專(zhuān)利名稱：開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)PWM調(diào)壓調(diào)速控制技術(shù)。
在現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防等領(lǐng)域，廣泛需要各類(lèi)調(diào)速電動(dòng)機(jī)作驅(qū)動(dòng)與控制之用，開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)是一種性能價(jià)格比很高的調(diào)速電動(dòng)機(jī)，它由安裝有轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器的雙凸極磁阻電動(dòng)機(jī)和通過(guò)一組功率電源線、一組轉(zhuǎn)子位置信號(hào)線相聯(lián)接的控制器組成。開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制方法有多種，如主開(kāi)關(guān)開(kāi)通角、關(guān)斷角控制法，斬波限流控制法，調(diào)壓調(diào)速控制法等，其中采用脈寬調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速，具有控制電路簡(jiǎn)單、可靠性好、性能價(jià)格比高等優(yōu)點(diǎn)，但國(guó)內(nèi)目前尚無(wú)企業(yè)生產(chǎn)這類(lèi)產(chǎn)品。據(jù)查劉迪吉等人所著的《開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)》(機(jī)械工業(yè)出版社1994年8月第一版)闡述了開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本原理、性能特點(diǎn)、計(jì)算方法和應(yīng)用。這部專(zhuān)著是迄今眾多涉及開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的出版物中介紹開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制策略和技術(shù)方案最為詳細(xì)的一部，尤其介紹了采用脈寬調(diào)制技術(shù)(以下簡(jiǎn)稱PWM)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速，應(yīng)該說(shuō)這種介紹還僅是一般原理性的介紹，從目前公開(kāi)的技術(shù)方案理論來(lái)看，不管采用何種方法實(shí)現(xiàn)調(diào)速，控制器都由功率變換電路、操作與速度顯示電路和主控制電路三大部分構(gòu)成，電路的結(jié)構(gòu)和一些重要元器件的選型，決定了現(xiàn)有技術(shù)存在著主振頻率低、功率變換電路無(wú)法正常工作、電機(jī)運(yùn)行中電磁噪聲高、電機(jī)負(fù)載異常后無(wú)有效安全保護(hù)措施、不具有接收自動(dòng)控制系統(tǒng)各種指令的入口，顯示的速度不是電機(jī)的真正速度，而是預(yù)置設(shè)定的速度等不足，因而這些技術(shù)方案難以實(shí)施。
本發(fā)明的目的針對(duì)國(guó)內(nèi)尚無(wú)采用脈寬調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速的現(xiàn)狀，提供一種能使電機(jī)運(yùn)行中電磁噪聲低、具有寬廣的調(diào)速范圍，穩(wěn)速精度高、在低速運(yùn)行時(shí)保持良好的恒轉(zhuǎn)矩特性、能適應(yīng)自動(dòng)控制系統(tǒng)各種指令、顯示電機(jī)真正轉(zhuǎn)速、在開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)使用中出現(xiàn)過(guò)載、堵轉(zhuǎn)等情況后能適時(shí)采取有效的應(yīng)對(duì)措施、保證負(fù)載與開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)安全的開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)控制器。
本發(fā)明的目的是通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。一種可通過(guò)一組功率電源線及一組轉(zhuǎn)子位置信號(hào)線分別聯(lián)接開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)中的定子繞組和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器的開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)控制器，由功率變換電路，操作與速度顯示電路和包括信號(hào)處理單元電路、四相功率開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路、主開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路、F/V轉(zhuǎn)換電路、PWM控制電路、啟停調(diào)速給定信號(hào)電路及外圍電路組成的主控制電路和為功率變換電路、操作與速度顯示電路、主控制電路提供工作電源的電源電路構(gòu)成，其特征在于主控制電路中設(shè)置至少有一級(jí)保護(hù)信號(hào)的保護(hù)電路，保護(hù)電路中的保護(hù)模塊IC104的第(4)腳為電流取樣信號(hào)的輸入端，保護(hù)電路中的保護(hù)模塊IC104的第(9)腳輸出經(jīng)二極管D104、電阻R119接至主開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路模塊ICK01的(4)腳，保護(hù)電路中的保護(hù)模塊IC104的(8)腳輸出，經(jīng)二極管