專利名稱：一種交直流兩用電機(jī)控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電機(jī)數(shù)字控制和電力電子技術(shù)領(lǐng)域范疇，特別涉及一種基于微控制器 的電子交直流兩用電機(jī)控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
高壓供配電系統(tǒng)中控制回路一般有DC220V，DC110V, AC220V, ACllOV幾種不同的 電制，為了兼容交流和直流不同的電制，動作執(zhí)行機(jī)構(gòu)中廣泛采用交直流兩用電機(jī)作為執(zhí) 行部件，用于推動高壓開關(guān)動作實(shí)現(xiàn)高壓開關(guān)的分閘與合閘。交直流兩用電機(jī)實(shí)質(zhì)上是一 種串勵直流電機(jī)，它將直流電機(jī)的勵磁(定子)繞組和電樞(轉(zhuǎn)子)繞組串聯(lián)在一起，使得電 機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向只與兩繞組連接的同名端順序有關(guān)，而與供電電壓的正負(fù)無關(guān)。所以這種電 機(jī)既可以由交流電源供電運(yùn)行也可以由直流電源供電運(yùn)行。同時，這種電機(jī)還具有適于重 載啟動的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前對此交直流兩用電機(jī)通常采用繼電器和接觸器等構(gòu)成的繼電器邏輯電路實(shí) 現(xiàn)啟動、制動、正反轉(zhuǎn)等控制，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，接線較多，占用空間大，而且繼電器和接 觸器開關(guān)時會產(chǎn)生很大的電弧和電火花，電磁干擾嚴(yán)重，壽命受到繼電器觸點(diǎn)壽命的極大 制約。并且，繼電器控制方式只能完成簡單的開關(guān)控制，難以實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動、無級調(diào)速等 復(fù)雜功能，使得交直流兩用電機(jī)的應(yīng)用范圍難以進(jìn)一步擴(kuò)展。

發(fā)明內(nèi)容
隨著技術(shù)的發(fā)展，特別是電力電子技術(shù)和微處理器技術(shù)的發(fā)展，以電力電子器件 作為無觸點(diǎn)可控開關(guān)構(gòu)成控制主電路，以數(shù)字微處理器作為控制核心，組成的基于微控制 器的電子式交直流兩用電機(jī)控制系統(tǒng)，可使得在保證控制系統(tǒng)原有使用性能和所需技術(shù)參 數(shù)的同時，大大提高系統(tǒng)的使用壽命，消除開關(guān)電弧和火花，減小體積，并且可以提供全數(shù) 字通信的現(xiàn)場總線接口，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線遠(yuǎn)程監(jiān)控。因此，在高壓供配電系統(tǒng)的控制回路中， 可用此電子交直流兩用電機(jī)控制系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)。并且，電子交直流兩用 電機(jī)控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動、無級調(diào)速等復(fù)雜功能，可使交直流兩用電機(jī)應(yīng)用擴(kuò)展到 更多領(lǐng)域。本發(fā)明所要求解決的技術(shù)問題可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)
一種交直流兩用電機(jī)控制系統(tǒng)，包括主電路部分，IGBT驅(qū)動和保護(hù)電路部分，控制核心 部分，開關(guān)指令信號接口部分，運(yùn)行狀態(tài)輸出部分；所述開關(guān)指令信號接口部分、運(yùn)行狀態(tài) 輸出部分和控制核心部分連接，所述控制核心部分又依次連接IGBT驅(qū)動和保護(hù)電路部分、 主電路部分，最終連接到交直流兩用電機(jī)上；其特征在于，所述主電路部分包括一單相全波 整流橋和一連在單相全波整流橋之后的交直流兩用電機(jī)控制拓?fù)渲麟娐?；所述單相全波?流橋包含四個整流功率二極管，第一整流功率二極管和第三整流功率二極管正負(fù)極串聯(lián)， 第二整流功率二極管和第四整流功率二極管正負(fù)極串聯(lián)，第一整流功率二極管正極和第二 整流功率二極管負(fù)極連接，第三整流功率二極管負(fù)極和第四整流功率二極管正極連接，外部電源的正負(fù)極分別連在第一整流功率二極管和第三整流功率二極管之間以及第二整流 功率二極管和第四整流功率二極管之間；所述交直流兩用電機(jī)控制拓?fù)渲麟娐钒ㄎ鍌€ IGBT、三個功率二極管和一個繼電器，第一 IGBT作為電機(jī)供電電源總開關(guān)，其集電極連接 第一整流功率二極管和第二整流功率二極管負(fù)極，發(fā)射極分別連接交直流兩用電機(jī)電樞的 一端和第三功率二極管的負(fù)極，第一功率二極管正極和第二功率二極管負(fù)極均連接電樞的 另一端，第二功率二極管和第三功率二極管正極都與第三整流功率二極管和第四整流功率 二極管的正極連接，第二 IGBT的發(fā)射極和第四IGBT的集電極連接，第三IGBT的發(fā)射極和 第五IGBT的集電極連接，第二 IGBT的集電極和第三IGBT的集電極都與第一功率二極管負(fù) 極連接，第四IGBT和第五IGBT的發(fā)射極都和第二功率二極管、第三功率二極管的正極以及 第三整流功率二極管、第四整流功率二極管的正極連接，第一功率二極管的負(fù)極還連接制 動電阻的一端，制動電阻的另一端與繼電器觸點(diǎn)一端連接，繼電器觸點(diǎn)另一端連接在第一 IGBT的發(fā)射極上，發(fā)電機(jī)的勵磁繞組的兩端分別接在第二 IGBT和第四IGBT之間以及第三 IGBT和第五IGBT之間。