基於微功耗單片機的高壓直流電機控制裝置和方法
2023-12-11 05:02:17
專利名稱：基於微功耗單片機的高壓直流電機控制裝置和方法
技術領域：
本發明涉及的基於微功耗單片機的高壓直流電機控制裝置和方法。
背景技術：
近年來，隨之智能控制系統的推廣，對物體的運動控制越來越多。如電力系統中對高壓的隔離刀閘的控制，軌道交通中對站臺屏蔽門的控制等等。但對於電力系統、軌道交通而言，其高壓直流電源的供電可靠性非常高，所以，其控制系統通常採用220V/110VDC供電。這樣，就要求所有的控制迴路均採用高壓直接控制。目前通常的解決方案是採用高壓，大容量的接觸器進行操作。該方案隨讓能滿足基本的操作，但存在接線複雜；頻繁操作帶來的接觸器的損壞，維護工作量大；其它的如監視、保護、防止過行程等功能無法實現。 目前大功率電子電機控制器件多為低壓控制，無法滿足高壓直接控制的需求。
發明內容
本發明目的是提供一種功能完善，可直接用於高壓電機控制的裝置和方法。—種基於微功耗單片機的高壓直流電機控制裝置，其特徵是由微功耗單片機構成控制單元、測量隔離刀閘狀態及位置、允許操作信號迴路模塊、開關量輸入模塊、高壓直流電機控制模塊、電機堵轉，短路檢測模塊、電機剎車模塊及電源模塊構成；測量隔離刀閘狀態及位置、允許操作信號迴路模塊輸入開關量輸入模塊、電機堵轉和短路檢測模塊、電機剎車模塊均接入控制單元，控制單元輸出接高壓直流電機控制模塊。基於微功耗單片機的高壓直流電機控制方法，其中，測量隔離刀閘狀態及位置、允許操作信號迴路模塊輸入開關量輸入模塊、電機堵轉和短路檢測模塊、電機剎車模塊均接入控制單元，控制單元輸出接高壓直流電機控制模塊；開關量輸入模塊將外部測量隔離刀閘狀態及位置、允許操作信號迴路、電機堵轉和短路檢測模塊、電機剎車模塊的輸入信號轉換、隔離成單片機能接受的開關量信號，作為閉環控制的反饋與監視。微功耗單片機作為控制裝置的核心單元，根據開關量的信號，操作的允許性，決定電機的操作策略；測量電機採樣迴路的電流大小測量電機採樣迴路的電流大小電機操作命令發出後，該單元將判斷電機執行機構是否按照預定的策略進行操作，如規定時間達到預期策略，將自動結束本次操作；如規定時間內未能達到預期策略，將自動撤銷本次操作，並給出告警信號；機構執行過程中，該單元將檢測電機堵轉、短路檢測模塊的信號，如信號有效，將快速斷開電機控制迴路，保護電機；
高壓直流電機控制模塊根據微功耗單片機發出的指令，驅動高壓電機的正、反轉操作；本模塊可以直接驅動高壓220VDC供電的直流電機；
電機堵轉、短路檢測模塊，本模塊在電機驅動時，監視流過電機迴路的電流，當流過的電流超過設定值時，給微功耗單片機單元發出信號，用於快速切斷電機控制迴路；為了確定堵轉電流的大小，在前期，我們通過採集電機迴路堵轉時的波形，選取一個點，在這點雖然發生堵轉，卻不致使絲杆受到損壞，此時電機迴路的工作電流即為最終確定的堵轉電流。即為堵轉電流設定值。電機剎車模塊，微功耗單片機在給電機發出停止指令後，由於電機的慣性，會繼續運轉，電機剎車模塊工作，將快速將電機停轉，達到保護機械結構的目的；
電源模塊為超寬範圍電源 模塊(可採用開關電源)，滿足10(T240VAC，24VDCT220VDC的供電範圍，為微功耗單片機供電。高壓直流電機控制模塊，採用大功率電力電子器件(IGBT)、保護器件(固體開關或可控矽或繼電器)及感性元件，確保電機的安全、可靠啟動與迴路的可靠運行。如果把伴有許多幹擾利用電感通直流阻交流的特點，濾除了電路中的峰值較大的交流信號。圖2高壓直流電機控制模塊，圖中當KlA及K4A導通時，電機為A向轉動；圖中K2A及K3A導通時，電機為B向轉動；迴路設置硬體及軟體A向B向轉動互鎖邏輯，當A向轉動時，B向關聯電路不能導通，當B向轉動時，A向關聯電路不能導通。電機剎車模塊，通過微功耗單片機進行輸入電壓Α/D變換，進行採集，根據輸入電壓的不同，利用PWM的控制，進行繼電器輸出的控制。其中電機的監視電流定值可以通過設定開關進行設定。在電機採樣迴路中加一個電流取樣電阻，通過測量取樣電阻上的電壓，可以監控電機迴路的電流大小。為了測量該迴路的電流大小，引入了一個比較器電路，當取樣電阻上的電壓超過設定的電壓時，切斷電機迴路，如圖3所示。本發明的有益效果是克服目前通常的解決方案是採用高壓，大容量的接觸器進行高壓電機操作控制的不足。本發明提供一種功能完善，可直接用於高壓電機控制的裝置和方法。本發明以微功耗單片機為核心，結合電動機驅動設備的狀態與位置信息，實行閉環控制。微功耗單片機與電力電子器件構成直流電機正、反轉的迴路結合，可以直接控制高壓(220/110VDC)大功率直流電機；電機監視迴路在電機堵轉、短路時，為微功耗單片機提供信息，快速切斷電機電源；電動機剎車迴路可以防止電機慣性導致行程過度的；超寬範圍供電的電源迴路可以滿足不同電壓等級的需求。該產品的可靠性高，應用範圍廣泛。
