CN102882452B - 基于微功耗单片机的高压直流电机控制装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于微功耗单片机的高压直流电机控制装置和方法，由微功耗单片机构成控制单元、测量隔离刀闸状态及位置、允许操作信号回路模块，开关量输入模块、高压直流电机控制模块、电机堵转，短路检测模块、电机刹车模块及电源模块构成；测量隔离刀闸状态及位置、允许操作信号回路模块输入开关量输入模块、电机堵转和短路检测模块、电机刹车模块均接入控制单元，控制单元输出接高压直流电机控制模块。可以直接控制高压（220/110VDC）大功率直流电机；电机监视回路在电机堵转、短路时，为微功耗单片机提供信息，快速切断电机电源；电动机刹车回路可以防止电机惯性导致行程过度的；超宽范围供电的电源回路可以满足不同电压等级的需求。

Description

基于微功耗单片机的高压直流电机控制装置和方法
技术领域
本发明涉及的基于微功耗单片机的高压直流电机控制装置和方法。
背景技术
近年来，随之智能控制系统的推广，对物体的运动控制越来越多。如电力系统中对高压的隔离刀闸的控制，轨道交通中对站台屏蔽门的控制等等。
但对于电力系统、轨道交通而言，其高压直流电源的供电可靠性非常高，所以，其控制系统通常采用220V/110VDC供电。这样，就要求所有的控制回路均采用高压直接控制。
目前通常的解决方案是采用高压，大容量的接触器进行操作。该方案随让能满足基本的操作，但存在接线复杂；频繁操作带来的接触器的损坏，维护工作量大；其它的如监视、保护、防止过行程等功能无法实现。
目前大功率电子电机控制器件多为低压控制，无法满足高压直接控制的需求。
发明内容
本发明目的是提供一种功能完善，可直接用于高压电机控制的装置和方法。
一种基于微功耗单片机的高压直流电机控制装置，其特征是由微功耗单片机构成控制单元、测量隔离刀闸状态及位置、允许操作信号回路模块、开关量输入模块、高压直流电机控制模块、电机堵转，短路检测模块、电机刹车模块及电源模块构成；测量隔离刀闸状态及位置、允许操作信号回路模块输入开关量输入模块、电机堵转和短路检测模块、电机刹车模块均接入控制单元，控制单元输出接高压直流电机控制模块。
基于微功耗单片机的高压直流电机控制方法，其中，测量隔离刀闸状态及位置、允许操作信号回路模块输入开关量输入模块、电机堵转和短路检测模块、电机刹车模块均接入控制单元，控制单元输出接高压直流电机控制模块；开关量输入模块将外部测量隔离刀闸状态及位置、允许操作信号回路、电机堵转和短路检测模块、电机刹车模块的输入信号转换、隔离成单片机能接受的开关量信号，作为闭环控制的反馈与监视。
微功耗单片机作为控制装置的核心单元，根据开关量的信号，操作的允许性，决定电机的操作策略；测量电机采样回路的电流大小测量电机采样回路的电流大小电机操作命令发出后，该单元将判断电机执行机构是否按照预定的策略进行操作，如规定时间达到预期策略，将自动结束本次操作；如规定时间内未能达到预期策略，将自动撤销本次操作，并给出告警信号；机构执行过程中，该单元将检测电机堵转、短路检测模块的信号，如信号有效，将快速断开电机控制回路，保护电机；
高压直流电机控制模块根据微功耗单片机发出的指令，驱动高压电机的正、反转操作；本模块可以直接驱动高压220VDC供电的直流电机；
电机堵转、短路检测模块，本模块在电机驱动时，监视流过电机回路的电流，当流过的电流超过设定值时，给微功耗单片机单元发出信号，用于快速切断电机控制回路；为了确定堵转电流的大小，在前期，我们通过采集电机回路堵转时的波形，选取一个点，在这点虽然发生堵转，却不致使丝杆受到损坏，此时电机回路的工作电流即为最终确定的堵转电流。即为堵转电流设定值。
电机刹车模块，微功耗单片机在给电机发出停止指令后，由于电机的惯性，会继续运转，电机刹车模块工作，将快速将电机停转，达到保护机械结构的目的；
