體電路不同。包括直流有刷電機驅動器、直流無刷電機驅動器、直流步進電機驅動器、直流伺服電機驅動器。電機驅動器主要實現以下功能1)總線收發，從CAN總線上接收控制信息，根據自己的編址選出有用信息，同時將自己的狀態參數發送到CAN總線上；2)產生電機驅動信號，根據接收到的指令，產生出相應的電機驅動信號，如特定佔空比的PWM信號；3)M0SFET驅動，電機控制採用橋式MOSFET電路，驅動器需要將電機驅動信號放大整形，最終能夠驅動MOSFET; 4)電機驅動，即橋式MOSFET電路，該電路需要滿足所驅動電機的功率要求；5)參數採集，包括電壓、電流、轉速、溫度等反映電機運行狀態的參數；6)推斷電機運行狀態，根據所採集的參數，依照電機模型特性，運用模糊控制原理推測出電機的運行狀態，如正常、過載、空轉、卡死、故障等，並能粗略估計電機負荷的大小。電機驅動器和電機可以根據需要增加，理論上可以掛載200個電機節點，但考慮到傳輸性能以不多於100個為宜。
本實用新型應用廣泛可應用在如下場合
1. 電氣化車輛。本實用新型可以應用於各種電氣化動力牽引機車，用來驅動機車上所有直流電動機，既可以現場控制，又可以通過有線或無線的方式遠程控制。由於車輛控制策略簡單，可以不用PC或工控機，而是用單片機作為系統控制器進行輸入、輸出界面和電機監測、控制即可。
2. 各種機器人設備。在上述設備中，由於應用位置不同而需要用到各種直流電機，本實用新型可以與控制導航系統連接對所有直流電機進行統一的控制管理。例如應用於水下自主航行器(AUV), AUV中電機應用一般有動力推進裝置，由幾個水平推進器和垂直推進器，動力推進器一般用大功率有刷直流電機，可以使用直流電機驅動器驅動；如果AUV上裝機械手臂的話， 一般會用到多個步進電機，可以使用步進電機驅動器驅動；還有諸如攝像頭等需要轉動並要精確定位的機構會用到伺服電機，可以使用伺服電機驅動器等等。所有電機都在控制器的統一指揮協調下工作，控制器同時接收各種傳感器(可以掛接在CAN總線上)的參數，做出決策。
3. 數控車床。數控車床用到多個功率不同，精度不同的步進電機以及直流無刷電機等，用本實用新型統一控制電機可以達到高效、高安全、高可靠性、便於程控等優點。
4. 電氣化生產流水線等。
本裝置具有在線監測功能，實時監測電機的運轉情況，採集電機電流、電壓、溫度、環境溼度等數據，進而通過模糊算法推斷出電機的運轉情況(正常運轉、無載空轉、過載堵轉、卡死、電氣故障)，為上位機提供決策依據。具有保護功能。能自動保護電機在過流、過壓、過載、溫升、故障時停止運行，使電機不會損壞，同時能掛接系統的傳感器，通過系統控制策略控制電機運轉狀態，從而保護設備或產品。電機控制方法對上層軟體透明化，提供通用的數據接口，只要了解接口協議，就能輕易的開發出上層控制軟體，無需了解具體硬體電^各的原理及工作過程。

圖1為本實用新型的模塊結構示意圖；圖2為本實用新型的實施例1電路圖；圖3為本實用新型的實施例2電路圖。
具體實施方式
本系統包括控制器、協議轉換器、CAN總線、電機驅動器、直流電機，控制器與協議轉換器通信，協議轉換器通過CAN總線與電機驅動器連接，電機驅動器連接直流電機。
