直流伺服系統保護裝置的製作方法

2023-05-11 19:31:26 1

專利名稱：直流伺服系統保護裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於自動保護電路裝置，具體地說涉及一種直流伺服系統的保護裝置。
在直流伺服系統中，保護電路是其重要的組成部分。保護電路的主要功能是當直流伺服系統的某一部分發生故障時，發出故障報警並及時關閉直流伺服放大器的使能，或切斷主電路，使故障不擴大殃及到整個系統。
目前，各種已有技術的直流伺服系統保護裝置，主要是採用在主電路中串接保險、在電動機和主電路散熱板上安裝熱傳感器、檢測電動機的速度是否過大、檢測電動機的電流是否過大、檢測反饋迴路是否接通等方法。這些方法可以在直流伺服電動機發生過熱或超速、伺服放大器過載或過熱、伺服系統過電流、速度反饋斷線時進行保護。
當伺服電動機有速度反饋接反、速度反饋斷線、電樞線接反、電樞線斷線發生時，將會由於伺服放大器的速度閉環控制無法完成，致使伺服電動機失去控制。由於已有技術的保護方法在速度反饋接反和電樞線接反時，只在直流伺服電動機失去控制並達到很高的速度時才能進行保護，而對於電樞線斷線卻不能進行保護，以致大大地降低了直流伺服系統運行的可靠性。
本發明的目的是提供一種直流伺服系統保護裝置，其通用性強、保護範圍大、可靠性高，特別是當直流伺服系統發生速度反饋接反、速度反饋斷線、電樞線接反、電樞線斷線、電動機短路時，輸出報警信號，使直流伺服系統及時得到保護。
本發明直流伺服系統保護裝置，包括測量直流伺服電動機電樞電壓的電壓傳感器，測量直流伺服電動機電樞電流的電流傳感器，檢測直流伺服電動機速度反饋信號的速度傳感器，以及包括比例放大器、微分器、加法器、絕對值電路、允許誤差發生器和比較器的保護器；電壓傳感器與直流伺服電動機的兩相電樞繞組相連，並向保護器輸出電壓採樣信號，電流傳感器串接在直流伺服電動機的電樞繞組上，並向保護器輸出電流採樣信號，保護器同時檢測速度傳感器的速度採樣信號，並當發生故障和異常時，向直流伺服驅動器輸出報警信號。
以下通過附圖所示實施例對本發明進行詳細說明。


圖1表示本發明直流伺服系統保護裝置的原理框2表示本發明保護器的原理框3表示採用霍爾電壓/電流傳感器以及測速發電機的本發明直流伺服系統保護裝置的原理框4是如圖3所示的實施例中的保護器的原理1中，直流伺服驅動器(400)與直流伺服電動機(200)的電樞繞組(210)和(220)相連。直流伺服電動機(200)同軸安裝有速度傳感器(300)，速度傳感器(300)測得的速度反饋信號(310)輸入到直流伺服驅動器(400)，形成速度閉環控制。
本發明的特徵是該保護裝置包括直流伺服電動機的電樞電壓傳感器(110)、電樞電流傳感器(120)、和與二者相連接的保護器(100)，該保護器包括比例放大器、微分器、加法器、絕對值電路、允許誤差發生器和比較器組成。電樞電壓傳感器(110)與直流伺服電動機(200)的兩相電樞繞組(210)和(220)相連，用來測量直流伺服電動機(200)的電樞電壓；電樞電流傳感器(120)串接在直流伺服電動機(200)的電樞繞組(220)上，用來測量直流伺服電動機(200)的電樞電流。
本發明保護裝置工作時，電樞電壓傳感器(110)的輸出信號(111)為KvU，電樞電流傳感器(120)的輸出信號(121)為KcI，KvU和KcI輸入到保護器(100)，同時，直流伺服電動機的速度傳感器(300)發出的速度反饋信號(310)為KnE，KnE也進入保護器(100)，最後當有故障和異常發生時，由保護器(100)輸出的報警信號(130)輸入到直流伺服驅動器(400)。在這裡，U為直流伺服電動機的電樞電壓，Kv為電樞電壓傳感器的測量係數；I為直流伺服電動機的電樞電流，Kc為電樞電流傳感器的測量係數；E為直流伺服電動機的反電動勢，Kn為反饋係數。
