CN102916400B - 三相电动执行器过力矩保护控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三相电动执行器过力矩保护控制装置及方法，装置包括A/D采集器、电流信号采集电路、电压信号采集电路和中枢控制电路，中枢控制电路主要包括过零比较电路A、过零比较电路B、单片机运算电路、用于调整机械效率的变阻器；将与过力矩保护装置配套的电动执行器的过力矩信号数据输入到中枢控制电路的单片机程序中，作为与实际采集的过力矩信号比较用的标准信号数据，通过纯数学的归纳计算方式，既减轻了对电动执行器箱体内部空间的压力，又进一步强化了过力矩保护的精度控制，提高了可调整控制精度的灵活性，有效的解决了伴随电动执行器的长期使用使机械效率的下降带来控制精度下降的问题，提高了电动执行器的耐用性。

Description

三相电动执行器过力矩保护控制装置及方法

技术领域

    本发明涉及电动执行器，特别涉及一种三相电动执行器过力矩保护控制装置及方法，过力矩保护控制装置充分利用单片机的计算能力，通过A/D采集器、电流互感器、电压互感器的配合使用代替传统传感器的检测手段，脱离原电机学以及机械学转矩公式，利用纯数学方法归

纳，通过多方位可调方式达到高控制精度充满灵活性的过力矩保护控制效果。

背景技术

过力矩保护是电动执行器的一个重要控制环节，它的控制精度将直接决定着执行器能否对自身和连接的阀门起到保护作用，一旦过力矩保护起不到预期的作用，那么很可能对整个系统产生重大的不利影响。而随着技术的发展，对执行器的要求早已超越了运转的稳定和可靠，而进入到对控制精度的要求上。过力矩保护在控制精度中占有极为重要的位置。最早的机械过力矩保护控制精度明显已经达不到实际需求，而采用传感器实行高精度测量控制，对电动执行器的内部结构的压力是相当大的，而其耐用性以及随着电动执行器的使用控制精度的下降都是无法保证。

发明内容

鉴于上述技术等多方面的缺陷，结合电动执行器的实际需求以及发展状况，提出一种新的过力矩保护的技术方案，一改常规所使用的电流传感器、电压传感器、扭矩传感器、转速传感器等方式，利用更为精巧A/D采集器配合电流、电压互感器，脱离电机学以及机械学公式，通过纯数学方式，大大简化计算过程，采用多方位可调方式，达到灵活性的过力矩保护控制。

     本发明中的设备所采用的技术方案是：一种三相电动执行器过力矩保护控制装置，其特征在于，包括A/D采集器、电流信号采集电路、电压信号采集电路和中枢控制电路，中枢控制电路主要包括过零比较电路A、过零比较电路B、单片机运算电路、传统电气控制电路，用于调整机械效率的变阻器和手操显示面板；

所述A/D采集器采用德州仪器公司生产的模数转换器TLC2543的模拟量信号输入端与电动执行器内部的电机与采集器接口电路连接；A/D采集器三个控制输入端，片选（CS）端、 输入/输出时钟端（I/O CLOCK）、数据输入端（DATA INPUT）和数据输出端（DATA OUT）分别与单片机运算电路中的单片机的对应端口连接；

     所述电流信号采集电路包括三个电流互感器和一个电流转换开关，三个电流互感器分别套装在三相电源的三条火线上，每个电流互感器的一端分别与电流转换开关输入端连接，另一端接地；通过电流转换开关选通一个电流互感器通路，被选通的电流互感器通过电流转换开关的输出端与I/V转换电路的输入端连接， I/V转换电路的输出端与中枢控制电路中的过零比较电路A的输入端连接；电流互感器输出的电流信号经I/V转换电路转换为电压信号并传送给过零比较电路A；然后送入单片机的HS1.1引脚；

所述电压信号采集电路包括三个电压互感器和一个电压转换开关，三个电压互感器的初级连接三相电源的三条火线，三个电压互感器的次级分别与电压转换开关输入端连接，另一端接地；通过电压转换开关选通一个电压互感器通路，被选通的电压互感器通过电压转换开关的输出端与中枢控制电路中的过零比较电路B的输入端连接，另一端接地；电压互感器输出的电压信号经电压转换开关传送给过零比较电路B，然后送入单片机的HS1.0引脚；  

电机与采集器接口电路包括一个10K可变电阻，可变电阻与电机0-5V电压输出端连接，可变电阻可变端的阻值与电动执行器的运转的角位移值对应；可变电阻可变端为采集器接口电路的0-5V电压信号输出端；

