CN105811811A - 一种交流电机自适应自耦减压启动装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种交流电机自适应自耦减压启动装置及方法，所述启动装置由电流检测与设定电路、伺服驱动控制电路、交流伺服电机、自耦变压器以及外围电路组成；所述电流检测与设定电路包括电流互感器以及三组十进制BCD拨码开关，所述伺服驱动控制电路主要由单片机、伺服控制器和多个光电隔离器件组成。通过电流互感器、三组十进制BCD拨码开关、单片机、伺服控制器和自耦变压器配合，能够根据启动电流的大小动态调节自耦变压器二次绕组的抽斗比例，以适应交流伺服电机的启动转矩要求，实现交流伺服电机的平稳自耦减压启动。

Description

一种交流电机自适应自耦减压启动装置及方法

技术领域

本发明属于交流电机技术领域，具体涉及一种用于中大功率的交流电机减压平稳启动的一种交流电机自适应自耦减压启动装置及方法。

背景技术

在日常工农业生产中，由中大型交流电机驱动的通风机、水泵等应用非常广泛。中大功率交流电机通常采用自耦变压、转子串电阻和转子串频敏电抗器等方法进行减压启动。

传统的自耦变压启动是采用调节自耦变压器二次侧抽斗的方式，由于电机所带负载的大小不同，启动所需的转矩大小不一，如果在负载较大时启动电机，传统的自耦变压启动可能会造成电机的启动转矩不足，启动时间过长，启动电流过大，自耦变压器严重发热等问题，会损坏自耦变压器并缩短电机的使用寿命，达不到减压启动的效果。

因此，需要一种新的交流电机自耦减压启动方案，能够根据启动电流的大小动态调节自耦变压器二次侧绕组的抽斗比例，以适应交流电机的启动转矩要求，实现交流电机的平稳启动。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是提供一种交流电机自适应自耦减压启动装置，可通过对交流电机启动时定子电流的检测，以实现自耦变压器对交流电机的自适应启动控制。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种交流电机自适应自耦减压启动的方法，在进行自耦变压启动时，实时检测电机的启动电流，根据启动电流的大小动态调节自耦变压器二次侧绕组的抽斗比例，以适应交流电机的启动转矩要求，使启动过程平稳、无冲击。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种交流电机自适应自耦减压启动装置，由电流检测与设定电路、伺服驱动控制电路、交流伺服电机、自耦变压器以及外围电路组成；所述电流检测与设定电路包括电流互感器以及三组十进制BCD拨码开关，所述电流互感器的一次绕组连接所述交流伺服电机的电源线，所述伺服驱动控制电路主要由单片机、伺服控制器和多个光电隔离器件组成，所述电流互感器的二次绕组输出端连接所述单片机的电流检测端口，三组十进制BCD拨码开关分别连接至所述单片机对应的电流设定端口，所述单片机与所述伺服控制器通过所述多个光电隔离器件连接，所述交流伺服电机连接在所述伺服控制器与所述自耦变压器之间，所述交流伺服电机的外部启动/停止信号通过所述外围电路输入至所述单片机的相应的输入端口。

进一步的，所述电流互感器通过螺钉和一安装架固定在所述交流伺服电机的安装梁上，且一根给所述交流伺服电机供电的电源线穿过所述电流互感器的一次绕组，所述电流互感器的二次绕组输出端依次连接单相桥式整流电路、滤波电路、电位调节器和模数转换电路后，连接至所述单片机的电流检测端口。

进一步的，每个BCD拨码开关有5个引脚：8、4、2、1和A，A为公共端，接+5V电源，BCD拨码开关上的数字从0变到9时，8、4、2、1引脚将输出相应的电平。

进一步的，所述单片机的脉冲信号、运行方向控制信号和使能信号输出端口均通过所述第一个光电隔离器件与所述伺服控制器对应的信号输入端口相连，所述伺服控制器的故障信号输出端口通过第二个光电隔离器件连接到所述单片机的故障信号检测端口，所述伺服控制器的电源输入端口连接至一交流电源，所述交流伺服电机的两个定子绕组分别与所述伺服控制器的供电输出端口相连，所述交流伺服电机的脉冲编码器连接到所述伺服控制器的相应端口上。