如圖2所示為本發明核心部件保護器(100)。保護器(100)由幾個比例放大器(10)、(25)、(30)、(40)，一個微分器(20)、一個加法器(50)、一個取絕對值電路(60)，一個允許誤差發生器(70)以及一個比較器(80)組成；比例放大器1(10)、比例放大器3(30)和比例放大器4(40)的輸入端分別與電流傳感器(120)、速度傳感器(300)和電壓傳感器(110)相連，它們的輸出端都與加法器(50)相連；微分器(20)和比例放大器2(25)先後順序串接在電流傳感器和加法器之間；取絕對值電路(60)的輸入端和輸出端分別與加法器(50)和比較器(80)的一個輸入端相連，允許誤差發生器(70)與比較器(80)的另一輸入端相連，比較器(80)的輸出端與直流伺服驅動器(400)相連。
本發明保護器的工作原理如下所述。首先，設比例放大器1-4的比例放大係數分別為K1、K2、K3、K4。參見圖2，電樞電流傳感器(120)的輸出信號KcI(121)經過比例放大器1(10)形成信號K1KcI(15)；電樞電流傳感器(120)的輸出信號KcI(121)經過微分(20)和比例放大器2(25)形成信號K2Kc dI/dt(26)；電樞電壓傳感器(110)的輸出信號KvU(111)經過比例放大器3(30)形成信號K3KvU(35)；速度反饋信號KnE經過比例放大器4(40)形成信號K4KnE(45)。調節比例放大器係數K1、K2、K3和K4，使得K1Kc＝K2Kc＝-K3Kv＝K4Kn，再設K1Kc＝K2Kc＝-K3Kv＝K4Kn＝K，並將以下四信號(15)、(26)、(35)、(45)輸入加法器(50)K1KcI+K2KcdI/dt+K3KvU+K4KnE＝K(I+dI/dt+E-U)，取絕對值(60)後，則形成偏差信號ERROR(65)ERROR＝K(I+dI/dt+E-U)。在正常運行情況下，直流伺服電動機將滿足U＝I+dI/dt+E，因此ERROR＝0，考慮到測量誤差的因素，將偏差信號ERROR(65)與允許誤差發生器(70)輸出的允許誤差值(75)在比較器(80)進行比較，最後由比較器輸出保護信號(130)。實際運行時，當直流伺服系統發生速度反饋接反、速度反饋斷線、電樞接反、電樞斷線、電動機短路任一故障時，都會使偏差信號ERROR(65)超過允許誤差值(75)，這時保護器發出保護信號並輸入到直流伺服驅動器，從而使直流伺服系統及時得到保護。
圖3表示採用霍爾電壓/電流傳感器以及測速發電機的本發明直流伺服系統保護裝置的原理框圖。裝置中，直流伺服驅動器(1400)與直流伺服電動機(1200)的電樞繞組(1210)和(1220)相連。直流伺服電動機(1200)同軸安裝有測速發電機(1300)。由測速發電機(1300)測得的速度反饋信號(1310)輸入到直流伺服驅動器(1400)，形成速度閉環控制。在此實施例中，該保護裝置的電樞電壓傳感器採用霍爾電壓傳感器(1110)，電樞電流傳感器採用霍爾電流傳感器(1120)。霍爾電壓傳感器(1110)與直流伺服電動機(1200)的兩相電樞繞組(1210)和(1220)相連，用來測量直流伺服電動機(1200)的電樞電壓；霍爾電流傳感器(1120)串接在直流伺服電動機(1200)的電樞繞組(1220)或(1210)上，用來測量直流伺服電動機(1200)的電樞電流。
該保護裝置運行時，霍爾電壓傳感器(1110)的輸出信號(1111)為Kv1U，霍爾電流傳感器(1120)的輸出信號(1121)為Kc1I，速度反饋信號(1310)為Kn1E，Kv1U、Kc1I和Kn1E都輸入到保護器(1100)，直流伺服電動機的速度反饋信號(1310)也進入保護器(1100)，同時，保護器(1100)輸出的報警信號(1130)輸入到直流伺服驅動器(1400)。以上所述符號U為直流伺服電動機的電樞電壓，Kv1為霍爾電壓傳感器的測量係數；I為直流伺服電動機的電樞電流，Kc1為霍爾電流傳感器的測量係數；E為直流伺服電動機的反電動勢，Kn1為反饋係數。