D106與保護(hù)電路中的光電耦合器IC106輸入端(1)腳聯(lián)接，(8)腳輸出反相保護(hù)信號(hào)經(jīng)電阻R126、三極管T105反相放大后與信號(hào)處理模塊IC101的(11)腳聯(lián)接、并與PWM主控制集成電路IC103的(16)腳的比較器的同相輸入端聯(lián)接；功率變換電路中的主開(kāi)關(guān)管和四相開(kāi)關(guān)管均采用絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)；PWM控制電路的主振頻率調(diào)定于18KHz-25KHz范圍內(nèi)；PWM控制電路比較器的反相輸入端和比較器輸出端之間接有的積分電路及F/V轉(zhuǎn)換電路輸出端接有的比例微分電路共同構(gòu)成比例積分微分電路；PWM控制電路死區(qū)控制端接有停機(jī)及軟啟動(dòng)控制電路；驅(qū)動(dòng)電路中采用高速光電耦合器(6N137)及其外圍電路保證信號(hào)輸入端與信號(hào)輸出端的完全絕緣和輸出電流有較大的放大，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)置有高電平輸入時(shí)的保護(hù)端口；啟停調(diào)速給定信號(hào)電路由集成電路IC2103(LM393)I單元與外圍電路組成三路輸入的反相加法器電路、II單元及其外圍電路組成反相比例放大電路構(gòu)成調(diào)速控制電路，其模塊IC105的(10)腳輸出與PWM主控集成電路IC103第(2)腳的比較器的反相輸入端聯(lián)接，其(5)腳輸出經(jīng)電阻R134與信號(hào)處理電路模塊(12)腳聯(lián)接，集成電路IC2101(CD4069)、IC2102(CD4011)及其外圍電路組成的反相器和兩個(gè)RS觸發(fā)器構(gòu)成啟?？刂齐娐?，其模塊IC105的第(8)腳輸出，經(jīng)三極管T101、二極管D103，電阻R110與PWM主控集成電路IC103的(4)腳聯(lián)接；操作與速度顯示電路由集成電路IC206(CD4017)、集成電路IC207(CD4060)、集成電路IC205(CD4069)及其外圍電路和集成電路IC201、IC202、IC203、IC204(均為CD40110)四位計(jì)數(shù)、鎖存、譯碼、驅(qū)動(dòng)電路和4只7段共陰LED數(shù)碼管構(gòu)成，操作與速度顯示電路中接插件JC07(2)腳與主控制電路中的信號(hào)處理電路模塊IC101的第(5)腳聯(lián)接，操作與速度顯示電路中的常開(kāi)微動(dòng)開(kāi)關(guān)ZQ、FQ、T分別經(jīng)接插件JC07的第(12)、(13)、(3)腳與主控制電路中的啟停調(diào)速給定信號(hào)電路模塊IC105的(2)、(1)、(3)腳聯(lián)接。
本發(fā)明依據(jù)脈寬調(diào)制技術(shù)的一般原理，從電路的構(gòu)成和主要元器件的選型，著重解決了以下幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)(1)采用絕緣柵雙極型晶體管作為主開(kāi)關(guān)管和四相開(kāi)關(guān)管以及五塊開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)確保主振頻率提高到18KHz至25KHz范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)低噪聲，功率管的開(kāi)關(guān)損耗并不增加，而且能在負(fù)載出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)實(shí)現(xiàn)可靠保護(hù)；(2)通過(guò)在PWM控制電路和F/V轉(zhuǎn)換電路中設(shè)置比例積分微分電路，使得電機(jī)速度閉環(huán)更加有效，實(shí)現(xiàn)了無(wú)靜差調(diào)速，確保了電機(jī)轉(zhuǎn)速的高度穩(wěn)定；(3)通過(guò)設(shè)置保護(hù)電路，可使電機(jī)在輕微過(guò)載時(shí)、以及低速大負(fù)載運(yùn)行時(shí)采取限流斬波措施，確保電機(jī)運(yùn)行的安全性以及拓寬實(shí)用低速調(diào)速范圍；亦可使PWM控制電路以及信號(hào)處理單元在電機(jī)產(chǎn)生過(guò)載、堵轉(zhuǎn)時(shí)即刻停止輸出PWM主開(kāi)關(guān)信號(hào)及四相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，及時(shí)保護(hù)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)及控制器的安全；(4)在驅(qū)動(dòng)電路中通過(guò)采用高速光電耦合器隔離，實(shí)現(xiàn)了電器間的完全隔離以及輸出電流有較大的放大和輸入輸出波形的一致；(5)在啟停調(diào)速給定信號(hào)電路中通過(guò)三路輸入的反相加法電路設(shè)置，增加了接收自動(dòng)控制指令的入口，有利于適應(yīng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的需求；(6)在操作與速度顯示電路中通過(guò)產(chǎn)生的2.5秒取樣信號(hào)對(duì)倍頻后的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而反應(yīng)電機(jī)的真實(shí)轉(zhuǎn)速。
本發(fā)明性價(jià)比高、應(yīng)用領(lǐng)域?qū)拸V、并為諸多產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的改變和性能的改善提高創(chuàng)造了條件，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
附

