专利名称：单片机控制的交流电动机制动器的制作方法
技术领域：
本发明属于电机电力拖动技术领域，具体地说是一种应用于电机控制系统的单片机控制的交流电动机制动器。
目前，成熟的交流电动机的制动方法有三种，再生制动，反接制动和能耗制动。而在要求系统能够准确停车，制动平稳、无冲击等特点时，能耗制动为首选。电动机能耗制动技术是成熟的，单片机控制技术也是成熟的，但采用单片机控制的电动机制动器的研制问题，却处于起步阶段。
国际技术状况检索结果，美国的摩托托尼公司生产的电子制动器，电机的制动方式为能耗制动，主电路采用四只晶闸管的全控桥式整流，核心控制采用87C751单片机，采用互感器取样的电流反馈形式，取样值经有效值对直流转换(RMS)集成电路转换后，送单片机处理，通常RMS集成电路采用AD536X，单是这个集成块，在国内市场约需人民币180元。
更为重要的是该产品不能适用各种接线方式下运行，其说明书中明确指出，该制动器如果用在双速，Δ-Y变换或降压启动的电机时，需作为附加条件与生产厂协商解决。
该产品的进口到岸价格是国产变频调速器价格的两倍，并高于同容量进口变频器的零售价。
在国内市场上出现的电子制动器，经实际观察，该制动器运行在电动机制动态为Δ接线方式时，无论机械转动惯量如何变化，其制动时间都是8秒。即使是电机2秒内停止转动，制动时间也是8秒。可以断定，电机在Δ接线方式制动状态下，没有测速功能；只要取样绕组有制动电压分量存在，这种制动器就只能工作在定时器状态下，按系统设定在最大制动时间制动，8秒是该系统的最大制动时间。
综上所述，电子类(或称单片机控制类)电动机制动器，大都能够实现取样绕组中没有制动电流状态下的速度检测。道理很简单，电机在Y接方式时，两相绕组通入直流，另一相绕组为取样绕组，取样绕组切割转子电流产生的磁力线，自然有代表速度信号的感应电势。电机在接方式时，电机几乎不可能取出中性点(或称公共端)，直流电压接到形的一个边，任取其余一边为取样绕组，制动时该绕组中不但有直流制动电压，而且还有自、互感电压存在，在原理实验时，电机轻载，制动时间短，捕捉信号难度大，发现信号特点更难。因此电机在接方式制动时，大都来采取回避或定时器工作方式。而机械转动惯量和磨擦阻力等是一变量，采用定时器方式不可能准确设定制动时间，欠设定达不到停车目的，过设定电机就发热。并且，Δ接线的电机在实际应用中数量不少。
本发明的目的是这样实现的它由主电路和带有单片机的控制电路组成，其特征在于控制电路为在单片机输入端口分别连接有电动机接线方式判别电路与速度信号分离电路、同步信号取样与电压负反馈电路、采用光电耦合器的触发电路、内外部继电器控制电路、电流与附加制动时间设定电路、用户指令输入电路；主电路为单相晶闸管半控桥式整流电路及控制电源电路、单相晶闸管半控桥式正流电路的晶闸管门极与触发电路的输出端相连。
本发明还包括单片机用户指令端口可以接收12～36V间的交、直流电压或符合该电压等级的脉冲信号。是使电动机制动器开始制动的依据。
上述的电动机接线方式判别电路与速度信号分离电路是指输入端连接在制动态的电动机任意一相取样绕组两个端点，取样绕组中有无制动电流，都能分离出电动机速度信息的电路。电动机接线方式判别电路与速度信号分离电路是指输入端连接取样绕组的两个端点，所采集的正半周尖脉冲电压信号转换成判别接线方式的矩形波信号为“1”时，经光电耦合器和电平转换电路接单片机；所采集的负半周信号转换成矩形波信号后成为Δ形制动态电动机转速的速度信号，经光电耦合器和电平转换电路接单片机。电动机接线方式判别电路与速度信号分离电路所采集的信号，正半周没有尖脉冲电压信号产生，判别接线方式的矩形波信号为“0”时，经光电耦合器和电平转换电路接单片机；所采集的信号本身转换成矩形波信号后成为Y形制动态电动机转速的速度信号。
