CN201490962U - 用于交流电机可控硅功率控制的信号采样装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于交流电机可控硅功率控制的信号采样装置，它包括：一取样元件，串接在交流电机驱动回路中，用于采样得到与交流电机工作电流对应的交流电压信号；一比较器，用于将上述采样得到的交流电压信号同一固定电压信号进行比较而得到与该交流电压信号大小相对应的脉宽信号；一单片机，用于捕捉上述脉宽信号，并通过内部计算处理获得与该脉宽信号长短对应的数值加以存储。本实用新型所述的这种信号采样装置无需传统的整流、滤波及A/D转换元件，可以有效的提高信号采样处理速度，并极大的节约电路成本。

Description

用于交流电机可控硅功率控制的信号采样装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于交流电机可控硅功率控制的信号采样装置。

背景技术

现有交流电机(包括串激电机)可控硅功率控制电路都是采用单片机根据其采样信号来调整可控硅的导通角大小，从而达到控制电机输出功率大小的目的；在导通角、供电电压和频率不变的情况下，电机输出功率随负载的大小而变化，最终反映的是电机电流的大小变化。

目前如上述交流电机可控硅功率控制电路中的单片机进行信号采样时，通常在交流电机的驱动回路中串一个低阻电阻或一个互感器作为取样电机电流大小变化的元件，该取样元件的一端依次经整流电路、滤波电路和A/D转换器接入单片机输入端(当然也有将A/D转换器直接集成至单片机芯片中)。取样电流通过整流、滤波变成与电机电流的大小变化相对应的平均电压，再经A/D转换变成单片机可处理的数据信号，经单片机计算处理后去控制可控硅导通角的大小，最终让电机输出功率按预定的要求变化。

一个实例——日本三菱公司的扫除机TC-YS3J(吸尘器)的可控硅功率控制电路，见图1，该电路中采用互感器R作为电流取样元件并串接在电机M的交流驱动回路中，互感器R的次级端依次经桥式整流电路D，电容C1和电阻R1、R2组成的滤波电路，最后经放大器Ub接入单片机U上的A/D转换接口中(A/D转换器集成在该单片机U的芯片中)；而该单片机U的一个I/O口则通过一光耦芯片U1连接可控硅TR控制极，可控硅TR的两个主电极则串接在交流电机M的交流驱动回路中。单片机U由一直流稳压电路供电(图1中未示出)。

如图2所示，吸尘器工作后，互感器R次级感应得到的交流电压信号波形如A所示，经桥式整流电路D整流后得到电压信号波形如B所示，经滤波电路滤波后得到电压信号波形如C所示，波形C所表征的电压信号也即同交流电机的电流大小变化相对应的平均电压。其采样控制的过程如下：当吸尘器内部的灰尘有一定量时，吸尘器的吸入功率会下降，即电机负载变重，电机电流变小，此时取样得到交流电压信号波形A、B、C也变小，经A/D转换，通过单片机内部计算比较后驱动可控硅导通角变大，从而增强电机输出功率，使吸尘器的吸入功率不会因内部的灰尘积累下降，通常称这种过程为功率补偿。

由于现有交流电机可控硅功率控制电路中的单片机在采集信号时必须将电流通过整流、滤波变成与电机电流大小变化相对应的平均电压，再经A/D转换变成单片机可处理的数据信号，不仅处理过程繁琐、时间长，而且各种实现整流、滤波及A/D转换功能的电路元器件的引入使得电路制造成本较高，尤其是其中的模数转换器价格比较昂贵，对于精度要求比较高的模数转换器来说更为明显，有时甚至大于单片机本身的价格。

发明内容

本实用新型目的是：提供一种用于交流电机可控硅功率控制的信号采样装置，这种信号采样装置无需传统的整流、滤波及A/D转换元件，可以有效的提高信号采样处理速度，并极大的节约电路成本。