圖1為本發(fā)明總體框圖以及與電動(dòng)機(jī)聯(lián)接的示意圖；附圖2為本發(fā)明主控制電路各組成電路框圖及各組成電路間的聯(lián)接關(guān)系圖；附圖3為本發(fā)明中功率變換電路圖；附圖4為本發(fā)明中操作與速度顯示電路圖；附圖5為本發(fā)明中開(kāi)關(guān)管IGBT專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部電原理圖；附圖6為本發(fā)明中信號(hào)處理單元模塊內(nèi)部電原理圖；附圖7為本發(fā)明中不包括集成電路IC106(TLP521-2)光電耦合器及其外圍電路的保護(hù)電路專(zhuān)用模塊內(nèi)部電原理圖；附圖8為本發(fā)明中啟停調(diào)速給定信號(hào)電路模塊內(nèi)部電原理附圖9為本發(fā)明中PWM控制電路與各驅(qū)動(dòng)電路模塊、信號(hào)處理單元模塊、F/V轉(zhuǎn)換電路、保護(hù)電路專(zhuān)用模塊、保護(hù)電路中的集成電路IC106光電耦合器、啟停調(diào)速給定信號(hào)電路模塊及有關(guān)外圍電路聯(lián)接關(guān)系電原理圖；附圖9中IC101為信號(hào)處理單元電路模塊，IC102為F/V轉(zhuǎn)換電路專(zhuān)用集成電路LM2917，IC103為PWM控制電路的集成電路TL494，IC104為保護(hù)電路專(zhuān)用模塊，IC105為啟停調(diào)速給定信號(hào)電路模塊，IC106為保護(hù)電路中集成電路光電耦合器TLP521-2，ICK01為主開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路模塊，ICA01、ICB01、ICC01、ICD01分別為A、B、C、D相開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路模塊；各附圖中元器件按該圖順序編號(hào)結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，本發(fā)明由功率變換電路、主控制電路、操作與速度顯示電路及為上述電路提供工作電源的電源電路構(gòu)成，并通過(guò)一組功率電源線與開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)中定子的繞組聯(lián)接，通過(guò)一組轉(zhuǎn)子位置信號(hào)線與開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器聯(lián)接。在主控制電路中，設(shè)置有保護(hù)電路。功率變換電路中，主開(kāi)關(guān)管T001，A、C、B、D四相開(kāi)關(guān)管T002、T003、T004、T005均選用絕緣柵雙極型晶體管(簡(jiǎn)稱IGBT)D005、D006、D007、D008、D009為續(xù)流二極管，選用快恢復(fù)二極管。G1為主開(kāi)關(guān)管的柵極，當(dāng)輸入G1的脈沖方波信號(hào)的頻率不變而占空比變化時(shí)，從主開(kāi)關(guān)管發(fā)射極輸出電壓的平均值將隨之而改變，電機(jī)的轉(zhuǎn)速亦將隨之而改變。四只功率開(kāi)關(guān)管均為固定導(dǎo)通角度30°，任一瞬間A、C兩只功率開(kāi)關(guān)管均不得同時(shí)導(dǎo)通，B、D兩只功率開(kāi)關(guān)管亦不得同時(shí)導(dǎo)通，正確的導(dǎo)通順序?yàn)殡姍C(jī)正轉(zhuǎn)電動(dòng)導(dǎo)通順序AB-BC-CD-DA，電機(jī)反轉(zhuǎn)電動(dòng)導(dǎo)通順利CB-BA-AD-DC。在一般的PWM控制系統(tǒng)中，由于考慮到開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高，有可能會(huì)引起開(kāi)關(guān)損耗的加大，所以通常的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)PWM主振頻率多采用2-8KHz。本發(fā)明考慮到開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子都是凸極型的硅鋼片疊片結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子疊片上既沒(méi)有繞組，也沒(méi)有永磁體，所以PWM主振頻率在人耳敏感的頻率范圍，就會(huì)引發(fā)刺耳的電磁噪聲，而若將該主振頻率設(shè)定在18KHz或更高，則可使所述噪聲降低3-10dB，從而使人明顯地感覺(jué)到這種電磁噪聲的降低。因此，本發(fā)明將PWM主振頻率調(diào)定在18KHz-25KHz范圍內(nèi)。
R000是電動(dòng)機(jī)電流取樣電阻。本發(fā)明采用無(wú)感電阻，R000兩端電壓與電動(dòng)機(jī)工作電流大小成正比，稱之為電流取樣信號(hào)。
主控制電路中信號(hào)處理單元電路在接受到正、反轉(zhuǎn)指令信號(hào)及來(lái)自開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器輸出的信號(hào)，經(jīng)邏輯運(yùn)算產(chǎn)生一組指揮A、B、C、D四相功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通順序的信號(hào)，再分別送至相應(yīng)的功率開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路用以按需要控制功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與截止。PWM控制電路產(chǎn)生占空比可調(diào)的18-25KHz的脈沖方波信號(hào)送至主開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路繼而控制主開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與截止。