圖4表示圖3所示本發明實施例中的保護器(1100)的原理圖，保護器(1100)中運算放大器IC1構成跟隨器，其正相輸入端連接霍爾電流傳感器(1120)輸入電流採樣信號KcI(1121)，同時又通過電阻R1接地，電容器C1和電阻R2並聯，一端與IC1的輸出端相連，另一端與共同節點(1028)連接；測速發電機(1300)的輸出端通過電阻R4後與共同節點(1028)相連接；運算放大器IC2和電阻R5、R6構成反相放大電路，其反向輸入端通過電阻R5與霍爾電壓傳感器(1110)連接，同時反向輸入端通過電阻R6與輸出端相連，而正相輸入端接地，輸出端通過電阻R11與共同節點(1028)相連接；共同節點(1028)連接在反向器(1040)的輸入端，反向器(1040)中，IC3的輸入端通過R7與其輸出端相連接，電容C2並聯在電阻R7兩端，IC3的正相輸入端接地；反向器(1040)的輸出端與絕對值電路(1060)的輸入端相連接，絕對值電路(1060)中，二極體D1的正端與電阻R8的一端相連，電阻R8的另一端連接在運算放大器IC4的反向輸入端，二極體的D2的正端與二極體D1的負端和IC3的輸出端連接，IC4的正相輸入端與二極體D2的負端相連並通過電阻R9接地，電阻10連接在IC4的反向輸入端和輸出端之間；絕對值電路(1060)的輸出端與由運算放大器IC5構成的比較器連接，IC5的正相輸入端與IC4的輸出端相連接，反向輸入端與電阻R12和R13的一端相連，電阻R12的另一端接地，電阻R13的另一端接正電源+Ec，運算放大器IC5的輸出端與直流伺服驅動器(1400)相連接。
保護器(1100)的工作原理如下述霍爾電流傳感器(1120)輸出的電流信號(1121)為KcI，經過電阻R1和運算放大器IC1後為R1KcI，經過電阻R2後形成的電流(1015)為R1KcI/R2；經過電容器C1後形成的電流(1010)為C1R1KcdI/dt；霍爾電壓傳感器(1110)輸出的電流信號(1111)為KvU，經過電阻R4、電阻R6、運算放大器IC2和電阻R11後形成的電流(1030)為-R6Kv1U/R5；速度反饋信號(1310)為Kn1E，經過電阻R4，形成的電流信號(1020)為Kn1E/R4。調節上述R1、C1、R2、R6、R11、R4，使得R1Kc/R2＝C1R1Kc＝R6Kv1/R5＝Kn1/R4。將信號(1010)、(1015)、(1020)、(1030)相加並經過反向器(1040)和絕對值電路(1060)，形成的偏差信號(1065)為Ve1。電容器C2用來濾除測量噪聲。如電動機運行正常，在理想情況下，偏差信號Ve1為零，考慮到測量誤差的因素，將Ve1與由電阻R12和R13形成的閾值電壓(1070)即Ve2送入由運算放大器IC5構成的比較器進行比較，當發生故障或異常時，Ve1將超過Ve2，此時輸出報警信號(1130)。
本發明裝置與現有技術的保護裝置相比，增大了保護範圍和可靠性，特別是當直流伺服系統處於速度反饋接反、速度反饋斷線、電樞接反、電樞斷線、電動機短路狀態時，本保護器都會產生報警信號，輸入到直流伺服驅動器，使直流伺服系統及時得到保護。
權利要求
1.一種直流伺服系統保護裝置，其特徵是該裝置中包括測量直流伺服電動機(200)電樞電壓的電壓傳感器(110)，測量直流伺服電動機(200)電樞電流的電流傳感器(120)，檢測直流伺服電動機(200)速度反饋信號(310)的速度傳感器(300)，以及包括比例放大器、微分器、加法器、絕對值電路、允許誤差發生器和比較器的保護器(100)；電壓傳感器(110)與直流伺服電動機(200)的電樞繞組(210)和(220)相連，向保護器(100)輸出電壓採樣信號(111)，電流傳感器(120)串接在直流伺服電動機(200)的電樞繞組(220)或(210)上，向保護器(100)輸出電流採樣信號(121)，保護器同時檢測速度傳感器的速度採樣信號，並當發生故障和異常時，向直流伺服驅動器(400)輸出報警信號。
2.如權利要求1所述的直流伺服系統保護裝置，其特徵是其中的保護器(100)由幾個比例放大器(10)、(25)、(30)、(40)，一個微分器(20)、一個加法器(50)、一個取絕對值電路(60)，一個允許誤差發生器(70)以及一個比較器(80)組成；比例放大器1(10)、比例放大器3(30)、比例放大器4(40)的輸入端分別與電流傳感器(120)、速度傳感器(300)和電壓傳感器(110)相連，分別輸入電流採樣信號(121)、速度反饋信號(310)和電壓採樣信號(111)，它們的輸出端與加法器(50)相連；微分器(20)和比例放大器2(25)先後順序串接在電流傳感器和加法器(50)之間；取絕對值電路(60)的輸入端和輸出端分別與加法器(50)和比較器(80)的一個輸入端相連，允許誤差發生器(70)與比較器(80)的另一輸入端相連，比較器(80)的輸出端與直流伺服驅動器(400)相連。