所述IGBT驅(qū)動和保護(hù)電路部分包括兩個光耦，一個IGBT封鎖邏輯門電路芯片。微 控制器的的IGBT觸發(fā)端口連接IGBT封鎖邏輯門電路芯片的一個輸入端，其另一個輸入端 與第二光耦的光敏器件連接，其輸出連接第一光耦的發(fā)光器件，實(shí)現(xiàn)IGBT硬件過流保護(hù)， 第二光耦的光敏器件還接至微控制器外部中斷端口，以將IGBT過流信號傳到微控制器，實(shí) 現(xiàn)軟件過流保護(hù)處理。所述交直流兩用電機(jī)控制系統(tǒng)還包括現(xiàn)場總線通信接口，所述現(xiàn)場總線通信接口 一端連接微處理器，另一端連接系統(tǒng)外部現(xiàn)場總線，用于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線通信。所述交直流兩用電機(jī)控制系統(tǒng)還包括轉(zhuǎn)速反饋接口，所述轉(zhuǎn)速反饋接口 一端與微 處理器連接，另一端連接系統(tǒng)外部表達(dá)轉(zhuǎn)速信息的增量型轉(zhuǎn)速傳感器，用于控制交直流兩 用電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。。本發(fā)明以數(shù)字微處理器為控制核心，以電力電子器件IGBT為開關(guān)構(gòu)成主電路，以 外部開關(guān)信號或現(xiàn)場總線接口接收控制指令，通過數(shù)字微處理器實(shí)時控制主電路各IGBT 的開關(guān)狀態(tài)，改變連接電機(jī)的主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和啟制動控制。通過對 IGBT開關(guān)實(shí)施脈寬調(diào)制(PWM)實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制。對于需要轉(zhuǎn)速閉環(huán)的交直流兩用電機(jī)控制， 系統(tǒng)還提供轉(zhuǎn)速反饋接口，用于轉(zhuǎn)速檢測，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)功能。對于簡單的開環(huán)控制此部分功能 不使用。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成框圖如圖1所示。由于交直流兩用電機(jī)可以采用交直流不同的供電方式運(yùn)行，為了對交流和直流供 電采用同樣的電路結(jié)構(gòu)和控制方法，本控制系統(tǒng)采用全波整流橋把不同的外部交直流供電 方式先統(tǒng)一為內(nèi)部的直流供電再來進(jìn)行后續(xù)處理。這為本系統(tǒng)兼容交流與直流供電方式這 一特色和優(yōu)點(diǎn)提供了簡單但非常有效的解決方案。由于采用了如上的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下特點(diǎn)在保證控制 系統(tǒng)原有使用性能和所需技術(shù)參數(shù)的同時，大大提高系統(tǒng)的使用壽命，消除開關(guān)電弧和火 花，減小體積，并可實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動、無級調(diào)速等復(fù)雜功能，還可以提供全數(shù)字通信的現(xiàn)場 總線接口，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線遠(yuǎn)程監(jiān)控。采用本電子交直流兩用電機(jī)控制系統(tǒng)可使交直流兩用 電機(jī)應(yīng)用擴(kuò)展到更多領(lǐng)域。


圖1為交直流兩用電機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成框圖。圖2為交直流兩用電機(jī)勵磁繞組和電樞繞組兩端按一種同名端順序連接時電機(jī) 轉(zhuǎn)向示意圖。圖3為改變圖2所示交直流兩用電機(jī)勵磁繞組和電樞繞組同名端連接順序時電機(jī) 轉(zhuǎn)向示意圖。圖4為交直流兩用電機(jī)控制系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)圖。圖5為交直流兩用電動機(jī)控制系統(tǒng)主電機(jī)構(gòu)成的等效制動回路示意圖。圖6為IGBT的驅(qū)動和保護(hù)電路圖。圖7為交直流兩用電機(jī)控制系統(tǒng)軟件的總體流程圖。圖8為轉(zhuǎn)速開環(huán)不調(diào)速型交直流兩用電機(jī)控制系統(tǒng)電機(jī)控制有限狀態(tài)機(jī)。圖9為轉(zhuǎn)速開環(huán)調(diào)速型交直流兩用電機(jī)控制系統(tǒng)電機(jī)控制有限狀態(tài)機(jī)。圖10為轉(zhuǎn)速閉環(huán)型交直流兩用電機(jī)控制系統(tǒng)電機(jī)控制有限狀態(tài)機(jī)。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié) 合具體圖示，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。本發(fā)明以電力電子器件為主體構(gòu)成交直流兩用電機(jī)控制系統(tǒng)的主電路，通過對主 電路中不同電力電子開關(guān)進(jìn)行通斷控制，實(shí)現(xiàn)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)根據(jù)電機(jī)不同的工作狀態(tài)動態(tài)變 化，實(shí)現(xiàn)對交直流兩用電機(jī)的控制。交直流兩用電機(jī)的控制包括旋轉(zhuǎn)方向(正反轉(zhuǎn))控制、起制動控制和調(diào)速控制。