由信號(hào)處理單元電路處理輸出的電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)F/V轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生一個(gè)正比于電機(jī)轉(zhuǎn)速的電平信號(hào)，此信號(hào)送至PWM控制電路與速度予置電平相比較，以控制PWM輸出脈沖信號(hào)的占空比，構(gòu)成速度閉環(huán)，再加上對(duì)F/V轉(zhuǎn)換后的電平信號(hào)作PID處理，確保了電機(jī)轉(zhuǎn)速的高度穩(wěn)定。
電流取樣信號(hào)經(jīng)保護(hù)電路的處理，可在電機(jī)電流在額定電流1.1-1.3倍間時(shí)產(chǎn)生一級(jí)保護(hù)信號(hào)，此信號(hào)可使電機(jī)輕微過(guò)載時(shí)以及低速大負(fù)載運(yùn)行時(shí)采取限流斬波措施，以確保電機(jī)運(yùn)行的安全性以及拓寬實(shí)用低端調(diào)速范圍。
當(dāng)電機(jī)電流大于額定電流的1.3倍時(shí)，保護(hù)電路將產(chǎn)生二級(jí)保護(hù)信號(hào)，此信號(hào)可使PWM控制電路以及信號(hào)處理單元即刻停止輸出PWM主開(kāi)關(guān)信號(hào)及四相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，及時(shí)保護(hù)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)及控制器的安全。
信號(hào)處理單元、開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、啟停調(diào)速給定信號(hào)電路等部分均采用了自行設(shè)計(jì)的專(zhuān)用模塊，這些模塊采用SMT技術(shù)，厚膜集成電路工藝制作而成。這些模塊上機(jī)前可充分進(jìn)行高溫電老化篩選，剔除早期失效元器件，大大提高控制器整機(jī)的可靠性，同時(shí)可以縮小控制器主版的尺寸、簡(jiǎn)化主版裝配控制工作，使控制器制造的工藝性大為提高。
由IGBT的工作原理可知，控制IGBT管集電極與發(fā)射極之間導(dǎo)通、截止?fàn)顟B(tài)的信號(hào)是由柵極與發(fā)射極之間加入的，本發(fā)明選用的是N溝道IGBT。為使其導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)有最小的導(dǎo)通壓降而轉(zhuǎn)為截止?fàn)顟B(tài)時(shí)能迅速而可靠，本發(fā)明設(shè)計(jì)了專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)電路模塊。
5只功率開(kāi)關(guān)管的發(fā)射極均處于不同電位(即不共“地”)，驅(qū)動(dòng)電路必須既能絲毫不走樣地傳遞并放大脈沖信號(hào)，又能做到信號(hào)輸入端與信號(hào)輸出端間電氣上完全絕緣。本設(shè)計(jì)采用高速光電耦合器6N137配合互補(bǔ)推挽電路，實(shí)現(xiàn)了輸出與輸入方波信號(hào)相比，脈沖前沿時(shí)延在0.3μs以下，后沿時(shí)延在0.1μs以下，特別是在輸出高電平(即能使N溝道IGBT功率管飽和導(dǎo)通的信號(hào))的瞬間0.5μs-1μs時(shí)間內(nèi)可輸出3A以上大電流，而輸出低電平時(shí)，可使IGBT功率管的柵電位在0.1μs內(nèi)從高電平迅速下降到負(fù)電位，實(shí)現(xiàn)可靠截止。
采用本發(fā)明專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)模塊，確保整機(jī)PWM主振頻率上調(diào)至18-25KHz，而其功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗基本無(wú)增加。
驅(qū)動(dòng)模塊還兼有保護(hù)功能。(4)端在有高電平輸入時(shí)無(wú)論模塊輸入信號(hào)為什么，都會(huì)使T1301立即飽和，T1302截止、T1303飽和，使被驅(qū)動(dòng)的功率開(kāi)關(guān)管在0.3μs內(nèi)可靠截止。
過(guò)流、過(guò)載保護(hù)是確保開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)可靠性、經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵，為此，本方案專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了保護(hù)電路模塊。
本實(shí)施例保護(hù)分為二級(jí)，第一級(jí)是當(dāng)主回路電流達(dá)到額定電流的1.1-1.3倍時(shí)實(shí)施斬波限流保護(hù)，系統(tǒng)能正常工作于輕度過(guò)載狀況，同時(shí)又限制電流的峰值，使其不超過(guò)功率開(kāi)關(guān)管安全工作區(qū)域。第二級(jí)保護(hù)是當(dāng)主回路電流達(dá)到額定電流1.3倍時(shí)實(shí)施截止保護(hù)。
電流信號(hào)取樣，采用無(wú)感電阻串于功率變換器的主回路，將電機(jī)電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)電壓信號(hào)送至保護(hù)模塊輸入端。
保護(hù)電路模塊中的IC1201運(yùn)算放大器構(gòu)成反相輸入比例運(yùn)算電路，對(duì)取樣信號(hào)進(jìn)行反相比例放大，電機(jī)工作時(shí)輸入端輸入的是負(fù)信號(hào)而輸出的則是放大后的正信號(hào)。運(yùn)算放大器IC1202的I、II兩個(gè)單元構(gòu)成比較器、其中II單元為一級(jí)保護(hù)比較器，I單元為二級(jí)保護(hù)比較器，模塊的(5)、(6)端為外置可調(diào)比較電平，顯然(6)端電位應(yīng)略高于(5)端，III單元構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)電路，暫穩(wěn)態(tài)時(shí)將輸出高電平，暫穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間由C1202、R1209、R1214共同確定。而當(dāng)模塊(7)、(8)二端接上一個(gè)適當(dāng)阻值的電阻時(shí)，IV單元可構(gòu)成雙穩(wěn)態(tài)電路。集成電路IC106(TLP521-2)光電耦合器及其外圍電路為保護(hù)電路的一部分。
