CN111025988A - 一种基于多物理场检测的智能马达控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多物理场检测的智能马达控制装置及控制方法，该装置的单片机控制器通过输入输出模块连接至马达，温度检测模块能够实时监测马达的温度，电压采集模块能够采集马达运转过程中的实时电压值，电流采集模块能够采集马达运转过程中的实时电流值，电压采集模块和电流采集模块的输出通过处理电路与单片机控制器电性连接，通讯模块包括连接单片机控制器进行控制信息指令传输的内部通讯模块，还包括能够与上位机进行实时采集数据信息传输的外部通讯模块。本发明通过电量、温度检测电路得到马达的电压、电流、频率、功率有效值和温度值，实现对马达自诊断保护以及对马达启停方式进行遥控，功能完备实用性强，故障预诊断精确度高。

Description

一种基于多物理场检测的智能马达控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及电动机控制技术领域，具体涉及一种基于多物理场检测的智能马达控制装置及控制方法。

背景技术

用电场所一般通过马达将电能转化为机械能，马达工作环境、工作性质各不相同，环境温湿度较高、压力较大或者高速运转导致工作温度过高的场合易导致马达损坏，电压电流不稳定因素、机械振动、冲击碰撞也会影响马达持续工作的稳定性能，特别是对马达控制要求精度较高的场合，易受EMC电磁信号干扰而不能对马达运行系统进行精确控制，易造成设备发生故障，严重时会导致系统停机影响工作效率，甚至会发生人身危害等重大安全事故。

而随着电动机控制技术的信息化、智能化的不断发展，尤其是自动化生产过程中需要完善电动机的控制和保护设备，以实现实时监测、故障诊断以及集中控制等功能；现有的马达控制技术只能对马达运行时的电量参数进行监测，不能从重力场、温度场、电磁场和绝缘性能等多维度地同时对马达运行状况进行实时监测，以及时诊断设备多种故障，马达设备不能持续、稳定、安全、可靠工作，故障发生次数多，设备易损坏造成经济巨大损失，不能满足日益发展的工艺自动化要求。

发明内容

发明目的：为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于多物理场检测的智能马达控制装置及控制方法。

技术方案：本发明所述的基于多物理场检测的智能马达控制装置，包括单片机控制器、输入输出模块、通讯模块、温度检测模块、电压采集模块、电流采集模块、显示模块和处理电路，所述单片机控制器通过输入输出模块连接至马达，所述温度检测模块能够实时监测马达的温度，输出与单片机控制器电性连接，所述电压采集模块能够采集马达运转过程中的实时电压值，所述电流采集模块能够采集马达运转过程中的实时电流值，所述电压采集模块和电流采集模块的输出通过处理电路与所述单片机控制器电性连接，所述通讯模块包括连接单片机控制器进行控制信息指令传输的内部通讯模块，还包括能够与上位机或上级通讯模块进行实时采集数据信息传输的外部通讯模块，所述显示模块将所述单片器控制器处理后马达的相关参数和信息进行显示。

进一步地，包括：

所述电压采集模块包括三组分别采集马达三相电压的三相电压采集电路，所述电压采集电路包括磁珠、分压电阻、采样电阻和电容，所述磁珠、分压电阻以及采样电阻依次串联连接，所述电容并联在所述采样电阻两端，采集采样电阻两端的电压以及参考电压。

进一步地，包括：

所述电流采集模块包括三相电流互感器和三组电流采集电阻，用于分别采集马达的三相电流，所述电流采集电阻连接在所述三相电流互感器的二次侧，电流采集电阻输入的相电流通过所述三相电流互感器的两个线圈构成回路。

进一步地，包括：

所述处理电路包括三相电量计量芯片ADE集成电路，其输入为所述电流采集模块采集的三相电流以及所述电压采集模块采集的三相电压，进而计算相电压、相电流、频率和功率的有效值。

进一步地，包括：

还包括振动监测模块，其设置于马达和轴承上，包括能够采集马达运行过程中实时振动数据的振动加速度采集端和处理端,所述采集端由一单片机作为微控制器完成对测量数据读取以及转发至处理端，并采用MEMS的三轴加速度传感器完成对马达的振动加速度测量；处理端采用一单片机完成振动烈度均方根值计算，通过外部通讯模块转发接入到单片机控制器中。