在 動作機(jī)構(gòu)中用作伺服應(yīng)用的的交直流兩用電機(jī)制動一般采用能耗制動方式，故本控制系統(tǒng) 設(shè)計為能耗制動方式。交直流兩用電機(jī)實(shí)質(zhì)上是既可以用在直流供電場合也可以用在交流供電場合的 串勵直流電機(jī)，其勵磁(定子)繞組和電樞(轉(zhuǎn)子)繞組串聯(lián)在一起工作。當(dāng)勵磁繞組和電樞 繞組連接關(guān)系不變，而只有供電電流方向變化時，勵磁繞組的磁場與電樞中的電流同時改 變方向，這樣電樞繞組所受力的方向不變，所以旋轉(zhuǎn)方向也不變。故交直流兩用電機(jī)(串勵 直流電機(jī))的轉(zhuǎn)向只取決于勵磁和電樞兩套繞組的同名端連接順序，與供電的正負(fù)方向無 關(guān)。當(dāng)勵磁繞組和電樞繞組兩端按一種同名端順序連接，電機(jī)轉(zhuǎn)向定義為正向，而當(dāng)兩繞組 改變同名端相對連接順序，電機(jī)轉(zhuǎn)向定義為反向，如圖2、圖3所示。交直流兩用電機(jī)的能耗制動以制動電阻消耗轉(zhuǎn)子動能從而及時制動停車。交直流 兩用電機(jī)(串勵直流電機(jī))能耗制動采用自勵方式，制動時切斷電機(jī)供電，并將電樞繞組(或 勵磁繞組)的兩端對調(diào)，使勵磁繞組和電樞繞組的同名端順序反置，并與制動電阻串接成制 動回路。這樣勵磁繞組電流和電樞繞組電流方向相對運(yùn)行時相反，轉(zhuǎn)子在勵磁繞組磁場中 受到阻礙其轉(zhuǎn)動的電磁力矩作用而進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)釋放動能，迅速制動。如果不使兩繞組改 變同名端連接順序，則轉(zhuǎn)子在勵磁繞組磁場中依然受到幫助其轉(zhuǎn)動的電磁力矩作用，使得 其無法進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)實(shí)現(xiàn)能耗制動。本控制系統(tǒng)的主電路中在電源接入后首先采用單相全波整流橋，這樣在交流供電
5時交流電經(jīng)過整流橋變?yōu)橹绷鞴╇?，直流供電時電源連接可不分正負(fù)極性。為實(shí)現(xiàn)上述交直流兩用電機(jī)控制的基本功能，本控制系統(tǒng)設(shè)計有簡單而巧妙的主 電路。如圖4所示。主電路在電源接入處首先采用第一整流功率二極管D01、第二整流功率二極管 D02、第三整流功率二極管D03、第四整流功率二極管D04構(gòu)成單相全波整流橋，把外部交直 流不同的供電統(tǒng)一為內(nèi)部的直流供電。當(dāng)外部供電為交流時，此整流橋?qū)⑵渥優(yōu)橹绷鬏敵?到后續(xù)電路。此整流橋后的直流母線上沒有像其他通常整流應(yīng)用那樣接入大電容濾波。其 原因是接入大電容濾波后，如果供電交流電壓為電機(jī)額定電壓，直流輸出電壓會超過該額 定值很多，這可能導(dǎo)致電機(jī)因電壓過高而燒壞。當(dāng)外部供電為直流時整流橋直接將外部供 電接入內(nèi)部，不改變原來的供電特性。并且采用了整流橋，在直流供電時還有一個好處是外 部直流電源連接無需關(guān)心正負(fù)極性，任何一端為正都不影響內(nèi)部供電的極性。整流橋后面是基于直流供電方式的交直流兩用電機(jī)控制拓?fù)渲麟娐?。其中，第?IGBT Tl作為電機(jī)供電電源總開關(guān)，第二 IGBT T2、第三IGBT T3、第四IGBT T4、第五IGBT T5按照一定規(guī)律導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)電機(jī)勵磁繞組1和電樞2的不同同名端連接順序。當(dāng)控制第一 IGBT Tl、第二 IGBT T2、第五IGBT T5導(dǎo)通，而第三IGBT T3、第四 IGBT T4關(guān)閉，同時繼電器Kl輸出開路時，供電電流串行流經(jīng)第一 IGBT Tl、電樞2、第一功 率二極管D1、第二 IGBT T2、勵磁繞組1和第五IGBT T5，并且在電樞2中電流從Al端流入 A2端流出，在勵磁繞組1中電流從Il端流入12端流出，此時主電路的等效連接電路如圖 2，此時交直流兩用電機(jī)正向運(yùn)轉(zhuǎn)。第二功率二極管D2、第三功率二極管D3承受反向電壓均 處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)控制第一 IGBT Tl、第三IGBT T3、第四IGBT T4導(dǎo)通，而第二 IGBT T2、第五IGBT T5關(guān)閉，同時繼電器Kl輸出開路時，供電電流串行流經(jīng)第一 IGBT Tl、電樞2、第一功率二極 管D1、第三IGBT T3、勵磁繞組1和第四IGBT T4，并且在電樞2中電流從Al端流入A2端流 出，在勵磁繞組1中電流從12端流入Il端流出，此時主電路的等效連接電路如圖3，此時交 直流兩用電機(jī)反向運(yùn)轉(zhuǎn)。第二功率二極管D2、第三功率二極管D3承受反向電壓均處于截止 狀態(tài)。當(dāng)交直流兩用電機(jī)處于正向運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時，如果控制第一 IGBT Tl關(guān)閉，則電機(jī)首先 與供電電源斷開，由于轉(zhuǎn)子此時仍在轉(zhuǎn)動，電樞2上形成Al端為正A2端為負(fù)的電動勢，如 果此時不改變其他IGBT原來的開關(guān)邏輯狀態(tài)，但控制繼電器Kl閉合，則由電樞電動勢產(chǎn) 生的電流先后流經(jīng)制動電阻3、第二 IGBT T2、勵磁繞組1、第五IGBT T5和第二功率二極管 D2，返回A2端。此時，在電樞2中電流從Al端流出A2端流入，在勵磁繞組1中電流從Il 端流入12端流出，兩者的電流方向相對于正轉(zhuǎn)運(yùn)行時正好相反，轉(zhuǎn)子在勵磁繞組1磁場中 受到阻礙其轉(zhuǎn)動的電磁力矩作用而進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)釋放動能，交直流兩用電機(jī)迅速從正轉(zhuǎn)狀 態(tài)進(jìn)入制動狀態(tài)，最終停車。