CN201656892U - 一种基于微处理器的小型化串励直流电机控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于微处理器的小型化串励直流电机控制器，包括依次连接的开关指令信号接口、微处理器、IGBT驱动和保护电路、以及由IGBT构成的主电路。所述主电路包括IGBT管T1、T2、T3、T4、T5，二极管D1、D2、D3，继电器K1；所述IGBT管T1的漏极连接电源正极，IGBT管T1的源极连接二极管D3负极、继电器K1、以及电枢的A1端；所述二极管D1的正极连接电枢的A2端、二极管D2的负极，二极管D1的负极连接IGBT管T2和IGBT管T3的漏极以及制动电阻；所述IGBT管T2的源极连接IGBT管T4的漏极以及励磁绕组的I1端；所述IGBT管T3的源极连接IGBT管T5的漏极以及励磁绕组的I2端；所述IGBT管T4和IGBT管T5的源极以及二极管D2和二极管D3的正极连接电源负极；所述继电器K1还连接制动电阻。

Description

一种基于微处理器的小型化串励直流电机控制器

技术领域：

本实用新型涉及电机数字控制和电力电子技术领域，特别涉及一种基于微处理器的小型化串励直流电机控制器。

背景技术：

众所周知，串励直流电机是在高压供配电系统动作执行机构中广泛采用的执行部件，用于推动高压开关动作实现高压开关的分合。当前对此串励直流电机通常采用继电器和接触器等构成的继电器逻辑电路实现启动、制动、正反转等控制，控制系统结构复杂，接线较多，占用空间大，而且在继电器和接触器开关的时候会产生很大的电弧和电火花，电磁干扰严重，寿命收到继电器触点寿命的极大制约。

随着技术的发展，特别是电力电机技术和微处理器技术的发展，以电力电子器件为开关为主体的无触点控制，在保证控制装置原有使用性能和所需技术参数的同时，可以大大提高装置使用寿命，消除开关电弧和火花，减小体积，以之取代传统继电器控制是一个好的选择。

实用新型内容：

本实用新型的目的是提供一种基于微处理器的小型化串励直流电机控制器。该装置可以在保证控制装置统原有使用性能和所需技术参数的同时，大大提高装置使用寿命，消除开关电弧和火花，减小体积。

本实用新型的具体技术方案如下：

这种串励直流电机控制器包括依次连接的开关指令信号接口、微处理器、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)驱动和保护电路、以及由IGBT构成的主电路；其特征在于，

所述主电路包括IGBT管T1、T2、T3、T4、T5，二极管D1、D2、D3，继电器K1；所述IGBT管T1的漏极连接电源正极，IGBT管T1的源极连接二极管D3负极、继电器K1、以及电枢的A1端；所述二极管D1的正极连接电枢的A2端、二极管D2的负极，二极管D1的负极连接IGBT管T2和IGBT管T3的漏极以及制动电阻；所述IGBT管T2的源极连接IGBT管T4的漏极以及励磁绕组的I1端；所述IGBT管T3的源极连接IGBT管T5的漏极以及励磁绕组的I2端；所述IGBT管T4和IGBT管T5的源极以及二极管D2和二极管D3的正极连接电源负极；所述继电器K1还连接制动电阻。

本实用新型所述串励直流电机控制器采用以数字微处理器为控制核心，以电力电子器件IGBT为开关构成主电路，以外部开关信号发送控制指令，通过数字微处理器实时对主电路各IGBT的开关状态控制，以改变电机主电路的拓扑结构，从而实现正反转和启制动控制。并且保证控制装置原有使用性能和所需技术参数。大大提高装置使用寿命，消除开关电弧和火花，减小体积。