单片机运算电路主要由单片机80C196KC构成；

单片机运算电路的单片机80C196KC输出端口连接继电器驱动电路，继电器的常开/常闭触点串接在电动执行器控制板电源通道中，通过继电器控制电动执行器控制板电源开关；

单片机运算电路中的单片机80C196KC经过运算得到表示相位角的信号，同时A/D采集器从采集器接口电路获得采集到0-5V电压信号，经模数转换后将数据传送给单片机80C196KC；通过单片机运算电路进行处理，单片机80C196KC输出控制指令，控制继电器工作状态，进而控制电动执行器运行状态。

三相电动执行器过力矩保护控制的方法，其特征是，包括如下步骤：

a)      将与过力矩保护装置配套的电动执行器的过力矩信号数据输入到中枢控制电路的单片机程序中，作为与实际采集的过力矩信号比较用的标准信号数据，过力矩信号数据是通过厂内实际检测获得；

b)      通过单片机内部计时器和该引脚的中断方式工作，上升沿触发时读取HIS时间寄存器，电压正跳变时刻记录为T1的计数值n1，电流正跳变时刻记录为T1的计数值n2，n=n1-n2，通过n来计算相位角θ，按交流电为50Hz计算，θ=0.036×n；

c)      通过A/D采集器采集实时电压U，实时电压U数据通过电机与采集器接口电路、采集器与单片机接口电路输入单片机运算电路，从而完成从数据采集到输入的过程；将电压U数据送入单片机运算电路，采用公式1计算电机的输出转矩：

   ——公式1

公式1中：

T为电机的输出转矩，单位：牛米 （Nm ）；      

   为电机的相位角；

U为电动执行器输入电压，单位：伏特 （V）；

a₁、a₂、a₃、a₄  是在电动执行器出厂前调试时配合工厂的调试台经多次检测获得的T、 、U平均数作为标准值，根据公式1，即可得到简单的方程组，利用单片机计算得到a₁、a₂、a₃、a₄  

以B+RS600F型号为例: ；

其数据通过四次检测获得：

在380V电压下，电动执行器中电机的输出转矩为T₁，对应的相位角为θ₁ ；

在380V电压下，电动执行器中电机的输出转矩为T₂，对应的相位角为θ₂；

在380V电压下，电动执行器中电机的输出转矩为T₃，对应的相位角为θ₃；

在340V电压下，电动执行器中电机的输出转矩为T₄，对应的相位角为θ₄；

根据公式1，计算得到a₁、a₂、a₃、a₄  ；

d)      单片机通过引脚P3.0-P3.7输出转矩数值信号，高电平有效，其中通过P3.0-P3.3分别判定信号为万位有效、千位有效、百位有效、十位有效，通过P3.4-P3.7输出0-9的数字信号；由此得到单片机的输出信号为完整的电机转矩信号，输出信号经过D/A转换成表示电机输出转矩的模拟信号，模拟信号输入至FET乘法电路的一个输入端，再通过调整变阻器调整电流完成对机械效率的输入，输入FET乘法电路的另一个输入端，通过乘法电路后再输入PID电路得到实际输出转矩的模拟信号；

e)      随着电动执行器的使用时间增加，其机械效率会发生变化，通过变阻器调整阻值来改变电流大小来实现对输入的机械效率值的调整；

f)      将步骤c和步骤d计算得到实际输出转矩值，与该电动执行器所能承受的最大转矩值进行比较，判断电动执行器的输出转矩是否超过其可以承受的最大值，进而确定是否停止电机转动或者输出报警信号。

本发明所达到的有益效果：对电动执行器的过力矩保护控制，一改以往必须采用机械或者电机学方式来计算过力矩和保护控制的方法，采取全新的计算控制方式，通过纯数学的归纳计算方式，既减轻了对电动执行器箱体内部空间的压力，又进一步强化了过力矩保护的精度控制，提高了可调整控制精度的灵活性，有效的解决了伴随电动执行器的长期使用使机械效率的下降带来控制精度下降的问题，提高了电动执行器的耐用性。

附图说明

图1、本发明装置结构示意图；

图2、电流互感器接线图；

图3、电压互感器接线图；

图4、IV转换电路

图5、电机与采集器接口电路；

图6、A/D采集器与单片机接口电路；

图7、装置全保护过程示意图；

图8、过零比较电路图；

图9、单片机部分端口简图；

图10、转矩与相位角关系曲线图；

图11、电机相电流、相电压矢量图。

具体实施方式

为了更清楚的理解本发明，结合附图和实施例详细描述本发明：

      如图1至图11所示，三相电动执行器过力矩保护控制装置，包括A/D采集器1、电流信号采集电路2、电压信号采集电路3和中枢控制电路，中枢控制电路主要包括过零比较电路A51、过零比较电路B52、单片机运算电路6、传统电气控制电路7，用于调整机械效率的变阻器8和手操显示面板；

