模塊式直流電機調速器的製作方法
2023-10-08 10:26:34 1
專利名稱：模塊式直流電機調速器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於直流電機調速器，特別涉及一種模塊式結構的直流電機調速器。
現有的直流電機調速器一般由金屬箱體、安裝在箱體內的控制電路板及變壓器，安裝在箱體後部的功率元件(如可控矽等)以及安裝在箱體面板上的開關和調整元件組成，不追求體積、重量等指標，存在以下缺點及局限1.體積大、笨重，安裝使用不便；2.不能和被控直流電機組合為一體以實現機電一體化；3.在對多臺直流電機實現群控和聯動時，整個控制裝置更顯得龐大複雜。
中國專利ZL92227500.9指出了上述問題並提出了解決方案，其調速控制器採用無變壓器直耦式移相觸發電路，此種結構雖能減小體積，但卻存在以下不足1.由於電路結構和觸發方式的限制，無法獲得良好的低速特性；2.由於供電方式的限制，它不具備高低壓隔離功能，調速給定元件上帶有高壓，給使用帶來了不便；3.其適用範圍為微型或分馬力直流電機，應用範圍受到限制。
本實用新型的目的在於克服現有技術不足，提供一種模塊式直流電機調速器，它不僅體積小、重量輕，而且功能完善，應用範圍廣，安裝使用方便。
本實用新型的目的是通過電路及結構設計來實現的。特別是在結構布局上，本實用新型以一塊主印製板為核心，電源、控制及驅動電路的電子及電器元件的安放採用立體結構布局，以此構成模塊式直流電機調速器的主體部分，將調速器的主體部分封裝在一個裝有作為輸入和輸出控制信號用的航空插座、裝有用於連接調速器與電機和電源的接線端子並至少開有一個用於安放PID適配器的窗口及兩個用於調整堵轉電流和上限速度電位器的小孔的外殼中構成直流電機調速模塊。該模塊被固連在一個視被控對象的容量而選定的散熱器上。用於調節比例常數、積分常數及微分常數的元件被安裝在一塊裝有插針的印製板上構成PID適配器；在調速器主體部分與安放PID適配器的窗口相對應的地方裝有連接PID適配器的插座；PID適配器可經外殼的窗口處插入調速器主體部分上的PID適配器插座或拔出。視被控對象的容量選擇相應的驅動元件、散熱器及電流傳感方式，視被控對象的特性匹配PID適配器的各元件參數，本實用新型即可適用於各種不同容量的電機。
為了更好地實現發明目的，調速器的主體結構布局及其與外殼和散熱器的組裝最好採用以下方式1.印製板分為主印製板、接口板和備用功能擴展板，接口板和備用功能擴展板垂直安裝在主印製板背面的兩側。
2.電源變壓器嵌放在主印製板端部的方孔中；高度較高的元件貼近電源變壓器的端部安放於主印製板的背面；高度較低的元件安放在主印製板的正面，驅動元件安放在主印製板背面的剩餘空間中；接口元件(如與計算機接口的光電耦合器、與測速發電機接口的速度變換器等)安放在接口板上。
3.主體部分與外殼和散熱器組裝時，驅動元件的散熱面與外殼的底面平行且略高於外殼底面，驅動元件的散熱面與散熱器平整緊密地接觸。
本實用新型的具體結構及電路由以下的實施例及附圖給出。
圖1是根據本實用新型所提出的模塊式直流電機調速器的一種外形結構圖；圖2是根據本實用新型所提出的模塊式直流電機調速器主體部分的立體布局圖3是表明主體部分結構的主視圖；圖4是表明主體部分結構的側視圖；圖5是表明主體部分結構的俯視圖；圖6是PID適配器的一種結構圖；圖7是根據本實用新型所提出的模塊式直流電機調速器的一種電路框圖；圖8是比較觸發器中的觸發電路的一種電原理圖；圖9是電流變換器的一種電原理圖；圖10是電壓變換器的一種電原理圖；圖11是速度變換器的一種電原理圖；圖12是低壓直流電源的電原理圖。
以下結合
本實用新型的具體結構。