圖I是本發明的框圖，
圖2高壓直流電機控制模塊 圖3為電流設定迴路 圖4為電機剎車迴路 圖5直流防錯接迴路
具體實施例方式概言之，本發明涉及一種基於微功耗單片機的高壓直流電機控制裝置，其特徵是以為微功耗單片機為核心，結合電動機驅動設備的狀態與位置信息，實行閉環控制。微功耗單片機與電力電子器件構成直流電機正、反轉的迴路結合，可以直接控制高壓(220/110VDC)大功率直流電機；電機監視迴路在電機堵轉、短路時，為微功耗單片機提供信息，快速切斷電機電源；電動機剎車迴路可以防止電機慣性導致行程過度的；電源迴路採用超寬範圍供電的電源迴路，可以滿足不同電壓等級的需求。根據本發明的一個方面，基於微功耗單片機為核心的控制單元。由於電力系統或者站臺屏蔽門控制均要求滿足條件才能進行操作及電機操作後需要進行閉環控制。所以，微功耗單片機將完成各種邏輯與控制條件的判斷，當滿足控制條件電機操作時，電機操作命令發出後，該單元將判斷電機執行機構是否按照預定的策略進行操作，如規定時間達到預期策略，將自動結束本次操作；如規定時間內未能達到預期策略，將自動撤銷本次操作，並給出告警信號。機構執行過程中，該單元將檢測電機堵轉、短路檢測模塊的信號，如信號有效，將快速斷開電機控制迴路，保護電機。當系統判斷操作完成，需要提供剎車時，微功耗單片機將發出剎車命令。由於本發明採用超寬範圍供電模式，為控制繼電器的勵磁電壓，單片機將對工作電壓進行A/D採樣，根據採樣的電壓值進行PWM控制輸出，確保繼電器有效工作。根據本發明另一方面，開關量輸入模塊，完成外部的輸入信號轉換、隔離成單片機能接受的開關量信號，作為閉環控制的反饋與監視。·根據本發明的另一方面，高壓電機控制模塊，本模塊根據微功耗單片機發出的指令，執行高壓電機的正、反轉操作。本模塊可以直接驅動高壓220VDC供電的直流電機。本模塊採用高壓電力電子器件構成橋控制模式，從而可以控制直流電機的正、反轉控制。由於直流電機在啟動瞬間將可能產生非常大的勵磁湧流，如果設置不當將導致電力電子器件的損壞，故在迴路中設置了電感器件，與迴路匹配。電力系統中，對產品的電磁兼容性能有一個較高要求，所以，迴路的輸入端設置專門的電磁兼容處理迴路。由於直流電源存在極性問題，圖5直流防錯接迴路部分在輸入端設置防錯接迴路，可任意適應直流24V至220V，ACllOV、220V的輸入。單片機通過電阻分壓迴路採集輸入電壓，判斷輸入電壓的大小。直流電源正負極輸入端之間設有反向串聯起碼二隻的二極體，二隻二極體之間設有抽頭。根據本發明的另一方面，電機堵轉、短路檢測模塊，本模塊在電機驅動時，監視流過電機迴路的電流，當流過的電流超過設定值時，給微功耗單片機單元發出信號，用於快速切斷電機控制迴路。電機的監視電流值可以通過設定開關進行設定。根據本發明的另一方面，電機剎車模塊，微功耗單片機在給電機發出停止指令後，由於電機的慣性，會繼續運轉，電機剎車模塊將快速將電機停轉，達到保護機械結構的目的。單片機根據系統電壓的參數，進行計算，給出適合繼電器工作的PWM控制，通過控制PWM信號，產生5V的模擬信號，使繼電器動作，從而使電機可靠停止。根據本發明的另一方面，超寬範圍電源模塊，滿足10(T240VAC，24VDCT220VDC的供電範圍，為微功耗單片機供電。
權利要求
1.一種基於微功耗單片機的高壓直流電機控制裝置，其特徵是由微功耗單片機構成控制單元、測量隔離刀閘狀態及位置、允許操作信號迴路模塊，開關量輸入模塊、高壓直流電機控制模塊、電機堵轉，短路檢測模塊、電機剎車模塊及電源模塊構成；測量隔離刀閘狀態及位置、允許操作信號迴路模塊輸入開關量輸入模塊、電機堵轉和短路檢測模塊、電機剎車模塊均接入控制單元，控制單元輸出接高壓直流電機控制模塊。