本实用新型的技术方案是：一种用于交流电机可控硅功率控制的信号采样装置，它包括：

一取样元件，串接在交流电机驱动回路中，用于采样得到与交流电机工作电流对应的交流电压信号；

一比较器，用于将上述采样得到的交流电压信号同一固定电压信号进行比较而得到与该交流电压信号大小相对应的脉宽信号；

一单片机，用于捕捉上述脉宽信号，并通过内部计算处理获得与该脉宽信号长短对应的数值加以存储。

本实用新型中所述比较器可以独立于单片机之外，当然也可以由单片机自带。单片机内置比较器的技术为目前成熟的技术，对此本实用新型不再多作解释。

本实用新型中所述单片机采用目前常规的单片机，这种单片机内部通常都包括计数单元、捕捉单元、存储单元、计算单元，这些单元都是目前成熟的技术，对此本实用新型不再多作解释。

本实用新型中所述固定电压信号可由单片机内部产生，当然也可以取自供单片机工作的电源电压。

本实用新型中所述取样元件可以是低阻电阻，或者互感器，或者变压器，作为现有技术，它们具体的采样工作原理本实用新型中不再详述。

本实用新型中所述交流电机也包括串激电机。

本实用新型进行采样的具体过程如下：

1)通过取样元件从交流电机驱动回路中采样得到与其工作电流对应的交流电压信号；

2)将采样得到的交流电压信号输入比较器与固定电压信号进行比较，并确保在交流电压信号的一个周期内，比较器输出的电平信号发生两次跳变；

3)将比较器输出的电平信号输入单片机内，并设定在交流电压信号的任一周期内，单片机内部的计数单元从不迟于电平信号发生第一次跳变的某一时刻开始计数，然后在不早于该电平信号发生第二次跳变的某一时刻结束计数；

4)由单片机内部的捕捉单元捕捉所述电平信号在同一周期内发生两次跳变的时刻所分别对应的计数值，并交由单片机内部的计算单元计算出这两个计数值之间的差值；

5)将计算得到的差值送至单片机内部的存储单元存放起来。

上述采样过程的步骤3)中，在交流电压信号的任一周期内，所述单片机内部的计数单元优选从电平信号发生第一次跳变的时刻开始计数，然后优选在该电平信号发生第二次跳变的时刻结束计数。并且在这种优选的计数方案下，由于计数单元记录的与电平信号发生第一次跳变的时刻所对应的计数值为零，故电平信号发生前后两次跳变的时刻所对应的计数值之间的差值实际上就是电平信号发生第二次跳变的时刻所对应的计数值；为了进一步简化单片机内部处理过程，加快信号采样速度，本实用新型中优选将捕捉单元捕捉到的电平信号发生第二次跳变的时刻所对应的计数值直接送至单片机内部的存储单元存放起来，而不再经过计算单元进行差值计算处理。

本实用新型实际上是将采样得到的交流电压信号通过比较器转变成了与其大小相对应的长、短脉宽信号，该脉宽信号由单片机获取后经由其内部计数单元的累计处理转变成为与脉宽长短相对应的数值，显然该数值的大小可表征交流电机的工作电流大小。

运用本实用新型的交流电机可控硅功率控制电路在进行功率补偿时，我们只需预先在单片机内的存储单元中存储一基准数值(该基准数值用来表征交流电机正常工作时的电流大小)；然后单片机将实时采样获得的用来表征交流电机工作电流大小的数值与该基准数值进行比较，当小于该基准数值时，单片机输出控制电平驱动可控硅导通角变大，以增大电流，增强交流电机输出功率；当大于该基准数值时，单片机输出控制电平驱动可控硅导通角减小，以降低电流，减弱交流电机输出功率。

本实用新型优点是：

1.本实用新型相比传统的信号采样装置，其信号采样过程省掉了整流、滤波和A/D转换环节，故处理速度更快；以交流电机供电电源采用频率为50/60Hz的220V/120V市电为例，传统的信号采样装置，其一次采样过程通常经历6～8个市电周期；而本实用新型仅需0.5～1个市电周期。