此電流回路構(gòu)成正向制動回路，主電路的等效連接電路如圖5 所示。此時由于第一功率二極管Dl負(fù)極電壓高于正極電壓，所以處于截止?fàn)顟B(tài)，而第二功 率二極管D2與之相反處于導(dǎo)通狀態(tài)連通制動回路。同理，當(dāng)串勵直流電機(jī)處于反向運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時，如果控制第一 IGBT Tl關(guān)閉，其他 IGBT狀態(tài)與反轉(zhuǎn)時相同，第三IGBT T3、第四IGBT !"4導(dǎo)通，第二 IGBT T2、第五IGBT T5關(guān) 閉，同時控制繼電器Kl閉合，則主電路可構(gòu)成反向制動回路使交直流兩用電機(jī)迅速從反轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)入制動狀態(tài)，最終停車。停車狀態(tài)時只要一直保持第一 IGBT Tl關(guān)閉即可。對電機(jī)的調(diào)速控制通過對主電路第一 IGBT Tl開關(guān)以脈寬調(diào)制(PWM)方式進(jìn)行高 頻開關(guān)控制，使第一 IGBT Tl的輸出平均值(即加在交直流兩用電機(jī)上的電壓)為第一 IGBT Tl前面直流電壓乘以脈寬調(diào)制的占空比。占空比越小，加在電機(jī)上的平均電壓也就越小， 電機(jī)轉(zhuǎn)速越低，極端情況占空比為零，則第一 IGBT Tl完全關(guān)斷，沒有電壓加在電機(jī)上，電 機(jī)不轉(zhuǎn)；占空比越大，加在電機(jī)上的平均電壓也就越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，極端情況占空比為 100%，則第一 IGBT Tl—直開通，全部直流電壓加在電機(jī)上，電機(jī)以最高轉(zhuǎn)速運(yùn)行。因此，改 變控制第一 IGBT Tl的占空比即實(shí)現(xiàn)對電機(jī)以調(diào)壓方式調(diào)速。當(dāng)控制系統(tǒng)在對交直流兩用電機(jī)進(jìn)行啟動時，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速很小，其電樞中的反 電動勢也就很小，所以啟動電流很大，可能燒毀IGBT。為了減小啟動電流的沖擊，對第一 IGBT Tl并不是立即以全速下的占空比進(jìn)行脈寬調(diào)制開關(guān)控制，即不是立即把全速時的電 壓加在電機(jī)上，而是先從極低的占空比開始實(shí)施脈寬調(diào)制控制，并隨著轉(zhuǎn)速上升，逐步加 大，最終達(dá)到全速下的占空比，進(jìn)入全速運(yùn)行狀態(tài)。這樣實(shí)現(xiàn)交直流兩用電機(jī)的軟啟動功 能。此交直流兩用電機(jī)控制系統(tǒng)的主電路是實(shí)施交直流兩用電機(jī)控制的基礎(chǔ)，系統(tǒng)其 他部分無論采用什么型式，什么軟件算法和控制策略都是基于該主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu) 的動態(tài)變化。此主電路中所采用的IGBT在某些場合也可由其他電力電子開關(guān)器件取代，但 本質(zhì)和作用都沒有差別。IGBT的控制信號由微處理器以開關(guān)量方式給出，為保證弱電部分的安全可靠，控 制電路與主電路需要在電氣上進(jìn)行隔離，故控制信號經(jīng)過光耦1、觸發(fā)保護(hù)芯片3對IGBT 進(jìn)行隔離驅(qū)動觸發(fā)，如圖6所示。由于P溝道IGBT —般耐壓和功率都很小，而N溝道IGBT 用于電壓較高、功率較大的場合，故為適應(yīng)不同場合應(yīng)用，本系統(tǒng)的主電路IGBT均采用N溝 道類型。這樣，各N溝道IGBT所處的位置決定了隔離驅(qū)動觸發(fā)器的“地”不相同，而且隨著 IGBT的開關(guān)其“地”處于不斷浮動變化中，所以隔離驅(qū)動觸發(fā)的供電應(yīng)有自由浮動的輸出 端，本系統(tǒng)采用具有不同輸出的隔離電源實(shí)現(xiàn)，其中第一 IGBT Tl、第二 IGBT T2、第二 IGBT T3驅(qū)動供電各采用一路獨(dú)立的隔離輸出，第四IGBT T4、第五IGBT T5發(fā)射極連接在一起而 具有相同的地，所以共用一路獨(dú)立的隔離輸出，這樣保證了主電路IGBT在任何開關(guān)占空比 下都能可靠觸發(fā)。IGBT之類的電力電子開關(guān)在過流時非常容易燒壞，所以要對IGBT需要進(jìn)行過流 保護(hù)。因?yàn)镮GBT在電機(jī)處于通電運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時才可能過流，而此時從系統(tǒng)主電路來看，第一 IGBT Tl與其他IGBT在導(dǎo)通時形成串聯(lián)關(guān)系，且第一 IGBT Tl起到總開關(guān)作用，流經(jīng)所有導(dǎo) 通的IGBT電流均相同，故系統(tǒng)中所采用的IGBT都可以選擇為同樣規(guī)格。IGBT正常工作時 處于飽和狀態(tài)，其集電極C和發(fā)射極E間的電壓VCE很小，而當(dāng)IGBT過流時，會退出飽和， VCE增大到超過一個固定電壓值(一般為6. 5V)。本系統(tǒng)的IGBT保護(hù)由過流檢測和保護(hù)實(shí) 施兩部分實(shí)現(xiàn)。過流檢測采用判斷VCE是否超過6. 5V來實(shí)現(xiàn)。但VCE超過6. 5V有兩種情 況導(dǎo)通時過流，或處于關(guān)斷狀態(tài)。所以，判斷過流與否還要看IGBT是否處于導(dǎo)通狀態(tài)，這 通過柵極控制電壓的高低電平來判斷。將VCE是否超過6. 5V和柵極控制電壓高低兩個邏 輯通過與門(AND)生成高電平有效的過流信號。由于IGBT導(dǎo)通時存在串聯(lián)關(guān)系，并且均為