电源模块为超宽范围电源模块(可采用开关电源)，满足100～240VAC，24VDC～220VDC的供电范围，为微功耗单片机供电。
高压直流电机控制模块，采用大功率电力电子器件(IGBT)、保护器件(固体开关或可控硅或继电器)及感性元件，确保电机的安全、可靠启动与回路的可靠运行。如果把伴有许多干扰利用电感通直流阻交流的特点，滤除了电路中的峰值较大的交流信号。
图2高压直流电机控制模块，图中当K1A及K2A导通时，电机为A向转动；图中K3A及K4A导通时，电机为B向转动；回路设置硬件及软件A向B向转动互锁逻辑，当A向转动时，B向关联电路不能导通，当B向转动时，A向关联电路不能导通。
电机刹车模块，通过微功耗单片机进行输入电压A/D变换，进行采集，根据输入电压的不同，利用PWM的控制，进行继电器输出的控制。
其中电机的监视电流定值可以通过设定开关进行设定。
在电机采样回路中加一个电流取样电阻，通过测量取样电阻上的电压，可以监控电机回路的电流大小。
为了测量该回路的电流大小，引入了一个比较器电路，当取样电阻上的电压超过设定的电压时，切断电机回路，如图3所示。
本发明的有益效果是：克服目前通常的解决方案是采用高压，大容量的接触器进行高压电机操作控制的不足。本发明提供一种功能完善，可直接用于高压电机控制的装置和方法。本发明以微功耗单片机为核心，结合电动机驱动设备的状态与位置信息，实行闭环控制。微功耗单片机与电力电子器件构成直流电机正、反转的回路结合，可以直接控制高压(220/110VDC)大功率直流电机；电机监视回路在电机堵转、短路时，为微功耗单片机提供信息，快速切断电机电源；电动机刹车回路可以防止电机惯性导致行程过度的；超宽范围供电的电源回路可以满足不同电压等级的需求。该产品的可靠性高，应用范围广泛。
附图说明
图1是本发明的框图，
图2高压直流电机控制模块
图3为电流设定回路
图4为电机刹车回路
图5直流防错接回路
具体实施方式
概言之，本发明涉及一种基于微功耗单片机的高压直流电机控制装置，其特征是以为微功耗单片机为核心，结合电动机驱动设备的状态与位置信息，实行闭环控制。微功耗单片机与电力电子器件构成直流电机正、反转的回路结合，可以直接控制高压(220/110VDC)大功率直流电机；电机监视回路在电机堵转、短路时，为微功耗单片机提供信息，快速切断电机电源；电动机刹车回路可以防止电机惯性导致行程过度的；电源回路采用超宽范围供电的电源回路，可以满足不同电压等级的需求。
根据本发明的一个方面，基于微功耗单片机为核心的控制单元。由于电力系统或者站台屏蔽门控制均要求：满足条件才能进行操作及电机操作后需要进行闭环控制。所以，微功耗单片机将完成各种逻辑与控制条件的判断，当满足控制条件电机操作时，电机操作命令发出后，该单元将判断电机执行机构是否按照预定的策略进行操作，如规定时间达到预期策略，将自动结束本次操作；如规定时间内未能达到预期策略，将自动撤销本次操作，并给出告警信号。机构执行过程中，该单元将检测电机堵转、短路检测模块的信号，如信号有效，将快速断开电机控制回路，保护电机。
当系统判断操作完成，需要提供刹车时，微功耗单片机将发出刹车命令。由于本发明采用超宽范围供电模式，为控制继电器的励磁电压，单片机将对工作电压进行A/D采样，根据采样的电压值进行PWM控制输出，确保继电器有效工作。
根据本发明另一方面，开关量输入模块，完成外部的输入信号转换、隔离成单片机能接受的开关量信号，作为闭环控制的反馈与监视。
根据本发明的另一方面，高压电机控制模块，本模块根据微功耗单片机发出的指令，执行高压电机的正、反转操作。本模块可以直接驱动高压220VDC供电的直流电机。本模块采用高压电力电子器件构成桥控制模式，从而可以控制直流电机的正、反转控制。由于直流电机在启动瞬间将可能产生非常大的励磁涌流，如果设置不当将导致电力电子器件的损坏，故在回路中设置了电感器件，与回路匹配。电力系统中，对产品的电磁兼容性能有一个较高要求，所以，回路的输入端设置专门的电磁兼容处理回路。由于直流电源存在极性问题，图5直流防错接回路部分在输入端设置防错接回路，可任意适应直流24V至220V，AC110V、220V的输入。单片机通过电阻分压回路采集输入电压，判断输入电压的大小。
