CN116827206A - 一种大功率电动力控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大功率电动力控制系统，控制系统包括微处理器单元、数据采样单元、人机信息交互单元、信号缓冲驱动单元、隔离驱动单元、多路驱动执行器单元；微处理器单元，用于检测外部环境并为各单元运行提供支持；数据采样单元，用于采样液压油缸的物理参量信息和电网的电参量信息，并发送至微处理器单元；人机信息交互单元，用于显示与发送所述微处理单元获取的电网的电参量信息、液压油缸的物理参量信息，并用于遥控起停所述控制系统；信号缓冲驱动单元，用于降低微处理器单元输出多路信号电流的负担，使其具备可驱动隔离驱动单元的能力；本发明为大功率三相电机控制系统微电子化、智能化、物联网化提出了有效的解决方法。
Description
技术领域
本发明涉及动力控制技术领域，尤其涉及一种大功率电动力控制系统。
背景技术
为控制三相异步电机正常运停，需要一种电力控制柜对动力电机实行控制。长期以来传统的方法是采用各类容量的机电式继电器组合实现对三相异步电机的控制，尤其在需要电机输出功率较大的场合，为降低电机启动时产生的巨大浪涌电流，需要采用数个大容量继电器构建启动模式间的转换，即星-三角转换。因此控制设备体积尤其庞大。大多数当前使用的大功率动力控制系统存在着以下不足及隐患：
1.各类机电式继电器需要功率驱动，并且大容量的继电器需要中小容量的继电器逐级驱动，因此耗能较高；
2.体积庞大，控制大功率三相电机的运用场合均需要配置各类容量的机电式继电器组合完成控制任务；
3.机电式继电器经常发生触点吸合、释放失败的现象，引起重大拖动负荷运行逻辑失误；
4.大功率运用场合，因机电式继电器频繁大电流切换导致触点氧化，使用寿命较短；
5.机电式继电器在大容量、大电流切换应用中易产生火花和电弧，无法适用在易燃易爆的作业场合，并对操作人员产生人身危害。
6.传统的动力控制系统无法适应物联网信息化时代的要求；
基于上述情况，本申请提出一种大功率电动力控制系统。
发明内容
为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种大功率电动力控制系统。
本发明提出的一种大功率电动力控制系统，所述控制系统包括微处理器单元、数据采样单元、人机信息交互单元、信号缓冲驱动单元、隔离驱动单元、多路驱动执行器单元；
微处理器单元，用于检测外部环境并为各单元运行提供支持；
数据采样单元，用于采样液压油缸的物理参量信息和电网的电参量信息，并发送至微处理器单元；
人机信息交互单元，用于显示与发送所述微处理单元获取的电网的电参量信息、液压油缸的物理参量信息，并用于遥控起停所述控制系统；
信号缓冲驱动单元，用于降低微处理器单元输出多路信号电流的负担，使其具备可驱动隔离驱动单元的能力；
隔离驱动单元，用于隔离信号缓冲驱动单元输出的多路信号，并将所述多路信号送至多路驱动执行器单元；
多路驱动执行器单元，用于将所述隔离驱动单元送来的多路信号处理成多路功率驱动信号，并通过所述多路功率驱动信号控制液压站各电磁阀的开闭；
供电单元，用于为各所述单元工作提供电能支持。
优选的，所述检测外部环境包括：所述微处理器单元通过温湿度集成模块检测外部环境；当外部环境偏离预定阈值，所述微处理器单元禁止所述控制系统启动，所述温度集成模块的型号为：HDC1080；
所述为各单元运行提供支持包括：所述微处理器单元通过单片机为各单元提供完成整个控制系统任务功能需要的控制、运算、通信、数据采集、人机对话，所述单片机型号为：STM32F429。
优选的，所述物理参量信息至少包括：测量所述液压油缸的油压、液位、油温；所述电参量信息至少包括油压、液位、油温、液压油滤清器状态信息。
优选的，所述显示与发送电网的电参量信息、液压油缸的物理参量信息包括：
所述人机信息交互单元通过RS485通信获取所述物理参量信息和电参量信息，并通过液晶触摸屏显示；
所述人机交互单元通过蓝牙短程无线通信模块向终端发送物理参量信息和电参量信息；
所述用于遥控起停所述控制系统包括：
所述人机交互单元通过ZIGBEE短程无线通信模块遥控所述控制系统的起停操作。
