CN103219928A - 直流电机软启动器及其软启动方法 - Google Patents

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王付鹏
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王金光
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Abstract

本发明属电机控制、功率变换技术领域,尤其涉及一种直流电机软启动器及其软启动方法,它包括电流检测单元、单片机、液晶显示模块、IGBT驱动模块及IGBT模块;所述电流检测单元包括电流传感器及A/D转换模块;主电路电流信号经所述电流传感器处理及A/D转换模块转换后送入单片机;所述单片机的输出端口分别接液晶显示模块与IGBT驱动模块的输入端口;所述IGBT驱动模块的输出端口经IGBT模块接电动机电枢(M)输入端口;IGBT驱动模块用于驱动IGBT模块并通过启动绕组的状态切换实现系统的启动操作。本发明可以在高频下工作,实现无级平滑,快速启动,温升影响及功率损耗小,电磁兼容性好,抗干扰能力强。

Description

直流电机软启动器及其软启动方法
技术领域
[0001] 本发明属电机控制、功率变换技术领域,尤其涉及一种直流电机软启动器及其软启动方法。
背景技术
[0002] 在电力、化工、钢铁、铸造、塑料材料加工、环保、通讯等领域广泛使用的备用蓄电池组动力系统中,均为直流电动机拖动。由于直流电动机直接启动时,所需电流是额定电流的6-8倍,对备用蓄电池组等线路冲击较大,极易造成电动机线圈烧损、损坏充电器、主回路断路等现象,使设备无法正常运行。
[0003]目前大部分的直流电机的启动仍使用传统的方法:使用直流接触器与在直流电机的电枢回路中串入大功率电阻实现降压启动,通过电阻降压来限制电动机的启动电流,当电流或转速达到额定值的一定比例时,通过直流接触器将电阻旁路,使用这种方式的优点是控制简单,成本低;但是其也有很多的缺点是:(1)电阻降压启动时只能将电动机的启动电流降至额定电流的2倍,仍然会造成直流系统的电压瞬间跌落,以致影响到继电保护装置的稳定工作;(2)直流接触器在多次使用后经常发生触电粘连和碳化现象;(3)无保护报警功能,不能及时监测与发现潜在故障。
发明内容
[0004] 本发明旨在克服现有技术的不足之处而提供一种可以在高频下工作,实现无级平滑,快速启动,温升影响及功率损耗小,电磁兼容性好,抗干扰能力强的直流电机软启动器及其软启动方法。
[0005] 为解决上述技术问题,本发明是这样实现的。
[0006] 直流电机软启动器,它包括电流检测单元、单片机、液晶显示模块、IGBT驱动模块及IGBT模块;所述电流检测单元包括电流传感器及A/D转换模块;主电路电流信号经所述电流传感器处理及A/D转换模块转换后送入单片机;所述单片机的输出端口分别接液晶显示模块与IGBT驱动模块的输入端口 ;所述IGBT驱动模块的输出端口经IGBT模块接电动机电枢(M)输入端口 ;IGBT驱动模块用于驱动IGBT模块并通过启动绕组的状态切换实现系统的启动操作。
[0007] 作为一种优选方案,本发明所述IGBT驱动模块采用EXB841驱动器。
[0008] 进一步地,本发明所述IGBT模块可包括IGBTQ1、IGBTQ2及IGBTQ3 ;所述IGBTQ3经励磁绕组接至供电主回路,其作为励磁绕组开关,用于控制励磁绕组的通断;所述启动绕组经IGBTQl接至供电主回路;所述电机电枢M经IGBTQ2接至供电主回路;IGBTQ2用于控制启动绕组的状态切换,以使电机进入额定工作状态;IGBT驱动模块接收来自单片机的驱动信号,对输入电压进行斩波,并分别驱动IGBTQ1、IGBTQ2及IGBTQ3。
