大电流电磁起吊控制器及其控制方法与流程

本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及大电流电磁起吊控制器及其控制方法。

背景技术：

吊装是指吊车或者起升机构对设备的安装、就位的统称，在检修或维修过程中利用各种吊装机具将设备、工件、器具、材料等吊起，使其发生位置变化。

随着吊装行业的发展，对电磁起吊控制器的需求日渐变大，相应地也衍生出很多不同类型的规格型号。目前，行业内常用的起吊机一般使用的是5a、10a，最多到50a的电磁起吊控制器，而对于有着大电流需求的，尤其是在大于等于100a的电磁起吊控制器领域内仍是非常匮乏。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种大电流电磁起吊控制器及其控制方法。

有鉴于此，本发明的技术方案是这样实现的：

大电流电磁起吊控制器，包括有电源稳压模块、隔离模块、主控制模块、功率驱动模块、通讯模块、外部调节模块、检测模块、输出回路；所述主控制模块分别与电源稳压模块、操作面板、通讯模块、功率驱动模块、外部调节模块连接，所述电源稳压模块与隔离模块连接，所述功率驱动模块与检测模块连接，所述功率驱动模块还通过输出回路与起吊电永磁吸盘连接；所述隔离模块包括多级变压器，所述外部调节模块包括隔离光耦和信号继电器，所述多级变压器、隔离光耦和信号继电器共同作用以使低压控制回路和高压大电流的功率回路完全隔离；

所述电源稳压模块用于给主控制模块、隔离模块供电；

所述隔离模块用于对电源稳压模块的供电电源和信号传输进行电气隔离；

所述主控制模块用于根据操作面板或遥控器的设置参数和启停控制信号来计算并输出pwm信号；

所述功率驱动模块用于控制pwm值的方向和大小，以对实现输出电压或电流的变化从而控制起吊电永磁吸盘；

所述通讯模块用于转换通讯网络的信号，与近端和/或远端数据进行交互；

所述外部调节模块用于根据预设参数对主控制模块进行调节；

所述检测模块用于检测所述功率驱动模块的实时电流和电压。

进一步地，所述通讯模块包括rs422全双工通讯模块；所述rs422全双工通讯模块与主控制模块连接，用于实现有线通讯。

进一步地，所述通讯模块包括rf433mhz无线通讯模块和遥控器；所述rf433mhz无线通讯模块与主控制模块连接，所述rf433mhz无线通讯模块与遥控器实现无线通讯信息交互。

进一步地，所述遥控器包括顺次连接的电池充电模块、电池模块、电源稳压模块、无线控制模块，所述无线控制模块还分别连接有指示灯显示模块和按键模块，所述无线控制模块还与433mhz无线模块双向连接，所述433mhz无线模块还连接有rf天线。

进一步地，所述功率驱动模块还通过输出回路连接有霍尔传感器，所述霍尔传感器用于采集电流反馈信号并实时反馈给主控制模块，以使主控制模块校准pwm驱动信号而输出准确的驱动电压和电流给起吊电永磁吸盘。

进一步地，所述功率驱动模块包括igbt驱动电路以及由igbt功率管组成的h桥电路，所述主控制模块输出的pwm驱动信号通过所述igbt驱动电路控制h桥电路的电流和电压输出。

进一步地，该控制器还包括与所述主控制模块相连的操作面板，所述操作面板用于具体操作和外部人为控制。

进一步地，所述mcu控制模块为主控芯片，进行算法计算和逻辑处理。

大电流电磁起吊控制器的控制方法，输入电源进行整流和滤波后形成高压直流，经igbt功率管组成的h桥回路输出可变的pwm波，通过改变h桥的输出方向和pwm值的大小，实现输出电压或电流的变化从而控制电磁磁盘，以达到起吊的功能要求；mcu控制模块采用参数设置以及霍尔传感器对输出量进行采集，通过内部电流采集反馈调节形成闭环系统，以稳定地输出设置的电流或电压，实现对磁盘的可靠控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的大电流电磁起吊控制器，通过参数设置以及对输出量进行采集，采用功率驱动模块通过控制pwm值的方向和大小，实现输出电流的精确变化，调节精度高,从而使起吊电永磁吸盘的精度大大提高、磁力稳定可靠，在保证相同工作性能的基础上，产品成本大大降低；通过采用多级变压器、隔离光耦、信号继电器将低压控制回路和高压大电流的功率回路完全隔离，保证低压控制回路不受高压侧的干扰，以实现大电流的工作要求，具有可靠的软硬件保护保护电路，大大提高了工作时的可靠性和安全性，从而保证起吊工作稳定可靠且操作方便。控制器可以控制大电流电磁起吊，说明具备了大电流的输出能力，具体体现在更大功率的驱动模块和相关驱动电路，以及大功率的igbt模块功率器件上，电流检测霍尔器件和相关外围检测电路也使用了更大功率的期间。因为具备更大功率的输出能力，所以电源稳压模块、隔离电路的元器件选型和相关电路的计算都有了更高的要求。在以往的小功率起吊控制器普遍、大功率起吊控制器缺乏的市场上，增加这一款大电流起吊控制器可以弥补起吊控制器在大电流领域的空缺。