优选的，所述降低微处理器单元输出多路信号电流的负担，使其具备可驱动隔离驱动单元的能力包括：所述信号缓冲驱动单元通过数字缓冲芯片与微处理器单元和驱动隔离驱动单元连接，所述数字缓冲芯片的型号为：74LVC07A。
优选的，所述信号缓冲驱动单元输出的多路信号包括；所述隔离驱动单元通过光耦隔离驱动芯片隔离信号缓冲驱动单元输出的电信号，所述光耦隔离驱动芯片型号为：TLV8475，所述光耦隔离驱动芯片路数与所述数字缓冲芯片路数对应。
优选的，所述将所述隔离驱动单元送来的多路信号处理成多路功率驱动信号，并通过所述多路功率驱动信号控制液压站各电磁阀的开闭包括：所述的多路驱动执行器单元通过N沟道功率场效应晶体管组成驱动执行器，并通过控制所述N沟道功率场效应晶体管源极与漏极的通断来控制液压站各电磁阀的开闭；所述N沟道功率场效应晶体管型号为：IRFR1205；
所述驱动执行器的路数与所述光耦隔离驱动芯片路数相同。
优选的，所述控制系统还包括辅助功能单元，所述辅助功能单元包括受控于所述微处理器单元的隔离驱动光报警电路、散热器控制电路、加热器控制电路；
所述隔离驱动光报警电路用于声光报警；
所述散热器控制电路用于控制外部风扇工作状态；
所述加热器控制电路用于控制外部加热棒工作状态。
本发明，所提出的一种大功率电动力控制系统，具有以下有益效果：
1.因全部实现了大电流切换的无触点控制，使用寿命大幅提高；
2.彻底避免了机电式接触器的“锁死”以及大电流切换引起的“拉弧”现象，系统运行安全大幅提高；
3.大幅减小了系统体积和重量；
4.多模式人机交互设计，大幅提升了人机间的友好交互；
5.大幅减低了系统自身能耗；
6.完善的对多电网的电参量信息、液压油缸的物理参量信息的监控，比之采用传统PLC控制之集中采样、集中运算、集中反馈控制的运行方式具有无可比拟的实时性优势，大大增强的近程、远程功能，使得用户对系统的运行状态一目了然。
附图说明
图1为本发明提出的一种大功率电动力控制系统的控制器件部分电路图；
图2为本发明提出的一种大功率电动力控制系统的执行器件部分电路图。
具体实施方式
参照图1-2，本实施例提供一种大功率电动力控制系统，通过前端电路控制晶闸管的导通以导通外部高电压信号。
为达到上述技术效果，本实施例中的技术方案如下：
本发明一种大功率电动力控制系统，控制系统包括微处理器单元、数据采样单元、人机信息交互单元、信号缓冲驱动单元、隔离驱动单元、多路驱动执行器单元；
微处理器单元，用于检测外部环境并为各单元运行提供支持；
数据采样单元，用于采样液压油缸的物理参量信息和电网的电参量信息，并发送至微处理器单元；
人机信息交互单元，用于显示与发送微处理单元获取的电网的电参量信息、液压油缸的物理参量信息，并用于遥控起停控制系统；
信号缓冲驱动单元，用于降低微处理器单元输出多路信号电流的负担，使其具备可驱动隔离驱动单元的能力；
隔离驱动单元，用于隔离信号缓冲驱动单元输出的多路信号，并将多路信号送至多路驱动执行器单元；
多路驱动执行器单元，用于将隔离驱动单元送来的多路信号处理成多路功率驱动信号，并通过多路功率驱动信号控制液压站各电磁阀的开闭；
供电单元，用于为各单元工作提供电能支持。
检测外部环境包括：微处理器单元通过温湿度集成模块检测外部环境；当外部环境偏离预定阈值，微处理器单元禁止控制系统启动，温度集成模块的型号为：HDC1080；
为各单元运行提供支持包括：微处理器单元通过单片机为各单元提供完成整个控制系统任务功能需要的控制、运算、通信、数据采集、人机对话，单片机型号为：STM32F429。
物理参量信息至少包括：测量液压油缸的油压、液位、油温；电参量信息至少包括油压、液位、油温、液压油滤清器状态信息。
显示与发送电网的电参量信息、液压油缸的物理参量信息包括：
人机信息交互单元通过RS485通信获取物理参量信息和电参量信息，并通过液晶触摸屏显示；
人机交互单元通过蓝牙短程无线通信模块向终端发送物理参量信息和电参量信息；
用于遥控起停控制系统包括：
人机交互单元通过ZIGBEE短程无线通信模块遥控控制系统的起停操作。
降低微处理器单元输出多路信号电流的负担，使其具备可驱动隔离驱动单元的能力包括：信号缓冲驱动单元通过数字缓冲芯片与微处理器单元和驱动隔离驱动单元连接，数字缓冲芯片的型号为：74LVC07A。