2.基於微功耗單片機的高壓直流電機控制方法，其特徵是，設有測量隔離刀閘狀態及位置、允許操作信號迴路模塊輸入開關量輸入模塊、電機堵轉和短路檢測模塊、電機剎車模塊均接入控制單元，控制單元輸出接高壓直流電機控制模塊；開關量輸入模塊將外部測量隔離刀閘狀態及位置、允許操作信號迴路、電機堵轉和短路檢測模塊、電機剎車模塊的輸入信號轉換、隔離成單片機能接受的開關量信號，作為閉環控制的反饋與監視； 微功耗單片機作為控制裝置的核心單元，根據開關量的信號，操作的允許性，決定電機的操作策略；電機操作命令發出後，該單元將判斷電機執行機構是否按照預定的策略進行操作，如規定時間達到預期策略，將自動結束本次操作；如規定時間內未能達到預期策略，將自動撤銷本次操作，並給出告警信號；機構執行過程中，該單元將檢測電機堵轉、短路檢測模塊的信號，如信號有效，將快速斷開電機控制迴路，保護電機； 高壓直流電機控制模塊根據微功耗單片機發出的指令，驅動高壓電機的正、反轉操作；本模塊可以直接驅動高壓220VDC供電的直流電機； 電機堵轉、短路檢測模塊，模塊在電機驅動時，監視流過電機迴路的電流，當流過的電流超過設定值時，給微功耗單片機單元發出信號，用於快速切斷電機控制迴路； 電機剎車模塊，微功耗單片機在給電機發出停止指令後，由於電機的慣性，會繼續運轉，電機剎車模塊工作，將快速將電機停轉，達到保護機械結構的目的；電源模塊為超寬範圍電源模塊，滿足10(T240VAC，24VDCT220VDC的供電範圍，為微功耗單片機供電。
3.根據權利2所述的基於微功耗單片機的高壓直流電機控制方法，其中高壓直流電機控制模塊，採用大功率電力電子器件(IGBT)、保護器件(固體開關或可控矽或繼電器)及感性元件，確保電機的安全、可靠啟動與迴路的可靠運行。
4.根據權利要求2所述的基於微功耗單片機的高壓直流電機控制方法，其中電機剎車模塊，通過微功耗單片機進行輸入電壓A/D變換，進行採集，根據輸入電壓的不同，利用PWM的控制，進行繼電器輸出的控制。
5.根據權利要求2所述的基於微功耗單片機的高壓直流電機控制方法，其中電機的監視電流定值通過設定開關進行設定。
6.根據權利要求5所述的基於微功耗單片機的高壓直流電機控制方法，其特徵是在電機採樣迴路中加一個電流取樣電阻，通過測量取樣電阻上的電壓，可以監控電機迴路的電流大小。
7.根據權利要求6所述的基於微功耗單片機的高壓直流電機控制方法，其特徵是測量電機採樣迴路的電流大小，引入比較器電路，當取樣電阻上的電壓超過設定的電壓時，切斷電機迴路。
8.根據權利要求2述的基於微功耗單片機的高壓直流電機控制方法，其特徵是確定堵轉電流的大小的方法是，先通過採集電機迴路堵轉時的波形，選取一個點，在這點雖然發生堵轉，卻不致使絲杆受到損壞，此時電機迴路的工作電流即為最終確定的堵轉電流。
9.根據權利要求2述的基於微功耗單片機的高壓直流電機控制方法，其特徵是直流電源正負極輸入端之間設有反向串聯起碼二隻的二極體，二隻二極體之間設有抽頭。
10.根據權利要求2述的基於微功耗單片機的高壓直流電機控制方法，其特徵是單片機通過電阻分壓迴路採集輸入電壓，判斷輸入電壓的大小。
全文摘要
一種基於微功耗單片機的高壓直流電機控制裝置和方法，由微功耗單片機構成控制單元、測量隔離刀閘狀態及位置、允許操作信號迴路模塊，開關量輸入模塊、高壓直流電機控制模塊、電機堵轉，短路檢測模塊、電機剎車模塊及電源模塊構成；測量隔離刀閘狀態及位置、允許操作信號迴路模塊輸入開關量輸入模塊、電機堵轉和短路檢測模塊、電機剎車模塊均接入控制單元，控制單元輸出接高壓直流電機控制模塊。可以直接控制高壓(220/110VDC)大功率直流電機；電機監視迴路在電機堵轉、短路時，為微功耗單片機提供信息，快速切斷電機電源；電動機剎車迴路可以防止電機慣性導致行程過度的；超寬範圍供電的電源迴路可以滿足不同電壓等級的需求。
文檔編號H02P7/00GK102882452SQ201210337499
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月13日 優先權日2012年9月13日
發明者張熀松 申請人:南京澳德思電氣有限公司