2.本实用新型相比传统的信号采样装置，由于无需引入为实现整流、滤波及A/D转换功能所需的各种电路元器件，故电路结构更加简化，并且因为省却了价格昂贵的A/D转换器，使得电路制造成本也被极大的降低。

附图说明

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

图1为现有日本三菱公司的扫除机TC-YS3J所采用的交流电机可控硅功率控制电路结构示意图；

图2为图1中的采样电压信号依次经整流、滤波后的波形变化示意图；

图3为本实用新型在一种吸尘器交流电机可控硅功率控制电路中的具体运用示意图；

图4为图3电路的采样过程示意图；

图5为本实用新型在另一种吸尘器交流电机可控硅功率控制电路中的具体运用示意图。

具体实施方式

实施例1：结合图3所示为本实用新型在一种吸尘器交流电机可控硅功率控制电路中的具体运用，该吸尘器交流电机可控硅功率控制电路包括交流电机M、单片机U、可控硅TR、光耦芯片U1、电阻R1～R4、互感器R、比较器Cb及为单片机U供电的直流稳压电源(图中未示出)；其中可控硅TR的两个主电极串接在交流电机M的驱动回路中，单片机U的一个输出端接入光耦芯片U1的输入端，而光耦芯片U1的输出端是其内部光敏双向触发管的两极，其中一极经电阻R4连接可控硅TR的一个主电极，另一极则接可控硅TR的控制极。

所述单片机U、互感器R、比较器Cb、电阻R1～R3及为单片机U供电的直流稳压电路共同构成该交流电机可控硅功率控制电路的信号采样装置；其中互感器R串接在交流电机M的驱动回路中，其次级线圈的一端经电阻R1接入比较器Cb的正输入端；为单片机U供电的直流稳压电源(图中未示出)上引出直流电压VDD，并经电阻R2和R3分压后输出稳定的直流基准电压Vf至比较器Cb的负输入端；而所述比较器Cb的输出端则直接接入单片机U的一个I/O接口中。

所述单片机U内部包括计数单元、捕捉单元、计算单元和存储单元。

下面对该交流电机可控硅功率控制电路的采样控制过程进行描述：

如图4所示，吸尘器在正常工作时，通过互感器R采样得到与交流电机工作电流对应的交流电压信号，该交流电压信号在电压-时间坐标中表征为波形A；而本实施例中直流基准电压Vf取正，其在电压-时间坐标中表征为直线L，并与前述采样所得交流电压信号波形相交于正半周期。

预先设定本实施例中的比较器Cb在采样所得交流电压信号大于直流基准电压Vf时输出高电平信号至单片机U，而当采样所得交流电压信号小于直流基准电压Vf时输出低电平信号至单片机U；那么在采样所得交流电压信号的任意一个周期内，输出至单片机U的高低电平信号将发生两次跳变；而这两次跳变之间的高电平信号持续时间长短(也即脉宽)就是直线L与波形A相交的两个端点之间的线段A1所对应的长度。

本实施例中在交流电压信号的一个周期内，当比较器Cb输入单片机U内的低电平信号突然跳变成高电平信号时(即如图4中直线L与波形A左侧交点所对应的第一次跳变发生的时刻)，单片机U内部的计数器从零开始计数，当比较器Cb输入单片机U内的高电平信号突然跳变成低电平信号时(即如图4中直线L与波形A的右侧交点所对应的第二次跳变发生的时刻)，计数结束；单片机U内的捕捉单元以较快的速度捕捉此时计数器的计数值，并将其送至存储单元存放起来；该计数值大小与两次跳变之间的高电平信号持续时间长短(也即线段A1的长度)相对应，同时其又作为基准数值用以表征交流电机正常工作时的电流大小。