[0009] 更进一步地,本发明所述电流传感器采用闭环型霍尔电流传感器。
[0010] 更进一步地,本发明所述A/D转换模块可采用ADC0820。[0011] 作为一种优选方案,本发明所述IGBTQ1、IGBTQ2及IGBTQ3可采用600A/1200V的IGBT。
[0012]另外,本发明在系统设计时还可设有故障检测模块;所述故障检测模块的输出端口与单片机的输入端口相接。
[0013] 上述直流电机软启动器的软启动方法,可按如下步骤实施。
[0014] (I)检测启动实时的电枢电流,进行AD转换,输入单片机。
[0015] (2)实时电流与启动电流最大和最小设定进行比较,以此来增加和减小驱动IGBT模块的脉宽时间。
[0016] (3)脉宽随时间逐渐增加 ,IGBT驱动模块依据脉冲驱动IGBT (Ql)进行开关动作,从而在电动机电枢(M)上得到随时间逐渐上升的直流电压;电机转速随电压升高逐渐至额定转速。
[0017] (4)在占空比达到100%以后,启动绕组任务完成,由单片机控制切换工作IGBT模块工作状态,电动机进入额定运行状态。
[0018] 进一步地,本发明所述直流电压给定通过调节PWM信号的占空比实现,占空比的调节以1%为递增或递减单位。
[0019] 本发明可以在高频下工作,实现无级平滑,快速启动,温升影响及功率损耗小,电磁兼容性好,抗干扰能力强。
[0020] 与现有技术相比,本发明具有如下特点。
[0021] (I) IGBT开关器件可以在高频下工作,电机启动过程中的电枢电压或电流的波动频率可以设计得很高,从而可将最大启动电流Iastmax与最小启动电流Iastmin之间的差值设定得很小,电动机可获得近似恒流的启动特征,实现无级平滑、快速启动。
[0022] (2)由于直接控制实际电枢电流Ia跟踪给定启动电流last,所以启动电流、启动转矩不受负载大小、转速上升快慢、电源电压高低的影响,可以十分方便的通过控制电路设定所需的启动电流和启动转矩。
[0023] (3)取消了启动电阻,没有因电阻带来的温升影响和功率损耗。
[0024] (4)启动电流波动小,不会对电网产生冲击,可以延长电动机的使用寿命。电磁兼容性好,抗干扰能力强。
附图说明
[0025] 下面结合附图及实施方式对本发明作进一步说明。本发明的保护范围不仅局限于下列内容的表述。
[0026] 图1为本发明直流电机软启动器的电路原理框图。
[0027] 图2为本发明直流电机软启动器的具体电路原理图。
[0028] 图3为本发明A/D转换模块与单片机电路原理图。
[0029] 图4为电流电压转换及电压跟随电路。
[0030] 图5为2SD315A驱动器外围接线图。
[0031] 图6为本发明IGBT驱动模块EXB841外围接线图。
[0032] 图7为本发明液晶显示模块接线图。
[0033] 图8为本发明软起动主程序流程框图。[0034] 图9为本发明软起动子程序流程图。
具体实施方式
[0035] 如图所示,直流电机软启动器,它包括电流检测单元、单片机、液晶显示模块、IGBT驱动模块及IGBT模块;所述电流检测单元包括电流传感器及A/D转换模块;主电路电流信号经所述电流传感器处理及A/D转换模块转换后送入单片机;所述单片机的输出端口分别接液晶显示模块与IGBT驱动模块的输入端口 ;所述IGBT驱动模块的输出端口经IGBT模块接电动机电枢M输入端口 ; IGBT驱动模块用于驱动IGBT模块并通过启动绕组的状态切换实现系统的启动操作。
[0036] 本发明系在直流供电的情况下,以高性能单片机作为控制核心,采用脉宽调制技术,通过可关断器件IGBT进行直流斩波,从而实现电机的软启动。