进一步的，所述伺服电机通过滚珠丝杠与移动螺母与所述自耦变压器连接，所述移动螺母套在所述滚珠丝杠上，所述自耦变压器的二次绕组的抽斗与所述移动螺母相连，所述伺服电机与所述滚珠丝杠相连。

进一步的，所述外围电路包括分别连接至所述单片机相应的输入端口的启动指示灯、装置故障指示灯和复位按钮、接触器KM1和接触器KM2，当有所述交流伺服电机的外部启动信号输入时，所述接触器KM1的触点闭合，该触点连接的单片机的输入端口为高电平；当有所述交流伺服电机的外部停止信号输入时，所述接触器KM2的触点闭合，该触点连接的单片机的输入端口为高电平。

本发明提供一种上述的交流电机自适应自耦减压启动装置的方法，包括：

调整自耦变压器二次绕组的抽斗位置，以设置交流伺服电机启动时的自耦减压程度；

通过三组十进制BCD拨码开关设定所述交流伺服电机启动时的电流；

通过单片机相应的输入端口接收交流伺服电机的启动电流；

给整个的所述交流电机自适应自耦减压启动装置上电，以使所述交流伺服电机进行自耦减压启动，并通过电流互感器检测在所述交流伺服电机启动过程中的启动电流大小；

所述单片机根据所述电流互感器检测到的启动电流大小，控制所述伺服控制器向所述伺服电机的输出，以对所述交流伺服电机进行运行和方向控制。

进一步的，调整自耦变压器二次绕组的抽斗至50％位置，通过三组十进制BCD拨码开关设定所述交流伺服电机启动时的电流限幅值为所述交流伺服电机的额定电流的1.2倍。

进一步的，给整个的所述交流电机自适应自耦减压启动装置上电后，若外围电路的故障指示灯无指示，则按下所述交流电机的启动按钮，此时所述外围电路的第一接触器的触点闭合，自耦减压启动开始；若所述故障指示灯有指示，则说明电路中有故障，进行故障的查找和处理后，按下外围电路的复位按钮进行电路复位。

进一步的，所述单片机根据所述电流互感器检测到的启动电流大小，控制所述伺服控制器向所述伺服电机的输出，以对所述交流伺服电机进行运行和方向控制，具体包括：

当所述单片机根据所述电流互感器检测到的启动电流大与所述BCD拨码开关设定的启动电流时，判定所述交流伺服电机的启动电流过小，所述单片机向所述伺服控制器输出正向运行信号，以使所述伺服控制器控制所述交流伺服电机正向运行，所述自耦变压器的二次绕组的电压升高，增大启动转矩；

反之，所述单片机根据所述电流互感器检测到的启动电流小与所述BCD拨码开关设定的启动电流时，判定所述交流伺服电机的启动电流过大，所述单片机向所述伺服控制器输出反向运行信号，以使所述伺服控制器控制交流伺服电机反向运行，所述自耦变压器的二次绕组的电压降低，减小启动转矩。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

1、本发明的交流电机自适应自耦减压启动装置，结构简单，成本低，通过电流互感器、三组十进制BCD拨码开关、单片机、伺服控制器和自耦变压器配合，能够根据启动电流的大小动态调节自耦变压器二次绕组的抽斗比例，以适应交流伺服电机的启动转矩要求，实现交流伺服电机的平稳自耦减压启动。

2、本发明的基于交流电机自适应自耦减压启动装置的方法，在自耦减压启动过程中通过电流互感器测量电机的启动电流，并通过将检测的电流大小与三组十进制BCD拨码开关的设定电流进行比对，使单片机发出正向运行控制信号或反向运行控制信号，最终调整自耦变压器二次绕组的抽斗比例，从而使交流电机的自耦减压启动过程中的启动转矩合理，避免启动时间过长以及自耦变压器发热等情况，电机启动平稳、无冲击、安全可靠。

附图说明

图1是本发明具体实施例的交流电机自适应自耦减压启动装置的结构示意图；

图2是本发明具体实施例的交流电机自适应自耦减压启动装置中的交流互感器的安装示意图；

图3是本发明具体实施例的交流电机自适应自耦减压启动装置中的交流伺服电机与自耦变压器的安装示意图；

图4为本发明具体实施例的交流电机自适应自耦减压启动装置的电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种交流电机自适应自耦减压启动装置及方法作进一步的详细说明。

