CN108173461A - 执行机构电机控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种执行机构电机控制系统及方法，该系统包括：电机，根据驱动电路的驱动信号驱动执行机构；过零时钟模块，生成与电源频率相同的过零点方波信号；脉冲波形发生模块，以过零点方波信号为时钟基准信号产生方波脉冲；驱动电路，包括可控硅单元与驱动单元，可控硅单元，根据控制模块的方波脉冲改变可控硅的导通角以调整电机的电压；驱动单元，根据控制模块的控制信号控制电机正/反转；采集模块，采集执行机构当前的开度信号；控制模块，将来自外部的开度指令信号与执行机构当前的开度信号进行差值运算，根据差值运算的差值调节电机的转速直至执行机构的开度接近差值为止。本发明采用可控硅单元串联驱动单元，提高了电机运转时的安全性。

Description

执行机构电机控制系统及方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，特别是涉及一种执行机构电机控制系统及方法。

背景技术

电动执行机构，是一种能提供直线或旋转运动的驱动装置，它利用驱动能源并在控制信号作用下工作。执行机构使用液体、气体、电力或其它能源并通过电机、气缸或其它装置将其转化成驱动作用。

然而，现有的电机执行机构控制方式主要包括如下四种：

第一种，接触器直接控制方案，该方案控制精度差，调节频度较低，不适于频繁的开关控制工况；其中，接触器易产生拉弧现象，产生较强的电磁干扰，同时，接触器直接启动，对机械及电气部件产生较大的冲击，降低了机械及电气的使用寿命。

第二种，IGBT变频控制方案，该方案具备分段变速运行，控制精度较高，适于频繁的调节控制；但其控制软件、硬件电路复杂，技术难度大，导致制造成本较高，而且故障率也高。

第三种，可控硅控制方案，在电机功率较大时，频繁正转、反转时容易造成换向失败，导致损毁可控硅。另外，该方案至少需要5个双向可控硅才能实现电机正反转控制。

第四种，功率继电器控制方案，该方案中功率继电器存在着第一种控制方案的问题。与接触器相比，功率继电器的触头容量小，更容易造成触头拉弧现象以及触头粘结等问题。

因此，亟需一种电机执行机构控制方案，能够避免接触器或继电器触头粘接的问题，防止可控硅被击穿造成损坏电机的现象。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种执行机构电机控制系统及方法，用于解决现有技术中执行机构采用电机控制时，无法做到柔性启动、停止，对执行机构机械与电气元件造成冲击的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种执行机构电机控制系统，包括：

电机，其输入端连接驱动电路，输出端连接执行机构，用于根据所述驱动电路的驱动信号驱动执行机构；

过零时钟模块，其输入端连接电源，输出端连接所述控制模块，用于生成与所述电源频率相同的过零点方波信号；

脉冲波形发生模块，其输入端连接控制模块，输出端连接驱动电路，用于以所述过零点方波信号为时钟基准信号产生方波脉冲；

驱动电路，包括可控硅单元与驱动单元，所述可控硅单元输入端连接控制模块与电源，用于根据控制模块的方波脉冲改变可控硅的导通角以调整电机的电压；所述驱动单元输入端连接控制模块与可控硅单元，用于根据控制模块的控制信号控制所述电机正转或反转；