本发明的单相晶闸管半控桥式整流电路是通过采用发光二极管与光激单、双向晶闸管封装的光电耦合器触发的；其中的两组光电耦合器的电源，是经电阻分压后以串联、互为反接的形式接于主电路半控桥式整流器的交流输入端，两组光电耦合器触发电路交替工作，分别触发与光电耦合器电源极性相同的晶闸管。
上述控制电路中的继电器数量为1-2只，可在控制电路上焊接、可内置于制动器中的可插拔继电器、也可给出接口电路，外接继电器。
控制电源输入端的电压等级与主电源电压等级相同为220V～600V，控制电源输入端可以设或也可以不设滤波装置。
本发明的单片机控制的制动装置，在电动机任何接线方式下，都具有速度控制功能。轻负载时，电机停、制动停。重负载时，还具备机械“防爬行”功能。
本发明的原理(
图1所示)接线方式判别与速度信号分离电路将电动机任意一相绕组的电压信号，送入本装置的输入端F1、F2，该信号的电压波形，分为两类，见图3、图4、判别电路将判定结果送单片机处理，当接线方为A类时，单片机从A口读入速度信号，反之从B口读入速度信号。A、B两端口的速度信号，是由F1、F2端的输入电压信号解调出来的，即将两种电压波形中代表电机转速的波形信号，通过具体电路分离出来，经整形和电平转换后送单片机分别处理。
同步与电压负反馈电路实践中发现，在单片机控制的触发电路中，将同步电路中串联一只可变电阻，可以控制移相触发。场效应管具有“动态电阻”的特性，因此将电压负反馈信号通过场效应管引入的同步电路，达到稳定输出电压的目的，反馈电路中的可调电阻，还具有设定制动电压给定值的功能。本电路虽简单，确很实用。
触发电路本电路是采用发光二极管与光激单、双向晶闸管封装的光电耦合器作为触发器，两路触发器的电源挂接在同一交流电源上，各自从分压电阻上分压，任意时刻它们的电压极性相反。当单片机发出触发指令时，承受正向电压的晶闸管其触发电路电源亦为正，该晶闸管能够触发导通；承受反压的晶闸管，其触发电路的电源为负，不具备触发条件。
通常只见过上述光耦用于触发双向晶闸管的报导，本电路的特点是，两组光耦采用同一电源，各自分压，交替工作，用于触发半控桥式整流器。
内外部继电器控制电路包括内/外部继电器控制电路，作用是单片机控制继电器的接通与关断，提供给用户一个接口。继电器安装方式分内置式和外挂式两种，内置式又分线路板上焊接和装置内安装两种，外挂式只提供功率接口，方便用户使用与维修。
电流与附加制动时间设定电路本发明的电流与附加制动时间设定电路、是采用开关以8421码的形式设定电流与附加制动时间，设定值送单片机处理。
用户接口电路，该电路输入端口是接收外部的交、直流12-36V的电平信号，或幅值为该电压等级的脉冲，作为制动信号，经隔离和电平转换后送单片机。
本机主电路采用晶闸管半控桥式整流电路。2)控制电路电源电压等级与主电路电压等级相同，不另设控制电源。3)单片机抗干扰能力强，控制电路电源输入端不接电源滤波器，4)有六个状态指示灯，分别为+5V、+24V。内/外部继电器1、内/外部继电器2上电状态指示。准备状态指示，本指示灯受控于单片机。当单片机上电进入内部自检时，准备指示灯亮，在完成内、外部自检并收到同步信号后，准备指示灯灭。此时用户控制指令信号有效；高低速指示该指示起初定义，是指双速电机在制动时是处于Δ形状态，还是处YY状态，其实质是测速时，取样绕阻中有否制动电流。有制动电流称之低速(对应电机Δ接线)或B类接线方式，没有制动电流称为高速(对应电机YY接线)或A类接线，作用是从感官上告诉调试者，装置本身能否判定不同的制动接线方式；六个状态指示灯还可以接成数码管的形式，以数字形式显示状态，更为直观。
下面将结合附图对本发明作进一步详细说明。
上述接线方式判别与速度信号分离电路制动状态下电机接线方式分两类见表1、A类表示取样绕组不含制动电流分量(表中1、2栏所示)；B类表示取样绕组含有制动电流(表中3-7栏所示)。即使同一型号电机，接线方式不同，制动电流也不能相同，因此必须加以区别。表1