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本实用新型。

图1为本实用新型所述串励直流电机控制器的结构框图。

图2a为串励直流电机绕组连接顺序与转向的关系中正转连接的电路图。

图2b为串励直流电机绕组连接顺序与转向的关系中反转连接的电路图。

图3为本实用新型所述串励直流电机控制器的主电路结构图。

图4为本实用新型所述串励直流电机控制器主电机构成的等效制动回路图。

图5为本实用新型所述串励直流电机控制器中控制器软件的有限状态机示意图。

具体实施方式：

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。

如图1所示，本实用新型所述串励直流电机控制器包括依次连接的开关指令信号接口、微处理器、IGBT驱动和保护电路、以及由IGBT构成的主电路。

如图2a和图2b所示，串励直流电机的励磁(定子)绕组和电枢(转子)绕组串联工作，当励磁绕组和电枢绕组两端按一种同名端顺序连接，电机转向定义为正向，而当两绕组改变同名端相对连接顺序，电机转向定义为反向。

故控制串励直流电机的转向就是要控制其励磁和电枢两套绕组的同名端连接顺序。

在动作机构中用作伺服应用的串励直流电机制动采用能耗制动，以能耗电阻消耗转子动能从而及时制动停车。串励直流电机制动能耗制动一般用自励方式，制动时切断电机供电，并将电枢绕组(或励磁绕组)的同名端连接对调，与制动电阻串接成制动回路。这样励磁绕组电流和电枢绕组电流方向相对运行时相反，转子在励磁绕组磁场中受到阻碍其转动的电磁力矩作用而进入发电状态释放动能，迅速制动。如果不使两绕组改变同名端连接顺序，则转子在励磁绕组磁场中依然受到帮助其转动的电磁力矩作用，使得其无法进入发电状态实现能耗制动。

如图3所示，主电路包括IGBT管T1、T2、T3、T4、T5，二极管D1、D2、D3，继电器K1；所述IGBT管T1的漏极连接电源正极，IGBT管T1的源极连接二极管D3负极、继电器K1、以及电枢的A1端；所述二极管D1的正极连接电枢的A2端、二极管D2的负极，二极管D1的负极连接IGBT管T2和IGBT管T3的漏极以及制动电阻；所述IGBT管T2的源极连接IGBT管T4的漏极以及励磁绕组的I1端；所述IGBT管T3的源极连接IGBT管T5的漏极以及励磁绕组的I2端；所述IGBT管T4和IGBT管T5的源极以及二极管D2和二极管D3的正极连接电源负极；所述继电器K1还连接制动电阻。

其中T1作为电机供电电源总开关，T2，T3，T4，T5按照一定规律导通和关断，实现电机励磁绕组和电枢绕组的不同同名端连接顺序。

当控制IGBT T1、T2、T5导通，而T3、T4关闭，同时继电器K1输出开路时，供电电流串行流经T1、电枢、二极管D1、T2、励磁绕组和T5，并且在电枢中电流从A1端流入A2端流出，在励磁绕组中电流从I1端流入I2端流出，此时主电路等效连接电路如图2a，此时串励直流电机正向启动运转。二极管D2、D3承受反向电压均处于截止状态。

当控制IGBT T1、T3、T4导通，而T2、T5关闭，同时继电器K1输出开路时，供电电流串行流经T1、电枢、二极管D1、T3、励磁绕组和T4，并且在电枢中电流从A1端流入A2端流出，在励磁绕组中电流从I2端流入I1端流出，此时主电路等效连接电路如图2b，此时串励直流电机反向启动运转。二极管D2、D3承受反向电压均处于截止状态。

当串励直流电机处于正向运转状态时，如果控制使得T1关闭，则电机首先与供电电源断开，由于转子此时仍在转动，电枢上形成A1端为正A2端为负的电动势，如果此时其他IGBT不改变原来的开关逻辑，但控制继电器K1闭合，则由电枢电动势产生的电流先后流经制动电阻、T2、励磁绕组、T5和二极管D2，返回A2端。此时，在电枢中电流从A1端流出A2端流入，在励磁绕组中电流从I1端流入I2端流出，两者的电流方向相对于正转运行时正好相反，转子在励磁绕组磁场中受到阻碍其转动的电磁力矩作用而进入发电状态释放动能，串励直流电机迅速从正转状态进入制动，最终停车。此电流回路构成正向制动回路，主电路等效连接电路如图4所示。此时由于二极管D1阴极电压高于阳极电压，所以处于截止状态，而D2与之相反处于导通状态连通制动回路。