信号缓冲驱动单元输出的多路信号包括；隔离驱动单元通过光耦隔离驱动芯片隔离信号缓冲驱动单元输出的电信号，光耦隔离驱动芯片型号为：TLV8475，光耦隔离驱动芯片路数与数字缓冲芯片路数对应。
将隔离驱动单元送来的多路信号处理成多路功率驱动信号，并通过多路功率驱动信号控制液压站各电磁阀的开闭包括：多路驱动执行器单元通过N沟道功率场效应晶体管组成驱动执行器，并通过控制N沟道功率场效应晶体管源极与漏极的通断来控制液压站各电磁阀的开闭；N沟道功率场效应晶体管型号为：IRFR1205；
驱动执行器的路数与光耦隔离驱动芯片路数相同。
控制系统还包括辅助功能单元，辅助功能单元包括受控于微处理器单元的隔离驱动光报警电路、散热器控制电路、加热器控制电路；
隔离驱动光报警电路用于声光报警；
散热器控制电路用于控制外部风扇工作状态；
加热器控制电路用于控制外部加热棒工作状态；
具体的，本发明实施如下：
本发明的控制系统上电后，微处理器单元微处理器IC4_STM32F429开始自行实施初始化，然后进入自检流程。自检流程主要检验电网输入、液压站油压、油温、液位、液压油滤清状态正常与否；只有初始化及自检正常后，微处理器单元微处理器IC4_STM32F429进入查询操作指令进程。当接收到ZIGBEE短程无线通信模块IC15_DL-43P遥控或控制柜面板的手动启动指令时，系统对软启动器发出启动指令，55千瓦三相电机开始运行，液压站油缸压力开始提升，该过程需3分钟时间，随后微处理器单元中微处理器IC4_STM32F429处在不断查询操作指令阶段，b包括指令顶升、下降、急停、结束运行，一旦接收到相关操作指令即刻实施该指令。
本发明设置了手动和遥控发送操作指令方式，使用“从”ZIGBEE短程无线通信模块IC15_DL-43P实现短程无线遥控信号发送，经“主”ZIGBEE短程无线通信模块IC15_DL-43P接收“从”机信号并经解码后与微处理器单元的微处理器IC4_STM32F429连接，从而产生相应的操作；手动控制是通过控制柜面板上的相关按键完成操作功能控制的。顶升和下降操作是通过对液压站电磁阀换向控制油路实现的：假如系统收到了顶升操作，则依据液压站配置的电磁阀的控制逻辑表由微处理器单元微处理器IC4_STM32F429根据相应的电磁阀控制逻辑表发出相应的控制信号，该控制信号被光耦隔离驱动后启动相关的隔离场效应晶体管带动相关电磁阀动作来实现的相应的顶升操作的。
本发明提供16路24伏、3安培负载能力的执行驱动接口，足以满足需要驱动控制各种控制逻辑的执行器件的场合。
需要指出的是本发明中的“急停”和“结束运行”是二个截然不同的控制进程，它们分别执行不同的操作流程。
本发明中的“急停”定义为系统执行某操作时发生或发现异常时的操作进程。当微处理器单元微处理器IC4_STM32F429收到“急停”信号时，该信号被赋予了最高中断优先级。比如在执行“顶升”操作时发生“急停”中断信号，微处理器单元将执行下述操作：
1.封锁控制液压站输出油压的电磁阀，使得油路途径上的油压被锁定，
2.堆栈记录当前的系统状态信息，
3.最终关闭三相电机；此时，其他操作指令均被屏蔽，直到异常被排除，并且微处理器单元的微处理器IC4_STM32F429收到解除“急停”中断进程的指令。微处理器单元微处理器IC4_STM32F429引脚25的“MRST”信号。仅当开关K5被按下，微处理器侦测到该引脚上的“高电平”时，“急停”中断进程被终止；
4.当“急停”中断进程被终止后，系统并不立即执行“急停”中断进程前的操作，系统将启动三相电机，并重新自检液压站的输出油压等物理量，自检正常后才开始执行“急停”中断进程前的操作_因电机停机，液压站输出压力会下降。
本发明的“结束运行”进程定义为本次顶升或其他操作完成，系统将“收工”的操作进程。此时将执行下述操作：
1.停止电机运行；
2.释放各电磁阀；
3.散热风扇继续执行延时3分钟运行；
4.切断电源，该进程通过电路网络标号为“END”对应控制柜上的“END”按键与微处理器单元微处理器IC4_STM32F429引脚79实现的。
