CN104140035A - 一种采用pwm控制的起重电磁铁装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种采用PWM控制的起重电磁铁装置，其包括：一可编程控制器，所述的可编程控制器连接于一人机界面模块；一电源，所述的电源受控于所述的可编程控制器；所述的可编程控制器输出端控制一恒压装置和一恒流装置；所述的恒压装置和所述的恒流装置共同控制一IGBT模块，所述的IGBT模块输出端连接于一起重电磁铁；其中所述的IGBT模块包括一可控整流器和一斩波器。本发明将接触器整流控制改为电子换相整流控制，降低了系统损耗，降低维护成本，更加节能环保。

Description

一种采用PWM控制的起重电磁铁装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及电磁起重设备领域，尤其涉及一种采用PWM控制的起重电磁铁装置以及其控制方法。

背景技术

起重电磁铁顾名思义，它是内部带有铁芯的、利用通有电流的线圈使其像磁铁一样具有磁性的装置叫做电磁铁(electromagnet)。通常制成条形或蹄形。铁芯要用容易磁化，又容易消失磁性的软铁或硅钢来制做。这样的电磁铁在通电时有磁性，断电后就随之消失。电磁铁在日常生活中有极其广泛的应用。电磁铁的发明也使发电机的功率得到了很大的提高。但是现有的技术中，对于这类起重电磁铁的控制的难点是充放磁的控制。现有技术中常采用的技术有二种一是，变压器降压二极管整流(STQOL)，使用接触器进行极性换相，接触器触头耗损大，输出电压电流固定；另一种是，使用单片机为主控的可控硅整流有移相调压功能，电流不可调，输出由2组可控硅进行极性换相，当输出电压高时效率高与前一种，当输出电压较低时效率比前一种低。但是这种技术采用变压器降压后经二极管整流输出，空载能耗高，线路存在铁损，铜损等。且输出无保护，输出控制为接触器控制，动作时火花大，触头容易损坏，接触器吸合时产生振动容易引起线头松动，可靠性低，线路复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术存在的不足，而提出一种通过电子换向整流器，并结合可编程逻辑控制器共同实现起重电磁铁的控制，其控制电压可调节，并且节能。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种采用PWM控制的起重电磁铁装置，其包括：一可编程控制器，所述的可编程控制器连接于一人机界面模块；一电源，所述的电源受控于所述的可编程控制器；所述的可编程控制器输出端控制一恒压装置和一恒流装置；所述的恒压装置和所述的恒流装置共同控制一IGBT模块，所述的IGBT模块输出端连接于一起重电磁铁；其中所述的IGBT模块包括一可控整流器和一斩波器。

其中，所述的IGBT模块还包括一电压传感器和一电流传感器，所述的电压传感器和电流传感器的信号输入到可编程控制器。

其中，所述的人机界面模块为初始化参数设置装置，其设定的参数包括强磁，保磁和退磁三个状态的运行参数。

其中，所述的强磁，保磁和退磁的参数包括：电压，电流和时间。

一种控制采用PWM控制的起重电磁铁装置的方法，其包括以下步骤：

第一步，系统初始化，等待吸料，当采用PWM控制的起重电磁铁装置接通市电之后，可控制控制器开始初始化，并且此时由人工输入设定参数；

第二步，强磁输出，当用户启动吸料开关之后，可编程控制器控制IGBT模块输出强磁控制信号，进行吸料；

第三部，保磁输出，当完成强磁吸料之后，可编程控制器控制IGBT模块输出保磁控制信号；

第四步，退磁输出，当用户启动放料，此时可编程控制器控制IGBT模块输出退磁信号，最后完成放料。

其中，所述的第二步与第三步之间还设有一延时步骤，所述延时步骤的延时时间为5秒。

其中，所述的第四步中的放料开始后，IGBT控制模块的PWM由保磁设定值快速下降为零，后经所述可编程控制器反相后输出极性相反的信号，进一步的，所述的PWM占空比为10％。

其中，还包括一过流保护步骤，当用户启动放料至结束放料期间，所述的可编程控制器检测恒流装置的电流信号，当电流信号超过设定值时，可编程控制器内部产生中断，并控制外部电源关断起重电磁铁的输入。