采集模块，其输入端连接执行机构，输出端连接控制模块，用于采集所述执行机构当前的开度信号；

控制模块，用于将来自外部的开度指令信号与所述执行机构当前的开度信号进行差值运算，根据所述差值运算的差值调节所述电机的转速直至执行机构的开度接近所述差值为止。

本发明的另一目的在于提供一种执行机构电机控制方法，包括：

采集电机驱动的执行机构当前的开度信号，以及接收外部的开度指令信号；

根据外部的开度指令信号与所述执行机构当前的开度信号控制所述电机正转或反转；

对来自外部的开度指令信号与所述执行机构当前的开度信号进行差值运算，根据所述差值运算的差值调节所述电机的转速直至执行机构的开度接近所述差值为止。

其中，所述调节所述电机的转速直至执行机构的开度接近所述差值为止的步骤进一步包括：

获取驱使所述电机运转的电源信号，产生与该电源频率相同的过零点方波信号；

以所述过零点方波信号为时钟基准信号产生方波脉冲；

根据所述方波脉冲改变连接至所述电机的双向可控硅的导通角以调整所述电机的电压，采用电压调节所述电机的转速直至执行机构的开度小于等于所述差值为止。

如上所述，本发明的执行机构电机控制系统及方法，具有以下有益效果：

本发明包括可控硅单元与驱动单元，通过可控硅单元实现电机调压，达到柔性启、停的目的；驱动单元以继电器互锁方式控制电机正反转动；其中，采用可控硅与继电器触头串联的方式控制电机，当可控硅全部击穿时，利用断开继电器的触头方式，切断电机电源，可避免电机失控；当继电器的触头全部粘连时，利用关断可控硅的方式，切断电机电源，避免电机失控，从而提高了电机运转时的安全性。

附图说明

图1显示为本发明提供的一种执行机构电机控制系统结构框图；

图2显示为本发明提供的一种执行机构电机控制系统实施例结构框图；

图3显示为本发明提供的一种执行机构电机控制方法流程图；

图4显示为本发明提供的一种执行机构电机控制方法中步骤S3的详细流程图。

元件标号说明：

VT1 第一可控硅

VT 2 第二可控硅

VT 3 第三可控硅

KA1 第一继电器

KA2 第二继电器

1 电机

2 过零时钟模块

3 脉冲波形发生模块

4 驱动电路

41 可控硅单元

42 驱动单元

5 采集模块

6 控制模块

7 减速机构

8 电源

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图1，本发明提供一种执行机构电机控制系统结构框图，详述如下：

电机1，其输入端连接驱动电路4与电源8，输出端连接执行机构，用于根据所述驱动电路的驱动信号驱动执行机构；

过零时钟模块2，其输入端连接电源8，输出端连接所述控制模块6，用于生成与所述电源频率相同的过零点方波信号；

脉冲波形发生模块3，其输入端连接控制模块6，输出端连接驱动电路4，用于以所述过零点方波信号为时钟基准信号产生方波脉冲；

驱动电路4，包括可控硅单元41与驱动单元42，所述可控硅单元41，其输入端连接控制模块6与电源8，用于根据控制模块的方波脉冲改变可控硅的导通角以调整电机的电压；所述驱动单元42，其输入端连接控制模块6与可控硅单元41，用于根据控制模块的控制信号控制所述电机正转或反转；

采集模块5，其输入端连接执行机构，输出端连接控制模块6，用于采集所述执行机构当前的开度信号；

控制模块6，用于将来自外部的开度指令信号与所述执行机构当前的开度信号进行差值运算，根据所述差值运算的差值调节所述电机的转速直至执行机构的开度接近所述差值为止。

具体地，所述电机1为三相电机，优选为三相异步电机，其中该电机对应的优选驱动功率为8KW；所述驱动单元为开关互锁电路，使得电机在工作时只处于正转或反转模式，通过可控硅单元实现了电机的柔性启动、停止，减小了对执行机构机械以及电气的冲击，消除了换向时触头的拉狐现象，可实现1200次/分钟的频繁正、反转控制，提高执行机构的定位精度。

请参阅图2，为本发明提供的一种执行机构电机控制系统实施例的结构框图，包括：

所述可控硅单元41包括第一双向可控硅VT1、第二双向可控硅VT2、第三双向可控硅VT3，所述第一、第二、第三双向可控硅的控制端与脉冲波形发生模块相连；所述第一双向可控硅VT1的一端与电机1相连，所述第二、第三双向可控硅的一端分别与驱动单元42的输入端相连；其另一端分别与电源相连。

所述驱动单元42包括第一继电器KA1、第二继电器KA2、第一线继电器圈与第二继电器线圈，所述第一、二继电器触点的两两端口交叉互联各自连接第二、三双向可控硅的一端，所述第一、二继电器触点的另外两端口两两交叉互联分别连接电机的输入端；所述第一继电器线圈与第二继电器线圈的两端分别连接控制模块。