[0037] 参见图1及图2,本发明技术方案是:220V的直流电源,通过熔断器进入由一个电流传感器及A/D转换模块、三个IGBT和两个续流二极管构成的主回路。启动开始后,IGBTQ3打开,励磁绕组(If为励磁电流)进入工作状态,同时保持IGBTQ2处于关断状态,IGBTQl接收到控制电路输出的驱动信号后开始工作,以预设的控制算法对输入电压进行斩波,在启动的时候电机的启动绕组通过IGBTQl接入到供电主回路中,用以增加启动转矩和减小启动电流,随着电机两端平均电压逐渐升 高,当电枢电流接近额定值时,控制信号将使IGBTQ2打开,关断IGBTQ1,切除启动绕组,仅电动机电枢M接入供电主回路,电机进入额定工作状态,系统启动完成。
[0038] 本发明硬件系统采用三个电力电子开关器件IGBTQ1、IGBTQ2和IGBTQ3。IGBTQl的作用是通过斩波来控制在电机启动过程中电动机电枢M两端的电压,使电机转速逐渐上升;IGBTQ2的作用是用来控制在电机启动过程完成后用来切除启动绕组,使电机进入额定工作状态;所述IGBTQ3经励磁绕组接至供电主回路,其IGBTQ3用来作为励磁绕组的开关,控制励磁电路的通断。
[0039] 本发明的工作过程:蓄电池组直流电压经熔断器、霍尔电流传感器、IGBT模块,进入启动绕组;电动机电枢M和励磁绕组构成回路;启动开始后,功率开关管IGBTQ3打开,励磁系统进入工作,同时保持功率开关管IGBTQ2处于关断状态,功率开关管IGBTQl接收到控制系统输出的驱动信号后开始工作,以预设的控制算法对输入电压进行斩波,在启动时,电机的启动绕组通过功率开关管IGBTQl接入到了供电主回路中,用以增加启动转矩和减小启动电流,随着电机两端平均电压逐渐升高,当电动机电枢M电流接近额定值时,控制信号将使功率开关管IGBTQ2打开,关断功率开关管IGBTQl,切除启动绕组,仅电动机电枢M接入供电主回路,电机进入额定工作状态,系统启动完成。在启动初期,励磁绕组工作,供电电压为全压,启动绕组串入电动机电枢M主回路中;启动完成后,启动绕组断开,电机进入额定工作状态。
[0040] 本发明电流检测单元分为霍尔传感器和A/D转换模块两部分。参见图3,本发明所述A/D转换模块选用了 MAXIM公司的ADC0820,在快速转换的模式下,ADC0820的模拟供电输入端AVCC是系统电源VCC经过LC滤波得到,以减少数字信号的干扰,基准电压由集成三端稳压器TL431得到。本发明中采用“读-写”模式下的AD转换,MODE端接VCC。
[0041] 本发明电流检测单元电流反馈取自直流供电母线,采样器件为闭环型霍尔电流传感器。电流传感器将主电路电流信号线性转变为弱电的直流电流信号,经过电流电压变换以及电压跟随器,进行A/D转换后送入单片机。
[0042] 本发明直流电动机软起动器是为额定电压175〜320V,电枢额定电流为175A的直流电动机,允许的最大起动电流为额定电流的2倍,选用参数为600A/1200V的IGBT。
[0043] 本发明所述IGBT Ql和IGBT Q2的驱动电路中芯片选用2SD315A。
[0044] 本发明的励磁电路IGBT Q3选用额定为50A/1200V的IGBT作为开关器件,其驱动电路使用集成的IGBT驱动器EXB841,集成了过流、短路侦测保护以及软关断的功能,在驱动器保护动作触发时能及时将保护信号送入单片机,使系统迅速停止工作。
[0045] 参见图7,液晶显示模块中液晶显示器IXD12864通过并口与单片机相连,传输模式选择端接高电平。三个指示灯采用+24V供电,单片机的输出经三极管放大后驱动指示灯。