附图说明

图1为本发明大电流电磁起吊控制器的功能实现框图；

图2为本发明大电流电磁起吊控制器中遥控器的控制框架图；

图3为本发明大电流电磁起吊控制器中mcu芯片的电路图；

图4为本发明大电流电磁起吊控制器内部供电电源电路图；

图5为本发明大电流电磁起吊控制器中rs422通讯及rf433mhz通讯的电路图；

图6为本发明大电流电磁起吊控制器中功率驱动模块电路图；

图7为本发明大电流电磁起吊控制器中霍尔电流采样电路图；

图8为本发明大电流电磁起吊控制器中遥控器的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供的大电流电磁起吊控制器，参照图1，包括有电源稳压模块、隔离模块、主控制模块、功率驱动模块、通讯模块、外部调节模块、检测模块、输出回路；所述主控制模块分别与电源稳压模块、操作面板、通讯模块、功率驱动模块、外部调节模块连接，所述电源稳压模块与隔离模块连接，所述功率驱动模块与检测模块连接，所述功率驱动模块还通过输出回路与起吊电永磁吸盘连接；所述电源稳压模块用于给主控制模块、隔离模块供电；所述隔离模块包括多级变压器，所述外部调节模块包括隔离光耦和信号继电器，所述多级变压器、隔离光耦和信号继电器共同作用以使低压控制回路和高压大电流的功率回路完全隔离。所述隔离模块用于对电源稳压模块的供电电源和信号传输进行电气隔离；所述主控制模块用于根据操作面板或遥控器的设置参数和启停控制信号来计算并输出pwm信号；所述功率驱动模块用于控制pwm值的方向和大小，以对实现输出电压或电流的变化从而控制起吊电永磁吸盘；所述通讯模块用于转换通讯网络的信号，与近端和/或远端数据进行交互；所述外部调节模块用于根据预设参数对主控制模块进行调节；所述检测模块用于检测所述功率驱动模块的实时电流和电压。其中，所述主控制模块用于根据操作面板或遥控器的设置的起吊额定电流、释放退磁模式、起吊延时时间、释放退磁延时时间、单步脉冲数等参数和各启停控制信号来计算pwm信号的频率和占空比，和输出的时间来并输出pwm信号。

本发明提供的大电流电磁起吊控制器，通过参数设置以及对输出量进行采集，采用功率驱动模块通过控制pwm值的方向和大小，实现输出电流的精确变化，调节精度高,从而使起吊电永磁吸盘的精度大大提高、磁力稳定可靠，在保证相同工作性能的基础上，产品成本大大降低；通过采用多级变压器、隔离光耦、信号继电器将低压控制回路和高压大电流的功率回路完全隔离，保证低压控制回路不受高压侧的干扰，以实现大电流的工作要求，具有可靠的软硬件保护保护电路，大大提高了工作时的可靠性和安全性，从而保证起吊工作稳定可靠且操作方便。整个控制系统采用多级变压器、隔离光耦、信号继电器将低压控制回路和高压大电流的功率回路完全隔离，保证低压控制回路不受高压侧的干扰，大大提高了产品工作的可靠性和安全性。这里的信号继电器选择小型信号继电器即能满足使用要求。小型信号继电器功率小、尺寸小，属于外部调节模块的一部分。在本发明中，由mcu控制模块向外输出起吊成功信号、释放退磁成功信号、故障信号三种信号，经过继电器隔离成无源开关信号，用户可以用来接起吊的状态指示灯。因为继电器在这里做信号隔离，并且起吊状态指示灯功率普遍较小，所以使用电流比较小的小型信号继电器就足够了。

另外，参照图3，所述主控制模块的u2为mcu芯片。mcu芯片使用外部8mhz无源晶振作为时钟信号(即图中jt1)，在内部根据不同模块需要进行倍频、分频处理。并且外挂eeprom作为数据的掉电存储(即图中u4)。

优选地，所述通讯模块包括rs422全双工通讯模块、rf433mhz无线通讯模块和遥控器，所述rs422全双工通讯模块和rf433mhz无线通讯模块分别与主控制模块连接；所述rs422全双工通讯模块用于实现有线通讯，所述rf433mhz无线通讯模块与遥控器实现无线通讯信息交互。

可以理解的是，如图2所示，所述遥控器包括顺次连接的电池充电模块、电池模块、电源稳压模块、无线控制模块，所述无线控制模块还分别连接有指示灯显示模块和按键模块，所述无线控制模块还与433mhz无线模块双向连接，所述433mhz无线模块还连接有rf天线。