其中，所述执行机构设置有减速机构7，所述采集模块5为位置传感器。

在电机的三相主回路中分别串入三个双向可控硅，实现电机的调压控制，从而达到柔性启、停的目的。在任意两相可控硅的后面，再串入两个DPST大功率继电器(30A触头容量)的常开触头，实现电机的正/反转控制。控制模块根据外部输入的控制指令，并结合三相电源的过零时钟信号，向三个双向可控硅发送宽度可调的脉冲信号，从而改变可控硅的导通角，进而实现电机调压。控制模块根据当前位置信号以及外部指令，控制大功率继电器动作，从而实现电机的正、反转控制。在进行正反转控制时，先关闭三个可控硅，再进行继电器触头切换，可实现零电流、零拉弧切换，提高了换相的可靠性，延长了触头的寿命。

采用上述方式，电机的驱动电路只要三个可控硅和两个继电器就可实现电机的可靠控制。其结构简单，成本低廉，在当前控制方案中性价比最高。由于采用了可控硅调压技术，可实现柔性启动、停止，减小了像接触器、功率继电器直接启动产生的机械冲击和电流冲击，尤其是大功率电机，效果更为明显。

在定位过程中，即将到达目标位置时，通过调压技术，可使电机以低速运转的方式到达目标位置，对大惯量电机，可减小过冲，提高定位的精度。采用先关断三个可控硅，再进行两个继电器触头的切换，实现电机的正反转控制，可以使继电器的触头零电流切换，避免了触头拉弧和烧蚀，延长继电器触头的使用寿命。本方案中三个可控硅只负责导通和关断，相对于背景技术中的可控硅方案，电机换向操作时，避免了因换向失败而导致的可控硅损坏，提高了可控硅的使用寿命，同时，减少了可控硅的使用数量。因电机正、反转控制是在电机电流为零的状态下进行的，不用考虑切换延时，故电机的正反转切换频率能得到提升，可实现1200次/分钟的切换频率，满足频繁调节工况的要求。然而，背景技术中四种方案中，一旦接触器、功率继电器的触头全部粘连，IGBT、可控硅全部击穿，电机将不受控制，最终会导致执行机构或阀门损坏，引起安全事故，后果不堪设想。由于本方案采用了可控硅与继电器触头串联的方式来控制电机，增强了电机运行时的安全性。当三个可控硅全部击穿后，通过断开继电器的触头的方式，切断电机电源，可避免电机失控。同理，当继电器的触头全部粘连后，通过关断三个可控硅的方式，切断电机电源，也能避免电机失控，从而提高执行机构的安全性。

