專利名稱：用于軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種控制裝置，尤其涉及一種用于軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的控制裝置。
背景技術(shù)：
軟起動(dòng)控制系統(tǒng)，特別是在電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)控制系統(tǒng)中，采用調(diào)壓技術(shù)使電動(dòng)機(jī)端的電壓緩緩平穩(wěn)上升，從而實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)的效果。這是通過控制晶閘管的導(dǎo)通角而控制其輸出電壓來實(shí)現(xiàn)的。控制晶閘管導(dǎo)通角的過程是個(gè)復(fù)雜過程，在先技術(shù)中，需要專門對導(dǎo)通角進(jìn)行計(jì)算的控制器，通過晶閘管相位控制觸發(fā)器而實(shí)現(xiàn)。在這個(gè)過程中，還需要通過三相同步變壓器來獲得三相同步信號(hào)。所以造成軟起動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部件眾多，體積龐大，導(dǎo)致故障率高，維修困難，維護(hù)成本高等缺點(diǎn)，限制了電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)的應(yīng)用與發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了克服上述電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)控制系統(tǒng)所存在的不足，提供一種用于電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的控制裝置，它將雙閉環(huán)比例積分微分(PID)調(diào)節(jié)器、相位控制觸發(fā)器、三相同步信號(hào)處理器、電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)等多種功能集于一體，專門用于電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)的控制。
為了達(dá)到上述的目的，本發(fā)明提供的用于軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的控制裝置，它包括供電的穩(wěn)壓單元，輸入單元，輸出單元，顯示器和與軟起動(dòng)控制系統(tǒng)中晶閘管觸發(fā)極相連的相位控制觸發(fā)器，還包括分別與輸入單元、輸出單元、顯示器和相位控制觸發(fā)器相連的中央處理單元(CPU)，分別與中央處理單元(CPU)相連的信號(hào)處理單元和存儲(chǔ)器。
中央處理單元包含帶有看門狗的微控制器，分別與微控制器相連的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)、晶振片和模擬量輸入?yún)⒖茧娢话l(fā)生電路。
微控制器內(nèi)包含輸入端均與模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出端相連的直接斜坡控制器和速度設(shè)定模塊，與速度設(shè)定模塊的輸出端相連的雙閉環(huán)比例積分微分(PID)調(diào)節(jié)器，與雙閉環(huán)比例積分微分(PID)調(diào)節(jié)器的輸出端及直接斜坡控制器的輸出端相連的起動(dòng)方式選擇器；所述的雙閉環(huán)比例積分微分(PID)調(diào)節(jié)器包含比例積分微分控制器、模糊比例積分微分(PID)控制器，連接于比例積分微分控制器與速度設(shè)定模塊之間的速度比較器，連接于比例積分微分控制器與模糊比例積分微分控制器之間的電流比較器；與速度比較器相連的反饋速度檢測器，與電流比較器和模糊比例積分微分控制器相連的反饋電流檢測器；由反饋電流檢測器通過電流比較器和模糊比例積分微分控制器至起動(dòng)方式選擇器構(gòu)成雙閉環(huán)比例積分微分調(diào)節(jié)器的內(nèi)閉環(huán)的電流環(huán)；由反饋速度檢測器通過速度比較器、比例積分微分控制器、電流比較器和模糊比例積分微分控制器至起動(dòng)方式選擇器構(gòu)成的雙閉環(huán)比例積分微分調(diào)節(jié)器的外閉環(huán)的速度環(huán)。
信號(hào)處理單元包含將三相電壓處理得到三相同步信號(hào)的電壓處理器和將三相交流電流處理得到的三相電流的平均電流值的電流處理器。
電壓處理器包含分別與A、B、C三相電壓信號(hào)相對應(yīng)的A、B、C三條電壓信號(hào)處理線，每條電壓信號(hào)處理線都包含與電壓信號(hào)輸入端相連的電壓分壓器，與電壓分壓器相連的阻容濾波器，與濾波器相連的比較器，與比較器相連的光電隔離器。
電流處理器包含分別與A、B、C三相交流電流輸入端相連的標(biāo)準(zhǔn)電阻，與標(biāo)準(zhǔn)電阻輸出端相連的一個(gè)加法電路，分別與標(biāo)準(zhǔn)電阻和加法電路的輸出端相連的第一整流電路、第二整流電路和第三整流電路，輸入端與第一、第二、第三整流電路的輸出端相連的求平均值電路，輸入端與求平均值電路的輸出端相連的濾波電路。