当吸尘器内部的灰尘有一定量时，吸尘器的吸入功率会下降，即交流电机负载变重，电流变小，此时互感器R采样得到交流电压信号在电压-时间坐标中表征为波形B，该波形B也与前述直流基准电压Vf所表征的直线L相交于正半周期。

同前述一样，表征为波形B的交流电压信号经比较器Cb同直流基准电压Vf比较后输出电平信号至单片机U，经单片机U内部计数单元、捕捉单元和存储单元的一系列处理后得到一用来表征交流电机工作电流大小的计数值，该计数值的大小与图4中线段B1的长度相对应。

经过单片机U的比较很容易得出B1小于A1，于是单片机U立即发出控制电平信号，经光耦芯片U1驱动可控硅导通角变大，以增强交流电机M的输出功率，使吸尘器的吸入功率不会因内部的灰尘积累而下降，从而完成功率补偿过程。

实施例2：结合图5所示为本实用新型在另一种吸尘器交流电机可控硅功率控制电路中的具体运用，该吸尘器交流电机可控硅功率控制电路包括交流电机M、单片机U、可控硅TR、低阻电阻R1、电阻R2、R3及内置比较器的单片机U；其中可控硅TR的两个主电极串接在交流电机M的交流驱动回路中，单片机U的一个输出端直接经电阻R3接可控硅TR的控制极。

所述单片机U、低阻电阻R1和电阻R2共同构成该交流电机可控硅功率控制电路的信号采样装置；同实施例1相比，本实施例中采用低阻电阻R1进行交流电压信号的采样，并且本实施例中的单片机U自带比较器，该比较器的正负输入端也即单片机U上的COM+和COM-接口；低阻电阻R1的一端经电阻R2直接接入COM+接口，而COM-接口接入一直流基准电压Vf，与实施例1不同的是该直流基准电压Vf直接由单片机U内部产生。

本实施例的采样控制过程原理与实施例1相同，故不再叙述。

由上述两个实施例可见：

1.本实用新型相比传统的信号采样装置，其信号采样过程省掉了整流、滤波和A/D转换环节，故处理速度更快；以交流电机供电电源采用频率为50/60Hz的220V/120V市电为例，传统的信号采样装置，其一次采样过程通常经历6～8个市电周期；而本实用新型仅需0.5～1个市电周期。

2.本实用新型相比传统的信号采样装置，由于无需引入为实现整流、滤波及A/D转换功能所需的各种电路元器件，故电路结构更加简化，并且因为省却了价格昂贵的A/D转换器，使得电路制造成本也被极大的降低。

Claims (7)

1.一种用于交流电机可控硅功率控制的信号采样装置，其特征在于它包括：

一取样元件，串接在交流电机驱动回路中，用于采样得到与交流电机工作电流对应的交流电压信号；

一比较器，用于将上述采样得到的交流电压信号同一固定电压信号进行比较而得到与该交流电压信号大小相对应的长短脉宽信号；

一单片机，用于捕捉上述脉宽信号，并通过内部计算处理获得与该脉宽信号长短对应的数值加以存储。

2.根据权利要求1所述的用于交流电机可控硅功率控制的信号采样装置，其特征在于所述比较器独立于单片机之外。

3.根据权利要求1所述的用于交流电机可控硅功率控制的信号采样装置，其特征在于所述比较器由单片机自带。

4.根据权利要求1所述的用于交流电机可控硅功率控制的信号采样装置，其特征在于所述固定电压信号由单片机内部产生。

5.根据权利要求1所述的用于交流电机可控硅功率控制的信号采样装置，其特征在于所述固定电压信号取自供单片机工作的电源电压。

6.根据权利要求1所述的用于交流电机可控硅功率控制的信号采样装置，其特征在于所述取样元件为低阻电阻，或者互感器，或者变压器。

7.根据权利要求1所述的用于交流电机可控硅功率控制的信号采样装置，其特征在于所述交流电机是串激电机。

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