CN109039179B - 一种电动底盘车控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电动底盘车控制装置，包括第一微控制器、第二微控制器、绝缘栅双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管驱动芯片、继电器、采样电阻、电位器、光耦、电机接线端子、基准电压源、限流电阻、二极管、电感、电阻、电容等。该电动底盘车控制装置能够通过第一微控制器的脉宽调制引脚输出的PWM波的占空比变化来控制施加到电动底盘车电机上的电压大小，从而控制电动底盘车电机的转动速度，实现了分段变速控制方式，提高了电动操作的可靠性，延长了电动底盘车的使用寿命。通过基准电压源给第二微控制器提供一个参考电压来区分由电机堵转引起的电流增大和受电磁干扰影响测量错误引起的电流增大两种情形，可防止出现误动作。
Description
技术领域
本发明涉及一种电动底盘车控制装置，具体涉及一种高压开关柜中使用的电动底盘车控制装置。
背景技术
随着变电站智能化升级改造工作的不断推进，中置式开关柜中用于承载真空断路器的电动底盘车应用已越来越广泛，电动底盘车通过与控制装置配合使用，能够实现在现场“无人”的情况下电动完成进车或出车操作。目前大多数电动底盘车都采用永磁直流有刷电机作为驱动电机，这种类型的电机起动扭矩大、体积小，并且可以通过改变施加的电压大小来调节转速，通过改变施加的电压极性来改变转向，控制简单。
常用的电动底盘车控制装置都能够实现对电动底盘车电机的起动和停止控制，但无法调节电动底盘车电机的转速，电动底盘车电机只有停止和全速转动两种工作状态。
常用的电动底盘车控制装置采用霍尔电流传感器把电动底盘车电机的直流电流转换成对应的直流电压，其中的微控制器对电压值进行处理，测量到对应的电流值，并把测量到的电流值与设定的堵转保护电流值进行比较，来判断电动底盘车电机是否正常运行。如果测量到的电机电流值超过设定的堵转保护电流值时，微控制器执行堵转保护程序，控制电动底盘车电机停止运行，从而防止因操作故障损坏电动底盘车。
但是，电动底盘车电机起动时的冲击电流比堵转电流还大，会导致电机堵转保护功能不可靠；电动底盘车全速运行到工作位或试验位后，因惯性作用容易引起相关零件变形；为了方便手动操作，电动操作完成后需要消除传动机构所受应力，电动底盘车电机需要反向转动一定角度，控制装置通过定时来控制电动底盘车电机停止，但由于电动底盘车电机全速转动时速度大，反向转动角度会产生较大误差。
有很多情况会引起电磁干扰严重超标，比如操作人员在电动底盘车控制装置附近违规使用大功率对讲机，会导致辐射干扰超标；或者，在大电流开关柜的主母线带电时进行出车操作，尽管此时断路器处于分闸状态，但由于分布电容的影响，以及开关柜中动静触头的设计和制造工艺等原因，动静触头分离瞬间触头间有时会出现电晕放电，电晕放电过程中不断进行的流注和电子崩会形成高频电场脉冲，形成电磁污染。在强电磁干扰环境下，霍尔电流传感器受电磁干扰影响，测量到的电动底盘车电机电流值与真实的电流值相差很大。电动底盘车控制装置采用此时测量到的电机电流值做判据很有可能造成误判，导致出现误动作。
因此，需要设计一种电动底盘车控制装置，能够对电动底盘车电机进行调速控制，实现电动底盘车电机的软起动和软停止，并在电动操作到位后电动底盘车电机能以低速反向转动释放传动机构中相关零件间的应力，防止相关零件变形，方便手动操作，提高电动操作可靠性，延长电动底盘车使用寿命。同时，在强电磁干扰环境下，电动底盘车控制装置能够准确测量电动底盘车电机的实际电流，并能正确区分由电机堵转引起的电流增大和受电磁干扰影响测量错误引起的电流增大两种情形，防止出现误动作。
发明内容