本實施例中的模塊式直流電機調速器，其外形結構如圖1所示；電源電路、控制電路及驅動電路中的電子電器元件以主印製板為核心形成的立體布局方式如圖2、圖3、圖4、圖5所示。外殼1為矩形盒，其上安裝有作為輸入和輸出控制信號用的航空插座3、連接調速器與電機及電源用的接線端子12、開有一個用於安放PID適配器的窗口2、兩個用於調整堵轉電流整定電位器DWQ1及上限速度整定電位器DWQ2的小孔11，外殼1連同封裝在其中的調速器主體部分與散熱器4組裝成一體。接口板7和備用功能擴展板8安裝在主印製板背面的兩側，電源變壓器10嵌放在主印製板端部的方孔中，高度較高的元件(如低壓直流電源中的電容C121、C122、C127、整流橋ZLQ等)貼近電源變壓器的端部安放於主印製板的背面，高度較低的元件安放在主印製板的正面，驅動元件9(可控矽或可控矽模塊)及用直徑2毫米的康銅絲製作的採樣電阻R0安放於主印製板背面的剩餘空間，與測速發電機TG接口的速度變換器安放在接口板上。外殼1及封裝在其內的調速器的主體在和散熱器4組裝時，使驅動元件9的散熱面與散熱器4平整緊密地接觸。PID適配器5的結構如圖6所示，它為一個集中安放調整電路比例常數積分常數和微分常數的元件的小板，其上帶有插針13，可以象一個厚膜集成電路一樣從外殼1的窗口2處插入調速器主體部分上的插座14或拔出。兩個用於調整堵轉電流和上限速度的電位器DWQ1、DWQ2安裝在調速器的主體上，並通過外殼上的小孔11進行調整。
本實施例為一單相不可逆多環自動調速系統，其電路結構框圖如圖7所示。該實施例包括低壓直流電源電路PW、控制電路及驅動電路。控制電路可根據被控對象的不同特徵包括給定積分器GI、速度調節器ST、速度變換器SB、電流電壓調節器LYT、電流變換器LB、電壓變換器YB、比較觸發器BC中的部分或全部；驅動電路為一個四單元半控橋模塊。
低壓直流電源電路的電原理圖如圖12所示。作為本實用新型的發明點，電源變壓器10上設置了一個獨立的輔助電源繞組用來為電流變換器LB供電，以實現隔離變換。
控制電路中，構成本實用新型特徵的電路結構及原理如下比較觸發器BC中的觸發電路的電原理圖如圖8所示，由NE555及電阻R81、R82，電容C81、C82、C，二極體D81等外圍電路和脈衝變壓器MB組成，NE555的輸出經電容C與脈衝變壓器MB耦合。由於電容C的作用，消除了觸發電路帶給電源的附加直流損耗，並使加到可空矽SCR觸發極的信號變成尖脈衝，在保證可控矽SCR所需觸發能量的同時降低了觸發電路的功耗。實驗表明，採用上述電路後，可用導磁率為4000、外徑Φ10毫米、內徑Φ6毫米、高5毫米的磁環製作脈衝變壓器，脈衝變壓器的初級約為100匝，次級約為30匝，觸發電路的平均工作電流小於30毫安，卻能可靠地觸發100安的可控矽。將脈衝變壓器MB靠近被其觸發的可控矽的控制極粘結封固並將其輸出端焊接到可控矽的控制極上，可使觸發極具有極高的抗幹擾能力且脈衝變壓器MB不佔據印製板空間。
電流變換器LB的電原理圖如圖9所示，它由輔助電源電路、採樣電阻R0及信號放大和處理電路組成。電源變壓器(10)上的獨立輔助電源繞組的輸出經二極體D91、電容C91、電阻R91、穩壓管WD91、WD92組成的輔助電源電路產生正負電源向信號放大和處理電路供電；信號放大和處理電路由放大器Q91B、比較器Q91A、光電耦合器Q92A、Q92B及外圍電阻電容組成。
採樣電阻R0串聯在電樞迴路中，R0兩端與電樞電流成正比的電壓信號經放大器Q91B放大後通過光電耦合器Q92A向電流電壓調節器LYT提供電流正反饋信號和限制堵轉電流的負反饋信號，堵轉電流的值由電位器DWQ1經外殼上的小孔11設定，負電源經過電阻R98、R99分壓後向光電耦合器Q92A的輸入端提供一個平衡其二極體正向壓降的負偏置電壓，以消除電流反饋的死區電壓，避開光電耦合器在小電流工作時的非線性。
當被控直流電機經輔助換向電路實現雙向運行時，電壓比較器Q91A的輸出信號經光電耦合器Q92B隔離後向輔助換向開關電路提供一個用以實現「零」電流換向的「控制開關」，當電樞電流大於一定值時禁止換向電路切換，輔助換向開關的下限切換電流由電阻R95和R96的比例決定。當本實用新型的電路及結構用於大中容量系統時，可用霍爾電流變換器對電樞電流進行採樣，其屬常規技術。
