CN1074606C

CN1074606C - 直流伺服系统保护装置

Info

Publication number: CN1074606C
Application number: CN98125860A
Authority: CN
Inventors: 张斌; 王时毅; 李耀华; 胜晓松; 左燕生
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 1998-12-22
Filing date: 1998-12-22
Publication date: 2001-11-07
Anticipated expiration: 2018-12-22
Also published as: CN1260630A

Abstract

直流伺服系统保护装置，包括直流伺服电动机的电枢电压传感器、电枢电流传感器、和与之相连接的具有运算和处理功能的保护器，并同时检测直流伺服电动机的速度反馈信号。该保护装置利用检测直流伺服电动机的电枢电压、电枢电流和转速间的对应关系，对电动机的运行状态进行监视，当直流伺服系统处于速度反馈接反、速度反馈断线、电枢接反、电枢断线、电动机短路状态时，由保护器输出报警信号，使直流伺服系统及时得到保护。

Description

直流伺服系统保护装置

本发明属于自动保护电路装置，具体地说涉及一种直流伺服系统的保护装置。

在直流伺服系统中，保护电路是其重要的组成部分。保护电路的主要功能是当直流伺服系统的某一部分发生故障时，发出故障报警并及时关闭直流伺服放大器的使能，或切断主电路，使故障不扩大殃及到整个系统。

目前，各种已有技术的直流伺服系统保护装置，主要是采用在主电路中串接保险、在电动机和主电路散热板上安装热传感器、检测电动机的速度是否过大、检测电动机的电流是否过大、检测反馈回路是否接通等方法。这些方法可以在直流伺服电动机发生过热或超速、伺服放大器过载或过热、伺服系统过电流、速度反馈断线时进行保护。

当伺服电动机有速度反馈接反、速度反馈断线、电枢线接反、电枢线断线发生时，将会由于伺服放大器的速度闭环控制无法完成，致使伺服电动机失去控制。由于已有技术的保护方法在速度反馈接反和电枢线接反时，只在直流伺服电动机失去控制并达到很高的速度时才能进行保护，而对于电枢线断线却不能进行保护，以致大大地降低了直流伺服系统运行的可靠性。

本发明的目的是提供一种直流伺服系统保护装置，其通用性强，保护范围大、可靠性高，特别是当直流伺服系统发生速度反馈接反、速度反馈断线、电枢线接反、电枢线断线、电动机短路时，输出报警信号，使直流伺服系统及时得到保护。

本发明直流伺服系统保护装置，包括测量直流伺服电动机电枢电压的电压传感器，测量直流伺服电动机电枢电流的电流传感器，检测直流伺服电动机速度反馈信号的速度传感器，以及包括比例放大器、微分器、加法器、绝对值电路、允许误差发生器和比较器的保护器；电压传感器与直流伺服电动机的两相电枢绕组相连，并向保护器输出电压采样信号，电流传感器串接在直流伺服电动机的电枢绕组上，并向保护器输出电流采样信号，保护器同时检测速度传感器的速度反馈信号，并当发生故障和异常时，向直流伺服驱动器输出报警信号。

以下通过附图所示实施例对本发明进行详细说明。

图1表示本发明直流伺服系统保护装置的原理框图

图2表示本发明保护器的原理框图

图3表示采用霍尔电压/电流传感器以及测速发电机的本发明直流伺服系统保护装置的原理框图

图4是如图3所示的实施例中的保护器的原理图

图1中，直流伺服驱动器(400)与直流伺服电动机(200)的电枢绕组(210)和(220)相连。直流伺服电动机(200)同轴安装有速度传感器(300)，速度传感器(300)测得的速度反馈信号(310)输入到直流伺服驱动器(400)，形成速度闭环控制。

本发明的特征是：该保护装置包括直流伺服电动机的电枢电压传感器(110)、电枢电流传感器(120)、和与二者相连接的保护器(100)，该保护器包括比例放大器、微分器、加法器、绝对值电路、允许误差发生器和比较器组成。电枢电压传感器(110)与直流伺服电动机(200)的两相电枢绕组(210)和(220)相连，用来测量直流伺服电动机(200)的电枢电压；电枢电流传感器(120)串接在直流伺服电动机(200)的电枢绕组(220)上，用来测量直流伺服电动机(200)的电枢电流。