電機驅動器採用Microchip公司的PIC30F4011作為主控器，該主控器內部集成了CAN總線控制器，PWM產生電路，AD採樣電路。CAN總線通過CAN收發器MCP2551與PIC30F4011主控器的CAN總線控制器相連。主控器的CAN總線控制器支持CAN協議的CAN1.2、 CAN2. 0A、 CAN2. OB Passive和CAN2. OB Active版本。該控制器實現的是一個完整的CAN系統，支持標準數據幀、擴展數據幀、遠程數據幀，可編程比特率達到lMb/s,六個完全接收過濾器，兩個完全接收過濾屏蔽寄存器，雙緩衝的接收器，三個發送緩沖器，能夠由應用指定優先級並具有中止能力等等。主控器集成了6路電機控制P麗產生器，該模塊簡化了產生多種同步脈寬調製輸出的任務。有可編程功能的硬體故障輸入引腳，用於同步A/D轉換的特殊
事件觸發器，有可編程功能的硬體故障輸入引腳。具有多種輸出模式邊沿對
齊模式、中心對齊模式、帶雙更新的中心對齊模式、單事件模式。主控器集成
了十位AD採樣器，具有以下主要特點逐次逼近寄存器轉換、最大lMsps的轉換速度、九個模擬輸入引腳、外部參考電壓輸入引腳、四個單極性差分採樣保持(S/H)放大器、對多達四個模擬輸入引腳進行同時採樣、自動通道掃描模式、可選轉換觸發源(可以採用P麗事件觸發)等等。實施例1
採用有刷電機驅動器。
電才幾驅動部分採用IR />司的M0SFET驅動IR2136和M0SFET: IRFP054N構成橋式可逆P麗驅動電路，如圖2所示。IR2136採用了 600V BCDMOS工藝，其源極耐壓為600V，晶片集控制電路，電平轉換，低阻抗輸出和識別保護為一體。該驅動電路只需幾個外圍分立元件就可使三項橋式電路的邏輯控制信號與MOS柵極間完整連接，採用它可以使功率系統的設計時間縮短，尺寸減小，成本降低，可靠性提高。該驅動可以驅動最大電壓600V,最大電流80A的直流電動機，實5E見10-99°/。佔空比可逆P醫運轉。
有刷直流電機需要做到方向可逆、速度可調，因此本設計採用H橋驅動電路，功率管Q2、 Q3導通電機正轉，功率管Q1、 Q4導通電機反轉，橋上臂接PWM信號實現脈寬調製調速，橋下臂在運轉時始終導通提供續流迴路。PWM及MOS控制信號由主控器PIC30F4Q11提供，主控器接收CAN總線控制信號，使能控制PWM工作。主控器的AD採樣器採集電流電壓信號，電流信號由霍爾電流傳感器獲得，採用霍爾電流傳感器具有響應快、精確度高、無能耗等優點，電機電壓採集利用電機兩端分壓後AD採樣，然後取差值的絕對值即可得到電機電壓值。
有刷直流電機的狀態監控電路是根據電機運行中電流、電壓值來判斷電機運行狀態的，電機在正常運轉、空轉、過載、卡死、故障時電路電壓參數是不一樣的，根據這些參數的變化情況，由單片機通過模糊算法推斷出電機的運行狀態，迅速實施保護並通過CAN總線上傳至運行控制器。不同功率電機的保護
參數是不同的，額定電壓、電流、功率等參數要在控制器人機互動界面中設定。
實施例2
採用無刷直流電機驅動器。
無刷電機驅動器支持有位置傳感器和無位置傳感器兩種無刷直流電機。對於典型的三相帶傳感器的無刷直流電機，有六個不同的工作區間，每個區間中有特定的兩相繞組通電。無刷直流電機換相通過檢測霍爾傳感器，可以
得到一個三位編碼，編碼值的範圍從1到6。每個編碼值代表轉子當前所處的區間。從而提供了需要對哪些繞組通電的信息。因此程序可以使用簡單的查表操作來確定要對哪兩對特定的繞組通電以使轉子轉動。為使無刷直流電機速度可變，必須在兩相繞組的兩端加上PWM信號。PIC30F4011主控器有六個PWM輸出，通過使用六個MOSFET，可以將三相繞組驅動為高電平、低電平或根本不通電。高端接入PWM信號實現可變速，低端與高端互補，並且在高低端電平跳變處插入死區時間，防止上下臂直通引發短路。