中央處理單元(CPU)根據(jù)輸入信號(hào)來處理得到三相同步觸發(fā)信號(hào)，電壓信號(hào)，電流信號(hào)，轉(zhuǎn)速信號(hào)，經(jīng)中央處理單元(CPU)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)PID運(yùn)算得到可控硅觸發(fā)角，再由相位控制觸發(fā)器去觸發(fā)各個(gè)對應(yīng)的晶閘管(可控硅)，使得可控硅按要求依次導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)軟起控制。本發(fā)明的控制裝置控制回路中采用了電流檢測反饋實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制，控制率采用模糊PID，速度調(diào)節(jié)輸出的設(shè)定電流與反饋的電流差值被用于調(diào)節(jié)，經(jīng)過調(diào)節(jié)后的調(diào)節(jié)信號(hào)作用在每個(gè)可控硅上，使得各可控硅按要求的順序和觸發(fā)角工作，實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制。根據(jù)需要可以設(shè)定雙閉環(huán)PID調(diào)節(jié)控制起動(dòng)方式，也可以采用直接斜坡控制方式實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)。通過直接斜坡起動(dòng)控制信號(hào)送到相位控制觸發(fā)器，這樣就需要設(shè)定起始電壓、切換電壓和起動(dòng)時(shí)間。根據(jù)用戶設(shè)備對象的負(fù)載特性不同，可以采用不同的起動(dòng)方式。如分機(jī)負(fù)載則可采用直接斜坡起動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)。
如上述的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的控制裝置采用了雙閉環(huán)PID調(diào)節(jié)器，對電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流構(gòu)成雙閉環(huán)控制。速度檢測反饋信號(hào)與起動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的速度信號(hào)比較的差值被隨后的PID調(diào)節(jié)器所采用，經(jīng)PID計(jì)算后的到的電流給定信號(hào)送到與電流反饋信號(hào)進(jìn)行比較，再采用上述的模糊電流PID控制器得到可控硅觸發(fā)角信號(hào)。本發(fā)明控制裝置內(nèi)環(huán)為速度響應(yīng)極快的電流環(huán)。利用本發(fā)明控制裝置的最大電流設(shè)定和起動(dòng)時(shí)間等參數(shù)對該P(yáng)ID參數(shù)進(jìn)行修正，提高PID調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，同時(shí)保證內(nèi)環(huán)的快速性和電流的限幅。采用的外環(huán)為速度閉環(huán)，可以穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)速度均勻變化，使得實(shí)際電流會(huì)跟隨速度設(shè)定環(huán)節(jié)的變化，從而極大地提高了電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的性能。
本發(fā)明控制裝置由于采用微機(jī)控制，控制裝置內(nèi)的電路大為簡化，外圍電路只實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集前的處理，無相互之間的關(guān)系判斷計(jì)算等，所有的工作均采用微機(jī)的中央處理器(CPU)來實(shí)現(xiàn)。由于微機(jī)技術(shù)的成熟及功能的提高，軟件計(jì)算實(shí)現(xiàn)方便快捷，編程手段越來越成熟，采用的集成電路均選擇成熟產(chǎn)品，整個(gè)裝置的穩(wěn)定性提高，所以本發(fā)明控制裝置整體結(jié)構(gòu)簡單，外圍電路少，集成度提高的同時(shí)，可靠性也得到有效的提高。
綜合上述說明，本發(fā)明控制裝置優(yōu)點(diǎn)顯著1.本發(fā)明控制裝置功能多將雙閉環(huán)PID調(diào)節(jié)器、晶閘管的相位控制觸發(fā)器、三相同步信號(hào)處理單元、電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)功能集于一體。
2.本發(fā)明控制裝置響應(yīng)速度快由于采用了雙閉環(huán)PID調(diào)節(jié)器，其內(nèi)閉環(huán)(高速環(huán))電流環(huán)的速度為毫秒級(jí)，滿足了起動(dòng)過程中的電流環(huán)處理的要求，能夠快速實(shí)時(shí)地響應(yīng)。
3.本發(fā)明控制裝置調(diào)節(jié)精度高由于雙閉環(huán)PID調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)精度可達(dá)2‰，所以可以實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)過程的精確控制。
4.本發(fā)明控制裝置集成度高將軟起動(dòng)控制、電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)綜合考慮，融為一體，能夠集成于20cm×15cm的印刷線路板上。整個(gè)裝置全部集成在一個(gè)控制盒內(nèi)，體積小，重量輕。這是本發(fā)明的一個(gè)主要特點(diǎn)，克服了在先技術(shù)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、部件眾多、體積龐大等的缺點(diǎn)。