7同一規(guī)格，所以檢測其中一個是否過流即可，又因?yàn)闊o論電機(jī)運(yùn)行方向如何第一 IGBT Tl總 是導(dǎo)通工作的，所以過流信號通過對第一 IGBT Tl進(jìn)行檢測獲得。保護(hù)實(shí)施部分根據(jù)過流 信號實(shí)施對IGBT的保護(hù)。過流信號經(jīng)過光耦2隔離作為連鎖保護(hù)信號進(jìn)入系統(tǒng)控制電路 部分。該信號作用于第一 IGBT Tl的柵極控制信號，在第一 IGBT Tl過流時對其實(shí)施關(guān)斷 保護(hù)。IGBT柵極控制信號由該信號和微控制器對IGBT的控制端口經(jīng)與非門(NAND)后生 成，IGBT柵極控制信號低時IGBT導(dǎo)通，如果過流則連鎖保護(hù)信號為低，此時無論微控制器 對IGBT的控制端口是高或低，經(jīng)過與非門產(chǎn)生的IGBT柵極控制信號均為高，IGBT被強(qiáng)制 關(guān)斷，起到保護(hù)作用；同時該連鎖保護(hù)信號也引入微控制器的外部中斷接口，以通知微控制 器過流發(fā)生，便于微控制器進(jìn)行軟件保護(hù)處理。本系統(tǒng)的方案對于過流保護(hù)單純通過硬件 互鎖保護(hù)即可實(shí)現(xiàn)，軟件保護(hù)處理根據(jù)實(shí)際情況和不同要求可選。本交直流兩用電機(jī)控制系統(tǒng)可以通過開關(guān)指令接口獲得控制指令，通過運(yùn)行狀態(tài) 輸出指示當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)?？刂浦噶畎ㄕ蜻\(yùn)行、反向運(yùn)行、制動停車和運(yùn)行允許四個開 關(guān)量信號。對于可調(diào)速的應(yīng)用還有模擬電壓信號，提供轉(zhuǎn)速參考輸入；而無須調(diào)速場合則沒 有此轉(zhuǎn)速給定部分，運(yùn)行時轉(zhuǎn)速固定，不能改變，此轉(zhuǎn)速對應(yīng)的主電路第一 IGBT Tl占空比 在軟件中預(yù)先設(shè)置。開關(guān)量信號通過光耦隔離輸出到微處理器的輸入輸出端口，由微處理 器進(jìn)行開關(guān)信號采集。模擬量信號根據(jù)具體要求直接連接或通過線形光耦隔離輸出到微處 理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器端口，由微處理器進(jìn)行模擬量采集。開關(guān)量信號根據(jù)應(yīng)用不同有低電壓 直流24V和高電壓交直流110-220V兩種類型，信號以有電和無電表示開關(guān)狀態(tài)。這兩種類 型接口的不同在于光耦輸入部分串接的限流電阻值。對直流24V類型的信號，開關(guān)指令接 口部分提供一個24V隔離供電，將光耦輸入側(cè)供電端連接其上，信號即可以觸點(diǎn)形式使用。 同時，光耦采用輸入端為雙向發(fā)光二極管的光耦，并在輸出端連接濾波電容，使交流信號有 電狀態(tài)時輸出為穩(wěn)定的低電平，基本沒有交流紋波，與直流信號輸入時一致，從而兼容交流 或直流的開關(guān)信號輸入。形成實(shí)際的控制器產(chǎn)品時，根據(jù)具體情況采用不同配置的接口方 式，無論哪種方式此部分的功能與基本形式相同。正向運(yùn)行、反向運(yùn)行用于給控制系統(tǒng)發(fā)出 正向或反向啟動運(yùn)行指令，制動用于發(fā)出制動停車指令，運(yùn)行允許是此控制系統(tǒng)的使能信 號，只有此信號有效控制系統(tǒng)才工作，否則控制系統(tǒng)不工作，電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)。此信號可 用于多臺電機(jī)運(yùn)行的互鎖。運(yùn)行狀態(tài)輸出是將交直流兩用電機(jī)當(dāng)前所處的狀態(tài)(運(yùn)行、停止)以繼電器觸點(diǎn)形 式輸出，以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)指示或用于多臺電機(jī)的運(yùn)行互鎖或機(jī)械抱閘機(jī)構(gòu)的連鎖控制。將一個 交直流兩用電機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)輸出信號接到另一個控制系統(tǒng)開關(guān)指令接口部分的 使能信號端，即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行的互鎖保護(hù)，這在高壓開關(guān)動作執(zhí)行機(jī)構(gòu)中應(yīng)用廣泛。為兼 容不同邏輯的互鎖操作，運(yùn)行狀態(tài)輸出同時提供常開常閉兩套觸點(diǎn)，實(shí)際使用中可靈活選 取。為在需要通過現(xiàn)場總線進(jìn)行監(jiān)控的場合使用，本交直流兩用電機(jī)控制系統(tǒng)提供了 可以選的現(xiàn)場總線通信接口，通過此接口可以進(jìn)行現(xiàn)場總線通信，接收控制站的操作指令， 并將系統(tǒng)狀態(tài)和報警等信息發(fā)到其他站點(diǎn)。具有現(xiàn)場總線接口部分的交直流兩用電機(jī)控制 系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控，使用更加靈活。具體的現(xiàn)場總線類型根據(jù)實(shí)際情況選定， 一般有RS-485，CAN等多種。接入現(xiàn)場總線后，每個站需要一個可設(shè)置的地址，故現(xiàn)場總線 接口還提供撥碼開關(guān)完成地址設(shè)置。撥碼開關(guān)的開關(guān)信號接至微處理器輸入端口，由其檢測獲得。