为了实时采集到电流反馈信号，所述功率驱动模块还通过输出回路连接有霍尔传感器(即u16)，所述霍尔传感器用于采集电流反馈信号并实时反馈给主控制模块，以使主控制模块校准pwm驱动信号而输出准确的驱动电压和电流给起吊电永磁吸盘。

并且，所述功率驱动模块包括igbt驱动电路以及由igbt功率管组成的h桥电路，所述主控制模块输出的pwm驱动信号通过所述igbt驱动电路控制h桥电路的电流和电压输出。如图7所示，380v交流电压输入，经整流、滤波电容c01、c02后形成+500v直流高压给4个igbt功率管组成的h桥的+500v高压端和gnd1低压端(负极)。

从三相380v输入电源取其中两相u、v作为控制电源输入，控制电源部分采用多次级变压器隔离，如图4，j_byq为多次级变压器，降压并分为5路ac输出，其中一组输出级ac7、ac8经过二极管d24～d27全桥整流，电解电容e3滤波，u13、u18、u22三级稳压为3.3v给控制回路，主要是mcu使用。另外一组输出级电压端ac9、ac10同样经过整流、滤波、稳压后为vcc1给隔离后的rs422通讯模块使用；还有一组电源隔离稳压后为vcc_ct给rf433mhz无线通讯模块使用。驱动部分的控制电压经过隔离，分成三组：由ac4、gnd1经二极管d16、d17分别半波整流，c49、c50滤波为直流电压，接着经过u9、t1稳压为正电压+15v1和负电压-5v1,这两个电压和gnd1给第二组和第四组igbt驱动电路u6、u8使用；同样的，由ac1、gnd3交流电压整流滤波稳压为正电压+15v3和负电压-5v3,这两个电压和gnd3给第三组igbt驱动电路u7使用；由ac5、gnd2交流电压整流滤波稳压为正电压+15v2和负电压-5v2,这两个电压和gnd2给第一组igbt驱动电路u5使用。这样控制回路电源、各外设电源、各igbt驱动电路电源都完全隔离开了。

h桥驱动电路，如图6，mcu输出6组pwm驱动信号pwm1～pwm6，输入驱动信号和输出功率信号由一个电容、二氧化硅，和绝缘格栅隔离开来。与隔离电源配合使用时，这些器件可以阻止高电压、隔离接地，并能防止噪声电流进入本地接地和干扰低压控制电路。pwm1驱动信号输入到驱动芯片u5的vin+引脚，由vout输出栅极功率驱动信号gate1给igbt使用。驱动电路内部有一个欠压闭锁电路(uvlo)监视输出电源是否过低，如果输出电源电压下降至低于12v，通过栅极驱动输出驱动至低电平，uvlo将功率管关闭。同时u5的第14引脚desat为过流保护引脚，对于desat故障，在防止较大di/dt感应电压尖峰出现的同时，驱动芯片u5启动一个软关断过程来将igbt电流缓慢减小至零。然后穿过隔离隔栅发送一个故障信号，有效驱动开漏u5的故障反馈引脚fault输出低电平并且禁用输入信号。输入驱动信号在fault引脚为低电平的时间内被阻断。在驱动信号对于一个输出低电平状态进行配置之前，fault保持低电平，随后是一个复位信号reset引脚上的逻辑低电平输入。同理，其他桥臂的驱动电路也是通过类似的驱动电路完成。在设备起吊时，控制驱动左上桥臂和右下桥臂工作；当设备缓慢放下时，控制驱动左上桥臂、右下桥臂为一组同时工作，右上桥臂、左下桥臂为另一组同时工作，两组驱动交替工作，并逐渐较小pwm的脉宽信号，直到减小至零。

如图7，输出电流通过霍尔电流传感器u16检测，通过mcu(即图3的u2)的第8脚adc123_in10进行adc采样读取iout2，在电路上和软件上进行滤波处理，做工作电流反馈校准用。根据采样值与设定的电流值进行比较，根据比较结果通过输出pwm信号和极性转换信号到igbt驱动电路控制h桥电路输出电流的大小。当采样值大于设定值时，输出pwm值减小，输出电流值也随着减小，从而达到实际输出值和设定值一致；当采样到的电流值小于设定的电流值时，输出pwm值增大，输出电流值也随着增大，以达到设定值和输出值相等，从而实现恒流输出的目的。

为了方便实际操作，该控制器还包括与所述主控制模块相连的操作面板，所述操作面板用于具体操作和外部人为控制。同时留有操作面板、射频无线遥控、rs422远程通讯等多种操作方式，面板使用方便、简单易于理解操作含义、容易上手，降低了对设备操作人员的技能要求，提高了生产效率；同时产品温升较低、产品抗震、产品安装方便，这些极大地增大了用户使用的便捷性，及产品的可靠性。