5.本發(fā)明控制裝置性能穩(wěn)定，可靠性好，使用方便。


圖1是本發(fā)明的控制裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是中央處理單元(CPU)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明控制裝置軟起動(dòng)控制結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是電壓處理器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是電流處理器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是本發(fā)明控制裝置中的相位控制觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7是本發(fā)明控制裝置中的顯示器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8是本發(fā)明控制裝置的流程圖。
圖9是雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器中模糊PID控制器中，語言變量E和E’的論域值與其隸屬度函數(shù)的曲線示意圖。
圖10是雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器中模糊PID控制器中偏差比例系數(shù)KP和偏差積分系數(shù)KI的論域值與其隸屬度函數(shù)的曲線示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明控制裝置的結(jié)構(gòu)。
圖1是本發(fā)明控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本發(fā)明包括供電的穩(wěn)壓單元1，輸入單元8，輸出單元7，顯示器2和與軟起動(dòng)控制系統(tǒng)中晶閘管觸發(fā)極相連的相位控制觸發(fā)器5，分別與輸入單元8、輸出單元7、顯示器2和相位控制器觸發(fā)器5相連的中央處理單元3，分別與中央處理單元3相連的信號(hào)處理單元6和存儲(chǔ)器4。
所述的連接于中央處理單元3上的存儲(chǔ)器4，在本實(shí)施例中，它由2片存儲(chǔ)芯片24C08組成的隨機(jī)存儲(chǔ)器(EEPROM)，用于隨時(shí)保存數(shù)據(jù)。
所述的穩(wěn)壓單元1，在本實(shí)施例中，它由開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)壓輸出為±12V，5V，24V四組，其中±12V供給信號(hào)調(diào)整電路，5V用于中央處理單元(CPU)回路，24V用于內(nèi)部繼電器輸出控制回路。
輸入單元8實(shí)現(xiàn)開關(guān)量輸入的濾波處理和光電隔離，濾波電路由阻容和運(yùn)放實(shí)現(xiàn)一階低通濾波，光電隔離采用芯片TLP521。輸入信號(hào)有起動(dòng)、停止、復(fù)位、上升、下降、確認(rèn)、運(yùn)行控制、溫度過高、接觸器通斷信號(hào)。
輸出單元7是由中央處理單元(CPU)給出邏輯信號(hào)經(jīng)三極管驅(qū)動(dòng)后帶動(dòng)繼電器動(dòng)作。本實(shí)施例中，用小型繼電器。小型繼電器的觸頭被用于控制外圍電路，控制回路與觸點(diǎn)的回路是隔離的。
圖2是圖1中的中央處理單元3的具體結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，中央處理器3它包含帶有看門狗305的微控制器302。與微控制器302相連的晶振片301，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)304和模擬量輸入?yún)⒖茧娢话l(fā)生電路303。本實(shí)施例中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用高速帶12位A/D(模數(shù)轉(zhuǎn)換)，采用晶振片的最高速度可達(dá)到40MHz，現(xiàn)使用的速度為20MHz。由于指令集高度集成化，外加CPU采用“哈佛”流水線作業(yè)，可以達(dá)到每個(gè)機(jī)器周期可運(yùn)行一條指令?，F(xiàn)系統(tǒng)程序運(yùn)行一個(gè)周期只需要0.1mS，而控制對象的三相交流電為工頻50Hz，每個(gè)交流半波為10mS，即該180度內(nèi)可以分割為100份，達(dá)到每1.8個(gè)弧度內(nèi)可以改變觸發(fā)角度，比在先技術(shù)的60度內(nèi)改變一次觸發(fā)角的要求快得多。由于采用A/D轉(zhuǎn)換為12Bit的分辨率，以滿量程12位計(jì)算的話，可以達(dá)到1/1024±1Bit的精度，即誤差小于2‰，對電機(jī)的控制精度可以很高，從而實(shí)現(xiàn)精確控制。
本實(shí)施例中，所用晶振片301為20兆赫茲。用于系統(tǒng)出錯(cuò)時(shí)自動(dòng)復(fù)位使用的看門狗305，模擬量輸入需要使用的標(biāo)準(zhǔn)參考電位發(fā)生電路303和微控制器302選取PIC(為Peripheral Interface Controller的英文縮寫，稱為外圍接口控制器)系列的CPU為PIC16F877芯片。其他單元均需要與該CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
圖3是本發(fā)明控制裝置中的微控制器302的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及本發(fā)明的軟起動(dòng)的控制系統(tǒng)。