對于具有現(xiàn)場總線接口的交直流兩用電機(jī)控制系統(tǒng)，其微處理器軟件中也有對相 應(yīng)現(xiàn)場總線進(jìn)行處理的程序部分。在需要轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的應(yīng)用中，本電機(jī)控制系統(tǒng)提供了轉(zhuǎn)速反饋接口，支持增量 型編碼器轉(zhuǎn)速反饋信號。系統(tǒng)采集增量脈沖編碼，用軟件程序求取實(shí)際轉(zhuǎn)速值，與轉(zhuǎn)速給定 進(jìn)行比較，比較所得差值經(jīng)過軟件PID運(yùn)算獲得控制信號，再將控制信號轉(zhuǎn)化為與之成正 比的主電路第一 IGBT Tl的占空比，作用于主電路從而控制電機(jī)達(dá)到給定轉(zhuǎn)速。從計算轉(zhuǎn) 速到獲得占空比均由微處理器軟件實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)速反饋硬件接口則實(shí)現(xiàn)將編碼器輸出脈沖變?yōu)?微處理器可以直接采集的TTL電平。編碼器輸出一般為10-30V電平信號，此接口通過高速 光耦將該信號隔離轉(zhuǎn)換成與之同步的TTL電平信號，接到微處理器的脈沖捕獲端口或外部 中斷端口，由微處理器通過脈沖計數(shù)計時用軟件程序來計算轉(zhuǎn)速。本交直流兩用電機(jī)控制系統(tǒng)的核心是數(shù)字微處理器，它通過軟件程序，完成整個 控制系統(tǒng)的運(yùn)行。微處理器是根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的不同要求和不同系統(tǒng)配置選用的，需滿足處 理速度要求、輸入輸出端口數(shù)量、不同配置所需的特殊接口資源(如包含現(xiàn)場總線接口的系 統(tǒng)配置需要微處理器集成或可以方便擴(kuò)展相應(yīng)現(xiàn)場總線接口)，可以是8位微處理器、16位 微處理器或32位微處理器，也可以是專用的數(shù)字信號處理器(DSP)，帶有復(fù)雜現(xiàn)場總線通 信且控制質(zhì)量要求更高的場合還可以采用多處理器來實(shí)現(xiàn)。交直流兩用電機(jī)控制系統(tǒng)的微處理器軟件總體流程如圖7所示，除去系統(tǒng)上電之 初的初始化部分，其余任務(wù)無限循環(huán)執(zhí)行，直至斷電。系統(tǒng)初始化完成要使用的微處理器內(nèi)部各部件(CPU，時鐘，輸入輸出端口等)以及 外圍設(shè)備的初始化，為系統(tǒng)運(yùn)行做好準(zhǔn)備。進(jìn)入工作循環(huán)后，首先檢測開關(guān)指令端口，掃描 各端口狀態(tài)獲得外部操作指令暫存到程序的變量中，為后面電機(jī)控制準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)。對于配 置中有調(diào)速功能的系統(tǒng)，接下來對轉(zhuǎn)速給定的電壓模擬信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，獲得轉(zhuǎn)速給定， 為后面調(diào)速準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。此部分僅包含在可調(diào)速的系統(tǒng)配置中，無此功能的配置則不需要這 部分程序。對于配置中帶有現(xiàn)場總線接口功能的系統(tǒng)，接下來處理現(xiàn)場總線通信協(xié)議棧，完 成現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)的收發(fā)，接收通過現(xiàn)場總線發(fā)來的控制指令等信息，并將系統(tǒng)的狀態(tài)等信 息發(fā)送出去。此部分僅包含在帶有現(xiàn)場總線接口能力的系統(tǒng)配置中，無此功能的配置不需 要這部分對應(yīng)的程序。然后程序開始執(zhí)行真正對電機(jī)控制的部分，因?yàn)橄到y(tǒng)不同的配置涉 及到不同的控制方法和算法，所以該部分程序依據(jù)系統(tǒng)具體配置功能的不同而不同。完成 一個循環(huán)周期中的電機(jī)控制后，程序?qū)㈦姍C(jī)現(xiàn)在所處的狀態(tài)(運(yùn)行或停止)以狀態(tài)輸出繼電 器的觸點(diǎn)狀態(tài)來表達(dá)，即根據(jù)電機(jī)當(dāng)前狀態(tài)驅(qū)動狀態(tài)輸出繼電器的通斷。這樣完成一個工 作循環(huán)，之后轉(zhuǎn)到檢測開關(guān)指令端口，執(zhí)行新一個周期的工作循環(huán)。對于轉(zhuǎn)速開環(huán)、不調(diào)速型的交直流兩用電機(jī)控制系統(tǒng)，上述流程圖中的電機(jī)控制 部分以7狀態(tài)的有限狀態(tài)機(jī)方式實(shí)現(xiàn)，某個時刻系統(tǒng)總處于7個狀態(tài)中的一個。如圖8所 示。當(dāng)某個指令開關(guān)信號有效時，按照有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的狀態(tài)切換，狀態(tài)切換時微控制 器按照新狀態(tài)的要求控制IGBT和繼電器的通斷，使主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生相應(yīng)變化。系統(tǒng)在 上電初始化完成后，處于“停車”狀態(tài)，控制電機(jī)正向或反向啟動時，進(jìn)入“正向啟動”或“反 向啟動”狀態(tài)，在啟動狀態(tài)中，按照預(yù)設(shè)增量從零逐漸增大第一 IGBT Tl的占空比，最終達(dá) 到預(yù)設(shè)的額定占空比(最大可以為100%)，而進(jìn)入全速運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)處于“正向制動”或 “反向制動”狀態(tài)時，微控制器控制主電路構(gòu)成相應(yīng)的制動電路，并使得該狀態(tài)持續(xù)足夠的制動時間，以保證電機(jī)可靠制動停車，此狀態(tài)中微控制器不再響應(yīng)外部操作信號，直至達(dá)到 預(yù)設(shè)的制動時間，進(jìn)入“停車”狀態(tài)。