专利名称：一种交直流两用电机控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电机数字控制和电力电子技术领域范畴，特别涉及一种基于微控制器 的电子交直流两用电机控制系统。
背景技术：
高压供配电系统中控制回路一般有DC220V，DC110V, AC220V, ACllOV几种不同的 电制，为了兼容交流和直流不同的电制，动作执行机构中广泛采用交直流两用电机作为执 行部件，用于推动高压开关动作实现高压开关的分闸与合闸。交直流两用电机实质上是一 种串励直流电机，它将直流电机的励磁(定子)绕组和电枢(转子)绕组串联在一起，使得电 机的旋转方向只与两绕组连接的同名端顺序有关，而与供电电压的正负无关。所以这种电 机既可以由交流电源供电运行也可以由直流电源供电运行。同时，这种电机还具有适于重 载启动的优点。当前对此交直流两用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，而且继电器和接 触器开关时会产生很大的电弧和电火花，电磁干扰严重，寿命受到继电器触点寿命的极大 制约。并且，继电器控制方式只能完成简单的开关控制，难以实现电机软启动、无级调速等 复杂功能，使得交直流两用电机的应用范围难以进一步扩展。
发明内容
随着技术的发展，特别是电力电子技术和微处理器技术的发展，以电力电子器件 作为无触点可控开关构成控制主电路，以数字微处理器作为控制核心，组成的基于微控制 器的电子式交直流两用电机控制系统，可使得在保证控制系统原有使用性能和所需技术参 数的同时，大大提高系统的使用寿命，消除开关电弧和火花，减小体积，并且可以提供全数 字通信的现场总线接口，实现现场总线远程监控。因此，在高压供配电系统的控制回路中， 可用此电子交直流两用电机控制系统取代传统的继电器控制系统。并且，电子交直流两用 电机控制系统可实现电机软启动、无级调速等复杂功能，可使交直流两用电机应用扩展到 更多领域。本发明所要求解决的技术问题可以通过以下技术方案来实现
一种交直流两用电机控制系统，包括主电路部分，IGBT驱动和保护电路部分，控制核心 部分，开关指令信号接口部分，运行状态输出部分；所述开关指令信号接口部分、运行状态 输出部分和控制核心部分连接，所述控制核心部分又依次连接IGBT驱动和保护电路部分、 主电路部分，最终连接到交直流两用电机上；其特征在于，所述主电路部分包括一单相全波 整流桥和一连在单相全波整流桥之后的交直流两用电机控制拓扑主电路；所述单相全波整 流桥包含四个整流功率二极管，第一整流功率二极管和第三整流功率二极管正负极串联， 第二整流功率二极管和第四整流功率二极管正负极串联，第一整流功率二极管正极和第二 整流功率二极管负极连接，第三整流功率二极管负极和第四整流功率二极管正极连接，外部电源的正负极分别连在第一整流功率二极管和第三整流功率二极管之间以及第二整流 功率二极管和第四整流功率二极管之间；所述交直流两用电机控制拓扑主电路包括五个 IGBT、三个功率二极管和一个继电器，第一 IGBT作为电机供电电源总开关，其集电极连接 第一整流功率二极管和第二整流功率二极管负极，发射极分别连接交直流两用电机电枢的 一端和第三功率二极管的负极，第一功率二极管正极和第二功率二极管负极均连接电枢的 另一端，第二功率二极管和第三功率二极管正极都与第三整流功率二极管和第四整流功率 二极管的正极连接，第二 IGBT的发射极和第四IGBT的集电极连接，第三IGBT的发射极和 第五IGBT的集电极连接，第二 IGBT的集电极和第三IGBT的集电极都与第一功率二极管负 极连接，第四IGBT和第五IGBT的发射极都和第二功率二极管、第三功率二极管的正极以及 第三整流功率二极管、第四整流功率二极管的正极连接，第一功率二极管的负极还连接制 动电阻的一端，制动电阻的另一端与继电器触点一端连接，继电器触点另一端连接在第一 IGBT的发射极上，发电机的励磁绕组的两端分别接在第二 IGBT和第四IGBT之间以及第三 IGBT和第五IGBT之间。所述IGBT驱动和保护电路部分包括两个光耦，一个IGBT封锁逻辑门电路芯片。微 控制器的的IGBT触发端口连接IGBT封锁逻辑门电路芯片的一个输入端，其另一个输入端 与第二光耦的光敏器件连接，其输出连接第一光耦的发光器件，实现IGBT硬件过流保护， 第二光耦的光敏器件还接至微控制器外部中断端口，以将IGBT过流信号传到微控制器，实 现软件过流保护处理。所述交直流两用电机控制系统还包括现场总线通信接口，所述现场总线通信接口 一端连接微处理器，另一端连接系统外部现场总线，用于实现现场总线通信。所述交直流两用电机控制系统还包括转速反馈接口，所述转速反馈接口 一端与微 处理器连接，另一端连接系统外部表达转速信息的增量型转速传感器，用于控制交直流两 用电机实现转速闭环控制。。本发明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 外部开关信号或现场总线接口接收控制指令，通过数字微处理器实时控制主电路各IGBT 的开关状态，改变连接电机的主电路的拓扑结构，从而实现正反转和启制动控制。通过对 IGBT开关实施脉宽调制(PWM)实现调速控制。对于需要转速闭环的交直流两用电机控制， 系统还提供转速反馈接口，用于转速检测，实现闭环功能。对于简单的开环控制此部分功能 不使用。系统的结构组成框图如图1所示。由于交直流两用电机可以采用交直流不同的供电方式运行，为了对交流和直流供 电采用同样的电路结构和控制方法，本控制系统采用全波整流桥把不同的外部交直流供电 方式先统一为内部的直流供电再来进行后续处理。这为本系统兼容交流与直流供电方式这 一特色和优点提供了简单但非常有效的解决方案。由于采用了如上的技术方案，本发明与现有技术相比，具有如下特点在保证控制 系统原有使用性能和所需技术参数的同时，大大提高系统的使用寿命，消除开关电弧和火 花，减小体积，并可实现电机软启动、无级调速等复杂功能，还可以提供全数字通信的现场 总线接口，实现现场总线远程监控。采用本电子交直流两用电机控制系统可使交直流两用 电机应用扩展到更多领域。