如圖3所示，中央處理單元3中微控制器302內(nèi)包含輸入端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)304相連的速度設(shè)定模塊3021和直接斜坡控制器3026，與速度設(shè)定模塊3021的輸出端相連的雙閉環(huán)比例積分微分(以下簡稱PID)調(diào)節(jié)器3022。與雙閉環(huán)比例積分微分(PID)調(diào)節(jié)器3022和直接斜坡控制器3026的輸出端相連的起動(dòng)方式選擇器3023，起動(dòng)方式選擇器3023的輸出端連接到相位控制觸發(fā)器5的輸入端；所述的雙閉環(huán)PID調(diào)節(jié)器3022包含比例積分微分(PID)控制器30221，模糊比例積分微分(PID)控制器30223，連接與PID控制器30221與模糊PID控制器30223之間的電流比較器30222，連接與PID控制器30221與速度設(shè)定模塊3021之間的速度比較器30220。與速度比較器30220相連的反饋速度檢測器3025，與電流比較器30222相連的反饋電流檢測器3024。反饋電流檢測器3024的輸入端連接到接于軟起動(dòng)控制系統(tǒng)中的晶閘管9與電動(dòng)機(jī)(M)11之間的電流互感器10上，反饋電流檢測器3024是采集電動(dòng)機(jī)11的起動(dòng)電流。反饋速度檢測器3025連接到電動(dòng)機(jī)11的主動(dòng)轉(zhuǎn)軸上，是采集電動(dòng)機(jī)11的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。由反饋電流檢測器3024通過電流比較器30222和模糊PID控制器30223至起動(dòng)方式選擇器3023構(gòu)成雙閉環(huán)PID調(diào)節(jié)器3022的內(nèi)閉環(huán)的電流環(huán)；由反饋速度檢測器3025通過速度比較器30220、PID控制器30221、電流比較器30222、模糊PID控制器30223至起動(dòng)方式選擇器3023構(gòu)成雙閉環(huán)PID調(diào)節(jié)器3022的外閉環(huán)的速度環(huán)。起動(dòng)方式選擇器3023的輸出端接到相位控制觸發(fā)器5的輸入端，相位控制觸發(fā)器5的輸出端觸發(fā)軟起動(dòng)控制系統(tǒng)中的晶閘管的導(dǎo)通，通過電流互感器10對控制對象的電動(dòng)機(jī)(M)11實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)。
所述的比例積分微分(PID)控制器30221是根據(jù)設(shè)定速度與反饋速度之誤差信號(hào)e(t)來計(jì)算輸出的控制規(guī)律，PID控制器的控制算式為u(t)=KPe(t)+Ki∫0te(t)dt+Kdde(t)dt]]>式中KP是偏差的比例系數(shù)；Ki偏差積分系數(shù)；Kd是積分系數(shù)；u(t)是控制的輸出信號(hào)。PID控制器結(jié)構(gòu)簡單，具有一定的魯棒性，容易實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)態(tài)無靜差，控制精度高，能滿足大多數(shù)工業(yè)過程的要求。因此，長期以來廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制，并取得了良好的控制效果。但是也存在不同程度的存在非線性、大滯后、對時(shí)變對象不太容易適應(yīng)、對象模型不確定時(shí)難得到理想效果。根據(jù)其特點(diǎn)，將此PID控制用在相對慢變的參數(shù)即速度的閉環(huán)控制。
所述的模糊比例積分微分(PID)控制器30223是利用模糊邏輯算法并根據(jù)一定的模糊規(guī)則對PID控制的比例、積分、微分系數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，以達(dá)到較為理想的控制效果。本發(fā)明控制裝置中的模糊PID控制器主要由PID控制器，模糊推理單元，比較器和誤差變化率計(jì)算單元組成。PID控制器實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，其輸入信號(hào)為速度環(huán)輸出的控制信號(hào)u(t)與實(shí)際電流檢測值i(t)比較的誤差值e(t)，計(jì)算公式同上述控制器30221的PID控制，但是系數(shù)KP和Ki變成由模糊推理單元決定的KP和KI，模糊推理單元采用二輸入二輸出的形式，即以|e|和|e’|作為輸入，以KP、KI作為輸出。其中誤差變化率e’是由誤差變化率計(jì)算單元采用對誤差e求微分實(shí)現(xiàn)。模糊控制是將輸入e和e’轉(zhuǎn)化為語言變量E和E’，其論域均為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，輸出語言變量KI、KP的論域均為{0，1，2，3，4，5，6}，先建立E和E’的隸屬度函數(shù)，如圖9所示，圖中NB表示負(fù)大，NM表示負(fù)中，ZO表示零，PM表示正中，PB表示正大，橫座標(biāo)X數(shù)值即為E或E’的論域值。再根據(jù)該兩個(gè)函數(shù)用經(jīng)驗(yàn)規(guī)則表，如表1-KP的模糊控制規(guī)則表，表2-KI的模糊控制規(guī)則表，得到KI、KP的隸屬度函數(shù)，如圖10所示。圖中Z表示零，S表示小，M表示中，B表示大，橫座標(biāo)X數(shù)值即為KP或KI的論域值。模糊控制單元采用的規(guī)則如表1、表2所示，得到KP和KI，從而得到PID所需的KI、KP值。實(shí)現(xiàn)模糊推理單元對PID參數(shù)KP、KI進(jìn)行在線整定，以滿足不同的誤差e和誤差變化率e’對控制器參數(shù)的不同要求，而使被控對象具有良好的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能。與傳統(tǒng)PID比較可以看出，該兩個(gè)重要的調(diào)節(jié)參數(shù)是隨對象參數(shù)變化而相應(yīng)變化以適應(yīng)需要，從而克服時(shí)間滯后，提高系統(tǒng)的快速性。