[0046] 本发明电源模块为启动电路和霍尔器件及辅助电路提供电源。将两路+15V电源串联,然后用7820系列线性稳压器得到20V电源,EXB841所需要的20V电源。
[0047] 本发明软件包括电动机启动前故障信息检测;软启动程序的调用;控制IGBT的脉冲输出;电动机运行过程中故障信息检测及各种数据的检测及显示,实时监测电动机的运行状况,并提供有效的保护。
[0048] 本发明所述系统信息采集主要分为两类,一类是对模拟量大小的采集,主要包括主电路电流电压数据;另一类是对脉冲跳变主要是保护中断信号的采集,如短路、过流等电路输出的信号。
[0049] 当每次A/D转换完成后,单片机将所得数据进行数字滤波,然后将所得数据输入到脉宽调制子程序中。此时 一次A/D转换完成,A/D转换模块准备进行下一次电流采样。
[0050] 母线电压的采样实时性要求较低,单片机内部的A/D即可满足采样需求,其采样过程仅需设置相关控制寄存器就可以得到结果,在单片机内部经过简单比较即可。
[0051] 本发明所述故障检测部分,硬件设计中将总故障信号的输出连接至单片机INTO中断输入端上,一旦有故障发生,故障信号就会触发INTO中断,单片机接收到触发信号后,立刻停止一切正在进行的工作,首先切断驱动IGBT的信号输出,即切断电动机的供电,然后判断故障信号的来源,并将相应的故障信息输出到显示屏上,以方便诊断排除故障。
[0052] 本发明软启动的控制策略采用斜坡用电压给定、电流单闭环的方法。其中直流电压给定通过调节PWM信号的占空比实现的,占空比的调节以1%为递增或递减单位。在启动过程中如果电动机电枢M电流始终在最大限值以下,那么就可以按照时间规律以最短时间完成电动机的启动,而如果出现电动机电流超过最大限值的情况就根据实际电流大小来减小占空比,直到电流维持在规定的范围以内。在占空比达到100%以后,启动绕组任务完成,由单片机控制切换工作IGBT,电动机进入额定运行状态。这一动态过程就是在此程序的控制下完成的。
[0053] 本发明系统控制信号主要通过启动电流的大小进行脉宽调制,电流信号通过霍尔电流传感器采集,经A/D转换模块,将电流传感器传来的模拟信号转换成数字信号,送入单片机。单片机通过与给定值比较,Id为软启动传感器检测电流,Iastmax为电机启动过程中设置的最大电流,Iastmin为电机启动过程中设置的小电流,如果电流Id>Iastmax就减小脉宽,减小启动平均电压,使电流在给定的范围内,如果电流在给定值范围内就继续增加脉宽,增加启动平均电压。在启动过程中,启动电流始终维持在最大启动电流Iastmax和最小启动电流Iastmin之间,当启动完成后IcKIastmin,最终完成启动。
[0054] 参见图1及图2,直流电机软启动器的硬件电路包括控制电路和主电路两部分。控制电路主要是Atmega64单片机、液晶显示模块,指示灯,按键和IGBT驱动模块,主电路包括三个IGBT,一个启动绕组,两个续流二极管D I及D 2。
[0055] 参见图3所示,VIN,模拟信号输入端。DB(TDB3,数据输出的低四位。,写控制输入端/准备状态输出端。MODE,模式选择输入端,MODE置高。,读数据输入控制端。当要读取A/D转换数据时,这个端口置低。,中断输出端。当A/D转换完成时,输出低电平。GND,芯片接地端。、,参考电压输入端。,片选端,此管脚为低电平,对芯片进行操作。DB41B7,数据输出的高四位。VCC,芯片供电端。模拟供电输入端AVCC是系统电源VCC经过LC滤波得到,以减少数字信号的干扰,基准电压由集成三端稳压器TL431得到。