请参考图1至图4，本实施例提供一种交流电机自适应自耦减压启动装置，由电流检测与设定电路21、伺服驱动控制电路22、交流伺服电机23、自耦变压器24以及外围电路25四部分组成。所述电流检测与设定电路21包括电流互感器211以及三组十进制BCD拨码开关216，所述伺服驱动控制电路22主要由单片机221、伺服控制器223和多个光电隔离器件222组成，所述单片机221可以为AT89C52系列单片机控制器。

1.电流检测与设定电路21实现交流伺服电机23自耦减压启动时的电流检测和电流设定，具体如下：

⑴电流检测

请参考图1、图2和图4，交流伺服电机23启动过程中的定子电流采用电流互感器2211进行检测。将一根给交流伺服电机23供电的电源线230穿过电流互感器211的一次绕组，电流互感器211的二次绕组即为所检测的电流值大小。电流互感器211二次绕组的输出经单相桥式整流模块(V)212、滤波电路213、电位调节器214和模数转换模块215后，输入到单片机221的P2.0-P2.7端口。滤波电路213可以是滤波电容C或RC滤波电路，电位调节器214由三个电阻R1、R2、R3串联后并联在滤波电容C两端的形成，且电阻R2为滑动变阻器，其滑动端连接模数转换模块215的电压输入端Vin(+)，模数转换模块215可以为ADC0804芯片。所采用的电流互感器211的二次侧绕组的电流额定值为0.1A，经桥式整流、滤波后输入到模数转换模块215的直流电压为0～5V，其中，5V对应交流伺服电机23的额定电流的1.2倍，即当交流伺服电机23处在额定运行状态时，对应4.17V的直流电压。

⑵电流设定

采用三组十进制BCD拨码开关216(即图4中的BCD拨码开关1、2、3)对交流伺服电机23自耦减压启动时的电流进行设定。三组十进制BCD拨码开关216实现的电流可设定到百位，满足各种中大交流电机的电流的需要。三组十进制BCD拨码开关1、2、3分别与单片机221的P0.0-P0.3、P0.4-P0.7端口和P1.0-P1.3端口连接，如图4所示。每组BCD拨码开关216有5个引脚，它们分别是8、4、2、1和A，A为公共端，接+5V电源。每组BCD拨码开关216的输出均为8421码，每组BCD拨码开关上的数字从0变到9时，8421引脚将输出相应的电平，例如当BCD拨码开关拨为1时，1引脚与公共控制端A接通；当拨为3时，1和2引脚与公共控制端A接通。

2.伺服驱动控制电路22采用单相交流供电方式来驱动交流伺服电机，主要为交流伺服电机23提供电源以及控制交流伺服电机23的运行，具体如下：

单片机221的脉冲信号输出端口P3.2、运行方向控制信号输出端口P3.3和使能信号输出端口P3.4通过第一光电隔离器件A4分别与伺服控制器223的PU+、DR+、EN+控制信号输入端口相连，单片机221的P3.2端口通过其内部的T0定时器的定时中断来控制向伺服控制器223发送脉冲的频率，从而控制交流伺服电机23的运行，单片机221的P3.3和P3.4端口分别用于交流伺服电机23运行方向的控制和伺服控制器223的使能。伺服控制器223的故障信号输出端口ALM+、ALM-通过第二光电隔离器件A5连接到单片机221的信号输入端口P3.5。交流伺服电机23的二个定子绕组A+、A-和B+、B-分别与伺服控制器223的供电输出端口A+、A-、B+、B-相连，为伺服电机SF提供电源。交流伺服电机23所带的编码器BP的输出脉冲分别连接到伺服控制器223的EB+、EB-、EA+、EA-和VCC、EGND端口。伺服控制器223的电源输入端口AC、AC接交流80V电源。

3.自耦变压器24主要用于降低交流伺服电机23启动时定子绕组上的端电压，从而减小交流伺服电机23启动电流。自耦变压器24可以是手动的，也可以是自动的，自耦变压器24的抽头可以为1～3组抽头，其电压可以分别为原边电压的80％、65％或80％、60％、50％、40％。