可以看出，本发明提供的大电流电磁起吊控制器的控制方式有操作面板、无线遥控器、预留rs422通讯数据监控三种。近距离可由操作面板设置参数和监控数据，操作面板采用按键开关，完成参数设置和调节，通过数码管进行电压、电流参数及故障代码的显示；无线操作使用锂电池作为电源，用433mhz射频通讯，无线数据通过串口和mcu交互，同时会更新操作面板的显示数据；预留rs422通讯数据监控，rs422是全双工通讯方式，发送数据和接收数据可以同时传输，抗干扰能力强，有效传输距离远，参照图5，mcu使用串口4，发送数据经过高速光耦u16隔离，发送数据txd为高电平，光耦输入级导通，光耦次级光敏三极管输出tx为低电平，r35为限流电阻，tx经过u21进行电平转换为422电平传输；接收数据先经过u20进行电平转换为ttl信号，rx经过高速光耦u17隔离，光耦次级输出rxd数据，送到mcu处理，从而实现了远程422通讯数据监控，u4为控制器的433mhz无线通讯模块，通过u4及外围电路与遥控器进行无线数据交互。

本发明还提供大电流电磁起吊控制器的控制方法，输入电源进行整流和滤波后形成高压直流，经igbt功率管组成的h桥回路输出可变的pwm波，通过改变h桥的输出方向和pwm值的大小，实现输出电压或电流的变化从而控制电磁磁盘，以达到起吊的功能要求；mcu控制模块采用参数设置以及霍尔传感器对输出量进行采集，通过内部电流采集反馈调节形成闭环系统，以稳定地输出设置的电流或电压，实现对磁盘的可靠控制。根据负载种类通过操作面板进行参数设置，比如输出电流、充磁延时时间、退磁时间、退次频率等，设置好后mcu将设置数据暂时存储在内部ram里；通过操作面板进行有线或遥控器进行无线操作，先通过方向键调整起吊的位置，通过“吸”“放”键进行起吊和放下操作。隔离模块对电源稳压模块的供电电源和信号传输进行电气隔离，保证了mcu控制模块、操作面板、通讯模块、433mhz无线模块、电流检测模块等低压控制部分可以正常工作，不会受到高压大电流的功率驱动模块带来的干扰。当执行“吸”动作时，控制器检测到按键信号，mcu按照预先设置的输出电流等参数调节输出pwm信号脉宽和启动时间、充磁维持时间，通过功率驱动模块增大驱动信号功率，并控制pwm值的方向和大小，从而控制电磁磁盘。mcu控制模块通过电流检测模块的霍尔传感器对实时输出电流值进行采集，反馈和输出电流信号比较，从而输出稳定的驱动电流，以达到正常起吊的功能要求。当执行“放”动作时，mcu按照预先设置的退磁时间、退次频率参数调节pwm信号的方向和大小，通过功率驱动模块增大驱动信号功率，使用电流检测模块采集实时输出电流值进行反馈比较，从而输出稳定的退磁释放电流，以达到正常释放的功能要求。电压检测模块用来检测输入电压是否在正常范围内。

遥控器通过rf433mhz无线通讯模块u4和控制器的无线模块进行无线控制，如图8所示，mcu芯片u1使用串口和无线模块进行数据交互；采用按键开关输入key4、key5控制磁盘吸起和释放，没有按键按下时，按键状态为高电平；按下按键，按键状态为低电平，当mcu检测到按键按下信号时，执行相关动作，同时对应指示灯点亮，d9为指示灯。另外遥控器可以完成参数设置和调节，参数方面具体可以设定充磁电压、退磁时间等多个参数。

若采样值在正常范围内，不做任何处理；当采样值超过过流保护阈值时，进行过流保护，操作面板上显示故障代码。

用户的负载材料常规的可以分为硬磁材料和软磁材料，主要是通过操作面板相关退磁参数的设置来调节实现所需的退磁曲线，退磁参数例如退磁时间、退磁频率、退磁延时时间等，从而调节磁滞回线中磁感应强度b和磁场强度h之间的比例关系。用户可以根据自己负载的不同，设定合适的相关退磁参数，即设定不同的时间对应不同的输出电压的大小和方向，来达到良好的退磁效果。通常大多数用户的负载是符合常规磁滞回线的，使用控制器出厂默认的退磁参数进行操作即可，少数用户需要根据实际负载对退磁参数进行调节。本发明根据不同材料的磁滞回线设计退磁曲线，即设定不同时间对应不同输出电压的大小和方向，在释放过程中控制器输出正反方向的衰减电压，直到输出为零，磁精度高达2g/cm2，同时很好地解决了以前剩磁大的问题。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。