CN202488310U - 一种交流异步绕线电动机的转子频率反馈装置 - Google Patents

Abstract

一种用于交流异步绕线电动机的转子频率反馈装置，包括转子信号采样接口电路与信号整形电路相连；信号整形电路与鉴相电路相连；显示电路与显示驱动电路相连；鉴相电路、显示驱动电路、键盘电路、存储器电路、通讯接口电路、脉冲输出电路与CPU相连；采样接口电路、信号整形电路、鉴相电路、显示电路、显示驱动电路、键盘电路、存储器电路、通讯接口电路、脉冲输出电路、CPU集成在一块线路板上，编码器和该线路板集成安装在一个壳体中。本实用新型实现了交流异步绕线电动机的转子频率反馈装置国产化，降低了国内早期起重机进行定子调压改造的难度，降低了改造成本，同时也填补了国内转子频率反馈装置在技术上的空白。

Description

一种交流异步绕线电动机的转子频率反馈装置

技术领域

本实用新型涉及一种交流异步绕线电动机的转子频率反馈装置。

背景技术

电动机是传动系统中的主要部件，在起重机上更是如此，起重机要运行必须依赖于电动机的运行，电动机运行性能也直接决定了起重机的性能。为了保证电动机运行性能指标，在早期重要冶金起重机的普遍采用了直流电动机，主要是因为直流电动机的特性好，调速方便，但却存在维护困难，维护成本高的缺点。

随着技术的提高，在交流异步电动机调压调速装置的发展，交流异步电动机在冶金起重机上应用开始普及，因为交流异步电动机具有成本低，维护简单，维护周期长的优点，在调压调速装置的控制下，性能已经超越了直流电动机。随着调压调速装置的技术提高，成本降低，市场上的早期采用交流异步绕线电动机的普通起重机开始普遍进行加装调压调速装置的改造。在采用调压调速装置后起重机的整体性能将产生一个飞跃，在速度控制，启制动方面将更平稳，时间更短，所以起重机的生产效率将大幅度提高。

但调压调速装置是采用闭环调速的，即需要采集电动机速度反馈进行闭环调速。而这类早期起重机是没有速度反馈装置的，要进行改造就必须增加速度反馈装置，这就增加了改造难度。目前调压调速装置普遍采用增量型编码器来进行速度反馈，所以在改造上需要对电动机的传动链进行改造，增加编码器接口，而现场实际情况往往很难增加这个编码器接口。通常是在减速器的高速轴位置进行改造，增加一个高速输出轴，或更换减速器。

根据电动机原理，实际上电动机的转子上的电压频率信号是与电动机的转速具有线性关系的，所以理论上可以通过电动机的转子频率信号得到电动机的转速，然后转换为类似的编码器信号脉冲反馈到调速装置，但目前不仅国内，即使国外也没有此类产品。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提供一种有效地解决方案，利用国内技术自主研发一种用于交流异步绕线电动机的转子频率反馈装置，只需要用电缆将电动机的转子回路连接到该装置的采样接口，即可检测到电动机的实际转速，并转换为与编码器的脉冲相同的信号连接到调压调速装置的编码器接口上即可实现调压调速装置的速度反馈功能。既避免了改动电动机传动链的麻烦，也替代了编码器，降低了成本。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：该交流异步绕线电动机的转子频率反馈装置包括转子信号采样接口电路与信号整形电路相连；信号整形电路与鉴相电路相连；显示电路与显示驱动电路相连；鉴相电路、显示驱动电路、键盘电路、存储器电路、通讯接口电路、脉冲输出电路与CPU相连。采样接口电路、信号整形电路、鉴相电路、显示电路、显示驱动电路、键盘电路、存储器电路、通讯接口电路、脉冲输出电路、CPU都集成在一块线路板上。编码器和该线路板集成安装在一个壳体中。

由于电动机转子反馈来的是高压信号，不适合直接进行处理，所以通过采样接口电路将该信号进行衰减和光耦隔离，转换为后续电路可以处理的信号之后再送到下一级电路进行处理。

转子信号是正弦波信号，被采样接口电路处理之后转换为类似方波的信号，但由于光耦存在线性区域，所以波形的前沿和后沿仍然是正弦波的一部分，上升时间和下降时间都偏长，对后面的计算将造成误差，所以在采样接口电路后面增加了信号整形电路，经过信号整形电路的处理，波形将变成标准的方波。

转子信号从信号整形电路出来之后变为三相方波信号，包含了转速信息和转向的信息，为了减低CPU的负担和增加可靠性，增加了鉴相电路，将信号中的方向信号和转速信号分离出来，转换为两路信号送到CPU进行单独处理。

CPU负责整体调度和运算，由鉴相电路分离出来的方向信号进入CPU进行方向处理，转速信号进入CPU进行速度转换，最后将处理的结果通过显示驱动电路驱动显示电路进行速度显示。CPU内部驱动精密定时器作为输出编码器的时间基准，然后根据检测到的电动机转速和方向，进行运算得到输出脉冲的周期和相位，然后调整高速脉冲输出端口输出相位相差90度的脉冲信号。由于CPU的端口的驱动能力有限，并且与外围设备电平不匹配，所以该脉冲信号还需要通过脉冲输出电路提高驱动能力，并与外部设备电平进行匹配。