3.如權利要求2所述的直流伺服系統保護裝置，其特徵是，電樞電流傳感器(120)的輸出信號KcI(121)經過比例放大器1(10)形成信號K1KcI(15)；電樞電流傳感器(120)的輸出信號KcI(121)經過微分器(20)和比例放大器2(25)形成信號K2Kc dI/dt(26)；電樞電壓傳感器(110)的輸出信號KvU(111)經過比例放大器3(30)形成信號K3KvU(35)；速度反饋信號KnE經過比例放大器4(40)形成信號K4KnE(45)，以上各信號滿足條件K1Kc＝K2Kc＝-K3Kv＝K4Kn。
4.如權利要求1所述的直流伺服系統保護裝置，其特徵是其中的電壓傳感器採用霍爾電壓傳感器(1110)，電流傳感器採用霍爾電流傳感器(1120)，與直流伺服電動機(1200)同軸安裝的速度傳感器採用測速發電機(1300)。
5.如權利要求1或4所述的直流伺服系統保護裝置，其特徵是在其保護器(1100)中運算放大器IC1構成跟隨器，其正相輸入端連接霍爾電流傳感器(1120)輸入電流採樣信號KcI(1121)，同時又通過電阻R1接地，電容器C1和電阻R2並聯，一端與IC1的輸出端相連，另一端與共同節點(1028)連接；測速發電機(1300)的輸出端輸出速度反饋信號(1310)通過電阻R4後與共同節點(1028)相連接；運算放大器IC2和電阻R5、R6構成反相放大電路，其反向輸入端通過電阻R5與霍爾電壓傳感器(1110)連接而輸入電壓採樣信號(1111)，同時反向輸入端通過電阻R6與輸出端相連，而正相輸入端接地，輸出端通過電阻R11與共同節點(1028)相連接；共同節點(1028)連接在反向器(1040)的輸入端，反向器(1040)中，運算放大器IC3的輸入端通過R7與其輸出端相連接，電容C2並聯在電阻R7兩端，IC3的正相輸入端接地；反向器(1040)的輸出端與絕對值電路(1060)的輸入端相連接，絕對值電路(1060)中，二極體D1的正端與電阻R8的一端相連，電阻R8的另一端連接在運算放大器IC4的反向輸入端，二極體的D2的正端與二極體D1的負端和IC3的輸出端連接，IC4的正相輸入端與二極體D2的負端相連並通過電阻R9接地，電阻R10連接在IC4的反向輸入端和輸出端之間；絕對值電路(1060)的輸出端與運算放大器IC5構成的比較器連接，IC5的正相輸入端與IC4的輸出端相連接，反向輸入端與電阻R12和R13的一端相連，電阻R12的另一端接地，電阻R13的另一端接正電源+Ec，運算放大器IC5的輸出端與直流伺服驅動器(1400)相連接輸出報警信號(1130)。
6.如權利要求5所述的保護裝置，其特徵是，霍爾電流傳感器(1120)輸出的電流採樣信號KcI(1121)經過電阻R1和運算放大器IC1後為R1KcI，經過電阻R2後形成電流R1KcI/R2(1015)；經過電容器C1後形成電流C1R1KcdI/dt(1010)；霍爾電壓傳感器(1110)輸出的電壓採樣信號KvU(1111)經過電阻R4、電阻R6、運算放大器IC2和電阻R11後形成電流一R6Kv1U/R5(1030)；速度反饋信號Kn1E(1310)經過電阻R4，形成電流信號Kn1E/R4(1020)，以上各信號滿足條件Kc/R2＝C1R1Kc＝R6Kv1/R5＝Kn1/R4。
全文摘要
直流伺服系統保護裝置,包括直流伺服電動機的電樞電壓傳感器、電樞電流傳感器、和與之相連接的具有運算和處理功能的保護器,並同時檢測直流伺服電動機的速度反饋信號。該保護裝置利用檢測直流伺服電動機的電樞電壓、電樞電流和轉速間的對應關係,對電動機的運行狀態進行監視,當直流伺服系統處於速度反饋接反、速度反饋斷線、電樞接反、電樞斷線、電動機短路狀態時,由保護器輸出報警信號,使直流伺服系統及時得到保護。
文檔編號H02P5/00GK1260630SQ98125860
公開日2000年7月19日 申請日期1998年12月22日 優先權日1998年12月22日
發明者張斌, 王時毅, 李耀華, 勝曉松, 左燕生 申請人:中國科學院電工研究所