表1 KP的模糊控制規(guī)則表
表2 KI的模糊控制規(guī)則表 所述的起動(dòng)方式選擇器3023是根據(jù)控制對象電動(dòng)機(jī)(M)11的負(fù)載特性可以選擇不同的起動(dòng)方式，如果控制對象是分機(jī)負(fù)載，則可以選擇直接斜坡起動(dòng)控制。如圖3所示，設(shè)定起始電壓，切換電壓和起動(dòng)時(shí)間，直接輸進(jìn)相位控制觸發(fā)器5上。還可以根據(jù)需要選擇雙閉環(huán)PID調(diào)節(jié)控制起動(dòng)方式，也可以選擇內(nèi)閉環(huán)的電流環(huán)的起動(dòng)方式。
所述的信號(hào)處理單元6，包含將三相電壓處理得到三相同步信號(hào)的電壓處理器(圖4所示)和將三相交流電流處理得到的三相電流的平均電流值的電流處理器(圖5所示)。
圖4是信號(hào)處理單元6中的電壓處理器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4所示，電壓處理器包含分別與A、B、C三相電壓信號(hào)相對應(yīng)的A、B、C三條電壓信號(hào)處理線；每條電壓信號(hào)處理線都包含分別與電壓信號(hào)輸入端A、B、C相連的電壓分壓器A101、B101、C101；分別與電壓分壓器A101、B101、C101相連的阻容濾波器A102、B102、C102；分別與阻容濾波器A102、B102、C102相連的比較器A103、B103、C103；分別與電壓比較器A103、B103、C103相連的光電隔離器A104、B104、C104。
如上述結(jié)構(gòu)的電壓處理器是將A、B、C三相電壓信號(hào)經(jīng)過它的處理得到A、B、C三相同步信號(hào)。如圖4所示，A、B、C三相電壓分別經(jīng)三個(gè)對稱的過零比較器A103、B103、C103后得到各自的過零同步信號(hào)。以A相為例，A相電壓信號(hào)經(jīng)R2，R3構(gòu)成的電壓分壓器A101分壓得到對應(yīng)的電壓信號(hào)，該信號(hào)通過電阻R4和電容C1構(gòu)成的濾波器A102濾波后送到運(yùn)放的同相端，該運(yùn)放的反相端是三相電壓信號(hào)通過電阻R3，R7，R11構(gòu)成對稱星形負(fù)載的中心點(diǎn)，即該運(yùn)放判斷A相電壓信號(hào)是否過零，并給出高或低電平。比較器A103、B103、C103采用工業(yè)級(jí)的LM224芯片。運(yùn)放輸出高或低邏輯電平控制光電隔離后形成標(biāo)準(zhǔn)的同步邏輯信號(hào)送到微控制器(CPU)302內(nèi)，由CPU根據(jù)該信號(hào)去控制對應(yīng)的晶閘管，光電隔離器A104、B104、C104采用TLP521芯片。
圖5是信號(hào)處理單元6中的電流處理器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖5所示，電流處理器包含分別與A、B、C三相交流電流輸入端相連的標(biāo)準(zhǔn)電阻R1、R2。與標(biāo)準(zhǔn)電阻R1、R2輸出端相連的一個(gè)加法電路606。分別與標(biāo)準(zhǔn)電阻R1、R2和加法電路606的輸出端相連的第一整流電路601、第二整流電路602和第三整流電路605。輸入端與第一、第二、第三整流電路601、602、605的輸出端相連的求平均值電路603，輸入端與求平均值電路603的輸出端相連的濾波電路604。如圖5所示，A、B兩相交流電流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)電阻R1、R2產(chǎn)生的電壓值經(jīng)過第一、第二整流電路601、602整流后，送入求平均值電路603；同時(shí)A、B、C三相交流電流經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)電阻R1、R2后通過加法電路606相加后也送入求平均值電路603中。經(jīng)過求平均值電路603后求得平均值，由濾波電路604濾掉干擾信號(hào)輸出平均值的電流信號(hào)。
如圖5中，AAA、BBB、CCC為三相交流電流流過標(biāo)準(zhǔn)電阻R1、R2時(shí)產(chǎn)生的對應(yīng)A、B、C相電壓值，其中CCC又是由AAA，BBB電流信號(hào)經(jīng)加法電路606得到的電流值。三相信號(hào)分別經(jīng)整流電路后得到各自的有效值，整流電路由運(yùn)放芯片LM224構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)小信號(hào)的運(yùn)算。然后在用平均值電路求取得到三相電流的電流平均值。再經(jīng)過由阻容構(gòu)建的二階低通濾波電路去除干擾信號(hào)后得到可利用的電流信號(hào)。該電流信號(hào)送到微處理器(CPU)的模擬量接口，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)在輸進(jìn)微處理器(CPU)內(nèi)。