當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，IC1201輸出的正電位低于(5)、(6)端予置電位，IC1202的I、II單元均輸出負(fù)電位，III、IV單元均輸出負(fù)電位。
當(dāng)電機(jī)負(fù)載加重或其它原因使主回路電流增大到額定電流的1.1倍以上時(shí)，取樣信號(hào)經(jīng)IC1201放大后將超過(guò)IC1202 II單元(5)端予置電位，II單元比較器翻轉(zhuǎn)，輸出端(9)由負(fù)變正進(jìn)入單穩(wěn)電路的暫穩(wěn)態(tài)。此端接到主驅(qū)動(dòng)模塊的保護(hù)端(4)端，當(dāng)(4)端出現(xiàn)高電平時(shí)，不管高速光電耦合器IC1301的輸入、輸出狀況如何，T1301將立即飽和，T1302截止，T1303飽和，驅(qū)動(dòng)模塊的(5)端與T001 IGBT功率開(kāi)關(guān)管的柵相聯(lián)，于是主開(kāi)關(guān)管迅速截止，主回路無(wú)電流。
由于主回路無(wú)電流，保護(hù)模塊的IC1202 II單元輸出由正變負(fù)，III單元同相輸入端由C1202保留的高電位經(jīng)R1209放電，一旦放到低于反相輸入端電位時(shí)，單穩(wěn)電路實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)復(fù)位，模塊(9)端輸出負(fù)電位，主驅(qū)動(dòng)模塊又可恢復(fù)工作，如電機(jī)過(guò)載因素不消除，將會(huì)再次重復(fù)上述過(guò)程，即實(shí)現(xiàn)了斬波限流保護(hù)。
為了達(dá)到電機(jī)輕度過(guò)載時(shí)系統(tǒng)能正常工作，又能使功率開(kāi)關(guān)管的電流限定在一定范圍之內(nèi)，斬波限流保護(hù)電路中單穩(wěn)電路的參數(shù)設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵。本方案采用的是15μs/160μs方案。即出現(xiàn)過(guò)流信號(hào)到實(shí)現(xiàn)主功率開(kāi)關(guān)管截止，總時(shí)延為15μs，而單穩(wěn)電路的暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間為160μs，這樣可使開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)工作于輕度過(guò)載狀態(tài)時(shí)有好的輸出特性并且噪聲無(wú)明顯增加。
一般情況下，二級(jí)保護(hù)是不會(huì)出現(xiàn)的，只有當(dāng)出現(xiàn)了極為異常的情況如電機(jī)完全堵轉(zhuǎn)卡死、短路等，此時(shí)主電路的電流上升速度極高，二級(jí)保護(hù)電路參數(shù)的設(shè)計(jì)可保證當(dāng)電流達(dá)到1.3倍額定電流8-10μs之內(nèi)實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)管可靠截止。二級(jí)保護(hù)動(dòng)作實(shí)施后，控制器將不可自行恢復(fù)工作，由相應(yīng)指示燈發(fā)出過(guò)流報(bào)警信號(hào)。
啟、停調(diào)速給定信號(hào)電路中IC2103的I單元與外接電阻R143、R144、R145構(gòu)成三路輸入的反相加法器電路，其中一路可輸入外置電位器給出的調(diào)速信號(hào)，另兩路可以任意輸入±5V、±10V的輔助調(diào)速信號(hào)，三路輸入的代數(shù)和并經(jīng)比例放大，再經(jīng)II單元作反相比例放大后由模塊(10)端輸出作為整機(jī)的速度予置信號(hào)。上述電路的優(yōu)點(diǎn)在于可以將開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電機(jī)方便地用于自動(dòng)控制系統(tǒng)，此時(shí)既可手動(dòng)調(diào)速，又可同時(shí)接受系統(tǒng)的調(diào)速指令及速度修正信號(hào)。啟、?？刂剖怯蒊C2101、IC2102配合外圍電路實(shí)現(xiàn)的，模塊(1)腳為反啟輸入端，(2)腳為正啟輸入端，(3)腳為停機(jī)輸入端，輸入高電平脈沖信號(hào)有效，(5)腳為正、反轉(zhuǎn)輸出信號(hào)端，輸出為高電平時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，輸出為低電平時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)，(8)腳為啟、停信號(hào)輸出端，輸出高電平時(shí)電機(jī)啟動(dòng)，輸出低電平時(shí)電機(jī)停止，由于電容C2103及電阻R2103的微分作用，電路上電時(shí)(8)腳為低電平，電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)。