进一步地，包括：

还包括绝缘监测模块，其设置于马达的输入端与地之间，包括能够实时监测马达设备的绝缘电阻值和对地电容值，通过向马达输入端任意两相相线注入低频交流信号，并与故障等效接地点形成通路回路，通过采集此回路电压信号经运算电路处理后送入单片机控制器，进而得到马达绝缘状态，并将绝缘参数通过外部通讯接入到单片机控制器中。

进一步地，包括：

所述温度检测模块(4)包括温度检测电路和温度输入处理电路，所述温度检测电路包括三极管Q1、三极管Q1基极的旁路偏置电阻Rt1、热敏电阻和二极管D3，采集热敏电阻两端的输出电压PTCin，输入到温度输入处理模电路中，所述温度输入处理电路包括光耦P627、电阻Rt2和下拉电阻Rt3，电阻Rt2接所述光耦p627的输入端，下拉电阻通过所述光耦p627输出后接地，其输出为IN12是隔离后的温度值。

进一步地，包括：

所述输入输出模块包括11路数字量输入接口和8路数字量输出接口，所述11路数字量输入接口都是光耦隔离输入，所述8路数字量输出接口包括晶体管输出3路，继电器输出5路。

一种基于多物理场检测的智能马达控制装置实现的控制方法，包括：

(1)单片机控制器通过输入输出模块连接至马达，显示模块设定故障保护类型的初始保护参数；

(2)电压采集模块和电流采集模块将采集的马达的实时电量值输入给单片机控制器，进而计算出频率、功率有效值，并将电机运行状态的相电压、相电流、功率和频率信息传输到显示模块进行实时显示；

(3)温度检测模块将采集的马达的实时温度值输入给单片机控制器，所述单片机控制模块根据实时温度值对当前马达进行综合分析，一旦温度超出设定的初始保护参数，单片机控制模块就会发出保护指令，进行电机停电保护。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明通过电量、温度检测电路得到马达的电压、电流、频率、功率有效值和温度值，实现对马达自诊断保护以及对马达启停方式进行遥控，功能完备实用性强，故障预诊断精确度高。本发明采用模块化设计硬件结构和软件编程，集成度高可移植性强，具有通用性。采用stm32f407单片机控制器进行数据分析，处理数据速度快，可进行多次谐波分析、故障相位角分析、故障类别辨识等，同时进行外部信息交互；本发明接入振动监测模块和绝缘监测模块的保护参数，实现多物理量智能协同检测故障。

附图说明

图1是本发明所述的基于多物理场检测的智能马达控制装置原理示意图；

图2是本发明所述的电压采集模块的电路示意图；

图3是本发明所述的电流采集模块的电路示意图；

图4是本发明所述的处理电路的示意图；

图5是本发明所述的温度检测电路的示意图；

图6是本发明所述的温度输入处理电路的示意图。

具体实施方式

如图1，本发明所述的一种基于多物理场检测的智能马达控制装置，包括单片机控制器1、输入输出模块2、通讯模块3、温度检测模块4、电压采集模块5、电流采集模块6、显示模块7和处理电路8、电源模块9、振动监测模块10和绝缘监测模块11，所述单片机控制器1通过输入输出模块2连接至马达，并能够经输入输出模块控制马达多种启停方式，马达启停的方式包括直接启动、星三角启动、正反转启动、降压启动、软件启动等多种启动方式，可进行设置；所述电机保护模块有过热、空载、过载、缺相、三相不平衡、欠压、过压、启动限制、振动磨损、绝缘强度等。

单片机控制器1自带专用电量采集DSP芯片，使其输入端连接有电压采集模块和电流采集模块。电压采集模块5能够采集马达运转过程中的实时电压值，电流采集模块6能够采集马达运转过程中的实时电流值，电压采集模块5和电流采集模块6的输出通过处理电路8与所述单片机控制器1电性连接。单片机控制器型号为stm32f407，电源模块为DC18～V36V。

温度检测模块4能够实时监测马达的温度，输出与单片机控制器1电性连接，通讯模块3包括连接单片机控制器1进行控制信息指令传输的内部通讯模块31，还包括能够与上位机或上级通讯模块进行实时采集数据信息传输的外部通讯模块32，显示模块7将所述单片器控制器1处理后马达的相关参数和信息进行显示、初始设定和修改，电源模块9与单片机控制器通讯连接。其为触摸屏显示模块包括单片机控制模块stm32f407和RS485通讯模块，可显示电机运行电量参数和保护参数信息，最多保持最近255条记录。