本发明关于16路执行启动器的信号处理流程为：假如需要操作网络标号为2KZ1上接入的电磁阀，微处理器单元微处理器IC4_STM32F429引脚38发出KZ11高电平信号，该信号被数字缓冲芯片IC5_74LVC07接收后，从该芯片引脚2输出高电平KZ1信号，并被输送到插座CZ5的引脚1，该高电平信号KZ1经插座CZ5被过度到执行启动线路板的插座2CZ1的1引脚；
为防止信号彻底过程中叠加了悬浮空间电场噪声，KZ1信号被馈送至光耦芯片2IC2_TLV8475输入引脚1，经光耦隔离后从15引脚输出“OUT1”高电平信号，该“OUT1”高电平信号作为功率场效应晶体管2BG1_IRFR1205的输入，开通该功率场效应晶体管2BG1_IRFR1205，从而接通了与插座2KZ1连接的电磁阀。
为系统安全运行及减少大电流交换环节，本发明采用在线型电子软起动器实现55KW三相电机的平稳启动，有效地避开了启动瞬间的浪涌电流冲击。本发明采用降额使用设计原则，选用了75KW在线型软起动器。
本发明的数据采样单元对于液压油缸内的油压、油温、液位物理量均采用了RS485输出、MODBUS数据输出类型的传感器。因微处理器单元微处理器IC4_STM32F429的串口资源有限，故对上述三种传感器采用总线方式与微处理器单元微处理器IC4_STM32F429实现信息交互，程序流程采用点名查询方式。液压油滤清传感器因为24伏开关量输出，所以通过降压后直接与微处理器单元微处理器IC4_STM32F429的77引脚I/O端口驳接，信号网络标号为“VRT”。具体技术处理如下陈述：2个液压油滤清传感器输出的24伏开关量信号被插座CZ15过度后，并分别被电阻R16及稳压二极管W1，电阻R17及稳压二极管W2降压后馈送至数字或门芯片IC16_74LVC1G32,因此任何一个液压油滤清传感器发生堵塞时，数字或门芯片IC16_74LVC1G32的引脚4输出高电平信号，微处理器单元微处理器IC4_STM32F429将判断为滤清器“不正常”。
本发明的人机信息交互单元定期向远程广域网、手机APP发送系统运行状态信息包括供电参量信息、传感器采样信息、当前运行操作信息。本发明还定期通过微处理器单元微处理器IC4_STM32F429的串口与液晶触摸屏DISP1发生数据交互，通过I2C接口过度到插座CZ13和OLED屏发生数据交互，并为二种显示器件定期提供重要运行参数显示。液晶触摸屏还编写了屏上键盘，为用户提供满足不同运行参数设置功能_包括对软起动器的运行参量设置。
本发明的FLASH存储芯片IC11_M25P128是为系统日志信息翻阅、现场可编程功能设置的。FLASH存储芯片IC11_M25P128部分存储容量用以记录系统运行日志，部分容量用以实现现场可编程功能。当用户需要修改当前运行模式或调整其他外设需要修改程序代码时，可以通过远程网络异地修改、编译程序代码。通过远程网络下载新的系统运行程序时，本发明的微处理器单元微处理器IC4_STM32F429首先执行将当前程序代码存入FLASH存储芯片IC11_M25P128的指定地址之操作，然后下载远程网络的新的程序代码，并运行新的程序代码。本发明的远程通信是通过RS485芯片IC12_HTVD1406对接后台上位机实现的。
本发明通过微处理器单元微处理器IC4_STM32F429的引脚81、82、84、85、86、87，控制柜面板按键K3-1_STOP急停、K3-2_DOWN下降、K3-3_UP顶升，主ZIGBEE_IC15 DL-43P输出信号ZIG DOWN_下降、ZIG UP_顶升、ZIG STOP_急停分别引起优先级不同的相应中断实现手动或遥控的操作的。其中：手动按键K3-1_STOP急停和ZIG STOP_急停均为同等最高优先级。
本发明还配置了控制柜散热风扇FAN1，由微处理器单元微处理器IC4_STM32F429的引脚95控制固态继电器SSR1_GTJ3-8A的通断从而控制机柜散热风扇的运/停。本发明为系统维修之便设置了照明，由安装在机柜内的开关K4控制。本发明为微处理器单元微处理器IC4_STM32F429的后备供电引脚6设置了超级电容(C27)储能，供电缺失时由超级电容_C27为微处理器IC4_STM32F429供电，仅可维持微处理器IC4_STM32F429正常工作48小时。