其中，当可编程控制器检测到恒流装置过流时，自动发出报警信号；当过流信号超过10％～50％时，可编程控制器自动控制PWM的占空比，从而使输出电流降低。

其中，还包括一整流换向功率单元，所述的整流换向功率单元包括：二极管D1，D2，D3，D4，D5，D6，电容C1，C2，晶闸管G1，G2，G3，G4；

其中，所述的二极管D1的负极连接于二极管D2的正极，二极管D3的负极连接于二极管D4的正极，二极管D5的负极连接于二极管D6的正极，并且D1和D2，D3和D4，D5和D6组成的串联电路之间相互并联；所述的电容C1和C2组成的串联电路并联于所述的二极管D5和D6组成的串联电路；所述的晶闸管G1和G2串联之后与所述的电容C1和C2组成的串联电路并联，所述的晶闸管G3和G4串联之后与所述串联的晶闸管G1和G2并联；其中二极管D1和D2，D3和D4，D5和D6之间的分别连接于三相电的相电压，所述的晶闸管G1和G2，以及G3和G4之间分别连接输出端。

与现有技术相比，本发明将传统接触器整流控制柜改进为电子换相整流控制，防止接触器整流控制柜放料时反相电压引起拉弧现像，造成接触器触头烧熔。相比传统控制器增加恒流，恒压功能，更环保节能。本发明全电子换相控制无接触器等机械损耗，减小故障率，大大降低了用户维护成本。

附图说明

图1为本发明采用PWM控制的起重电磁铁装置的结构示意图；

图2为本发明控制采用PWM控制的起重电磁铁装置的方法的流程图；

图3为本发明采用PWM控制的起重电磁铁装置的整流换向功率单元的电路图。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

参阅附图1，本发明一种采用PWM控制的起重电磁铁装置，其包括：一可编程控制器102，所述的可编程控制器102连接于一人机界面模块101；一电源103，所述的电源103受控于所述的可编程控制器102；所述的可编程控制器102输出端控制一恒压装置106和一恒流装置106；所述的恒压装置106和所述的恒流装置107共同控制一IGBT模块，所述的IGBT模块输出端连接于一起重电磁铁108；其中所述的IGBT模块包括一可控整流器104和一斩波器105。

进一步的，所述的IGBT模块还包括一电压传感器和一电流传感器，所述的电压传感器和电流传感器的信号输入到可编程控制器102。其中在附图中并未示出电压传感器和电流传感器，因为电压传感器和电流传感器都为常规的元器件，其连接使用是本领域技术人员都能实现的，在此并未赘述。

更具体的，所述的人机界面模块101为初始化参数设置装置，其设定的参数包括强磁，保磁和退磁三个状态的运行参数。更具体的，所述的强磁，保磁和退磁的参数包括：电压，电流和时间。

参阅附图2，本实施例还公开了一种控制采用PWM控制的起重电磁铁装置的方法，其包括以下步骤：

第一步S1，系统初始化，等待吸料，当采用PWM控制的起重电磁铁装置接通市电之后，可控制控制器开始初始化，并且此时由人工输入设定参数；

第二步S2，强磁输出，当用户启动吸料开关之后，可编程控制器控制IGBT模块输出强磁控制信号，进行吸料；

第三部S3，保磁输出，当完成强磁吸料之后，可编程控制器控制IGBT模块输出保磁控制信号；

第四步S4，退磁输出，当用户启动放料，此时可编程控制器控制IGBT模块输出退磁信号，最后完成放料。

其中，所述的第二步S2与第三步S3之间还设有一延时步骤，所述延时步骤的延时时间为5秒。

其中，所述的第四步S4中的放料开始后，IGBT控制模块的PWM由保磁设定值快速下降为零，后经所述可编程控制器反相后输出极性相反的信号，进一步的，所述的PWM占空比为10％。

其中，还包括一过流保护步骤，当用户启动放料至结束放料期间，所述的可编程控制器102检测恒流装置107的电流信号，当电流信号超过设定值时，可编程控制器102内部产生中断，并控制外部电源关断起重电磁铁108的输入。