请参阅图3，为本发明提供的一种执行机构电机控制方法流程图，包括：

步骤S1，采集电机驱动的执行机构当前的开度信号，以及接收外部的开度指令信号；

步骤S2，根据外部的开度指令信号与所述执行机构当前的开度信号控制所述电机正转或反转；

步骤S3，对来自外部的开度指令信号与所述执行机构当前的开度信号进行差值运算，根据所述差值运算的差值调节所述电机的转速直至执行机构的开度接近所述差值为止；

其中，请参阅图4，为所述调节所述电机的转速直至执行机构的开度接近所述差值为止的步骤进一步流程图，包括：

步骤S301，获取驱使所述电机运转的电源信号，产生与该电源频率相同的过零点方波信号；

步骤S302，以所述过零点方波信号为时钟基准信号产生方波脉冲；

步骤S303，根据所述方波脉冲改变连接至所述电机的双向可控硅的导通角以调整所述电机的电压，采用电压调节所述电机的转速直至执行机构的开度小于等于所述差值为止。

具体地，当执行机构当前的开度即将小于等于所述差值时，减小可控硅输出电压的方式，调整所述电机的转速以低速运行实现电机减速定位。

将第一可控硅VT1、第二可控硅VT2、第三可控硅VT3串联入三相电源中，第一可控硅VT1后面直接连接到电机的一根电源线上。其中，第二可控硅VT2、第三可控硅VT3后面分别连接第一继电器触头KA1、第二继电器触头KA2的两个常开触头的一端，两触头的另一端分别相连，再连接到电机另外两根电源线上，从而形成对电机控制的主回路。当第一继电器KA1触头吸合时，电机顺时针旋转；当第二继电器KA2触头吸合时，电机逆时针旋转。三相电源输入到过零时钟模块2，由其产生与电源频率相同，上升、下降沿刚好是电源过零点的方波脉冲。通过光电隔离的方式将该方波脉冲发送至控制模块6，作为可控硅调压及导通时的时钟基准。脉冲波形发生模块3产生220KHz的方波脉冲，该脉冲在控制模块6发出导通可控硅信号时送至第一、第二、第三可控硅的门极引脚上，从而控制可控硅的调压及导通。采用如此高的频率多次触发可控硅，可避免一次触发不能使可控硅可靠导通的现象，当控制模块6发出导通角由小到大的脉冲控制信号时，可控硅的导通时间也由小逐渐变大，直至最大，从而实现电机电压由零逐渐增加到最大，电机的转速也由零逐渐加速到最大，完成一次柔性的加速启动过程。同理，导通角由最大逐渐变到零，电机的电压也由最大变到零，该过程中电机转速也由最大逐渐减小到零，完成一次减速停止过程。当不发送触发脉冲时，可控硅关断，电机停转。驱动单元42接收到控制模块6发送的顺时针控制信号时，继电器KA1的线圈得电，继电器触头KA1吸合，继电器触头KA2断开，电机顺时针旋转；当接收到逆时针控制信号时，继电器KA2线圈得电，继电器触头KA2吸合继电器触头KA1断开，电机逆时针旋转。当不发控制信号给驱动单元42时，所有的继电器触头断开，电机停转。另外，在驱动单元42中存在着互锁电路，在任何情况下一个继电器得电时，另一个继电器将失电，保证了电机换向的可靠性，避免换向失败，导致电源短路。电机1为三相异步电机，为执行机构提供动力源。减速机构7将电机的高转速、小转矩转换为低转速、大转矩驱动阀门等负载运行。采集模块5为位置传感器，采集执行机构的开度转换为数字信号发送给控制模块6，将其作为当前的实时位置(开度信号)。控制模块6负责接收外部的开度指令信号，采集当前执行机构的实时开度信号，采集过零时钟脉冲信号，将外部开度指令信号与执行机构当前实时开度信号进行差值运算，输出可控硅触发导通信号，输出继电器控制信号等，控制电机向减小差值的方向运行，直至停止，从而实现执行机构的开度调节功能。

整个工作过程如下：

当控制模块6接收到外部的开度指令时，将其与当前实时的开度进行差值运算，当差值超过默认的死区值，为正数时，控制模块6控制驱动单元42的第一继电器KA1触头吸合，第二继电器KA2触头断开，利用过零时钟信号向三个可控硅发送触发脉冲，通过逐渐增加可控硅输出电压的方式，实现电机的柔性启动，启动完成后，电机全电压顺时针运行，当开度指令与执行器当前实时开度差值即将小于等于死区值时，通过减小可控硅输出电压的方式，实现电机减速定位，当差值小于等于死区值时，停止发送可控硅触发脉冲，关断3个可控硅，同时，断开第一继电器KA1的触头，停止电机运行，完成开度调节。

反之，当控制模块6接收到外部的开度指令后，将其与当前实时的开度进行差值运算。当差值的绝对值超过默认的死区值，为负数时控制模块6控制驱动单元42的第二继电器KA2触头吸合，第一继电器KA1触头断开，利用过零时钟信号向三个可控硅发送触发脉冲，通过逐渐增加可控硅输出电压的方式，实现电机的柔性启动，启动完成后，电机全电压逆时针运行，当开度指令与执行机构当前实时开度差值的绝对值即将小于等于死区值时，通过减小可控硅输出电压的方式，实现电机减速定位，当差值的绝对值小于等于死区值时，停止发送可控硅触发脉冲，关断三个可控硅，同时，断开第二继电器KA2的触头，停止电机运行，完成开度调节。