信號(hào)處理單元電路由IC18011(反相器電路)、IC1802(與非門(mén)電路)及IC1803(4組2選1數(shù)據(jù)選擇器電路)組成。由安裝于電機(jī)上的二個(gè)互成15°角度間隔的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器測(cè)得的兩個(gè)位置信息輸入到(1)、(2)腳，經(jīng)邏輯運(yùn)算，當(dāng)(11)腳高電位時(shí)，模塊的(10)、(9)、(8)、(7)腳分別給A、B、C、D四相功率開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路輸出正轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)邏輯信號(hào)，而當(dāng)(11)腳低電位時(shí)，則輸出反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)邏輯信號(hào)，(12)腳為保護(hù)信號(hào)輸入端，當(dāng)輸入信號(hào)為低電平時(shí)輸出信號(hào)正常，一旦(12)腳輸入高電位，將封鎖輸出，電機(jī)停轉(zhuǎn)。兩個(gè)間隔15°的光斷續(xù)器各輸出一組方波信號(hào)，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周，可得到6個(gè)整周期方波信號(hào)，再由信號(hào)處理單元模塊內(nèi)IC1801、IC1802的處理，模塊(5)、(6)腳將可輸出一組電機(jī)每轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生12個(gè)整周期的方波信號(hào)。此信號(hào)的頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，因而可作為F/V轉(zhuǎn)換電路的F信號(hào)，從而構(gòu)成控制系統(tǒng)的速度閉環(huán)，也可以作為速度顯示電路的轉(zhuǎn)速信號(hào)。
工作過(guò)程是單相220V交流電經(jīng)整流濾波成平滑直流電，主開(kāi)關(guān)管T001的柵-射極之間輸入PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其發(fā)射極將輸出斬波調(diào)壓功率信號(hào)。輸出電壓平均值可在10-260V間連續(xù)可調(diào)。T002、T003、T004、T005分別為A相、C相、B相、D相繞組的功率開(kāi)關(guān)管，這四只開(kāi)關(guān)管的柵-射控制信號(hào)，由IC101信號(hào)處理單元模塊輸出，再經(jīng)IGBT專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)模塊ICA01、ICC01、ICB01、ICD01隔離，放大后分別加到T002、T003、T004、T005四只功率開(kāi)關(guān)管柵-射極。R000為無(wú)感電阻，該電阻串接于斬波調(diào)壓主開(kāi)關(guān)功率管輸出端到電機(jī)繞組的主回路上，電機(jī)工作電流將在R000上產(chǎn)生正比于電流值的電壓信號(hào)，這就是電流取樣信號(hào)，此信號(hào)送至保護(hù)電路專(zhuān)用模塊IC104的(3)腳作放大、比較處理，一旦電機(jī)出現(xiàn)過(guò)載、堵轉(zhuǎn)等異常情況，IC104將根據(jù)過(guò)載狀況的程度，輸出相應(yīng)保護(hù)信號(hào)，如負(fù)載在額定值的1.1-1.3倍之間，由其(9)腳輸出一級(jí)保護(hù)信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)D104、R119加到PWM主開(kāi)磁管T001的驅(qū)動(dòng)模擬ICK01第4腳，此時(shí)不管驅(qū)動(dòng)模塊輸入端為何信號(hào)，其輸出端第(5)腳均被強(qiáng)制輸出負(fù)電位，T001立即截止，電機(jī)無(wú)電流，電流取樣電壓亦同時(shí)消失，此時(shí)保護(hù)電路內(nèi)IC1202第III單元運(yùn)放組成的單穩(wěn)電路工作于暫穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間參數(shù)為160μs，亦即延時(shí)160μs后T001又恢復(fù)工作，如外負(fù)載處于過(guò)載狀態(tài)，保護(hù)電路將重復(fù)上述過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了“斬波限流”控制，這種控制可以使開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)有較強(qiáng)的過(guò)載能力以及低速時(shí)恒轉(zhuǎn)矩的保持能力，同時(shí)又能有效地保證控制器的長(zhǎng)期安全使用。
當(dāng)突加負(fù)載超過(guò)額定負(fù)載1.3倍以上或機(jī)械系統(tǒng)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)時(shí)，保護(hù)電路模塊內(nèi)IC1202 IV單元運(yùn)放與外接電阻R124構(gòu)成的雙穩(wěn)態(tài)電路將發(fā)生翻轉(zhuǎn)，保護(hù)電路模塊IC104(8)腳輸出高電平，經(jīng)D105送至光電耦合器IC106第(1)腳，第(8)腳立即由高電平變?yōu)榈碗娖剑琍NP管T105導(dǎo)通，其集電極輸出高電平，送至信號(hào)處理單元模塊IC101第(11)腳，使四相驅(qū)動(dòng)信號(hào)停止輸出，T002-T005四只功率開(kāi)關(guān)管截止，T105集電極輸出的高電平同時(shí)加在PWM信號(hào)產(chǎn)生電路IC103的第(16)腳，使(9)、(10)腳立即停止PWM信號(hào)的輸出，主開(kāi)關(guān)功率管T001截止，電機(jī)停轉(zhuǎn)，當(dāng)T105集電極輸出高電平時(shí)，T106導(dǎo)通，過(guò)流指示燈發(fā)光二極管D116亮，這個(gè)狀態(tài)將得以保持，直到人為按動(dòng)“停止”鍵或切斷控制器總電源后再上電，才會(huì)消除過(guò)流保護(hù)狀態(tài)。