所述A/D采集器1采用德州仪器公司生产的模数转换器TLC2543的模拟量信号输入端与电动执行器内部的电机与采集器接口电路连接；A/D采集器三个控制输入端，片选CS端、 输入/输出时钟端I/O CLOCK、数据输入端DATA INPUT和数据输出端DATA OUT分别与单片机运算电路6中的单片机的对应端口连接；

     电流信号采集电路2包括三个电流互感器和一个电流转换开关，三个电流互感器分别套装在三相电源的三条火线上，每个电流互感器的一端分别与电流转换开关输入端连接，另一端接地；通过电流转换开关选通一个电流互感器通路，被选通的电流互感器通过电流转换开关的输出端与I/V转换电路的输入端连接， I/V转换电路的输出端与中枢控制电路中的过零比较电路A51的输入端连接；电流互感器输出的电流信号经I/V转换电路转换为电压信号并传送给过零比较电路A51；然后送入单片机的HS1.1引脚；

所述电压信号采集电路3包括三个电压互感器和一个电压转换开关，三个电压互感器的初级连接三相电源的三条火线，三个电压互感器的次级分别与电压转换开关输入端连接，另一端接地；通过电压转换开关选通一个电压互感器通路，被选通的电压互感器通过电压转换开关的输出端与中枢控制电路中的过零比较电路B52的输入端连接，另一端接地；电压互感器输出的电压信号经电压转换开关传送给过零比较电路B52，然后送入单片机的HS1.0引脚；  

电机与采集器接口电路包括一个10K可变电阻，可变电阻与电机0-5V电压输出端连接，可变电阻可变端的阻值与电动执行器的运转的角位移值对应；可变电阻可变端为采集器接口电路的0-5V电压信号输出端；

     过零比较电路A51由整流二极管、电阻和运算放大器LM324组成；

     过零比较电路B52由整流二极管、电阻和运算放大器LM324组成；

I/V转换电路4主要由精密电流环接收器芯片RCV420和单电源运算放大器OPA237组成

单片机运算电路6主要由单片机80C196KC构成；

单片机运算电路6的单片机80C196KC输出端口连接继电器驱动电路，继电器的常开/常闭触点串接在电动执行器控制板电源通道中，通过继电器控制电动执行器控制板电源开关；

  单片机运算电路6的单片机80C196KC经过运算得到表示相位角的信号，同时A/D采集器从采集器接口电路获得采集到0-5V电压信号，经模数转换后将数据传送给单片机80C196KC；通过单片机运算电路6进行处理，单片机80C196KC输出控制指令，控制继电器工作状态，进而控制电动执行器运行状态。

   本发明的工作原理：

电动执行器的输出转矩公式，

通过电机学已知，电机转矩公式

式中：K为比例常数；Φ为电机气隙旋转磁通的幅值；I为电机中转子电流的幅值；θ为转子电流和旋转磁通之间的相位差。

如果能够通过I、Φ、θ中的一、两个变量来获得转矩T，则既可降低电路的硬件成本又可减少微处理器的计算工作量，作为过载保护来讲，由此带来的测量精度下降，是完全可以接受的。依据这样的思想，通过对电动执行器中电机的空载与满载的相位角变化，发现T与θ的关系具有较高的灵敏度，且在执行器输出额定转矩与空载转矩之间，θ的变化范围为：20^o<θ<90^o，可以作为测量T的依据。

图10为转矩与相位角的关系曲线图，由图10a可以看出在正常380V供电电压下转矩T与相位差θ之间实际上是二次曲线关系，同时经过我厂的大量测试数据表明，转矩还与电机的供电电压有关系，如图10b所示，如果以380V供电电压为标准电压的话，则T与θ的关系曲线为标准曲线，在其他电压下T与θ的关系曲线均可以看做是标准曲线沿θ轴的左右平移。进而得到  ，

设电动执行器电机的三相的电压分别为，电流分别为，得到它们的表达式（见图11电机相电流、相电压矢量图）

，，，,,

在电路设计中若把A相相电流和相电压的采样信号放大再进行上升沿过零触发，即得到反映相位方波的信号，分析该信号可以发现相位角θ的大小和上升沿过零的时间差具有线性对应关系，进而分析可以得到,只要测得时间差τ,根据相位角的表达式即可。