[0056] 图4为电流电压转换及电压跟随电路。为了减小采样误差又避免使用高精度电阻,采用多个电阻(R3〜R6)并联得到一个相对精确的电阻值,传感器电流信号流经此电阻变为电压信号,经过R2和Cl组成的阻容滤波后,由运算放大器进行电压跟随输出,进入A/D转换器。电阻Rl和运算放大器A组成一个电压跟随器。Dl是一个5V的稳压二极管,作用是将运放的输出信号限 制在最大值为5V以下,在运放的输出信号电压过高时,为后级电路提供保护。
[0057] 图5是2SD315A驱动器外围接线图,模式选择端子MOD端接15V电源,输入引脚RCl与RC2接地,驱动器处于独立工作模式,内部两路驱动相互独立,用来驱动两个大功率IGBT Ql和IGBT Q2。VL端接4.7V稳压二极管D2,定义输入输出信号的逻辑电平为5V。InA和InB是两路输入信号,分别接单片机PWM输出端口,SOl和S02为两路状态输出信号,输出代表出现故障的低电平信号,用于保护控制。图中Dl和D6为耐压2倍于电网电压的快恢复二极管。D5和D9为发光二极管,分别接接两路工作状态端LSl和LS2。D3和D4以及D7和D8是15V和5V的稳压二极管,组成+15V/-5V的门极驱动保护,防止意外时击穿IGBT的门极。
[0058] 图6为IGBT驱动模块EXB841的外围电路图,用来驱动大功率IGBT Q3。电路中D2为耐压2倍于电网电压的快恢复二极管,防止电网电压从驱动的6脚进入驱动电路内部,采用快恢复二极管的目的是利用其极短的反向恢复时间,以提高驱动过流保护的速度,在过流时尽快关断IGBT。稳压管Dl用来调节驱动模块过流保护的起控点。在不同电流流过时,IGBT上压降的不同;针对不同的IGBT,调整快速恢复二极管的个数,即可调整EXB841上PIN6到PINl之间的电压降,以调节IGBT的过流保护点。D3和D4是15V和5V的稳压二极管,组成+15V/-5V的门极驱动保护,防止意外时击穿IGBT的门极。驱动电路的保护信号主要通过光耦U2传输到控制电路中,当发生短路时,PIN5为低电平,光耦导通,单片机的中断保护端接收到电平翻转信号,迅速输出停机指令。
[0059] 图7中,为了提高显示速度,本发明液晶显示模块中的液晶显示器IXD12864通过并口与单片机相连,传输模式选择端PSB接高电平。三个指示灯采用+24V供电,单片机Atmega64的输出经三极管Ql,Q2,Q3放大后驱动指示灯LED1,LED2,LED3,电阻Rl,R2,R3为限流电阻,二极管Dl,D2,D3起隔离的作用,防止24V电压加到单片机I/O上造成单片机损坏。单片机Atmega64的PCO〜PC7接液晶12864的DO〜D7。[0060] 图8为主程序流程图,直流电机软启动器启动后,主控制电路分别输出2路脉冲给驱动电路,I路供给励磁绕组,使电机在启动的过程中能够得到足够的励磁电流,另一路供给电机的电枢回路,脉宽随时间逐渐增加,驱动电路根据脉冲驱动IGBTQl进行开关动作,从而在电机电枢上得到随时间逐渐上升的直流电压。电机的转速随着电压的升高逐渐升高到额定转速。当电压达到额定电压后,IGBTQl停止工作,IGBTQ2开始工作,进入正常工作状态。
[0061] 在驱动IGBT模块的同时,单片机采集电压、电流、温度等信号,如果出现过压、欠压、过流、过载、输出短路、过热等异常情况,则输出报警信号。
[0062] 图9为软启动控制子程序流程框图,软启动的控制策略采用斜坡用电压给定、电流单闭环的方法。其中电压给定通过调节PWM信号的占空比实现的,占空比的调节以1%为递增或递减单位。在启动过程中如果电动机电枢M电流始终在最大限值以下,那么就可以按照时间规律以最短时间完成电动机的起动,而如果出现电动机电流超过最大限值的情况就根据实际电流大小来减小占空比,直到电流维持在规定的范围以内。在占空比达到100%以后,启动绕组任务完成,由单片机控制切换工作IGBT模块,电动机进入额定运行状态。这一动态过程就是在此程序的控制下完成的。