如图3所示，移动螺母262套在滚珠丝杠261上，将自耦变压器24的二次绕组L2的抽斗241与移动螺母262相连，交流伺服电机23与滚珠丝杠261相连。

4.外围电路25主要用于产生交流伺服电机23的外部启动、外部停止、故障指示、复位等信号和操作。

所述外围电路25包括接触器KM1、接触器KM2、启动指示灯H1、装置故障指示灯H2和复位按钮ST以及启动按钮、停止按钮(未图示)。接触器KM1的触点以及接触器KM2的触点分别连接到单片机231的P1.4和P1.5端口，启动指示灯H1、装置故障指示灯H2和复位按钮ST分别连接到单片机231的P1.6、P1.7和P3.0端口。启动按钮按下后产生交流伺服电机23的外部启动信号，此时接触器KM1的触点闭合，单片机231的P1.4端口为高电平；停止按钮按下后产生所述交流伺服电机23的外部停止信号，接触器KM2的触点闭合，单片机231的P1.5端口为高电平。

应用上述的交流电机自适应自耦减压启动装置对交流电机进行自适应自耦减压启动的方法如下：

1.调整自耦变压器二次绕组的抽斗位置，以设置交流伺服电机23启动时的自耦减压程度，例如，将自耦变压器24的二次绕组L2的抽斗241调整到50％位置，；

2.通过三组十进制BCD拨码开关216形成的拨码盘设定交流伺服电机23启动时的电流，例如设定交流伺服电机23启动时的电路限幅值为交流伺服电机23额定电流的1.2倍；

3.对整个交流电机自适应自耦减压启动装置上电，故障指示灯H2若无指示，按下外围电路25中的启动按钮，这时接触器KM1的触点闭合，交流伺服电机23的自耦减压启动开始；若故障指示灯H2亮，说明交流电机自适应自耦减压启动装置中有故障，进行故障的查找和处理后，按下外围电路25中的复位按钮ST，复位交流电机自适应自耦减压启动装置。

4.在交流伺服电机23的启动过程中，单片机221根据电流互感器211检测到的启动电流大小对交流伺服电机23进行运行和方向控制。当单片机221判定交流伺服电机23的启动电流过小时，即所述电流互感器211检测到的启动电流小于三组十进制BCD拨码开关设定的启动电流，单片机221向所述伺服控制器223输出正向运行信号，伺服控制器223控制交流伺服电机23正向运行，图3中的移动螺母262带动自耦变压器24二次绕组L2的抽斗3向上移动，自耦变压器24二次绕组L2的电压升高，增大交流伺服电机23的启动转矩；反之，当单片机221判定交流伺服电机23的启动电流过大时，即所述电流互感器211检测到的启动电流大于三组十进制BCD拨码开关设定的启动电流，单片机221向所述伺服控制器223输出反向运行信号，图3中的移动螺母2带动自耦变压器24二次绕组L2的抽斗3向下移动，自耦变压器24的二次绕组L2的电压降低，从而减小交流伺服电机23的启动转矩。

综上所述，本发明的交流电机自适应自耦减压启动装置及方法，在伺服交流电机进行自耦变压启动时，能够实时检测伺服交流电机的启动电流，根据检测到的启动电流的大小来控制伺服电机的运行方向，以动态调节自耦变压器二次侧绕组的抽斗比例，以适应伺服交流电机启动转矩的要求，使启动过程平稳、无冲击。

Claims (10)

1.一种交流电机自适应自耦减压启动装置，其特征在于，由电流检测与设定电路、伺服驱动控制电路、交流伺服电机、自耦变压器以及外围电路组成；所述电流检测与设定电路包括电流互感器以及三组十进制BCD拨码开关，所述电流互感器的一次绕组连接所述交流伺服电机的电源线，所述伺服驱动控制电路主要由单片机、伺服控制器和多个光电隔离器件组成，所述电流互感器的二次绕组输出端连接所述单片机的电流检测端口，三组十进制BCD拨码开关分别连接至所述单片机对应的电流设定端口，所述单片机与所述伺服控制器通过所述多个光电隔离器件连接，所述交流伺服电机连接在所述伺服控制器与所述自耦变压器之间，所述交流伺服电机的外部启动/停止信号通过所述外围电路输入至所述单片机的相应的输入端口。