圖6是本發(fā)明控制裝置的相位控制觸發(fā)器5的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖6所示，相位控制觸發(fā)器5包含輸入端D0、D1、D2、D3、D4、D5分別與中央處理單元3輸出的6個(gè)觸發(fā)信號(hào)端DB0、DB1、DB2、DB3、DB4、DB5相連接的信號(hào)處理集成電路U1。輸入端IN1、IN2、IN3、IN4、IN5、IN6分別與信號(hào)處理集成電路U1的6個(gè)信號(hào)輸出端Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5相連的集成放大電路U2。初級(jí)端分別與集成放大電路U2的6個(gè)信號(hào)輸出端Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6相連的6個(gè)隔離脈沖變壓器T1、T2、T3、T4、T5、T6。6個(gè)隔離脈沖變壓器T1、…、T6的次級(jí)端分別接在6個(gè)晶閘管J1、…、J6的觸發(fā)極上。
在本實(shí)施例中，信號(hào)處理集成電路U1選用集成電路74365芯片。集成放大電路U2采用集成電路ULN2003芯片。如上述的結(jié)構(gòu)，相位控制觸發(fā)器5是由中央處理器(CPU)來的6個(gè)觸發(fā)信號(hào)DB0、…、DB5分別對應(yīng)6路晶閘管(可控硅)。信號(hào)處理集成電路U1根據(jù)中央處理單元3輸出的脈寬調(diào)制信號(hào)PWM處理DB0、…、DB5信號(hào)后得到對應(yīng)的觸發(fā)脈沖信號(hào)。觸發(fā)脈沖信號(hào)經(jīng)過集成放大電路U2放大后，控制6個(gè)對應(yīng)的隔離脈沖變壓器T1、T2、T3、T4、T5、T6。隔離脈沖變壓器的輸出即為晶閘管的觸發(fā)控制信號(hào)，該信號(hào)用于晶閘管的導(dǎo)通和控制。
圖7是本發(fā)明控制裝置中顯示器2的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖7所示，顯示器2包含分別通過中央處理單元3上的通訊數(shù)據(jù)接口DIN，時(shí)鐘信號(hào)接口CLK和控制信號(hào)接口CS連接的6個(gè)具有串口通訊功能的集成電路201、202、203、204、205、206。分別與集成電路201、…、206輸出端相連的5個(gè)數(shù)碼管207、208、209、2010、2011以及包含分別顯示電源、待機(jī)、運(yùn)行、設(shè)定和故障的5個(gè)指示燈的顯示板2012。本實(shí)施例中，具有串口通訊功能的集成電路201、202、203、204、205、206選用74LS595芯片。數(shù)碼管207、208、209、2010、2011選用7段數(shù)碼管。指示燈選用發(fā)光二極管。
如圖7所示的結(jié)構(gòu)，圖中DIN為通訊的數(shù)據(jù)輸入，CLK是CPU給出的時(shí)鐘信號(hào)，CS是控制顯示輸出的控制信號(hào)輸入，集成電路201、…、206根據(jù)CLK信號(hào)讀取其數(shù)據(jù)信號(hào)(SER)(即CPU或上位芯片給出的數(shù)據(jù)信號(hào))并將其轉(zhuǎn)換為8位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在其內(nèi)部一個(gè)寄存器中，在接受到CS控制信號(hào)時(shí)將寄存器的數(shù)據(jù)輸出給數(shù)碼管或指示燈顯示出來。
圖8是本發(fā)明控制裝置軟起動(dòng)控制的流程圖。本發(fā)明控制裝置的軟起動(dòng)控制如圖8所示。當(dāng)本發(fā)明控制裝置置于軟起動(dòng)控制系統(tǒng)中，控制裝置開始運(yùn)行，首先由中央處理單元3中的微控制器(CPU)將寄存器，存儲(chǔ)器，外圍信號(hào)進(jìn)行初始化處理，即置于0。操作外圍按鈕命令、按鍵命令、控制輸出、顯示輸出等的控制。根據(jù)參數(shù)按鍵可修改輸入的參數(shù)，確認(rèn)后的參數(shù)存儲(chǔ)在可失電記憶的存儲(chǔ)器中。此時(shí)顯示器上可顯示供電、初始、運(yùn)行、故障、設(shè)定的基本狀態(tài)和對應(yīng)狀態(tài)的參數(shù)值。指令微控制器軟起動(dòng)開始運(yùn)行，進(jìn)行電壓檢測和同步信號(hào)檢測，即反饋電流檢測器和反饋速度檢測器開始檢測采集電流反饋信號(hào)Kc和速度反饋信號(hào)Kn。通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號(hào)輸進(jìn)微控制器內(nèi)。微控制器根據(jù)讀取到的轉(zhuǎn)速Kn和電流Kc實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)調(diào)節(jié)控制或根據(jù)參數(shù)選擇命令采用簡單的直接斜坡控制來實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)的閉環(huán)控制。顯示器上顯示電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。上述程序基本工作完成后為準(zhǔn)備運(yùn)行進(jìn)行的電壓信號(hào)的采集和故障判斷，主要是得到三相同步信號(hào)用于可控硅觸發(fā)角的控制。