其中，当可编程控制器102检测到恒流装置过流时，自动发出报警信号；当过流信号超过10％～50％时，可编程控制器102自动控制PWM的占空比，从而使输出电流降低。

参阅附图3，还包括一整流换向功率单元，所述的整流换向功率单元包括：二极管D1，D2，D3，D4，D5，D6，电容C1，C2，晶闸管G1，G2，G3，G4；

其中，所述的二极管D1的负极连接于二极管D2的正极，二极管D3的负极连接于二极管D4的正极，二极管D5的负极连接于二极管D6的正极，并且D1和D2，D3和D4，D5和D6组成的串联电路之间相互并联；所述的电容C1和C2组成的串联电路并联于所述的二极管D5和D6组成的串联电路；所述的晶闸管G1和G2串联之后与所述的电容C1和C2组成的串联电路并联，所述的晶闸管G3和G4串联之后与所述串联的晶闸管G1和G2并联；其中二极管D1和D2，D3和D4，D5和D6之间的分别连接于三相电的相电压，所述的晶闸管G1和G2，以及G3和G4之间分别连接输出端。

其工作原理简单介绍为：PLC内部存有现有起重电磁铁性能参数

初次安装使用时工作参数由PLC自动整定或者由用户指定电磁铁的工作电压与电流

由人机界面设定强磁，保磁，消磁三个状态的参数(由电压，电流，时间构成)

当设备启动时，由PLC(这里的PLC也称之为可编程控制器)按设定的参数给出对应的控制电压，控制电压由2个模拟量组成，1个为控制输出电压(保护输出电压不超过电磁铁的额定电压)，另1个控制输出电流(控制电磁铁的磁场强度)。

控制电压输入至模数转换模块，将模拟量转换成18KHZ，占空比可变的PWM波经IGBT模块(IGBT是斩波器里的一部份里面包括有驱动电路跟IGBT功率模块)放大推动电磁铁。IGBT模块输出后级由1个电压传感器与1个电流传感器反馈电磁铁的电压与电流，反馈信号送回PLC后由PLC进行PID运算后修正输出控制量，将输出值稳定在用户的设定值。

经设定的强磁时间后，降低输出电流，当物料被电磁铁吸住后只须要较小电流即可保持吸附状态。当卸料时，输出电流下降为0后给出1个反相电压使物料快速脱离电磁铁。

保护功能原理：用户按下吸料开关电，电柜输出电流缓升到设定值。当这个过程反馈电流与输出模拟量为非线性时，即认为电磁铁短路。开始输出时或工作过程中电流反馈为0时，均为电磁铁断线。出现以上故障时HMI有相应提示，用户按HMI提示检修设备电磁铁负载时，可控硅整流器只起整流作用(电压不可调)电压全部输出至电磁铁，线路损耗低，效率高。(恒压恒流是一种功能指用户设定了一个电压与电流当输出电流不超过设定的电流时电路工作在恒压状态(电压始终保持在设定值)当输出电流达到设定的电流时电路工作在恒流状态(电流保持始终保持在设定值)传感器就是负责检测输出电压与电流的直接返回PLC不经过其它部件。

其控制方法部分工作原理为：

1.控制柜送电后PLC进入初始化，调入设定参数，参数由人机界面设定。

2.等待用户启动吸料开关，启动后进入吸料程序，PWM占空比由0缓升到强磁设定值，经过延时时间后，PWM由强磁设定值缓降至保磁设定值后等待放料开始。放料开始后，PWM由保磁设定值快速下降为0后经PLC内部反相后输出极性相反的占空比为10％的PWM，经过设定定时间后整个过程结束。

3.过流保护由恒流模块采集，在启动吸料至放料结束间检测电磁铁工作电流，发生短路时PLC内部中断，直接关断电磁铁电源输出，此时必须人工复位。

当在工作流程中电流消失0时，按电磁铁电源线断处理，直接关断输出。

发生过流时，PLC给出报警信号，由电铃提醒操作人员尽快将电磁铁吸附的工件放至地面。过流10％～50％时PLC自动降低PWM的占空比，使电磁铁输出电流下降。

所有报警均记录在人机界面，由人机界面显示故障代码，为维修人员提供参考作用。

其整流换向功率单元的工作原理简单叙述为：

当G1、G3同时给定PWM时输出为上正下负的电源，当G2、G4同时给定PWM时输出为上负下正的反相电源；电磁铁须要吸料时，G1、G3导通，由占空比来调节输出电流，当占空比过小时，输出电流不能足够提供给电磁铁，从而引起电磁铁二端电压下降。这正是我们所期望的，利用此原理进行调节输出电压。当须要快速放料时，G4、G3同时导通，与电磁铁构成闭合回路，将电磁铁内部反电压快速释放，当电流接近0时G4、G2导通，输出一个反相电压将电磁铁消磁，达到快速放料的目地。