2.如权利要求1所述的交流电机自适应自耦减压启动装置，其特征在于，所述电流互感器通过螺钉和一安装架固定在所述交流伺服电机的安装梁上，一根给所述交流伺服电机供电的电源线穿过所述电流互感器的一次绕组，所述电流互感器的二次绕组输出端依次连接单相桥式整流电路、滤波电路、电位调节器和模数转换电路后，连接至所述单片机的电流检测端口。

3.如权利要求1所述的交流电机自适应自耦减压启动装置，其特征在于，每个BCD拨码开关有5个引脚：8、4、2、1和A，A为公共端，接+5V电源，BCD拨码开关上的数字从0变到9时，8、4、2、1引脚将输出相应的电平。

4.如权利要求1所述的交流电机自适应自耦减压启动装置，其特征在于，所述单片机的脉冲信号、运行方向控制信号和使能信号输出端口均通过所述第一个光电隔离器件与所述伺服控制器对应的信号输入端口相连，所述伺服控制器的故障信号输出端口通过第二个光电隔离器件连接到所述单片机的故障信号检测端口，所述伺服控制器的电源输入端口连接至一交流电源，所述交流伺服电机的两个定子绕组分别与所述伺服控制器的供电输出端口相连，所述交流伺服电机的脉冲编码器连接到所述伺服控制器的相应端口上。

5.如权利要求1所述的交流电机自适应自耦减压启动装置，其特征在于，所述伺服电机通过滚珠丝杠与移动螺母与所述自耦变压器连接，所述移动螺母套在所述滚珠丝杠上，所述自耦变压器的二次绕组的抽斗与所述移动螺母相连，所述伺服电机与所述滚珠丝杠相连。

6.如权利要求1所述的交流电机自适应自耦减压启动装置，其特征在于，所述外围电路包括分别连接至所述单片机相应的输入端口的第一接触器、第二接触器、启动指示灯、装置故障指示灯和复位按钮，当有所述交流伺服电机的外部启动信号输入时，所述第一接触器的触点闭合，该触点连接的单片机的输入端口为高电平；当有所述交流伺服电机的外部停止信号输入时，所述第二接触器的触点闭合，该触点连接的单片机的输入端口为高电平.

7.一种如权利要求1至6中任一项所述的交流电机自适应自耦减压启动装置的方法，其特征在于，包括：

调整自耦变压器二次绕组的抽斗位置，以设置交流伺服电机启动时的自耦减压程度；

通过三组十进制BCD拨码开关设定所述交流伺服电机启动时的电流；

通过单片机相应的输入端口接收交流伺服电机的启动电流；

给整个的所述交流电机自适应自耦减压启动装置上电以使所述交流伺服电机进行自耦减压启动，并通过电流互感器检测在所述交流伺服电机启动过程中的启动电流大小；

所述单片机根据所述电流互感器检测到的启动电流大小，控制所述伺服控制器向所述伺服电机的输出，以对所述交流伺服电机进行运行和方向控制。

8.如权利要求8所述的方法，其特征在于，调整自耦变压器二次绕组的抽斗至50％位置，通过三组十进制BCD拨码开关设定所述交流伺服电机启动时的电流限幅值为所述交流伺服电机的额定电流的1.2倍。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，给整个的所述交流电机自适应自耦减压启动装置上电后，若外围电路的故障指示灯无指示，则按下所述交流电机的启动按钮，此时所述外围电路的第一接触器的触点闭合，自耦减压启动开始；若所述故障指示灯有指示，则说明电路中有故障，进行故障的查找和处理后，按下外围电路的复位按钮进行电路复位。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述单片机根据所述电流互感器检测到的启动电流大小，控制所述伺服控制器向所述伺服电机的输出，以对所述交流伺服电机进行运行和方向控制，具体包括：

当所述单片机根据所述电流互感器检测到的启动电流大与所述BCD拨码开关设定的启动电流限幅值时，判定所述交流伺服电机的启动电流过小，所述单片机向所述伺服控制器输出正向运行信号，以使所述伺服控制器控制所述交流伺服电机正向运行，所述自耦变压器的二次绕组的电压升高，增大启动转矩；

反之，所述单片机根据所述电流互感器检测到的启动电流小与所述BCD拨码开关设定的启动电流限幅值时，判定所述交流伺服电机的启动电流过大，所述单片机向所述伺服控制器输出反向运行信号，以使所述伺服控制器控制交流伺服电机反向运行，所述自耦变压器的二次绕组的电压降低，减小启动转矩。