接线方式判别电机接线方式判别电路是由二极管D2、R6、D3和光耦IC6组成，当电机制动时，由于不同的接线方式，在取样绕组上得到不同的电压波形，图3为B类接线，取样绕组中有制动电流分量，其电压波形典型特点是波中有一个幅值很高的(约80V)尖脉中信号；而图4为A类接线，取样绕组中不含制动电压的电压波形图，该图为近似正弦波，幅值大小约为20V(幅值大小与电机转速有关)，两者接线方式电压信号的主要差别是B类接线有一个80V的尖脉冲信号并且与速度无关；设定R6、D3的值，使IC6内部发光二极管在B类接线方式时导通，在A接线方式不导通，即可达到判别接线方式的目的。尖脉冲信号经D2半波整流后被分离出来，该信号使IC6内部发光二极管导通，IC6输出为低电平“0”状态，经反相器或施密特电路，得到信号“1”，设定单片机读到信号“1”后执行B类测速。反之为执行A类测速方式。
速度信号分离电路A类接线方式代表速度信号的物理量是近似正弦波的电压信号；B类接线方式代表速度的信号是图3负半周近似全波的电压信号。图5是B类接线方式电机转速为零时，取样绕组两端的电压波形。两图相比较，代表速度的电压波形，就更加清晰了。
A类测速电路由电阻R1、桥式整流器Q1、二极管D1、电容C1、R2及光耦IC5组成。该测速电路是将近似正弦波经电组R1降压，桥式整流，稳压管削波后；形成梯形波，电容C1是消除前述80V尖脉冲干扰用。梯形波经隔离、整形和电平转换后，成为矩形波，送单片机按A口处理。
B类测速电路，由R1、桥式整流器Q1中一个单臂二极管DA、C2、Ic2组成。前述，B类接线时，尖脉冲使DA正向导通(见图3)，DA上形成的只是二极管正向压降，当图3波形为负半周时，DA承受反向电压，该电压正是B类接线制动时代表电机转速的信号，在电容C2两端形成的电压波形见图6，该信号经处理成为矩形波，送单片机B口，为B类速度信号。B类速度信号分离的另一种实施方式的变形电路如图8所示，将D40阳极连接在F2端，将阴极连接在光耦上，D41阴极经或不经电阻接在F1端；上述电路可以将速度信号解调出来，使系统实现了速度闭环控制。
同步信号取样与电压负反馈电路本电路由整流桥Q2、场效应管Q3、C4、R11、R38、R39和IC3组成。从R38、R39组成的分压器上取出电压反馈信号加到Q3的G、S极之间；场效应管满足使G、S极电压UGS增加时，漏源极压降UDS增大，相当于在同步回路串联一个随反馈电压变化的“动态电阻”，使同步信号出现的时间与交流电过零的时间相对的后移，稳定输出电压。R39另一个作用是可以用来调整制动电流的初步设定。也就是说，使制动电压处于连续可调状态。增加灵活性。
在单片机控制系统中，对模拟量的处理大都是由A/D转换器，将模拟量转换成数字量后，由软件进行比较处理，其特点是精度高，软件开发量大，硬件成本增加，在要求不十分严格的情况下，分散管理各功能块，切实可行。
触发电路的组成详见图9，当交流电源正半周时，半控桥MFDQ(由T1、T2、D30、D31、D32组成)中的T1承受正向电压，具备导通条件，触发电路各原件上实际电压方向如图9所示。在检测到同步信号的某一时刻，单片机触发器端接口为“0”，IC9、IC10内部发光二极管导通，有否触发输出取决于触发器电源的极性；此时R29、C6上端为“+”，二极管D10正向偏置，R30上的电压极性左侧为“+”。满足T1导通的充要条件，此时二极管D9承受反相电压，R25上电压为零，T2管不具备导通条件。
另外，用户指令电路由D0、R7、R8、C3、IC4组成，其工作原理省略。电流与附加制动时间设定电路由组合开关ZK1、R32-R37组成。内外部继电器电阻R25、R26提供给G1正向偏置电压，G1导通，K1电磁线圈得电，外部接点工作；另一路IC8经电阻R19、R20提供给G2正向偏置电压，G2导通，K2电磁线圈得电，外部接点工作。另外还包括限流电阻R12、R13、R14R、R17、R18、R21、R26、R30；功能电阻R3、R4、R5、R9、R10。图2中的A、B、C、D、E、F为电平转换集成电路。