根據(jù)雙閉環(huán)PID調(diào)節(jié)器計(jì)算速度調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)，將獲得的結(jié)果按電壓的同步信號(hào)進(jìn)行觸發(fā)角的導(dǎo)通和控制，并將獲得的結(jié)果按對應(yīng)的三相6個(gè)可控硅發(fā)送六個(gè)控制觸發(fā)脈沖，實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)過程控制。如果電動(dòng)機(jī)已起動(dòng)成功，已切換為直接運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)可控硅已被短路而且也已停止觸發(fā)工作。當(dāng)采集到的電壓，電流信號(hào)，判斷設(shè)備對象是否存在故障，如電流過流，短路，電流缺相，電壓缺相等，顯示器上顯示故障，則控制裝置停止運(yùn)行，從而對電機(jī)實(shí)現(xiàn)保護(hù)控制。如無上述故障，控制裝置控制電動(dòng)機(jī)繼續(xù)正常運(yùn)行。如上述故障中有一個(gè)出現(xiàn)，則立即控制電動(dòng)機(jī)停止工作，并向顯示存儲(chǔ)區(qū)送故障顯示標(biāo)志位，等待復(fù)位標(biāo)志的出現(xiàn)，故障處理后回到循環(huán)入口繼續(xù)等待復(fù)位命令的輸入。上述在軟起動(dòng)過程中具體運(yùn)行和控制的過程如圖8所示起動(dòng)開始時(shí)根據(jù)選擇的工作模式進(jìn)入不同的給定環(huán)節(jié)，如選擇閉環(huán)控制，由速度給定環(huán)節(jié)給出一速度斜坡信號(hào)該信號(hào)送到速度環(huán)的比較器，如選擇直接斜坡起動(dòng)，則根據(jù)起始電壓設(shè)定給出從起始電壓開始的導(dǎo)通角的斜坡信號(hào)，并直接輸出給相位觸發(fā)控制環(huán)節(jié)。兩個(gè)斜坡的斜率均取決于起動(dòng)時(shí)間的設(shè)定，起動(dòng)時(shí)間長則斜坡平緩。閉環(huán)控制模式中，根據(jù)速度環(huán)的參數(shù)可以選擇是否采用速度環(huán)，如采用速度環(huán)，則將給定的速度信號(hào)與實(shí)際的速度反饋信號(hào)比較后的差值由速度PID調(diào)節(jié)器計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果為在該偏差情況下所需要的電流值的給定，如不采用速度環(huán)，則程序根據(jù)速度給定信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為電流給定信號(hào)送給電流環(huán)。同樣電流環(huán)的控制也可根據(jù)參數(shù)的選擇加以不同的控制方式，如采用速度閉環(huán)調(diào)節(jié)，則將上一個(gè)輸出環(huán)節(jié)給出的電流給定與實(shí)際采樣到的電流信號(hào)比較得到偏差信號(hào)，根據(jù)該偏差信號(hào)按PID調(diào)節(jié)規(guī)律，外加另一個(gè)參數(shù)“起動(dòng)電流倍數(shù)”來限制最大電流，一同來給出晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通角控制信號(hào)。如未采用電流環(huán)，則將電流環(huán)的給定電流信號(hào)按晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通角與電流關(guān)系規(guī)律轉(zhuǎn)化成觸發(fā)信號(hào)。上述三種情況得到的觸發(fā)角信號(hào)均送到相位控制環(huán)節(jié)，由CPU的相位控制觸發(fā)時(shí)間和順序來實(shí)現(xiàn)晶閘管的導(dǎo)通控制?？梢婋p閉環(huán)中速度環(huán)為外環(huán)，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，速度環(huán)的輸出是電流環(huán)的給定。實(shí)際使用中可根據(jù)實(shí)際工況來設(shè)定工作模式。為保證精度，程序計(jì)算中采用浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)占用4各寄存器，32位。由于電流環(huán)要求的響應(yīng)極快，電流環(huán)的PID采用模糊PID控制，一方面滿足響應(yīng)要求，一方面滿足控制要求，即不能由大幅度的電流超調(diào)出現(xiàn)。運(yùn)行中的保護(hù)主要是根據(jù)設(shè)定的電動(dòng)機(jī)額定電流與實(shí)際的電流采樣比較計(jì)算實(shí)現(xiàn)，如實(shí)際電流為8倍額定電流以下，則采用的是反時(shí)限規(guī)律控制，即電流越大，保護(hù)所需要的延時(shí)時(shí)間越短，如出現(xiàn)8倍額定電流以上的電流，控制裝置在0.2秒內(nèi)給出保護(hù)繼電器動(dòng)作，去控制電機(jī)的主回路斷開，如1.05倍以下，則能保證裝置可以長時(shí)間地工作。
權(quán)利要求