输入输出模块2包括11路数字量输入接口和8路数字量输出接口，所述11路数字量输入接口都是光耦隔离输入，8路数字量输出接口包括晶体管输出3路，继电器输出5路。

通讯模块3包括CAN总线通讯、RS485通讯、Profibus通讯和Modbus通讯，支持Modbus-RTU和Profibus-dp协议，其中，可用于单片机控制器进行控制信息指令传输、上位机或上级通讯模块进行实时采集数据信息的传输，485通讯总线最长可以达到1200m，主要用于与内部触摸屏的通讯，CAN通讯总线距离达200m并可以通过中继器进行转接提升通讯距离。

单片机控制器经过上述多个采集模块进行采集处理分析，将电机参数值在显示模块进行显示，并可以通过通讯模块上传给上位机，当达到设定的保护参数阈值时进行电机停机保护；显示模块不仅可以实时显示电机各种运行状态参数信息，且可以通过触摸屏模块进行参数初始设定与修改，通讯模块可从外部振动监测模块、绝缘监测模块接入振动阈值参数、绝缘状态参数作为电机的保护参数，并可以一同上传给上位机。

如图2所示，本发明的电压采集模块5包括三组分别采集马达三相电压的三相电压采集电路51，所述电压采集电路51包括磁珠511、分压电阻522、采样电阻R29523和电容524，所述磁珠511、分压电阻522以及采样电阻523依次串联连接，分压电阻包括R21、R22和R23所述电容524并联在所述采样电阻523两端，采集采样电阻523两端的电压以及参考电压。A相电压采样电路中采集相电压的VAP(正)与VAN(负)端电压为电量采集集成电路ADE9000的模拟输入前端，是完全差分电压输入，此电压采样电路中的电容跟采样电阻并联，能滤除谐波干扰信号；同样的，可得到VBP、VBN、VCP、VCN，均作为ADE9000的模拟输入前端。电压采样电路加入磁珠不仅实现有效滤波与信号有效提取功能，避免了EMI电磁信号干扰并提高了检测精度，磁珠的型号为BLM21P221SN。

如图3所示，电流采集模块包括三相电流互感器和三组电流采集电阻，用于分别采集马达的三相电流，电流采集电阻连接在所述三相电流互感器的二次侧，电流采集电阻62输入的相电流通过所述三相电流互感器的两个线圈构成回路。由于正弦波包括正负两部分，正部分的电流采集电阻R11，负部分的电流采集电阻R12，采集电流采集电阻两端的电压后，进而得到相电流IAP和IAN，三相电流互感器的型号为3TA8350-300。

电流采集模块还包括限流电阻R1和R7，用于防止输入的电流过大造成损坏，同样的，其他两相的电流为分别为IBP、IBN、ICP和ICN,其中，IA-、IB-、IC-可共用一个三相电流互感器的线圈，IA+、IB+、IC+共用一个线圈。

此A相电流采样电路中输出的相电流的IAP(正)、IAN(负)、IBP、IBN、ICP和ICN为电量采集集成电路ADE9000的模拟输入，是全差分电压输入，电路中的电容用于滤除干扰信号，采样端在IA(如电流为5A)的电流下输出信号电压有效值为4.99×2×10A/2000＝49.9mV；将三相电压与电流信号送给处理电路所示的三相电量计量芯片ADE9000集成电路，由三相电量计量芯片ADE9000集成电路进行软件算法编程，最终计算出相电压、相电流、频率和功率的有效值。

如图4所示，处理电路8包括三相电量计量芯片ADE9000集成电路，其输入为所述电流采集模块采集的三相电流IAP、IANIBP、IBN、ICP和ICN以及所述电压采集模块采集的三相电压，VAP、VAN、VBP、VBN、VCP、VCN，进而计算相电压、相电流、频率和功率的有效值，该集成电路的输出作为单片机控制器的输入值。

本发明的单片机控制器的上述采集模块和输入输出端子定义集成化，软件程序模块化可进行复制移植，具有通用性。

如图5所述的温度检测模块中，PTC为正温度系数热敏电阻置于PTCA与PTCB端，Rt1是晶体管Q1基极的旁路偏置电阻，与PTC构成串联分压电路，VCC33为基准电压3.3V，D3为二极管，具有单向导电性，防止反向导通击穿，起到保护作用。本发明采用的是PT100，若有过流发生，其温度升高的同时，热敏电阻阻值随之急剧升高，使得分压PTCin会增大，其送入图6所示的温度输入处理电路中带动光耦P627导通，导通后输出为IN12，当IN12值达到设定的阈值后就会立即脱扣进行保护，达到限制电流的作用，避免损坏电路中的元器件。温度检测电路使用PT100/PTC高精度、高灵敏度温度测量模块，大大降低了使用热继成本、减少安装空间及有利于维护保养。