权利要求
1.一种用于电动机制动的单片机控制的电动机制动器，它由主电路和带有单片机的控制电路组成，其特征在于控制电路为在单片机输入端口分别连接有电动机接线方式判别电路与速度信号分离电路、同步信号取样与电压负反馈电路、采用光电耦合器的触发电路、内外部继电器控制电路、电流与附加制动时间设定电路、用户指令输入电路；主电路为单相晶闸管半控桥式整流电路及控制电源电路、单相晶闸管半控桥式正流电路的晶闸管门极与触发电路的输出端相连。
2.根据权利要求1所述的电动机制动器，其特征在于单片机用户指令端口可以接收12～36V间的交、直流电压或符合该电压等级的脉冲信号。
3.根据权利要求1所述的电动机制动器，其特征在于电动机接线方式判别电路与速度信号分离电路是指输入端连接在制动态的电动机任意一相取样绕组两个端点，取样绕组中有无制动电流，都能分离出电动机速度信息的电路。
4.根据权利要求1或3所述的电动机制动器，其特征在于电动机接线方式判别电路与速度信号分离电路是指输入端连接取样绕组的两个端点，所采集的正半周尖脉冲电压信号转换成判别接线方式的矩形波信号为“1”时经光电耦合器和电平转换电路接单片机；所采集的负半周信号转换成矩形波信号后成为Δ形制动态电动机转速的速度信号时经光电耦合器和电平转换电路接单片机。
5.根据权利要求1或4所述的电动机制动器，其特征在于电动机接线方式判别电路与速度信号分离电路所采集的信号，正半周没有尖脉冲电压信号产生，判别接线方式的矩形波信号为“0”时经光电耦合器和电平转换电路接单片机；所采集的信号本身转换成矩形波信号后成为Y形制动态电动机转速的速度信号。
6.根据权利要求1所述的电动机制动器，其特征在于同步信号取样与电压负反馈电路中设置有一场效应管，该场效应管的G、S端接到主电路直流电压的输出端上的分压装置上，该场效应管的D端接在桥式整流器的输出端，S端经电阻或直接接在光电耦合器上；桥式整流器的输入端与控制电路的电源变压器输出端并连。
7.根据权利要求1所述的电动机制动器，其特征在于单相晶闸管半控桥式整流电路是通过采用发光二极管与光激单、双向晶闸管封装的光电耦合器触发的；其中的两组光电耦合器的电源，是经电阻分压后以串联、互为反接的形式接于主电路半控桥式整流器的交流输入端，两组光电耦合器触发电路交替工作，分别触发与光电耦合器电源极性相同的晶闸管。
8.根据权利要求1所述的电动机制动器，其特征在于控制电路中的继电器数量为1-2只，可在控制电路上焊接、可内置于制动器中的可插拔继电器、也可给出接口电路，外接继电器。
9.根据权利要求1或6所述的电动机制动器，其特征在于电流与附加制动时间设定电路、是采用开关以8421码的形式设定电流与附加制动时间。
10.根据权利要求1所述的电动机制动器，控制电源输入端的电压等级与主电源电压等级相同为220V～600V，控制电源输入端可以设或也可以不设滤波装置。
全文摘要
一种用于电动机制动的单片机控制的电动机制动器，它由主电路和带有单片机的控制电路组成，技术要点是控制电路为在单片机输入端口分别连接有电动机接线方式判别电路与速度信号分离电路、同步信号取样与电压负反馈电路、采用光电耦合器的触发电路、内外部继电器控制电路、电流与附加制动时间设定电路、用户指令输入电路；主电路为单相晶闸管半控桥式整流电路及控制电源电路、单相晶闸管半控桥式正流电路的晶闸管门极与触发电路的输出端相连。本发明的单片机控制的制动装置，在电动机任何接线方式下，都具有速度控制功能。轻负载时，电机停、制动停。重负载时，还具备机械“防爬行”功能。
文档编号H02P3/18GK1442949SQ0311113
公开日2003年9月17日 申请日期2003年3月7日 优先权日2003年3月7日
发明者孙宝明, 孙大川, 杨风绵 申请人:孙宝明