键盘电路负责将用户的按键控制传递到CPU，CPU根据用户的按键情况实现电动机的同步转速、每转输出脉冲数等数据参数地设置，然后将参数保存到存储器中。存储器采用掉电数据不丢失的存储器，CPU在重新上电时将先从该存储器中读取保存的参数值，然后按照该参数值进行运行。

通讯接口可以连接到电脑，通过通讯接口可以实现CPU程序的在线升级，和参数的上传和下载，可以实现键盘的所有功能，方便进行批量参数更新和固件升级。另外还可以通过该接口实现在电脑上输出详细的工作信息，并且可以以中文形式输出，信息量较显示电路也要多很多。

本实用新型的有益效果是实现了交流异步绕线电动机的转子频率反馈装置国产化，降低了国内早期起重机进行定子调压改造的难度，降低了改造成本，同时也填补了国内转子频率反馈装置在技术上的空白。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图。

图2是本实用新型的采样接口电路图。

图3是本实用新型的采样接口电路波形。

图4是本实用新型的整形电路图。

图5是本实用新型的整形电路波形。

图6是本实用新型的鉴相电路图。

图7是本实用新型的输出电路图。

图8是本实用新型的显示驱动电路图。

图9是本实用新型的显示部分电路图。

图10是本实用新型的键盘电路图。

图11是本实用新型的存储器电路图。

图12是本实用新型的通讯接口电路图。

图13是本实用新型的CPU电路图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本实用新型的具体实施例。

实施例：

1.系统原理说明

整体系统结构如图1所示，电动机的转子信号经过采样电路、整形电路、鉴相电路连接到CPU，CPU将采集到的转子信号计算出转子的转速和方向，然后通过精密定时器计算出输出脉冲的频率和相位，然后通过输出电路输出。

计算出的电动机转速同时通过显示驱动电路连接到显示电路上进行速度显示。

其工作原理时根据交流异步电动机的特性，其转子中的电压频率与定子的电压频率存在一个线性关系，如下面公式所示：

f＝(1-s)f₀

公式中f是转子的电压频率，S是电动机转差率，f₀是定子的电压频率。

根据上面公式可以知道电动机转差率计算公式：

$s=1-\frac{f}{f_0}$

而电动机转差率S与电动机转速n之间关系如下面公式所示：

$s=\frac{n_0-n}{n_0}$

n₀是电动机的同步转速。

所以电动机的转速n与电动机转子频率f之间的关系可以用下面的公式进行表达：

$n=\frac{{\mathrm{fn}}_0}{f_0}$

所以CPU在检测电动机的转子频率f时即可计算出电动机对应的转速n，然后根据计算出的电动机转速再计算出需要输出的脉冲频率，通过输出电路进行输出，并在显示电路上进行显示。

如果有键盘的“MENU”按键动作，就停止编码器检测进入参数设置程序，然后通过其他选择按键进行电动机同步转速，额定工作频率、输出脉冲数等参数地设定，设定完成后通过“ENT”按键结束参数设置，CPU将设定参数保存到存储器中，然后退出参数设置程序，重新开始转子频率到脉冲输出的转换。

2.采样接口

图2显示了该实用新型的采样接口电路图。由于工业三相异步电动机通常工作电压是380V交流电，其转子根据电动机工作原理通常也有200V以上的交流电压，这么高的电压是不能直接进入CPU进行计算的，只能通过采样接口电路进行电压变换和隔离之后才进行接入CPU电路。

图2所示电路中转子电压首先经电阻网络分压，然后经过光耦隔离，最后输出后续电路可以接收的信号，图3是转子频率信号经过采用接口电路前后的波形对比，左侧波形是转子频率信号，右侧波形是经采样接口后的信号，为了区分三相电压，将三相信号电压做了调整，否则将重合到一起无法区分。

3.整形电路

由于转子信号是正弦波信号，经过采样接口电路的分压电阻网络之后电压降低，但波形不变，在经过隔离光耦之后由于光耦存在线性区域，所以在信号波形处于线性区域时光耦的输出波形与信号波形一致相位相反，但光耦进入包含区域之后，光耦输出电压不再变化，信号波形被削波。所以输出电压波形转换为类似方波的信号，但上升时间和下降时间都偏长，对后面的计算将造成误差，所以在采样接口电路后面增加了信号整形电路(见图4)，经过信号整形电路的处理，波形将变成标准的方波。整形电路采用电压比较器实现，由于电压比较器的灵敏度非常高，输入电压非常敏感，所以输出波形将是标准的方波(见图5)，这样后续电路才能进行准确处理。