對於無傳感器無刷電動機，採用BEMF (反向電動勢的英文縮寫)過零檢測技術檢測電機轉子位置。BEMF過零檢測方法可以這樣實現通過分壓器和A/D轉換器來監測所有三相的端電壓和VDC。在相應的時間段內4全測相BEMF何時經過ViVDC。對於某個特定的時間段，只需監測一相的電壓。使用一個可用的定時器測量60° (即兩次過零點之間)的時間。將這個值除以2，然後加載到另一個定時器中，這樣就可以取消正確換相所需的隱含30。補償。為了濾除噪聲提高系統魯棒性，在軟體中捨棄換相後的最開始幾個BEMF採樣點，可以避開相繞組的去磁問題。不對BEMF波形用硬體進行明顯濾波，並且根據P麗波形仔細地選取信號採樣點，可排除互耦P麗"噪聲"和不連續電流問題。在開關關閉之前，使用電機控制PWM模塊的特殊事件觸發器來啟動A/D信號轉換。
同樣，無刷直流電機的狀態檢測也是通過採集電機運行時的電流電壓信號，通過模糊算法推斷出來的，由於能檢測出轉子位置，算法中還添加了電機轉速參數，使得狀態檢測準確率明顯提高。
8
權利要求1.一種運行狀態監測的直流電機驅動系統，其特徵在於包括控制器、協議轉換器、CAN總線、電機驅動器、直流電機，控制器與協議轉換器通信，協議轉換器通過CAN總線與電機驅動器連接，電機驅動器連接直流電機。
2. 根據權利要求1所述的運行狀態監測的直流電機驅動系統，其特徵在於控制 器採用PC機或工控機。
3. 根據權利要求1或2所述的運行狀態監測的直流電機驅動系統，其特徵在於 控制器與協議轉換器之間採用USB、乙太網、無線乙太網、RS232、 RS485中 的一種或多種結合的方式通信。
4. 根據權利要求1所述的運行狀態監測的直流電機驅動系統，其特徵在於CAN 總線內設有CAN收發器，CAN收發器採用MCP2551型號。
5. 根據權利要求1所述的運行狀態監測的直流電機驅動系統，其特徵在於電機 驅動器包括電氣連接的主控器、驅動模塊、P麗驅動電路；主控器採用 PIC30F4011型號；驅動模塊採用IR2136型號。
6. 根據權利要求5所述的運行狀態監測的直流電機驅動系統，其特徵在於主控 器內集成了 CAN總線控制器、P麗產生器、AD採樣器，CAN總線控制器與CAN 總線連接，P麗產生器與驅動模塊連接，AD釆樣器與PWM驅動電路連接。
7. 根據權利要求5所述的運行狀態監測的直流電機驅動系統，其特徵在於P麗 驅動電路包括四片或六片功率MOSFET管，其釆用IRFP054N型號；P麗驅動 電路連接霍爾電流傳感器。
8. 根據權利要求1所述的運行狀態監測的直流電機驅動系統，其特徵在於直流 電機至少設置一個，直流電機與電機驅動器——對應。
9. 根據權利要求8所述的運行狀態監測的直流電機驅動系統，其特徵在於直流 電機採用有刷直流電機、無刷直流電機、步進電機、伺服電才幾。
專利摘要本實用新型涉及一種電機驅動裝置，尤其涉及一種可對直流電機的運行狀態監測的裝置。運行狀態監測的直流電機驅動系統包括控制器、協議轉換器、CAN總線、電機驅動器、直流電機，控制器與協議轉換器通信，協議轉換器通過CAN總線與電機驅動器連接，電機驅動器連接直流電機。本裝置具有在線監測功能，實時監測電機的運轉情況。能自動保護電機在過流、過壓、過載、溫升、故障時停止運行，使電機不會損壞，同時能掛接系統的傳感器，通過系統控制策略控制電機運轉狀態，從而保護設備或產品。
文檔編號G05B19/418GK201302669SQ20082017357
公開日2009年9月2日 申請日期2008年10月20日 優先權日2008年10月20日
發明者任紅恩, 波 何, 韓盈盈 申請人:中國海洋大學