[0063] 单片机从A/D转换模块得到实时电流值,一方面进行运算调整输出驱动信号的占空比,另一方面将其跟设定的过流值进行比较,当超过设定电流值以后触发定时器,如果在限定的时间内仍处于过流状态则切断输出,停机保护。
[0064] 本发明的直流电机软起动器是一种集电机软启动、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置,是集智能电力电子器件、无感吸收技术、微电子技术、数字PWM技术、冗余自适应技术于一 体的新型装置,可实现对直流电动机全数字平滑软启动进行可靠控制。
[0065] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.直流电机软启动器,其特征在于,包括电流检测单元、单片机、液晶显示模块、IGBT驱动模块及IGBT模块;所述电流检测单元包括电流传感器及A/D转换模块;主电路电流信号经所述电流传感器处理及A/D转换模块转换后送入单片机;所述单片机的输出端口分别接液晶显示模块与IGBT驱动模块的输入端口 ;所述IGBT驱动模块的输出端口经IGBT模块接电动机电枢(M)输入端口 ;IGBT驱动模块用于驱动IGBT模块并通过启动绕组的状态切换实现系统的启动操作。
2.根据权利要求1所述的直流电机软启动器,其特征在于:所述IGBT驱动模块采用EXB841驱动器。
3.根据权利要求2所述的直流电机软启动器,其特征在于:所述IGBT模块包括IGBT(Q1)、IGBT (Q2)及IGBT (Q3);所述IGBT (Q3)经励磁绕组接至供电主回路,其作为励磁绕组开关,用于控制励磁绕组的通断;所述启动绕组经IGBT (Ql)接至供电主回路;所述电机电枢(M)经IGBT (Q2)接至供电主回路;IGBT (Q2)用于控制启动绕组的状态切换,以使电机进入额定工作状态;IGBT驱动模块接收来自单片机的驱动信号,对输入电压进行斩波,并分别驱动 IGBT (Ql), IGBT (Q2)及 IGBT (Q3)。
4.根据权利要求3所述的直流电机软启动器,其特征在于:所述电流传感器采用闭环型霍尔电流传感器。
5.根据权利要求4所述的直流电机软启动器,其特征在于:所述A/D转换模块采用ADC0820。
6.根据权利要求3〜5之任一所述的直流电机软启动器,其特征在于:所述IGBT(Ql)、IGBT (Q2)及 IGBT (Q3)采用 600A/1200V 的 IGBT。
7.根据权利要求6所述的直流电机软启动器,其特征在于:还设有故障检测模块;所述故障检测模块的输出端口与单片机的输入端口相接。
8.—种如权利要求1〜5之任一所述直流电机软启动器的软启动方法,其特征在于,按如下步骤实施: (1)检测启动实时的电枢电流,进行AD转换,输入单片机; (2)实时电流与启动电流最大和最小设定进行比较,以此来增加和减小驱动IGBT模块的脉宽时间; (3)脉宽随时间逐渐增加,IGBT驱动模块依据脉冲驱动IGBT (Ql)进行开关动作,从而在电动机电枢(M)上得到随时间逐渐上升的直流电压;电机转速随电压升高逐渐至额定转速; (4)在占空比达到100%以后,启动绕组任务完成,由单片机控制切换工作IGBT模块工作状态,电动机进入额定运行状态。
9.根据权利要求8所述的直流电机软启动器的软启动方法,其特征在于:所述直流电压给定通过调节PWM信号的占空比实现,占空比的调节以1%为递增或递减单位。
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