對于轉(zhuǎn)速開環(huán)、調(diào)速型的交直流兩用電機(jī)控制系統(tǒng)，電機(jī)控制部分也以7狀態(tài)的 有限狀態(tài)機(jī)方式實(shí)現(xiàn)，某個時刻系統(tǒng)總處于7個狀態(tài)中的一個。如圖9所示。當(dāng)某個指令 開關(guān)信號有效時，按照有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的狀態(tài)切換，狀態(tài)切換時微控制器按照新狀態(tài) 的要求控制IGBT和繼電器的通斷，使主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生相應(yīng)變化。系統(tǒng)在上電初始化完 成后，處于“停車”狀態(tài)，控制電機(jī)正向或反向啟動時，進(jìn)入“正向穩(wěn)定運(yùn)行”或“反向穩(wěn)定運(yùn) 行”狀態(tài)，當(dāng)速度給定變化時進(jìn)入相應(yīng)的“正向變速”或“反向變速”狀態(tài)。在變速狀態(tài)中， 按照預(yù)設(shè)增量增大或減小第一 IGBT Tl的占空比，直至第一 IGBT Tl占空比達(dá)到新速度給 定對應(yīng)的占空比后又重新進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；如果在變速狀態(tài)轉(zhuǎn)速給定又發(fā)生變化則系統(tǒng) 仍然處在變速狀態(tài)按最新的速度給定改變占空比直至進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)處于“正 向制動”或“反向制動”狀態(tài)時，微控制器控制主電路構(gòu)成相應(yīng)的制動電路，并使得該狀態(tài)持 續(xù)足夠的制動時間，以保證電機(jī)可靠制動停車，此狀態(tài)中微控制器不再響應(yīng)外部操作信號， 直至達(dá)到預(yù)設(shè)的制動時間，進(jìn)入“停車”狀態(tài)。對于轉(zhuǎn)速閉環(huán)型的交直流兩用電機(jī)控制系統(tǒng)，電機(jī)控制部分以5狀態(tài)的有限狀態(tài) 機(jī)方式實(shí)現(xiàn)，某個時刻系統(tǒng)總處于5個狀態(tài)中的一個。如圖10所示。當(dāng)某個指令開關(guān)信號 有效時，按照有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的狀態(tài)切換，狀態(tài)切換時微控制器按照新狀態(tài)的要求控 制IGBT和繼電器的通斷，使主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生相應(yīng)變化。系統(tǒng)在上電初始化完成后，處 于“停車”狀態(tài)，控制電機(jī)正向或反向啟動時，進(jìn)入“正向運(yùn)行”或“反向運(yùn)行”狀態(tài)，在此狀 態(tài)下按照速度給定值采用閉環(huán)PID算法改變第一 IGBT Tl占空比從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，力 圖使電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速和給定轉(zhuǎn)速相同。此動態(tài)調(diào)速過程一直進(jìn)行，故在運(yùn)行狀態(tài)中系統(tǒng)一 直處在動態(tài)過程，不像開環(huán)系統(tǒng)控制那樣存在穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)處于“正向制動”或“反向 制動，，狀態(tài)時，微控制器控制主電路構(gòu)成相應(yīng)的制動電路，直至檢測到電機(jī)轉(zhuǎn)速變?yōu)榱?，進(jìn) 入“停車”狀態(tài)。在制動狀態(tài)中控制器不響應(yīng)外部開關(guān)信號。交直流兩用電機(jī)控制系統(tǒng)是一個交直流兩用電機(jī)控制平臺，其中的現(xiàn)場總線接 口、轉(zhuǎn)速反饋、模擬轉(zhuǎn)速給定均為可選部分，開關(guān)指令信號接口可以選擇為低電壓DC 24V 信號模式、高電壓DC或AC 110-220V信號模式，或混合模式。根據(jù)具體應(yīng)用場合靈活增減 和配置這些硬件部分及相應(yīng)軟件部分、靈活選擇微處理器，并針對不同功率等級的電機(jī)采 用不同容量的主電路元器件，可以衍生出一系列交直流兩用電機(jī)控制器產(chǎn)品。以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù) 人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本 發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變 化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其 等同物界定。
權(quán)利要求