图6中温度输入处理模块电路中的P627是光耦，内部主要由发光二极管与光电三极管构成，主要用于信号电隔离和抗干扰，Rt2是用来使发光二极管发亮后驱动三极管导通的，Rt3是三极管的下拉电阻，输出IN12是隔离后的温度值，该值送到单片机控制器中。光耦4个引脚分别代表：1发光二极管正极，2发光二极管负极，3三极管的集电极，4三极管的发射极。热敏电阻的输出电压PTCin和接地端GND与三极管的电压3.3V_103和接地端3.3VGND_103是不同的电源，实现电气隔离效果。

振动监测模块设置于马达和轴承上，包括能够采集马达运行过程中实时振动数据的振动加速度采集端和处理端，其具体电路结构采集端与数据处理端构成,采集端由stm32f107作为微控制器完成对测量数据读取以及转发至处理端，采用MEMS的三轴加速度传感器ADIS16227主要完成对被测设备的振动加速度测量；处理端采用stm32f407完成振动烈度均方根值计算，通过外部通讯模块转发接入到单片机控制器中。

还包括绝缘监测模块，其设置于马达的输入端与地之间，包括能够实时监测马达设备的绝缘电阻值和对地电容值，通过向马达输入端任意两相相线注入低频交流信号，并与故障等效接地点形成通路回路，通过采集此回路电压信号经运算电路处理后送入单片机控制器进行算法编程，计算出马达绝缘状态包括绝缘电阻值与对地电容值，将绝缘参数通过外部通讯模块接入到单片机控制器中。

本发明通过电量采集模块(包括电流和电压采集)、温度检测模块采集马达的电压、电流、温度实时运行参数，经单片机控制器计算出实时电压、电流、频率、功率有效值，将电机运行状态的这些电量数据信息传输到显示模块进行实时显示；通过外部通讯接口接入振动监测模块的振动加速度有效值作为振动保护参数，接入绝缘监测模块的绝缘电阻和对地电容值作为绝缘保护参数，将这些保护参数通过通讯模块进行传输给上位机，当实时参数超过设定的保护参数时发出保护指令，进行电机停电保护，由单片机控制输入输出模块控制马达的启停，实现对马达的自诊断和多种保护，及时诊断故障类型，排除事故隐患，避免马达设备损坏，采集信息数据精确度高，电路结构和软件程序模块化，采用单片机进行采集数据分析，处理数据速度快，能够进行多次谐波分析、故障相位角分析、故障类别辨识等，同时进行外部信息交互，接入振动监测模块和绝缘监测模块的保护参数，实现多物理量智能协同检测故障，智能马达控制装置体积小，结构紧凑，安装灵活，维护操作方便，运行可靠。

一种基于多物理场检测的智能马达控制装置实现的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过触摸屏显示模块设定故障保护类型的初始保护参数；

单片机控制器自带的DSP控制器根据电压和电流采集模块采集到的相电压、相电流有效值，再计算出频率、功率有效值，将电机运行状态的相电压、相电流、功率和频率等信息传输到显示模块进行实时显示；

设定的保护参数除了电量数据的保护参数，还有振动冲击参数和绝缘状况参数，通过外部通讯接口接入振动监测模块的振动加速度有效值作为振动保护参数，接入绝缘监测模块的绝缘电阻和对地电容值作为绝缘保护参数，将这些保护参数通过RS485通讯模块进行传输给上位机，当实时参数超过设定的保护参数时发出保护指令，进行电机停电保护，由单片机控制器通知输入输出模块控制马达的启停；

单片机控制模块还根据温度检测模块采集的实时温度值对当前电机进行综合分析，一旦温度超出设定的初始保护参数，单片机控制模块就会发出保护指令，进行电机停电保护；

单片机控制器通过通讯模块与外界交换数据，从外部接收振动监测模块和绝缘检测模块的保护参数，并一同将这些数据上传给上位机，与内部显示触摸屏显示模块互传数据，通过设定显示单元的保护参数实现电机的控制与保护，从而实现信息交互和控制保护一体化；