直流电源正负极输入端之间设有反向串联起码二只的二极管，二只二极管之间设有抽头。
根据本发明的另一方面，电机堵转、短路检测模块，本模块在电机驱动时，监视流过电机回路的电流，当流过的电流超过设定值时，给微功耗单片机单元发出信号，用于快速切断电机控制回路。电机的监视电流值可以通过设定开关进行设定。
根据本发明的另一方面，电机刹车模块，微功耗单片机在给电机发出停止指令后，由于电机的惯性，会继续运转，电机刹车模块将快速将电机停转，达到保护机械结构的目的。单片机根据系统电压的参数，进行计算，给出适合继电器工作的PWM控制，通过控制PWM信号，产生5V的模拟信号，使继电器动作，从而使电机可靠停止。
根据本发明的另一方面，超宽范围电源模块，满足100～240VAC，24VDC～220VDC的供电范围，为微功耗单片机供电。

Claims (3)

1.基于微功耗单片机的高压直流电机控制方法，其特征是，设有测量隔离刀闸状态及位置、允许操作信号回路模块，所述回路模块输入开关量输入模块；开关量输入模块、电机堵转和短路检测模块、电机刹车模块均接入控制单元，控制单元输出接高压直流电机控制模块；开关量输入模块将外部测量的隔离刀闸状态及位置、允许操作信号回路、电机堵转和短路检测模块、电机刹车模块的输入信号隔离、转换成单片机能接受的开关量信号，作为闭环控制的反馈与监视；
微功耗单片机作为控制装置的核心单元，根据开关量的信号、操作的允许性，决定电机的操作策略；电机操作命令发出后，该核心单元将判断电机执行机构是否按照预定的策略进行操作，如规定时间达到预期策略，将自动结束本次操作；如规定时间内未能达到预期策略，将自动撤销本次操作，并给出告警信号；机构执行过程中，该核心单元将检测电机堵转、短路检测模块的信号，如信号有效，将快速断开电机控制回路，保护电机；
高压直流电机控制模块根据微功耗单片机发出的指令，驱动高压电机的正、反转操作；高压直流电机控制模块直接驱动高压220VDC供电的直流电机；
电机堵转、短路检测模块在电机驱动时，监视流过电机回路的电流，当流过的电流超过设定值时，给微功耗单片机单元发出信号，用于快速切断电机控制回路；
电机刹车模块：微功耗单片机在给电机发出停止指令后，由于电机的惯性，会继续运转，电机刹车模块工作，快速将电机停转，达到保护机械结构的目的；电源模块为超宽范围电源模块，满足100~240VAC，24VDC~220VDC的供电范围，为微功耗单片机供电；
其中高压直流电机控制模块，采用大功率电力电子器件IGBT；保护器件采用固体开关、可控硅或继电器及感性元件，确保电机的安全、可靠启动与回路的可靠运行；
其中电机刹车模块工作过程：微功耗单片机接收输入电压的A/D变换，进行采集输入电压的量，根据输入电压的不同，进行 PWM的控制，电机刹车模块给出继电器输出的控制；
其中高压直流电机的监视电流定值通过设定开关进行设定；在高压直流电机采样回路中加一个电流取样电阻，通过测量取样电阻上的电压，能够监控电机回路的电流大小；测量高压直流电机采样回路的电流大小，引入比较器电路，当取样电阻上的电压超过设定的电压时，切断电机回路。
2.根据权利要求1述的基于微功耗单片机的高压直流电机控制方法，其特征是直流电源正负极输入端之间设有起码二只反向串联的二极管，二只二极管之间设有抽头。
3.根据权利要求1述的基于微功耗单片机的高压直流电机控制方法，其特征是微功耗单片机通过电阻分压回路采集输入电压，判断输入电压的大小。
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