1.一種交直流兩用電機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于，包括主電路部分，IGBT驅(qū)動和保護(hù)電 路部分，控制核心部分，開關(guān)指令信號接口部分，運(yùn)行狀態(tài)輸出部分；所述開關(guān)指令信號接 口部分、運(yùn)行狀態(tài)輸出部分和控制核心部分連接，所述控制核心部分又依次連接驅(qū)動和保 護(hù)電路部分、主電路部分，最終連接到交直流兩用電機(jī)上；所述主電路部分包括一單相全波 整流橋和一連在單相全波整流橋之后的交直流兩用電機(jī)控制拓?fù)渲麟娐?；所述單相全波?流橋包含四個整流功率二極管，第一整流功率二極管和第三整流功率二極管正負(fù)極串聯(lián)， 第二整流功率二極管和第四整流功率二極管正負(fù)極串聯(lián)，第一整流功率二極管負(fù)極和第二 整流功率二極管負(fù)極連接，第三整流功率二極管正極和第四整流功率二極管正極連接，外 部電源的正負(fù)極分別連在第一整流功率二極管和第三整流功率二極管之間以及第二整流 功率二極管和第四整流功率二極管之間；所述交直流兩用電機(jī)控制拓?fù)渲麟娐钒ㄎ鍌€ IGBT、三個功率二極管和一個繼電器，第一 IGBT作為電機(jī)供電電源總開關(guān)，其集電極連接 第一整流功率二極管和第二整流功率二極管負(fù)極，發(fā)射極分別連接交直流兩用電機(jī)電樞的 一端和第三功率二極管的負(fù)極，第一功率二極管正極和第二功率二極管負(fù)極均連接電樞的 另一端，第二二功率極管和第三功率二極管正極都與第三整流功率二極管和第四整流功率 二極管的正極連接，第二 IGBT的發(fā)射極和第四IGBT的集電極連接，第三IGBT的發(fā)射極和 第五IGBT的集電極連接，第二 IGBT的集電極和第三IGBT的集電極都與第一功率二極管負(fù) 極連接，第四IGBT和第五IGBT的發(fā)射極都和第二功率二極管、第三功率二極管的正極以 及第三整流功率二極管、第四整流功率二極管的正極連接，第一功率二極管的負(fù)極連接制 動電阻的一端，制動電阻的另一端與繼電器觸點(diǎn)一端連接，繼電器觸點(diǎn)另一端連接在第一 IGBT的發(fā)射極上，發(fā)電機(jī)的勵磁繞組的兩端分別接在第二 IGBT和第四IGBT之間以及第三 IGBT和第五IGBT之間。
2.如權(quán)利要求1所述的一種交直流兩用電機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述IGBT驅(qū)動和 保護(hù)電路部分包括兩個光耦，一個IGBT封鎖邏輯門電路芯片，微控制器的IGBT觸發(fā)端口連 接IGBT封鎖邏輯門電路芯片的一個輸入端，其另一個輸入端與第二光耦的光敏器件連接， 其輸出連接第一光耦的發(fā)光器件，實(shí)現(xiàn)IGBT硬件過流保護(hù)，第二光耦的光敏器件還接至微 控制器外部中斷端口，以將IGBT過流信號傳到微控制器，實(shí)現(xiàn)軟件過流保護(hù)處理。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種交直流兩用電機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述交直流兩 用電機(jī)控制系統(tǒng)還包括現(xiàn)場總線通信接口，所述現(xiàn)場總線通信接口 一端連接微處理器，另 一端連接系統(tǒng)外部現(xiàn)場總線，用于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線通信。
4.如權(quán)利要求1或2所述的一種交直流兩用電機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述交直流兩 用電機(jī)控制系統(tǒng)還包括轉(zhuǎn)速反饋接口，所述轉(zhuǎn)速反饋接口 一端與微處理器連接，另一端連 接系統(tǒng)外部表達(dá)轉(zhuǎn)速信息的增量型轉(zhuǎn)速傳感器，用于控制交直流兩用電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控 制。
5.如權(quán)利要求3所述的一種交直流兩用電機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述交直流兩用 電機(jī)控制系統(tǒng)還包括轉(zhuǎn)速反饋接口，所述轉(zhuǎn)速反饋接口 一端與微處理器連接，另一端連接 系統(tǒng)外部表達(dá)轉(zhuǎn)速信息的增量型轉(zhuǎn)速傳感器，用于控制交直流兩用電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控 制。
全文摘要
本發(fā)明公開的一種交直流兩用電機(jī)控制系統(tǒng)，以電力電子器件IGBT作為無觸點(diǎn)可控開關(guān)構(gòu)成控制主電路，以數(shù)字微處理器作為控制核心，組成的基于微控制器的交直流兩用電機(jī)控制系統(tǒng)。控制主電路首先采用四個功率二極管構(gòu)成單相全波整流橋，把外部交直流不同的供電統(tǒng)一為內(nèi)部直流供電。整流橋后面是交直流兩用電機(jī)控制拓?fù)渲麟娐?。該控制拓?fù)渲麟娐分械腎GBT按照一定規(guī)律導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)電機(jī)勵磁繞組和電樞繞組的不同同名端連接順序，從而使電機(jī)正、反向運(yùn)轉(zhuǎn)或正、反向制動。本發(fā)明大大提高系統(tǒng)的使用壽命，消除開關(guān)電弧和火花，減小體積，可以實(shí)現(xiàn)交直流兩用電機(jī)軟啟動、無級調(diào)速等復(fù)雜功能，本發(fā)明還可提供全數(shù)字通信現(xiàn)場總線接口，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線遠(yuǎn)程監(jiān)控。
文檔編號H02P1/16GK102075140SQ201110025268
公開日2011年5月25日 申請日期2011年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月24日
發(fā)明者陳巨濤 申請人:上海海事大學(xué)