PWM產(chǎn)生電路采用TL494，其模塊編號(hào)為IC103，集成電路TL494第(5)腳所接C112取值0.01μF，第(6)腳所接電阻R114取值小于10KΩ，則PWM的固有頻率即為18KHz-25KHz，IC103第(2)腳輸入速度予置電平，第(1)腳輸入速度反饋電平信號(hào)，此二信號(hào)電平在IC103內(nèi)進(jìn)行比較處理，即可決定集成電路IC103輸出端(9)、(10)腳輸出PWM脈沖信號(hào)的占空比。
如(1)腳輸入速度反饋電平低于(2)腳速度予置電平，則比較結(jié)果可使輸出脈沖信號(hào)的占空比加大，PWM主開(kāi)關(guān)功率管輸出平均電壓將提高，電動(dòng)機(jī)加速，反之如速度反饋信號(hào)電平高于速度予置電平則可使IC103輸出脈沖占空比減小，電機(jī)將減速，速度閉環(huán)，加之IC103第(2)、(3)腳之間所接C109、R113組成的PI調(diào)節(jié)電路、C105、R108組成的微分環(huán)節(jié)，可使電機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)速、穩(wěn)速精度優(yōu)于0.3％。IC103的另一組比較器的輸入端為(15)腳、(16)腳，當(dāng)(16)腳低電平(電路中(15)腳由R105、R104分壓成一固定電位)時(shí)IC103有正常工作狀態(tài)，一旦負(fù)載出現(xiàn)異常，IC103第(16)腳將出現(xiàn)高電平，IC103輸出PWM信號(hào)即刻被封鎖，主開(kāi)關(guān)功率管T001截止，實(shí)現(xiàn)保護(hù)。電機(jī)的啟、停是通過(guò)控制IC103的第(4)腳電位來(lái)實(shí)現(xiàn)的，(4)腳稱為“死區(qū)”控制端，當(dāng)(4)腳電位高于2.5V時(shí)，電路輸出PWM信號(hào)的最大允許導(dǎo)通角為0，即無(wú)輸出，當(dāng)(4)腳電位從2.5V逐漸下降到0，電路輸出PWM信號(hào)的最大允許導(dǎo)通腳將從0逐漸增大到95％，啟、停控制電路IC105上電后，第(8)腳輸出低電平T101截止，則D103輸出2.6V，PWM輸出截止，當(dāng)給IC105第(2)腳或(1)腳輸入高電平時(shí)，(8)腳輸出高電平，T101導(dǎo)通，D103截止，IC103第(4)腳高電位(由C107“記憶”)將經(jīng)R110、R111放電逐漸下降為0，PWM輸出脈沖的占空比亦將從0逐漸加大，主開(kāi)關(guān)功率管T001輸出電壓平均值亦從低到高，電機(jī)實(shí)現(xiàn)“軟”啟動(dòng)，一旦IC105第(3)腳輸入高電平，IC105第(8)腳輸出低電平，D103輸出2.6V，PWM輸出信號(hào)截止，電機(jī)停機(jī)。
速度顯示電路中集成電路IC207(選用CD4060)，第3腳輸出2Hz基準(zhǔn)頻率信號(hào)，再經(jīng)IC206(選用CD4017)產(chǎn)生周期為2.5s計(jì)數(shù)周期脈沖。由IC101第(5)腳輸出的轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)處理產(chǎn)生倍頻信號(hào)(電機(jī)每轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生24個(gè)脈沖)，此信號(hào)由計(jì)數(shù)器2.5s所記脈沖數(shù)正好相當(dāng)于電機(jī)的每分鐘轉(zhuǎn)速。四位計(jì)數(shù)、鎖存、譯碼、驅(qū)動(dòng)電路選用4只CD40110。四位轉(zhuǎn)速顯示由4只7段共陰LED數(shù)碼管承擔(dān)。
權(quán)利要求
1.一種可通過(guò)一組功率電源線及一組轉(zhuǎn)子位置信號(hào)線分別聯(lián)接開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)中的定子繞組和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器的開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)控制器，由功率變換電路，操作與速度顯示電路和包括信號(hào)處理單元電路、四相功率開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路、主開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路、F/V轉(zhuǎn)換電路、PWM控制電路、啟停調(diào)速給定信號(hào)電路及外圍電路組成的主控制電路和為功率變換電路、操作與速度顯示電路、主控制電路提供工作電源的電源電路構(gòu)成，其特征在于主控制電路中設(shè)置至少有一級(jí)保護(hù)信號(hào)的保護(hù)電路，保護(hù)電路中的保護(hù)模塊IC104的第(4)腳為電流取樣信號(hào)的輸入端，保護(hù)電路中的保護(hù)模塊IC104的第(9)腳輸出經(jīng)二極管D104、電阻R119接至主開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路模塊ICK01的(4)腳，保護(hù)電路中的保護(hù)模塊IC104的(8)腳輸出，經(jīng)二極管D106與保護(hù)電路中的光電耦合器IC106輸入端(1)腳聯(lián)接，(8)腳輸出反相保護(hù)信號(hào)經(jīng)電阻R126、三極管T105反相放大后與信號(hào)處理模塊IC101的(11)腳聯(lián)接、并與PWM主控制集成電路IC103的(16)腳的比較器的同相輸入端聯(lián)接；功率變換電路中的主開(kāi)關(guān)管和四相開(kāi)關(guān)管均采用絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)；PWM控制電路的主振頻率調(diào)定于18KHz-25KHz范圍內(nèi)；PWM控制電路比較器的反相輸入端和比較器輸出端之間接有的積分電路及F/V轉(zhuǎn)換電路輸出端接有的比例微分電路共同