本发明目的是提供一种能够提高电动操作可靠性，延长电动底盘车使用寿命，并能够正确区分由电机堵转引起的电流增大和受电磁干扰影响测量错误引起的电流增大两种情形，防止出现误动作的电动底盘车控制装置。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种电动底盘车控制装置，包括第一微控制器、第二微控制器、绝缘栅双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管驱动芯片、继电器、采样电阻、电位器、第一光耦、第二光耦、第三光耦、第四光耦、电机接线端子、基准电压源、限流电阻、二极管、电感、电阻、电容，其中，所述第一微控制器是主微控制器；所述第二微控制器用于测量电动底盘车电机电流并发送电流数据和电机堵转保护信号给主微控制器；所述绝缘栅双极型晶体管根据所述第一微控制器的脉宽调制引脚输出的PWM波的占空比变化来控制施加在所述电机接线端子上的电压；所述继电器用于改变电动底盘车电机转向；所述采样电阻用于将电动底盘车电机电流值转换成对应的电压值，供所述第二微控制器处理；所述电位器用于设定电机堵转保护电流值；所述第一光耦用于电气隔离所述第一微控制器和所述绝缘栅双极型晶体管驱动芯片，所述第二光耦、第三光耦、第四光耦用于电气隔离所述第一微控制器和所述第二微控制器，并通过光信号传输对应引脚的电平变化；所述电机接线端子用来接电动底盘车电机的正负电源引线。
优选地，所述第一微控制器和所述第二微控制器之间通过异步串行通信方式传输电动底盘车电机电流数据，所述第二微控制器的一个输出端口用于发出电机堵转保护信号，所述第一微控制器的一个中断输入端口用于接收电机堵转保护信号。
优选地，所述电机接线端子的输出电压可以从0到额定电压范围内连续变化，与所述电机接线端子相连的电动底盘车电机的转速随所施加电压的变化而相应变化。
优选地，所述绝缘栅双极型晶体管关断时，所述继电器的触点才能切换。
优选地，所述第一微控制器和所述第二微控制器使用独立的电源供电，所述第二微控制器电源取自所述绝缘栅双极型晶体管驱动芯片的供电电源并经过进一步的处理。
优选地，所述绝缘栅双极型晶体管驱动芯片的供电电源经过限流电阻、二极管、滤波器、三端稳压器和滤波电容后连接到所述第二微控制器电源端口。
优选地，有一个基准电压源连接到所述第二微控制器的一个模拟量输入端口上，所述第二微控制器通过采集所述模拟量输入端口的电压值来判断供电电源电压变化。
由于运用了上述技术方案，本发明与现有技术相比具有下列优点：
采用本发明的电动底盘车控制装置，能够对电动底盘车电机进行调速控制，实现软起动和软停止，并在电动操作到位后电动底盘车电机能以低速反向转动释放传动机构中相关零件间的应力，防止相关零件变形，方便手动操作，提高了电动操作的可靠性，延长了电动底盘车的使用寿命。同时，在强电磁干扰环境下，电动底盘车控制装置能够准确测量电动底盘车电机的实际电流，并能正确区分由电机堵转引起的电流增大和受电磁干扰影响测量错误引起的电流增大两种情形，防止出现误动作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一中的电动底盘车控制装置中与电机调速和堵转保护有关的电路图；
图2是本发明实施例一中的电动底盘车控制装置中第二微控制器及与电机堵转保护有关的电路图；
图3是本发明实施例一中的电动底盘车控制装置中第二微控制器电源进一步的处理的电路图；
图4是本发明实施例一中的电动底盘车控制装置中第一微控制器及相关端口连接的电路图；
图5是本发明实施例一中的电动底盘车控制装置中与电机堵转保护有关的数据流向图。
附图标记说明：
U12、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)
U9、绝缘栅双极型晶体管驱动芯片
RL1、继电器
R44、采样电阻
VR3、电位器
U5、第一光耦
J1、电机接线端子
U8、第二微控制器
U6、第二光耦
U16、第三光耦
U17、第四光耦
U15、基准电压源
R4、限流电阻
D3、二极管
C11、第一电容
C13、第二电容
L2、第一电感
L3、第二电感
U14、三端稳压器
C12、第一滤波电容
C14、第二滤波电容
U1、第一微控制器
MCU1、与第一微控制器相关的端口图
MCU2、与第二微控制器相关的端口图
Motor、与电机控制相关的端口图
MotorPWM、电机脉宽调制信号连接端口标记
SetCurrent、电机堵转保护设置电流连接端口标记
GetCurrent、电机测量电流连接端口标记
MotorFault、电机堵转保护信号连接端口标记
RXD3、异步串行通信接收端连接端口标记
TXD3、异步串行通信发送端连接端口标记
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