单片机控制模块还对电量采集模块采集到的数据进行多次谐波分析、故障类别辨识运算。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于多物理场检测的智能马达控制装置，其特征在于，包括单片机控制器、输入输出模块、通讯模块、温度检测模块、电压采集模块、电流采集模块、显示模块和处理电路，所述单片机控制器通过输入输出模块连接至马达，所述温度检测模块能够实时监测马达的温度，输出与单片机控制器电性连接，所述电压采集模块能够采集马达运转过程中的实时电压值，所述电流采集模块能够采集马达运转过程中的实时电流值，所述电压采集模块和电流采集模块的输出通过处理电路与所述单片机控制器电性连接，所述通讯模块包括连接单片机控制器进行控制信息指令传输的内部通讯模块，还包括能够与上位机或上级通讯模块进行实时采集数据信息传输的外部通讯模块，所述显示模块将所述单片器控制器处理后马达的相关参数和信息进行显示。

2.根据权利要求1所述的基于多物理场检测的智能马达控制装置，其特征在于，所述电压采集模块包括三组分别采集马达三相电压的三相电压采集电路，所述电压采集电路包括磁珠、分压电阻、采样电阻和电容，所述磁珠、分压电阻以及采样电阻依次串联连接，所述电容并联在所述采样电阻两端，采集采样电阻两端的电压以及参考电压。

3.根据权利要求1所述的基于多物理场检测的智能马达控制装置，其特征在于，所述电流采集模块包括三相电流互感器和三组电流采集电阻，用于分别采集马达的三相电流，所述电流采集电阻连接在所述三相电流互感器的二次侧，电流采集电阻输入的相电流通过所述三相电流互感器的两个线圈构成回路。

4.根据权利要求1所述的基于多物理场检测的智能马达控制装置，其特征在于，所述处理电路包括三相电量计量芯片ADE9000集成电路，其输入为所述电流采集模块采集的三相电流以及所述电压采集模块采集的三相电压，进而计算相电压、相电流、频率和功率的有效值。

5.根据权利要求1所述的基于多物理场检测的智能马达控制装置，其特征在于，所述温度检测模块包括温度检测电路和温度输入处理电路，所述温度检测电路包括三极管Q1、三极管Q1基极的旁路偏置电阻Rt1、热敏电阻和二极管D3，采集热敏电阻两端的输出电压PTCin，输入到温度输入处理模电路中，所述温度输入处理电路包括光耦P627、电阻Rt2和下拉电阻Rt3，电阻Rt2接所述光耦p627的输入端，下拉电阻通过所述光耦p627输出后接地，其输出为IN12是隔离后的温度值，将该值输出到单片机控制中。

6.根据权利要求1所述的基于多物理场检测的智能马达控制装置，其特征在于，所述输入输出模块包括11路数字量输入接口和8路数字量输出接口，所述11路数字量输入接口都是光耦隔离输入，所述8路数字量输出接口包括晶体管输出3路，继电器输出5路。

7.根据权利要求1所述的基于多物理场检测的智能马达控制装置，其特征在于，还包括振动监测模块，其设置于马达和轴承上，包括能够采集马达运行过程中实时振动数据的振动加速度采集端和处理端,所述采集端由一单片机作为微控制器完成对测量数据读取以及转发至处理端，并采用MEMS的三轴加速度传感器完成对马达的振动加速度测量；处理端采用一单片机完成振动烈度均方根值计算，通过外部通讯模块转发接入到单片机控制器中。

8.根据权利要求1所述的基于多物理场检测的智能马达控制装置，其特征在于，还包括绝缘监测模块，其设置于马达的输入端与地之间，包括能够实时监测马达设备的绝缘电阻值和对地电容值，通过向马达输入端任意两相相线注入低频交流信号，并与故障等效接地点形成通路回路，通过采集此回路电压信号经运算电路处理后送入单片机控制器，进而得到马达绝缘状态，并将绝缘参数通过外部通讯接入到单片机控制器中。

9.一种根据权利要求1-8任一项所述的基于多物理场检测的智能马达控制装置实现的控制方法，其特征在于，包括：

(1)单片机控制器通过输入输出模块连接至马达，显示模块设定故障保护类型的初始保护参数；

(2)电压采集模块和电流采集模块将采集的马达的实时电量值输入给单片机控制器，进而计算出频率、功率有效值，并将电机运行状态的相电压、相电流、功率和频率信息传输到显示模块进行实时显示；

(3)温度检测模块将采集的马达的实时温度值输入给单片机控制器，所述单片机控制模块根据实时温度值对当前马达进行综合分析，一旦温度超出设定的初始保护参数，单片机控制模块就会发出保护指令，进行电机停电保护。

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