構(gòu)成比例積分微分電路；PWM控制電路死區(qū)控制端接有停機(jī)及軟啟動(dòng)控制電路；驅(qū)動(dòng)電路中采用高速光電耦合器(6N137)及其外圍電路保證信號(hào)輸入端與信號(hào)輸出端的完全絕緣和輸出電流有較大的放大，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)置有高電平輸入時(shí)的保護(hù)端口；啟停調(diào)速給定信號(hào)電路由集成電路IC2103(LM393)I單元與外圍電路組成三路輸入的反相加法器電路、II單元及其外圍電路組成反相比例放大電路構(gòu)成調(diào)速控制電路，其模塊IC105的(10)腳輸出與PWM主控集成電路IC103第(2)腳的比較器的反相輸入端聯(lián)接，其(5)腳輸出經(jīng)電阻R134與信號(hào)處理電路模塊(12)腳聯(lián)接，集成電路IC2101(CD4069)、IC2102(CD4011)及其外圍電路組成的反相器和兩個(gè)RS觸發(fā)器構(gòu)成啟?？刂齐娐?，其模塊IC105的第(8)腳輸出，經(jīng)三極管T101、二極管D103，電阻R110與PWM主控集成電路IC103的(4)腳聯(lián)接；操作與速度顯示電路由集成電路IC206(CD4017)、集成電路IC207(CD4060)、集成電路IC205(CD4069)及其外圍電路和集成電路IC201、IC202、IC203、IC204(均為CD40110)四位計(jì)數(shù)、鎖存、譯碼、驅(qū)動(dòng)電路和4只7段共陰LED數(shù)碼管構(gòu)成，操作與速度顯示電路中接插件JC07(2)腳與主控制電路中的信號(hào)處理電路模塊IC101的第(5)腳聯(lián)接，操作與速度顯示電路中的常開(kāi)微動(dòng)開(kāi)關(guān)ZQ、FQ、T分別經(jīng)接插件JC07的第(12)、(13)、(3)腳與主控制電路中的啟停調(diào)速給定信號(hào)電路模塊IC105的(2)、(1)、(3)腳聯(lián)接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)控制器，其特征在于主控制電路中保護(hù)電路由集成電路IC1201(LF353)運(yùn)算放大器及其外圍電路組成反相輸入比例運(yùn)算電路、集成電路IC1202(LM339)運(yùn)算放大器I、II兩個(gè)單元及其外圍電路組成的比較器、III單元及其外圍電路組成的單穩(wěn)態(tài)電路、IV單元及其外圍電路組成的雙穩(wěn)態(tài)電路和光電耦合器IC106(TLP521-2)及其外圍電路構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)控制器，其特征在于主控制電路中PWM控制電路的集成電路IC103(TL494)的第(5)、(6)腳所接電容C112取值0.01μF，電阻R114取值小于10KΩ，確定PWM控制電路的固有頻率控制在18KHz-25KHz范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)控制器，其特征在于主控電路中PWM控制電路的集成電路IC103(TL494)比較器反相輸入端和比較器的輸出端的積分電路由電阻R113和電容C109構(gòu)成，F(xiàn)/V轉(zhuǎn)換電路輸出端的比例微分電路由電容C105、電阻R107、R108構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)控制器，其特征在于主控制電路中PWM控制電路的集成電路IC103(TL494)的第(4)腳死區(qū)控制端接入的停機(jī)及軟啟動(dòng)控制電路由電阻R110、R111、R135、R136、電容C107、二極管D103、三極管T101構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)控制器，其特征在于功率變換電路中主開(kāi)關(guān)管的輸出端串接的無(wú)感電阻為電流取樣電阻。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)控制器，其特征在于信號(hào)處理單元電路和開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路中的集成電路IC1201(LF353)及其外圍電路、集成電路IC1202(LM339)及其外圍電路、啟停調(diào)速給定信號(hào)電路采用模塊化結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)PWM調(diào)壓調(diào)速控制技術(shù)領(lǐng)域，由功率變換電路、主控制電路、操作與速度顯示電路構(gòu)成，其主要特點(diǎn)是在主控制電路中設(shè)置有保護(hù)電路，設(shè)計(jì)了啟停調(diào)速給定信號(hào)電路和操作與速度顯示電路，通過(guò)一些元器件的選型和電路的設(shè)計(jì)，選用了超音頻PWM主振頻率，可降低電磁噪聲；提高了電機(jī)速度閉環(huán)的水平，使電機(jī)轉(zhuǎn)速高度穩(wěn)定；通過(guò)二級(jí)保護(hù)，拓寬了調(diào)速范圍和提高了電機(jī)和控制器自身的安全性，并能適應(yīng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的需要，本發(fā)明性價(jià)比高、應(yīng)用領(lǐng)域廣、為諸多產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的改變和性能的改善提高提供了條件，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
文檔編號(hào)H02P6/08GK1457142SQ0211298
公開(kāi)日2003年11月19日 申請(qǐng)日期2002年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月10日
發(fā)明者蔡起仲 申請(qǐng)人:揚(yáng)州中凌電機(jī)技術(shù)有限公司