本发明保护装置工作时，电枢电压传感器(110)的输出信号(111)为KvU，电枢电流传感器(120)的输出信号(121)KcI，KvU和KcI输入到保护器(100)，同时，直流伺服电动机的速度传感器(300)发出的速度反馈信号(310)为KnE，KnE也进入保护器(100)，最后当有故障和异常发生时，由保护器(100)输出的报警信号(130)输入到直流伺服驱动器(400)。在这里，U为直流伺服电动机的电枢电压，Kv为电枢电压传感器的测量系数；I为直流伺服电动机的电枢电流，Kc为电枢电流传感器的测量系数；E为直流伺服电动机的反电动势，Kn为反馈系数。

如图2所示为本发明核心部件保护器(100)。保护器(100)由几个比例放大器(10)、(25)、(30)、(40)，一个微分器(20)、一个加法器(50)、一个取绝对值电路(60)，一个允许误差发生器(70)以及一个比较器(80)组成；比例放大器1(10)、比例放大器3(30)和比例放大器4(40)的输入端分别与电流传感器(120)、速度传感器(300)和电压传感器(110)相连，它们的输出端与加法器(50)相连；微分器(20)和比例放大器2(25)先后顺序串接在电流传感器和加法器之间；取绝对值电路(60)的输入端和输出端分别与加法器(50)和比较器(80)的一个输入端相连，允许误差发生器(70)与比较器(80)的另一输入端相连，比较器(80)的输出端输出报警信号(130)至直流伺服驱动器(400)。

本发明保护器的工作原理如下所述。首先，设比例放大器1一4的比例放大系数分别为K1、K2、K3、K4。参见图2，电枢电流传感器(120)的输出信号Kc1(121)经过比例放大器1(10)形成信号K1KcI(15)；电枢电流传感器(120)的输出信号KcI(121)经过微分器(20)和比例放大器2(25)形成信号K2Kc dI/dt(26)；电枢电压传感器(110)的输出信号KvU(111)经过比例放大器3(30)形成信号K3KvU(35)；由速度传感器(300)输出的速度反馈信号KnE(310)经过比例放大器4(40)形成信号K4KnE(45)。调节比例放大器系数K1、K2、K3和K4，使得K1Kc＝K2Kc＝-K3Kv＝K4Kn，再设K1Kc＝K2Kc＝-K3Kv＝K4Kn＝K，并将以下四信号(15)、(26)、(35)、(45)输入加法器(50)：K1KcI+K2KcdI/dt+K3KvU+K4KnE＝K(I+dI/dt+E-U)，经取绝对值电路(60)后，则形成偏差信号ERROR(65)：ERROR＝K(I+dI/dt+E-U)。在正常运行情况下，直流伺服电动机将满足：U＝I+dI/dt+E，因此ERROR＝0，考虑到测量误差的因素，将偏差信号ERRR(65)与允许误差发生器(70)输出的允许误差值(75)在比较器(80)进行比较，最后由比较器输出保护信号(130)。实际运行时，当直流伺服系统发生速度反馈接反、速度反馈断线、电枢接反、电枢断线、电动机短路任一故障时，都会使偏差信号ERROR(65)超过允许误差值(75)，这时保护器发出保护信号并输入到直流伺服驱动器，从而使直流伺服系统及时得到保护。

图3表示采用霍尔电压/电流传感器以及测速发电机的本发明直流伺服系统保护装置的原理框图。装置中，直流伺服驱动器(1400)与直流伺服电动机(1200)的电枢绕组(1210)和(1220)相连。直流伺服电动机(1200)同轴安装有测速发电机(1300)。由测速发电机(1300)测得的速度反馈信号(1310)输入到直流伺服驱动器(1400)，形成速度闭环控制。在此实施例中，该保护装置的电枢电压传感器采用霍尔电压传感器(1110)，电枢电流传感器采用霍尔电流传感器(1120)。霍尔电压传感器(1110)与直流伺服电动机(1200)的两相电枢绕组(1210)和(1220)相连，用来测量直流伺服电动机(1200)的电枢电压；霍尔电流传感器(1120)串接在直流伺服电动机(1200)的电枢绕组(1220)或(1210)上，用来测量直流伺服电动机(1200)的电枢电流。

该保护装置运行时，霍尔电压传感器(1110)的输出信号(1111)为Kv1U，霍尔电流传感器(1120)的输出信号(1121)为Kc1I，速度反馈信号(1310)为Kn1E，Kv1U，Kc1I和Kn1E都输入到保护器(1100)，直流伺服电动机的速度反馈信号(1310)也进入保护器(1100)，同时，保护器(1100)输出的报警信号(1130)输入到直流伺服驱动器(1400)。以上所述符号U为直流伺服电动机的电枢电压，Kv1为霍尔电压传感器的测量系数；I为直流伺服电动机的电枢电流，Kc1为霍尔电流传感器的测量系数；E为直流伺服电动机的反电动势，Kn1为反馈系数。