参见图1至图5所示，一种电动底盘车控制装置，包括第一微控制器U1、第二微控制器U8、绝缘栅双极型晶体管U12、绝缘栅双极型晶体管驱动芯片U9、继电器RL1、采样电阻R44、电位器VR3、第一光耦U5、第二光耦U6、第三光耦U16、第四光耦U17、电机接线端子J1、基准电压源U15、限流电阻R4、二极管D3、电感、电阻、电容等。在该实施例中，所述第一微控制器U1是主微控制器；所述第二微控制器U8用于测量电动底盘车电机电流并发送电流数据和电机堵转保护信号给主微控制器U1；所述绝缘栅双极型晶体管U12根据所述第一微控制器U1的脉宽调制引脚P2.6/A14/CCP1输出的PWM波的占空比变化来控制施加在所述电机接线端子J1上的电压；所述继电器RL1用于改变电动底盘车电机M1转向；所述采样电阻R44用于将电动底盘车电机电流值转换成对应的电压值，供所述第二微控制器U8处理；所述电位器VR3用于设定电机堵转保护电流值；所述第一光耦U5用于电气隔离所述第一微控制器U1和所述绝缘栅双极型晶体管驱动芯片U9，所述第二光耦U6、第三光耦U16、第四光耦U17用于电气隔离所述第一微控制器U1和所述第二微控制器U8，并通过光信号传输对应引脚的电平变化；所述电机接线端子J1用来接电动底盘车电机M1的正负电源引线。
所述第一微控制器U1和所述第二微控制器U8之间通过异步串行通信方式通过RXD3和TXD3所标识的端口传输电动底盘车电机电流数据，所述第二微控制器U8的一个输出端口P5.5用于发出电机堵转保护信号，所述第一微控制器U1的一个中断输入端口P3.2/INT0用于接收电机堵转保护信号。
所述电机接线端子J1的输出电压可以从0到额定电压范围内连续变化，与所述电机接线端子J1相连的电动底盘车电机M1的转速随所施加电压的变化而相应变化。
所述绝缘栅双极型晶体管U12关断时，所述继电器RL1的触点才能切换。
所述第一微控制器U1和所述第二微控制器U8使用独立的电源VCC和VCC3V供电。所述第二微控制器U8电源取自所述绝缘栅双极型晶体管驱动芯片的供电电源+15V并经过进一步的处理。
所述绝缘栅双极型晶体管驱动芯片U9的供电电源+15V经过限流电阻R4、二极管D3、由第一电容C11、第二电容C13和第一电感L2、第二电感L3组成的滤波器、三端稳压器U14和第一滤波电容C12、第二滤波电容C14后连接到所述第二微控制器U8的电源端口。
所述有一个基准电压源U15连接到所述第二微控制器U8的一个模拟量输入端口P1.1/ADC1上，所述第二微控制器U8通过采集所述模拟量输入端口P1.1/ADC1的电压值来判断供电电源电压变化。
本发明解决了以下技术问题：
采用本发明的电动底盘车控制装置，能够通过第一微控制器U1的脉宽调制引脚P2.6/A14/CCP1输出的PWM波的占空比变化来控制施加到电动底盘车电机M1上的电压大小，从而控制电动底盘车电机M1的转动速度，实现了分段变速控制方式。
在电动底盘车电机起动时，PWM波的占空比由小变大，实现软起动，保证电动底盘车电机最大电流不出现在起动阶段，使电机堵转保护准确可靠，并可避免冲击电流对电动底盘车电机造成损伤。
在电动操作过程中，电动底盘车电机以较高速度运行。
当电动底盘车运行到需要减速的位置后，PWM波的占空比由大变小，从而实现软停止，以便消除惯性影响，避免了高速运行到位时相关零件受应力过大变形，延长了电动底盘车的使用寿命。
在电动操作到位后，需要电动底盘车电机低速反向转动以释放传动机构中相关零件间的应力，此时PWM波的占空比调整到一个恒定的较低值，电动底盘车电机以低速反向转动，可减少反向转动角度误差，提高了电动操作的可靠性，使控制过程更精确。
先关断绝缘栅双极型晶体管后再切换继电器的触点，可防止燃弧烧坏继电器的触点，并确保继电器的触点切换准确可靠。
在强电磁干扰环境下，电源电压会出现较大幅度的波动。如图3所示，电动底盘车控制装置中的限流电阻R4可减小+15V电源对电容C13的充电电流，防止+15V电源误启动短路保护功能。二极管D4可防止电容C13中的电荷反向流出造成VDD12V处电压骤降，确保第二微控制器U8的供电电源电压平稳。