通过单片机内部计时器和HS1.0，HS1.1引脚的中断方式工作，上升沿触发时读取HIS时间寄存器，电压正跳变时刻记录为T1的计数值n1，电流正跳变时刻记录为T1的计数值n2，n=n1-n2，通过将两个时间点作差得到n来计算相位角θ，按交流电为50Hz计算，θ=0.036×n（如果特殊电压，如60Hz，在此处将计算公式作更改即可）。

利用单片机的计算能力和电流、电压互感器可以实现对实时的电机的相位角进行检测，A/D采集器的使用目的也是检测实时的输入电压，A/D采集器通过电机与采集器接口电路和采集器与单片机接口电路输入单片机运算电路从而完成从数据采集到输入的过程。

利用之前推导的公式即可计算得到电机的输出转矩T，单片机通过引脚P3.0-P3.7将转矩数值信号输出（高电平有效，P3.0-P3.3分别输出信号为万位有效，千位有效，百位有效，十位有效，P3.4-P3.7输出从0-9数值信号），将输出信号经过D/A转换，输入至传统控制电路中。

通过变阻器调整阻值来改变电流大小从而实现对输入的机械效率值的调整。便可以模拟计算出电动执行器的输出转矩。进而通过传统的电气控制电路就可以完成过力矩保护功能。在中枢控制电路方面，用变阻器来调整机械效率的输入，就可以起到适应随着电动执行器的使用，机械效率变化的问题。

电动执行器开始运转后，电压互感器和电流互感器开始检测到电信号，并将其转换，形成峰值为5V的低压交流信号，之后送入过零比较电路，将该交流信号转化为方波信号，然后送入单片机的HS1.0，HS1.1引脚，经过运算得到表示相位角的信号，同时A/D采集器对电动执行器的电压进行数据采集，通过电机与采集器接口电路和采集器与单片机接口电路输入单片机运算电路送入单片机控制电路后同相位角信号一起进行运算得到电机的输出转矩信号，单片机通过引脚P3.0-P3.7将转矩数值信号输出，再进行D/A处理后送入传统控制电路中，其间可以利用变阻器来进行或者调整传统控制电路中的模拟运算电路中的机械效率，经过运算电路得到负载转矩所对应的电信号，再经过比较电路进行比较。如果得到的负载转矩信号大于该型号电动执行器所能承受最大的负载转矩信号，则传统控制电路输出报警信号到电动执行器主控板上以及输出中断信号，停止电动执行器的运转，当对电动执行器的负载进行调整后，重新启动，则进行下一个周期的检测；如果得到的负载转矩信号不大于该信号电动执行器所能承受最大的负载转矩信号，则直接输出表示进行下一周期检测的信号。

根据上述说明，结合本领域技术可实现本发明的方案。

Claims (1)

1.一种三相电动执行器过力矩保护控制装置，其特征在于，包括A/D采集器、电流信号采集电路、电压信号采集电路和中枢控制电路，中枢控制电路主要包括过零比较电路A、过零比较电路B、单片机运算电路、传统电气控制电路，用于调整机械效率的变阻器和手操显示面板；

所述A/D采集器采用德州仪器公司生产的模数转换器TLC2543的模拟量信号输入端与电动执行器内部的电机与采集器接口电路连接；A/D采集器三个控制输入端，片选CS端、 输入/输出时钟端I/O CLOCK、数据输入端DATA INPUT和数据输出端DATA OUT分别与单片机运算电路中的单片机的对应端口连接；

     所述电流信号采集电路包括三个电流互感器和一个电流转换开关，三个电流互感器分别套装在三相电源的三条火线上，每个电流互感器的一端分别与电流转换开关输入端连接，另一端接地；通过电流转换开关选通一个电流互感器通路，被选通的电流互感器通过电流转换开关的输出端与I/V转换电路的输入端连接， I/V转换电路的输出端与中枢控制电路中的过零比较电路A的输入端连接；电流互感器输出的电流信号经I/V转换电路转换为电压信号并传送给过零比较电路A；然后送入单片机80C196KC的HS1.1引脚；

所述电压信号采集电路包括三个电压互感器和一个电压转换开关，三个电压互感器的初级连接三相电源的三条火线，三个电压互感器的次级的一端分别与电压转换开关输入端连接，另一端接地；通过电压转换开关选通一个电压互感器通路，被选通的电压互感器的次级的一端     通过电压转换开关的输出端与中枢控制电路中的过零比较电路B的输入端连接，另一端接地；电压互感器输出的电压信号经电压转换开关传送给过零比较电路B，然后送入单片机80C196KC的HS1.0引脚；  