图4表示图3所示本发明实施例中的保护器(1100)的原理图，保护器(1100)中：运算放大器IC1构成跟随器，其正相输入端连接霍尔电流传感器(1120)输入电流采样信号KcI(1121)，同时又通过电阻R1接地，电容器C1和电阻R2并联，一端与运算放大器IC1的输出端相连，另一端与共同节点(1028)连接；电容器C1输出信号(1010)，电阻R2输出信号(1015)；测速发电机(1300)的输出端输出速度反馈信号(1310)通过电阻R4输出反馈信号(1020)至共同节点(1028)；运算放大器IC2和电阻R5、R6构成反相放大电路，其反相输入端通过电阻R5与霍尔电压传感器(1110)连接，同时反相输入端通过电阻R6与输出端相连，而正相输入端接地，输出端通过电阻R11输出反相放大信号(1030)至共同节点(1028)；共同节点(1028)连接在反向器(1040)的输入端，反向器(1040)中，运算放大器IC3的反相输入端通过电阻R7与其输出端相连接，电容器C2并联在电阻R7两端，IC3的正相输入端接地；反向器(1040)的输出端与绝对值电路(1060)的输入端相连接，绝对值电路(1060)中，二极管D1的正端与电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端连接在运算放大器IC4的反相输入端，二极管的D2的正端与二极管D1的负端和IC3的输出端连接，IC4的正相输入端与二极管D2的负端相连并通过电阻R9接地，电阻10连接在IC4的反相输入端和输出端之间；绝对值电路(1060)的输出端将绝对值输出信号(1065)送入由运算放大器IC5构成的比较器，与IC5的正相输入端相连接，IC5的反相输入端与电阻R12和R13的一端相连，输入阈值电压(1070)，电阻R12的另一端接地，电阻R13的另一端接正电源+Ec，运算放大器IC5的输出端与直流伺服驱动器(1400)相连接。

保护器(1100)的工作原理如下述：霍尔电流传感器(1120)输出的电流采样信号(1121)为KcI，经过电阻R1和运算放大器IC1后为R1KcI(1013)，经过电阻R2后形成的电流信号(1015)为R1KcI/R2；经过电容器C1后形成的电流信号(1010)为C1R1KcdI/dt；霍尔电压传感器(1110)输出的电压信号(1111)为KvU，经过电阻R5、电阻R6、运算放大器IC2和电阻R11后形成的电流(1030)为-R6Kv1U/R5；速度反馈信号(1310)为Kn1E，经过电阻R4，形成的电流信号(1020)为Kn1E/R4。调节上述R1、C1、R2、R6、R11、R4，使得R1Kc/R2＝C1R1Kc＝R6Kv1/R5＝Kn1/R4。将信号(1010)、(1015)、(1020)、(1030)相加并经过反向器(1040)和绝对值电路(1060)，形成的偏差信号(1065)为Ve1。电容器C2用来滤除测量噪声。如电动机运行正常，在理想情况下，偏差信号Ve1为零，考虑到测量误差的因素，将Ve1与由电阻R12和R13形成的阈值电压(1070)即Ve2送入由运算放大器IC5构成的比较器进行比较，当发生故障或异常时，Ve1将超过Ve2，此时输出报警信号(1130)。

本发明装置与现有技术的保护装置相比，增大了保护范围和可靠性，特别是当直流伺服系统处于速度反馈接反、速度反馈断线、电枢接反、电枢断线、电动机短路状态时，本保护器都会产生报警信号，输入到直流伺服驱动器，使直流伺服系统及时得到保护。

Claims

1、一种直流伺服系统保护装置，其特征是该装置中包括测量直流伺服电动机(200)电枢电压的电压传感器(110)，测量直流伺服电动机(200)电枢电流的电流传感器(120)，检测直流伺服电动机(200)速度反馈信号(310)的速度传感器(300)，以及包括比例放大器、微分器、加法器、绝对值电路、允许误差发生器和比较器的保护器(100)；电压传感器(110)与直流伺服电动机(200)的电枢绕组(210)和(220)相连，向保护器(100)输出电压采样信号(111)，电流传感器(120)串接在直流伺服电动机(200)的电枢绕组(220)或(210)上，向保护器(100)输出电流采样信号(121)，保护器同时检测速度传感器(300)的速度反馈信号(310)，并当发生故障和异常时，向直流伺服驱动器(400)输出报警信号(130)。