如图2所示，基准电压源U15给第二微控制器U8提供一个参考电压。由于基准电压源U15中A-R之间的参考电压始终保持恒定，当第二微控制器U8的供电电压VCC3V升高时，第二微控制器U8模拟量输入口P1.1/ADC1引脚测量到的参考电压值会下降，当该值下降到预先设定的下限阈值后，第二微控制器U8会判定VCC3V高于正常值；同样，当第二微控制器U8的供电电压VCC3V降低时，第二微控制器U8模拟量输入口P1.1/ADC1引脚测量到的参考电压值会上升，当该值上升到预先设定的上限阈值后，第二微控制器U8会判定VCC3V低于正常值。
当第二微控制器U8的供电电压VCC3V在正常范围时，第二微控制器U8采用第一种算法处理模拟量输入端口P1.4/ADC4和P1.5/ADC5上的电压值，当供电电压VCC3V高于或低于正常范围时，第二微控制器U8采用第二种算法处理模拟量输入端口P1.4/ADC4和P1.5/ADC5上的电压值。
通过测量参考电压值，电动底盘车控制装置能正确区分由电机堵转引起的电流增大和受电磁干扰影响测量错误引起的电流增大两种情形，可防止出现误动作。
由于该电动底盘车控制装置解决了以上技术问题，使得它有效防止了因操作故障损坏电动底盘车，以及因电磁干扰出现误动作的不良后果，并且提高了控制精度，延长了电动底盘车的使用寿命。
以上对本专利实施例所提供的一种电动底盘车控制装置进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本专利实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本专利的限制，凡依本专利设计思想所做的任何改变都在本专利的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种电动底盘车控制装置，其特征在于：包括第一微控制器、第二微控制器、绝缘栅双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管驱动芯片、继电器、采样电阻、电位器、第一光耦、第二光耦、第三光耦、第四光耦、电机接线端子、基准电压源、限流电阻、二极管、电感、电阻、电容，所述第一微控制器是主微控制器；所述第二微控制器用于测量电动底盘车电机电流并发送电流数据和电机堵转保护信号给主微控制器；所述绝缘栅双极型晶体管根据所述第一微控制器的脉宽调制引脚输出的PWM波的占空比变化来控制施加在所述电机接线端子上的电压；所述继电器用于改变电动底盘车电机转向；所述采样电阻用于将电动底盘车电机电流值转换成对应的电压值，供所述第二微控制器处理；所述电位器用于设定电机堵转保护电流值；所述第一光耦用于电气隔离所述第一微控制器和所述绝缘栅双极型晶体管驱动芯片，所述第二光耦、第三光耦、第四光耦用于电气隔离所述第一微控制器和所述第二微控制器，并通过光信号传输对应引脚的电平变化；所述电机接线端子用来接电动底盘车电机的正负电源引线；所述绝缘栅双极型晶体管驱动芯片的供电电源+15V经过限流电阻、二极管、由第一电容、第二电容和第一电感、第二电感组成的滤波器、三端稳压器和第一滤波电容、第二滤波电容后连接到所述第二微控制器的电源端口。
2.根据权利要求1所述的一种电动底盘车控制装置，其特征在于：所述第一微控制器和所述第二微控制器之间通过异步串行通信方式传输电动底盘车电机电流数据，所述第二微控制器的一个输出端口用于发出电机堵转保护信号，所述第一微控制器的一个中断输入端口用于接收电机堵转保护信号。
3.根据权利要求1所述的一种电动底盘车控制装置，其特征在于：所述电机接线端子的输出电压可以从0到额定电压范围内连续变化，与所述电机接线端子相连的电动底盘车电机的转速随所施加电压的变化而相应变化。
4.根据权利要求1所述的一种电动底盘车控制装置，其特征在于：所述绝缘栅双极型晶体管关断时，所述继电器的触点才能切换。
5.根据权利要求1所述的一种电动底盘车控制装置，其特征在于：所述第一微控制器和所述第二微控制器使用独立的电源供电，所述第二微控制器电源取自所述绝缘栅双极型晶体管驱动芯片的供电电源并经过进一步的处理。
6.根据权利要求5所述的一种电动底盘车控制装置，其特征在于：有一个基准电压源连接到所述第二微控制器的一个模拟量输入端口上，所述第二微控制器通过采集所述模拟量输入端口的电压值来判断供电电源电压变化。
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