综上所述，本发明包括可控硅单元与驱动单元，通过可控硅单元实现电机调压，达到柔性启、停的目的；驱动单元以继电器互锁方式控制电机正反转动；其中，采用可控硅与继电器触头串联的方式控制电机，当可控硅全部击穿时，利用断开继电器的触头方式，切断电机电源，可避免电机失控；当继电器的触头全部粘连时，利用关断可控硅的方式，切断电机电源，避免电机失控，从而提高了电机运转时的安全性。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种执行机构电机控制系统，其特征在于，包括：

电机，其输入端连接驱动电路，输出端连接执行机构，用于根据所述驱动电路的驱动信号驱动执行机构；

过零时钟模块，其输入端连接电源，输出端连接所述控制模块，用于生成与所述电源频率相同的过零点方波信号；

脉冲波形发生模块，其输入端连接控制模块，输出端连接驱动电路，用于以所述过零点方波信号为时钟基准信号产生方波脉冲；

驱动电路，包括可控硅单元与驱动单元，所述可控硅单元输入端连接控制模块与电源，用于根据控制模块的方波脉冲改变可控硅的导通角以调整电机的电压；所述驱动单元输入端连接控制模块与可控硅单元，用于根据控制模块的控制信号控制所述电机正转或反转；

采集模块，其输入端连接执行机构，输出端连接控制模块，用于采集所述执行机构当前的开度信号；

控制模块，用于将来自外部的开度指令信号与所述执行机构当前的开度信号进行差值运算，根据所述差值运算的差值调节所述电机的转速直至执行机构的开度接近所述差值为止。

2.根据权利要求1所述的执行机构电机控制系统，其特征在于，所述电机为三相电机。

3.根据权利要求1或2所述的执行机构电机控制系统，其特征在于，所述电机为三相异步电机。

4.根据权利要求1所述的执行机构电机控制系统，其特征在于，所述可控硅单元包括第一双向可控硅、第二双向可控硅、第三双向可控硅，所述第一、第二、第三双向可控硅的控制端与脉冲波形发生模块相连；所述第一双向可控硅的一端与电机相连，所述第二、第三双向可控硅的一端分别与驱动单元的输入端相连；其另一端分别与电源相连。

5.根据权利要求1所述的执行机构电机控制系统，其特征在于，所述驱动单元为开关互锁电路。

6.根据权利要求1或5所述的执行机构电机控制系统，其特征在于，所述驱动单元包括第一继电器、第二继电器、第一继电器线圈与第二继电器线圈，所述第一、二继电器触点的两端口交叉互联各自连接第二、三双向可控硅的一端，所述第一、二继电器的另外两端口两两交叉互联分别连接电机的输入端；所述第一继电器线圈与第二继电器线圈的两端分别连接控制模块。

7.根据权利要求1所述的执行机构电机控制系统，其特征在于，所述执行机构设置有减速机构。

8.根据权利要求1所述的执行机构电机控制系统，其特征在于，所述采集模块为位置传感器。

9.一种执行机构电机控制方法，其特征在于，包括：

采集电机驱动的执行机构当前的开度信号，以及接收外部的开度指令信号；

根据外部的开度指令信号与所述执行机构当前的开度信号控制所述电机正转或反转；

对来自外部的开度指令信号与所述执行机构当前的开度信号进行差值运算，根据所述差值运算的差值调节所述电机的转速直至执行机构的开度接近所述差值为止。

10.根据权利要求9所述的执行机构电机控制方法，其特征在于，所述调节所述电机的转速直至执行机构的开度接近所述差值为止的步骤，包括：

获取驱使所述电机运转的电源信号，产生与该电源频率相同的过零点方波信号；

以所述过零点方波信号为时钟基准信号产生方波脉冲；

根据所述方波脉冲改变连接至所述电机的双向可控硅的导通角以调整所述电机的电压，采用电压调节所述电机的转速直至执行机构的开度小于等于所述差值为止。