1.一種用于軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的控制裝置，它包括供電的穩(wěn)壓單元，輸入單元，輸出單元，顯示器和與軟起動(dòng)控制系統(tǒng)中晶閘管觸發(fā)極相連的相位控制觸發(fā)器，其特征在于包括分別與輸入單元、輸出單元、顯示器和相位控制觸發(fā)器相連的中央處理單元，分別與中央處理單元相連的信號(hào)處理單元和存儲(chǔ)器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的控制裝置，其特征在于所述的中央處理單元包含帶有看門狗的微控制器，分別與微控制器相連的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、晶振片和模擬量輸入?yún)⒖茧娢话l(fā)生電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的控制裝置，其特征在于所述的微控制器內(nèi)包含輸入端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出端相連的直接斜坡控制器和速度設(shè)定模塊，與速度設(shè)定模塊的輸出端相連的雙閉環(huán)比例積分微分調(diào)節(jié)器，與雙閉環(huán)比例積分微分調(diào)節(jié)器的輸出端及直接斜坡控制器的輸出端相連的起動(dòng)方式選擇器；所述的雙閉環(huán)比例積分微分調(diào)節(jié)器包含比例積分微分控制器，模糊比例積分微分控制器，連接于比例積分微分控制器與速度設(shè)定模塊之間的速度比較器，連接于比例積分微分控制器與模糊比例積分微分控制器之間的電流比較器；與速度比較器相連的反饋速度檢測器，與電流比較器和模糊比例積分微分控制器相連的反饋電流檢測器；由反饋電流檢測器通過電流比較器和模糊比例積分微分控制器至起動(dòng)方式選擇器構(gòu)成雙閉環(huán)比例積分微分調(diào)節(jié)器的內(nèi)閉環(huán)的電流環(huán)；由反饋速度檢測器通過速度比較器、比例積分微分控制器、電流比較器和模糊比例積分微分控制器至起動(dòng)方式選擇器構(gòu)成的雙閉環(huán)比例積分微分調(diào)節(jié)器的外閉環(huán)的速度環(huán)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的控制裝置，其特征在于所述的信號(hào)處理單元包含將三相電壓處理得到三相同步信號(hào)的電壓處理器和將三相交流電流處理得到的三相電流的平均電流值的電流處理器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的控制裝置，其特征在于所述的電壓處理器包含分別與A、B、C三相電壓信號(hào)相對應(yīng)的A、B、C三條電壓信號(hào)處理線，每條電壓信號(hào)處理線都包含與電壓信號(hào)輸入端相連的電壓分壓器，與電壓分壓器相連的阻容濾波器，與阻容濾波器相連的比較器，與比較器相連的光電隔離器。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的控制裝置，其特征在于所述的電流處理器包含分別與A、B、C三相交流電流輸入端相連的標(biāo)準(zhǔn)電阻，與標(biāo)準(zhǔn)電阻輸出端相連的一個(gè)加法電路，分別與標(biāo)準(zhǔn)電阻和加法電路的輸出端相連的第一整流電路、第二整流電路和第三整流電路，輸入端與第一、第二、第三整流電路的輸出端相連的求平均值電路，輸入端與求平均值電路的輸出端相連的濾波電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的控制裝置，其特征在于所述的相位控制觸發(fā)器包含輸入端與中央處理單元輸出的6個(gè)觸發(fā)信號(hào)端相連接的信號(hào)處理集成電路，與信號(hào)處理集成電路輸出端相連的集成放大電路，初級(jí)端分別與集成放大電路6個(gè)信號(hào)輸出端相連的6個(gè)隔離脈沖變壓器，隔離脈沖變壓器次級(jí)端的輸出連接到晶閘管的觸發(fā)極上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的控制裝置，其特征在于所述的顯示器包含分別與中央處理單元相連的6個(gè)具有通訊功能的集成電路，分別與集成電路輸出端相連的5個(gè)數(shù)碼管，以及包含顯示電源、待機(jī)、運(yùn)行、設(shè)定和故障的5個(gè)指示燈的顯示板。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的控制裝置，其特征在于所述的輸入單元包含對于輸入的開關(guān)量進(jìn)行濾波的阻容濾波器和光電隔離器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的控制裝置，其特征在于所述的輸出單元包含與中央處理單元邏輯信號(hào)輸出端相連的三極管和連接到外圍電路上的繼電器。
全文摘要
一種用于軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的控制裝置，它包括供電的穩(wěn)壓單元，輸入單元，輸出單元，顯示器和與軟起動(dòng)控制系統(tǒng)中晶閘管觸發(fā)極相連的相位控制觸發(fā)器，分別與輸入單元、輸出單元、顯示器和相位控制器相連的中央處理單元，分別與中央處理單元相連的信號(hào)處理單元和存儲(chǔ)器。中央處理單元中的微控制器內(nèi)包含外閉環(huán)為速度環(huán)、內(nèi)閉環(huán)為電流環(huán)的雙閉環(huán)比例積分微分調(diào)節(jié)器，直接斜坡控制器和起動(dòng)方式選擇器。本發(fā)明的控制裝置中包含有三種起動(dòng)方式，提供給晶閘管導(dǎo)通角的觸發(fā)信號(hào)。具有功能多，響應(yīng)速度快，調(diào)節(jié)精度可達(dá)2‰，集成度高，體積小，重量輕的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02P1/26GK1694343SQ20051002603
公開日2005年11月9日 申請日期2005年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月20日
發(fā)明者張菊標(biāo), 顧偉, 林葉春 申請人:上海海事大學(xué), 上海聚友電氣科技發(fā)展有限公司