电机与采集器接口电路包括一个10K可变电阻，可变电阻与电机0-5V电压输出端连接，可变电阻可变端的阻值与电动执行器的运转的角位移值对应；可变电阻可变端为采集器接口电路的0-5V电压信号输出端；

单片机运算电路主要由单片机80C196KC构成；

单片机运算电路的单片机80C196KC输出端口连接继电器驱动电路，继电器的常开/常闭触点串接在电动执行器控制板电源通道中，通过继电器控制电动执行器控制板电源开关；

单片机运算电路中的单片机80C196KC经过运算得到表示相位角的信号，同时A/D采集器从采集器接口电路获得采集到0-5V电压信号，经模数转换后将数据传送给单片机80C196KC；通过单片机运算电路进行处理，单片机80C196KC输出控制指令，控制继电器工作状态，进而控制电动执行器运行状态。

2. 如权利要求1所述三相电动执行器过力矩保护控制装置，其特征在于，过零比较电路A由整流二极管、电阻和运算放大器LM324组成，过零比较电路B由整流二极管、电阻和运算放大器LM324组成。

3. 如权利要求1所述三相电动执行器过力矩保护控制装置，其特征在于， I/V转换电路主要由精密电流环接收器芯片RCV420和单电源运算放大器OPA237组成。

4. 如权利要求1所述三相电动执行器过力矩保护控制装置的过力矩保护控制的方法，其特征是，包括如下步骤：

a)      将与过力矩保护装置配套的电动执行器的过力矩信号数据输入到中枢控制电路的单片机程序中，作为与实际采集的过力矩信号比较用的标准信号数据，过力矩信号数据是通过厂内实际检测获得；

b)      通过单片机80C196KC内部计时器的中断方式工作，上升沿触发时读取HIS时间寄存器，电压正跳变时刻记录为T1的计数值n1，电流正跳变时刻记录为T1的计数值n2，n=n1-n2，通过n来计算相位角θ，按交流电为50Hz计算，θ=0.036×n；

c)      通过A/D采集器采集实时电压U，实时电压U数据通过电机与采集器接口电路、采集器与单片机接口电路输入单片机运算电路，从而完成从数据采集到输入的过程；将电压U数据送入单片机运算电路，采用公式1计算电机的输出转矩：

                                                   ——公式1

公式1中：

T为电机的输出转矩，单位：牛米 （Nm ）；      

θ为电机的相位角；

U为电动执行器输入电压，单位：伏特 （V）；

a₁、a₂、a₃、a₄  是在电动执行器出厂前调试时配合工厂的调试台在相同电压条件下     经多次检测获得的4组不同的T、 、U，并根据公式1，即可得到简单的方程组，利用单片机计算得到a₁、a₂、a₃、a₄  ，其中每一组的T、 、U分别以其经过经多次检测获得的平均数作为标准值，

在380V电压下，电动执行器中电机的输出转矩为T₁，对应的相位角为θ₁ ；

在380V电压下，电动执行器中电机的输出转矩为T₂，对应的相位角为θ₂；

在380V电压下，电动执行器中电机的输出转矩为T₃，对应的相位角为θ₃；

在380V电压下，电动执行器中电机的输出转矩为T₄，对应的相位角为θ₄；

根据公式1，计算得到a₁、a₂、a₃、a₄  ；

d)      单片机80C196KC通过引脚P3.0-P3.7输出转矩数值信号，高电平有效，其中单片机80C196KC通过P3.0-P3.3分别判定信号为万位有效、千位有效、百位有效、十位有效，单片机80C196KC通过P3.4-P3.7输出0-9的数字信号；由此得到单片机80C196KC的输出信号为完整的电机转矩信号，输出信号经过D/A转换成表示电机输出转矩的模拟信号，模拟信号输入至FET乘法电路的一个输入端，再通过调整变阻器调整电流完成对机械效率的输入，输入FET乘法电路的另一个输入端，通过乘法电路后再输入PID电路得到实际输出转矩的模拟信号；

e)      随着电动执行器的使用时间增加，其机械效率会发生变化，通过变阻器调整阻值来改变电流大小来实现对输入的机械效率值的调整；

f)      将步骤c和步骤d计算得到实际输出转矩值，与该电动执行器所能承受的最大转矩值进行比较，判断电动执行器的输出转矩是否超过其可以承受的最大值，进而确定是否停止电机转动或者输出报警信号。