同理，当串励直流电机处于反向运转状态时，如果控制使得T1关闭，其他IGBT状态与反转时相同(T3、T4导通，T2、T5关闭)，同时控制继电器K1闭合，则主电路可构成反向制动回路使得串励直流电机迅速从反转状态进入制动，最终停车。

停车时，只要一直保持T1关闭即可。

IGBT的控制信号由微处理器以开关量的方式发出，控制信号经过光耦对IGBT进行隔离驱动触发，实现了控制电路与主电路的电器隔离。由于P沟道IGBT一般耐压和功率都很小，而N沟道IGBT用于电压较高、功率较大的场合，故本系统的主电路IGBT均采用N沟道类型。这样，各N沟道IGBT所处的位置决定了隔离驱动触发器的“地”不相同，而且随着IGBT的开关其“地”在不断地浮动变化中，所以隔离驱动触发的供电应有自由浮动的输出端，本系统采用具有不同输出的隔离电源实现，其中T1，T2，T3驱动供电各采用一路独立的隔离输出，T3，T4发射极连接在一起而具有相同的地，所以共用一路独立的隔离输出，这样保证了主电路IGBT在任何开关占空比下都能可靠触发。

控制指令包括正向启动、正向制动停车、反向启动、反向制动停车、与另一台控制器的互锁信号，本控制器通过数字处理器的数字IO口获取经过光耦隔离转换的启动、制动等外部操作开关指令。

控制器的软件结构总体为一个有限状态机，如图5所示，让控制器在7个状态间切换，在某个时刻控制器总是处于7个状态中的一个，在某个状态中处理器扫描外部指令开关，当检测到相应的指令开关信号有效时，按照有限状态机进行相应的状态切换，状态切换时控制器按照新的状态控制IGBT和继电器的开关状态，从而使得主电路拓扑结构发生相应变化而使串励直流电机进入相应的运行状态。对指令开关的扫描时进行相应的逻辑互锁判断，当相互矛盾的开关信号同时有效时，只能按照一个逻辑开关有效处理。处理器在上电初始化完成后，处于“停车”状态，当控制器在控制电机正向或反向启动时，进入“正向启动”或“反向启动”状态，在启动状态中，由于电机转子转速较小，所以反电动势较小，启动电流很大，为了减小启动电流对线路的冲击，处理器控制对T1的控制并不是马上全部打开，而是按照脉宽调制(PWM)的方式，对T1进行高速开关控制，并随着转速的上升，逐步加大PWM的占空比，最终达到全部打开(即100％占空比)，而进入全速运行状态。当电机处于“正向制动”或“反向制动”状态时，处理器控制主电路构成相应的制动电路，并使得该状态持续足够的制动时间，以保证电机可靠制动停车，此状态中控制器不再响应外部开关信号，直到持续到预设的制动时间，进入“停车”状态。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种基于微处理器的小型化串励直流电机控制器，包括依次连接的开关指令信号接口、微处理器、IGBT驱动和保护电路、以及由IGBT构成的主电路；其特征在于，

所述主电路包括IGBT管T1、T2、T3、T4、T5，二极管D1、D2、D3，继电器K1；所述IGBT管T1的漏极连接电源正极，IGBT管T1的源极连接二极管D3负极、继电器K1、以及电枢的A1端；所述二极管D1的正极连接电枢的A2端、二极管D2的负极，二极管D1的负极连接IGBT管T2和IGBT管T3的漏极以及制动电阻；所述IGBT管T2的源极连接IGBT管T4的漏极以及励磁绕组的I1端；所述IGBT管T3的源极连接IGBT管T5的漏极以及励磁绕组的I2端；所述IGBT管T4和IGBT管T5的源极以及二极管D2和二极管D3的正极连接电源负极；所述继电器K1还连接制动电阻。

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