2、如权利要求1所述的直流伺服系统保护装置，其特征是其中的保护器(100)由几个比例放大器(10)、(25)、(30)、(40)，一个微分器(20)、一个加法器(50)、一个取绝对值电路(60)，一个允许误差发生器(70)以及一个比较器(80)组成；比例放大器1(10)、比例放大器3(30)、比例放大器4(40)的输入端分别与电流传感器(120)、速度传感器(300)和电压传感器(110)相连，分别输入电流采样信号(121)、速度反馈信号(310)和电压采样信号(111)，它们的输出端与加法器(50)相连；微分器(20)和比例放大器2(25)先后顺序串接在电流传感器和加法器(50)之间；取绝对值电路(60)的输入端和输出端分别与加法器(50)和比较器(80)的一个输入端相连，允许误差发生器(70)与比较器(80)的另一输入端相连，比较器(80)的输出端输出报警信号(130)至直流伺服驱动器(400)。

3、如权利要求2所述的直流伺服系统保护装置，其特征是电枢电流传感器(120)的输出信号Kcl(121)经过比例放大器1(10)形成信号KlKcI(15)；电枢电流传感器(120)的输出信号KcI(121)经过微分器(20)和比例放大器2(25)形成信号K2Kc dI/dt(26)；电枢电压传感器(110)的输出信号KvU(111)经过比例放大器3(30)形成信号K3KvU(35)；由速度传感器(300)输出的速度反馈信号KnE(310)经过比例放大器4(40)形成信号K4KnE(45)，以上各信号满足条件：K1Kc＝K2Kc＝-K3Kv＝K4Kn。

4、如权利要求1所述的直流伺服系统保护装置，其特征是其中的电压传感器采用霍尔电压传感器(1110)，电流传感器采用霍尔电流传感器(1120)，与直流伺服电动机(1200)同轴安装的速度传感器采用测速发电机(1300)。

5、如权利要求1或4所述的直流伺服系统保护装置，其特征是在其保护器(1100)中：运算放大器IC1构成跟随器，其正相输入端连接霍尔电流传感器(1120)输入电流采样信号KcI(1121)，同时又通过电阻R1接地，电容器C1和电阻R2并联，一端与运算放大器IC1的输出端(1013)相连，另一端与共同节点(1028)连接；电容器C1输出信号(1010)，电阻R2输出信号(1015)；测速发电机(1300)的输出端输出速度反馈信号(1310)通过电阻R4后输出反馈信号(1020)至共同节点(1028)；运算放大器IC2和电阻R5、R6构成反相放大电路，其反相输入端通过电阻R5与霍尔电压传感器(1110)连接而输入电压采样信号(1111)，同时反相输入端通过电阻R6与输出端相连，而正相输入端接地，输出端通过电阻R11输出反相放大信号(1030)至共同节点(1028)；共同节点(1028)连接在反向器(1040)的输入端，反向器(1040)中，运算放大器IC3的反相输入端通过R7与其输出端相连接，电容器C2并联在电阻7两端，IC3的正相输入端接地；反向器(1040)的输出端与绝对值电路(1060)的输入端相连接，绝对值电路(1060)中，二极管D1的正端与电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端连接在运算放大器IC4的反相输入端，二极管D2的正端与二极管D1的负端和IC3的输出端连接，IC4的正相输入端与二极管D2的负端相连并通过电阻R9接地，电阻R10连接在IC4的反相输入端和输出端之间；绝对值电路(1060)的输出端将绝对值输出信号(1065)送入由运算放大器IC5构成的比较器，与IC5的正相输入端相连接，IC5的反相输入端与电阻R12和R13的一端相连输入阈值电压(1070)，电阻R12的另一端接地，电阻R13的另一端接正电源+Ec，运算放大器IC5的输出端与直流伺服驱动器(1400)相连接输出报警信号(1130)。

6、如权利要求5所述的直流伺服系统保护装置，其特征是，霍尔电流传感器(1120)输出的电流采样信号KcI(1121)经过电阻R1和运算放大器IC1后为R1KcI(1013)，经过电阻R2形成电流R1KcI/R2(1015)；经过电容器C1后形成电流C1R1KcdI/dt(1010)；霍尔电压传感器(1110)输出的电压采样信号KvU(1111)经过电阻R5、R6、运算放大器IC2和电阻R11后形成电流-R6Kv1U/R5(1030)；速度反馈信号Kn1E(1310)经过电阻R4，形成电流信号Kn1E/R4(1020)，以上各信号满足条件：R1Kc/R2＝C1R1Kc＝R6Kv1/R5＝Kn1/R4。