三相动力电机及其拖动设备的智能化控制具有广泛的应用，需要指出的是本发明适用的范围不仅仅专用于55KW液压站。本发明采样模块化设计，理论上本发明功率控制范围取决于当前软启动器的输出功率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种大功率电动力控制系统，其特征在于，所述控制系统包括微处理器单元、数据采样单元、人机信息交互单元、信号缓冲驱动单元、隔离驱动单元、多路驱动执行器单元；
微处理器单元，用于检测外部环境并为各单元运行提供支持；
数据采样单元，用于采样液压油缸的物理参量信息和电网的电参量信息，并发送至微处理器单元；
人机信息交互单元，用于显示与发送所述微处理单元获取的电网的电参量信息、液压油缸的物理参量信息，并用于遥控起停所述控制系统；
信号缓冲驱动单元，用于降低微处理器单元输出多路信号电流的负担，使其具备可驱动隔离驱动单元的能力；
隔离驱动单元，用于隔离信号缓冲驱动单元输出的多路信号，并将所述多路信号送至多路驱动执行器单元；
多路驱动执行器单元，用于将所述隔离驱动单元送来的多路信号处理成多路功率驱动信号，并通过所述多路功率驱动信号控制液压站各电磁阀的开闭；
供电单元，用于为各所述单元工作提供电能支持。
2.根据权利要求1的一种大功率电动力控制系统，其特征在于，所述检测外部环境包括：所述微处理器单元通过温湿度集成模块检测外部环境；当外部环境偏离预定阈值，所述微处理器单元禁止所述控制系统启动，所述温度集成模块的型号为：HDC1080；
所述微处理器单元为各单元运行提供支持包括：所述微处理器单元通过单片机为各单元提供完成整个控制系统任务功能需要的控制、运算、通信、数据采集、人机对话，所述单片机型号为：STM32F429。
3.根据权利要求1的一种大功率电动力控制系统，其特征在于，所述物理参量信息至少包括：测量所述液压油缸的油压、液位、油温；所述电参量信息至少包括油压、液位、油温、液压油滤清器状态信息。
4.根据权利要求1的一种大功率电动力控制系统，其特征在于，所述显示与发送电网的电参量信息、液压油缸的物理参量信息包括：
所述人机信息交互单元通过RS485通信获取所述物理参量信息和电参量信息，并通过液晶触摸屏显示；
所述人机交互单元通过蓝牙短程无线通信模块向终端发送物理参量信息和电参量信息；
所述用于遥控起停所述控制系统包括：
所述人机交互单元通过ZIGBEE短程无线通信模块遥控所述控制系统的起停操作。
5.根据权利要求1的一种大功率电动力控制系统，其特征在于，所述降低微处理器单元输出多路信号电流的负担，使其具备可驱动隔离驱动单元的能力包括：所述信号缓冲驱动单元通过数字缓冲芯片与微处理器单元和驱动隔离驱动单元连接，所述数字缓冲芯片的型号为：74LVC07A。
6.根据权利要求1的一种大功率电动力控制系统，其特征在于，所述信号缓冲驱动单元输出的多路信号包括；所述隔离驱动单元通过光耦隔离驱动芯片隔离信号缓冲驱动单元输出的电信号，所述光耦隔离驱动芯片型号为：TLV8475，所述光耦隔离驱动芯片路数与所述数字缓冲芯片路数对应。
7.根据权利要求1的一种大功率电动力控制系统，其特征在于，所述将所述隔离驱动单元送来的多路信号处理成多路功率驱动信号，并通过所述多路功率驱动信号控制液压站各电磁阀的开闭包括：所述的多路驱动执行器单元通过N沟道功率场效应晶体管组成驱动执行器，并通过控制所述N沟道功率场效应晶体管源极与漏极的通断来控制液压站各电磁阀的开闭；所述N沟道功率场效应晶体管型号为：IRFR1205；
所述驱动执行器的路数与所述光耦隔离驱动芯片路数相同。
8.根据权利要求1的一种大功率电动力控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括辅助功能单元，所述辅助功能单元包括受控于所述微处理器单元的隔离驱动光报警电路、散热器控制电路、加热器控制电路；
所述隔离驱动光报警电路用于声光报警；
所述散热器控制电路用于控制外部风扇工作状态；
所述加热器控制电路用于控制外部加热棒工作状态。
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2023
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