電壓變換器YB的電原理圖如圖10所示。電壓變換器YB由隔離採樣電路和信號緩衝電路組成。信號緩衝電路由運算放大器Q102A、電容C101、電阻R102、R104組成；隔離採樣電路由光電耦合器Q101A、Q101B、電阻R101、R103組成。光電耦合器Q101A和Q101B的輸入端反向並聯。電樞電壓經電阻R101轉換成光電耦合器的輸入電流，與光電耦合器的輸入電流成比例的輸出電流經R103轉換成輸出電壓信號，該輸出電壓信號經運算放大器Q102緩衝後作為電壓負反饋信號送到控制電路的電流電壓調節器LYT。
速度變換器SB的電原理圖如圖11所示。速度變換器SB採用了一種由運算放大器構成的精密整流電路，這樣可實現不依賴電機旋轉方向的速度負反饋，且可消除普通二極體整流所引起的反饋電壓死區。測速發電機TG的輸出信號經速度變換器SB變換後送給速度調節器ST，調速器的上限速度由電位器DWQ1經外殼上的小孔11設定。
框圖中的給定積分器GI、速度調節器ST、電流電壓調節器LYT等相關電路為常規技術。
本實施例所給出的模塊式直流電機調速器的體積在不含散熱器時為50毫米×75毫米×100毫米；適當選擇驅動元件，其適應功率範圍為數十瓦至數千瓦；調速比可達100∶1；堵轉電流及上限速度可經外殼1上的小孔通過調節相應的電位器而任意設定。
本實施例中的比較觸發器BC中的觸發電路、電流變換器LB、電壓變換器YB和速度變換器SB的具體電路結構還可用於單相可逆多環自動調速系統及其它類型的直流調速系統中。
驅動元件採用三相全控或半控橋模塊，利用本實施例中的結構及電路組合，本實用新型還適用於三相可逆及不可逆多環自動調速系統。
採用以單片機為核心的控制電路和本實用新型所提出的結構布局及相關電路組合，本實用新型還可構成模塊式智能數字直流電機調速器。
本實用新型所提出的模塊式直流電機調速器同樣適用於調壓、調功等場合，例如可用於控溫加熱系統、滑差電機調速等。
本實用新型不限於上述實施例；其保護範圍由權利要求書確定。
本實用新具有以下優點1.電源、控制及驅動電路採用立體結構布局，有效地利用了空間減小了體積。
2.觸發電路的結構增加了觸發可靠性，降低了觸發電路的功耗，為電源變壓器和脈衝變壓器的小型化奠定了基礎；脈衝變壓器的安裝方式增強了可控矽控制極的抗幹擾能力，且不佔據印製板空間。
3.採用光電耦合器實現電流和電壓的隔離變換，簡化了電路結構，減小了體積、降低了成本。
4.採用精密整流電路作速度變換器，可實現不依賴電機旋轉方向的速度負反饋並消除了普通二極體整流所引起的反饋電壓死區，增加了調速器與各類測速發電機接口的靈活性。
5.將需要依據被控對象而調整的元件統一安裝在PID適配器上，增加了調試靈活性及調速器的通用性，簡化了調速器的製作工藝。
6.體積小(普通直流電機調速器的1/5-1/10)，重量輕(普通直流電機調速器的1/10-1/20)；可獨立使用，又可直接安裝在直流電機上構成一種全功能一體化直流調速電機。
權利要求1.一種模塊式直流電機調速器，包括電源電路、控制電路、驅動電路、外殼(1)，其特徵在於還包括調整電路比例常數、積分常數和微分常數用的PID適配器(5)及散熱器(4)，外殼上裝有作為輸入和輸出控制信號用的航空插座(3)及連接電機與電源用的接線端子(12)，至少開有一個安放PID適配器的窗口(2)和兩個用於調整堵轉電流整定電位器DWQ1和調整上限速度整定電位器DWQ2的小孔(11)，各電路中的電子及電器元件圍繞著印製板形成立體結構布局構成調速器的主體部分，將主體部分封裝在外殼(1)中構成直流電機調速模塊，該模塊與散熱器(4)固連，PID適配器(5)從外殼(1)的窗口(2)處插入安裝在調速器主體部分的連接插座14上或拔出。