需要说明的是，以上仅为本发明的较佳可行实施例，并非限制本发明的保护范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作出的等效结构变化，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种采用PWM控制的起重电磁铁装置，其特征在于，包括：一可编程控制器，所述的可编程控制器连接于一人机界面模块；一电源，所述的电源受控于所述的可编程控制器；所述的可编程控制器输出端控制一恒压装置和一恒流装置；所述的恒压装置和所述的恒流装置共同控制一IGBT模块，所述的IGBT模块输出端连接于一起重电磁铁；其中所述的IGBT模块包括一可控整流器和一斩波器。

2.如权利要求1所述的采用PWM控制的起重电磁铁装置，其特征在于，所述的IGBT模块还包括一电压传感器和一电流传感器，所述的电压传感器和电流传感器的信号输入到可编程控制器。

3.如权利要求1所述的采用PWM控制的起重电磁铁装置，其特征在于，所述的人机界面模块为初始化参数设置装置，其设定的参数包括强磁，保磁和退磁三个状态的运行参数。

4.如权利要求3所述的采用PWM控制的起重电磁铁装置，其特征在于，所述的强磁，保磁和退磁的参数包括：电压，电流和时间。

5.一种控制采用PWM控制的起重电磁铁装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，系统初始化，等待吸料，当采用PWM控制的起重电磁铁装置接通市电之后，可控制控制器开始初始化，并且此时由人工输入设定参数；

第二步，强磁输出，当用户启动吸料开关之后，可编程控制器控制IGBT模块输出强磁控制信号，进行吸料；

第三部，保磁输出，当完成强磁吸料之后，可编程控制器控制IGBT模块输出保磁控制信号；

第四步，退磁输出，当用户启动放料，此时可编程控制器控制IGBT模块输出退磁信号，最后完成放料。

6.如权利要求5所述的控制采用PWM控制的起重电磁铁装置的方法，其特征在于，所述的第二步与第三步之间还设有一延时步骤，所述延时步骤的延时时间为5秒。

7.如权利要求5所述的控制采用PWM控制的起重电磁铁装置的方法，其特征在于，所述的第四步中的放料开始后，IGBT控制模块的PWM由保磁设定值快速下降为零，后经所述可编程控制器反相后输出极性相反的信号，进一步的，所述的PWM占空比为10％。

8.如权利要求5所述的控制采用PWM控制的起重电磁铁装置的方法，其特征在于，还包括一过流保护步骤，当用户启动放料至结束放料期间，所述的可编程控制器检测恒流装置的电流信号，当电流信号超过设定值时，可编程控制器内部产生中断，并控制外部电源关断起重电磁铁的输入。

9.如权利要求8所述的控制采用PWM控制的起重电磁铁装置的方法，其特征在于，当可编程控制器检测到恒流装置过流时，自动发出报警信号；当过流信号超过10％～50％时，可编程控制器自动控制PWM的占空比，从而使输出电流降低。

10.如权利要求1所述的采用PWM控制的起重电磁铁装置，其特征在于，还包括一整流换向功率单元，所述的整流换向功率单元包括：二极管D1，D2，D3，D4，D5，D6，电容C1，C2，晶闸管G1，G2，G3，G4；

其中，所述的二极管D1的负极连接于二极管D2的正极，二极管D3的负极连接于二极管D4的正极，二极管D5的负极连接于二极管D6的正极，并且D1和D2，D3和D4，D5和D6组成的串联电路之间相互并联；所述的电容C1和C2组成的串联电路并联于所述的二极管D5和D6组成的串联电路；所述的晶闸管G1和G2串联之后与所述的电容C1和C2组成的串联电路并联，所述的晶闸管G3和G4串联之后与所述串联的晶闸管G1和G2并联；其中二极管D1和D2，D3和D4，D5和D6之间的分别连接于三相电的相电压，所述的晶闸管G1和G2，以及G3和G4之间分别连接输出端。