4.鉴相电路

转子信号从信号整形电路出来之后变为三相方波信号，包含了转速信息和转向的信息，为了减低CPU的负担和增加可靠性，增加了鉴相电路(见图6)，将信号中的方向信号和转速信号分离出来，转换为两路信号送到CPU进行单独处理。鉴相电路由D触发器SN74HC74和四与门SN74HC08组成。由于转子频率三相信号时固定的相位相差120度，正转时波形的顺序是U-V-W，否则就是反转。三相信号在经过图6两个D触发器之后，根据三相信号的规律，两个D触发器Q端都将输出为高电平。再与后面的与门进行逻辑运算，就可以得到UP(正转)信号，如果输出低电平就表示反转。然后将其中一相信号经过一级与门增加驱动能力之后作为转子频率信号，这样就得到了“UP”(正转或反转)信号和转子频率信号“SIGN”。这个两个信号在送到CPU进行电动机转速计算和方向判断。

5.输出电路

由于本实用新型最终还是要将输出信号输出到使用设备，但CPU本身在驱动能力和电压等级上都不符合输出到使用设备的要求，因此需要增加一级输出电路(见图7)。

为了使实用新型适用于尽可能多的设备要求，采用了光耦隔离，晶体管推挽输出的电路，作为本实用新型的输出电路。如图7所示，两个光耦负责将CPU的低电平，低驱动能力的信号传递到后面的晶体管推挽输出的电路，而晶体管输出电路采用来自设备的电源工作，由于晶体管的适应能力强，驱动电流大，因此本电路可以适用于5～30V的直流工作电压，并且可以输出不大于500mA的电流，可以满足目前已知的绝大多数的设备需求。

6.人机界面

为了方便让用户，所以设置了显示电路(图9)和键盘电路(图10)，作为人机交互界面。显示电路由数码管组成，可以显示4位数字指示电动机的实际转速，和1位符号，电机正转时，符号数码管熄灭，电机反转时，符号数码管显示“-”。同时该数码管部分也作为用户设置参数时的显示器使用。

CPU是无法直接启动显示电路进行显示的，使用在CPU和显示电路之间通过显示驱动电路连接，见图8。

键盘电路负责接收用户的按键信息，进行参数设置，见图10。本实施例设计了4个按键，满足设置最低需求。“MENU”负责菜单切换和参数确认，“UP”键负责参数递增，“DN”负责参数递减，“RIGHT”键负责移动需要设置的参数数字位。

7.参数存储

为了保证在掉电后参数不丢失，必须将参数在预先保存在一个掉电不丢失的存储器中，保证在下次重新上电时CPU可以重新读取之前的设置参数，继续按照原先的设置参数运行，不会产生混乱。

掉电不丢失的存储器有很多种，包括Flash存储器，EEPROM存储器，NORFlash存储器，甚至SD卡、U盘都是可以作为设备掉电数据保存存储器使用。

由于本实用新型需要保存的参数很少，基于易用性、节能、低成本的考虑，本实施例选择了128字节的EEPROM存储器作为掉电参数保存存储器，型号是24C01。其应用电路见图11。24C01是被广泛应用的一种小容量低功耗EEPROM存储器，采用IIC接口，使用方便，可以掉电保持10年数据丢失，具有100000次的擦写寿命。

8.通讯接口电路

上述简单的人机界面可以满足大多数情况下的用户需求，但在进行设备调试和固件程序升级时就满足不了需求了。所以设置了通讯接口电路(见图12)。该电路将本实用新型与PC电脑连接起来，可以通过PC端软件参看本实用新型内部更多的数据信息，可以进行固件升级，和参数的批量删除和下载，满足高级用户和调试工程师的需求。

图7所示接口电路是标准的三极管RS232电平转换电路，将PC端的RS232数据电平转换为CPU可以接收的数据电平。

9.CPU电路

图13是本实用新型的CPU电路，CPU是整个系统的核心，负责协调所以外围电路的工作，并负责所有的计算工作。由于工作环境恶劣，所以需要工作稳定可靠，耐高温，耐冲击，并且就高速检测和运算能力。所以本实施例选择了世界著名的意法半导体公司的产品ARM产品STM32F103C8T7作为系统的CPU。

STM32产品具有低电压和节能两大优点。以72MHz频率从闪存执行代码，仅消耗27mA电流。运行速度可以达到80MHz，工业级芯片运行环境温度可以达到-40摄氏度到120摄氏度，具有较高的ESD能力。

Claims (1)

1.一种用于交流异步绕线电动机的转子频率反馈装置，其特征在于：该交流异步绕线电动机的转子频率反馈装置包括转子信号采样接口电路与信号整形电路相连；信号整形电路与鉴相电路相连；显示电路与显示驱动电路相连；鉴相电路、显示驱动电路、键盘电路、存储器电路、通讯接口电路、脉冲输出电路与CPU相连；采样接口电路、信号整形电路、鉴相电路、显示电路、显示驱动电路、键盘电路、存储器电路、通讯接口电路、脉冲输出电路、CPU集成在一块线路板上，编码器和该线路板集成安装在一个壳体中。

Images