2.根據權利要求1所述的模塊式直流電機調速器，其特徵在於安放電子及電器元件的印製板包括主印製板(6)及垂直安裝在主印製板背面兩側的接口板(7)和備用功能擴展板(8)，電子及電器元件的布局方式如下電源變壓器(10)嵌放在主印製板端部的方孔中，高度較高的元件貼近電源變壓器的端部安放於主印製板背面，高度較低的元件安放在主印製板正面，驅動元件(9)安放在主印製板背面的剩餘空間，接口元件安放在接口板(7)上。
3.根據權利要求2所述的模塊式直流電機調速器，其特徵在於外殼(1)、封裝在其內的調速器的主體部分以及散熱器(4)之間的組裝方式為驅動元件(9)的散熱面與外殼(1)的底面平行且略高於外殼底面，驅動元件(9)的散熱面與散熱器(4)平整緊密地接觸。
4.根據權利要求1或2或3所述的模塊式直流電機調速器，其特徵在於可視被控對象的特點在控制電路中包括給定積分器(GI)、速度調節器(ST)、速度變換器(SB)、電流變換器(LB)、電壓變換器(YB)、電流電壓調節器(LYB)和比較觸發器(BC)中的部分或全部等，比較觸發器(BC)中的觸發電路由NE555及電阻R81、R82，電容C81、C82、C，二極體D81及脈衝變壓器(MB)組成，NE555的輸出經過電容C與脈衝變壓器(MB)耦合，電流變換器(LB)包括輔助電源電路，採樣電阻R0及信號放大和處理電路，輔助電源電路由二極體D91、電容G91、電阻R91、二極體WD91、WD92組成，電源變壓器(10)上的一個獨立輔助電源繞組的輸出經上述電子元件產生正負電源向信號放大和處理電路供電，信號放大和處理電路由放大器Q91B、比較器Q91A、光電耦合器Q92A、Q92B及其外圍電阻電容組成，採樣電阻R0串聯在電樞迴路中，R0兩端與電樞電流成正比例的電壓信號經放大器Q91B放大後通過光電耦合器Q92A向電流調節器提供電流正反饋信號和限制堵轉電流的負反饋信號，負電源經電阻R98、R99分壓後向光電耦合器Q92A的輸入端提供一個平衡其二極體正向壓降的負偏置電壓，以消除電流反饋的死區電壓並避開光電耦合器在小電流工作時的非線性，當被控直流電機經輔助換向電路實現雙向運行時，比較器Q91A的輸出經光電耦合器Q92B隔離後向輔助換向開關電路提供一個用以實現「零」電流換向的「控制開關」，當電樞電流大於一定值時，禁止換向電路切換，輔助換向開關的下限切換電流由電阻R95和R96的比例決定，電壓變換器(YB)包括信號緩衝電路和隔離採樣電路，信號緩衝電路由運算放大器Q102A、電容C101、電阻R102、R104組成，隔離採樣電路由光電耦合器Q101A、Q101B、電阻R101、R103組成，光電耦合器Q101A和Q101B的輸入端反向並聯，電樞電壓經電阻R101轉換為光電耦合器的輸入電流，與光電耦合器輸入電流成比例的輸出電流經電阻R103轉換成輸出電壓信號，該輸出電壓信號經運算放大器Q102A緩衝後作為電壓負反饋信號送到控制電路的電流電壓調節器LYT，速度變換器(SB)採用精密整流電路，上限速度由電位器DWQ2經外殼1上的小孔11設定。
5.根據權利要求4所述的模塊式直流電機調速器，其特徵在於比較觸發器(BC)的觸發電路中的脈衝變壓器(MB)靠近被其觸發的驅動元件的控制極粘結封固並將其輸出端焊接到驅動元件的控制極上。
專利摘要一種模塊式直流電機調速器，集電源、控制、驅動電路於一體，採用立體結構布局，控制電路採用微功耗元件，用光電耦合器實現電流、電壓的隔離變換，電路的比例常數、積分常數和微分常數用PID適配器調整。該調速器體積小、重量輕，可單獨使用也可直接安裝在直流電機上構成一體化直流調速電機，可具有調速器所應有的一切功能。
文檔編號H02P7/285GK2265630SQ9623299
公開日1997年10月22日 申請日期1996年4月18日 優先權日1996年4月18日
發明者王富元 申請人:王富元, 中國科學院成都分院知力科技開發公司