图1为交直流两用电机控制系统的结构组成框图。图2为交直流两用电机励磁绕组和电枢绕组两端按一种同名端顺序连接时电机 转向示意图。图3为改变图2所示交直流两用电机励磁绕组和电枢绕组同名端连接顺序时电机 转向示意图。图4为交直流两用电机控制系统的主电路结构图。图5为交直流两用电动机控制系统主电机构成的等效制动回路示意图。图6为IGBT的驱动和保护电路图。图7为交直流两用电机控制系统软件的总体流程图。图8为转速开环不调速型交直流两用电机控制系统电机控制有限状态机。图9为转速开环调速型交直流两用电机控制系统电机控制有限状态机。图10为转速闭环型交直流两用电机控制系统电机控制有限状态机。
具体实施例方式为了使本发明实现的技术手段、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，进一步阐述本发明。本发明以电力电子器件为主体构成交直流两用电机控制系统的主电路，通过对主 电路中不同电力电子开关进行通断控制，实现其拓扑结构根据电机不同的工作状态动态变 化，实现对交直流两用电机的控制。交直流两用电机的控制包括旋转方向(正反转)控制、起制动控制和调速控制。在 动作机构中用作伺服应用的的交直流两用电机制动一般采用能耗制动方式，故本控制系统 设计为能耗制动方式。交直流两用电机实质上是既可以用在直流供电场合也可以用在交流供电场合的 串励直流电机，其励磁(定子)绕组和电枢(转子)绕组串联在一起工作。当励磁绕组和电枢 绕组连接关系不变，而只有供电电流方向变化时，励磁绕组的磁场与电枢中的电流同时改 变方向，这样电枢绕组所受力的方向不变，所以旋转方向也不变。故交直流两用电机(串励 直流电机)的转向只取决于励磁和电枢两套绕组的同名端连接顺序，与供电的正负方向无 关。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，如图2、图3所示。交直流两用电机的能耗制动以制动电阻消耗转子动能从而及时制动停车。交直流 两用电机(串励直流电机)能耗制动采用自励方式，制动时切断电机供电，并将电枢绕组(或 励磁绕组)的两端对调，使励磁绕组和电枢绕组的同名端顺序反置，并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。本控制系统的主电路中在电源接入后首先采用单相全波整流桥，这样在交流供电
5时交流电经过整流桥变为直流供电，直流供电时电源连接可不分正负极性。为实现上述交直流两用电机控制的基本功能，本控制系统设计有简单而巧妙的主 电路。如图4所示。主电路在电源接入处首先采用第一整流功率二极管D01、第二整流功率二极管 D02、第三整流功率二极管D03、第四整流功率二极管D04构成单相全波整流桥，把外部交直 流不同的供电统一为内部的直流供电。当外部供电为交流时，此整流桥将其变为直流输出 到后续电路。此整流桥后的直流母线上没有像其他通常整流应用那样接入大电容滤波。其 原因是接入大电容滤波后，如果供电交流电压为电机额定电压，直流输出电压会超过该额 定值很多，这可能导致电机因电压过高而烧坏。当外部供电为直流时整流桥直接将外部供 电接入内部，不改变原来的供电特性。并且采用了整流桥，在直流供电时还有一个好处是外 部直流电源连接无需关心正负极性，任何一端为正都不影响内部供电的极性。整流桥后面是基于直流供电方式的交直流两用电机控制拓扑主电路。其中，第一 IGBT Tl作为电机供电电源总开关，第二 IGBT T2、第三IGBT T3、第四IGBT T4、第五IGBT T5按照一定规律导通和关断，实现电机励磁绕组1和电枢2的不同同名端连接顺序。当控制第一 IGBT Tl、第二 IGBT T2、第五IGBT T5导通，而第三IGBT T3、第四 IGBT T4关闭，同时继电器Kl输出开路时，供电电流串行流经第一 IGBT Tl、电枢2、第一功 率二极管D1、第二 IGBT T2、励磁绕组1和第五IGBT T5，并且在电枢2中电流从Al端流入 A2端流出，在励磁绕组1中电流从Il端流入12端流出，此时主电路的等效连接电路如图 2，此时交直流两用电机正向运转。第二功率二极管D2、第三功率二极管D3承受反向电压均 处于截止状态。当控制第一 IGBT Tl、第三IGBT T3、第四IGBT T4导通，而第二 IGBT T2、第五IGBT T5关闭，同时继电器Kl输出开路时，供电电流串行流经第一 IGBT Tl、电枢2、第一功率二极 管D1、第三IGBT T3、励磁绕组1和第四IGBT T4，并且在电枢2中电流从Al端流入A2端流 出，在励磁绕组1中电流从12端流入Il端流出，此时主电路的等效连接电路如图3，此时交 直流两用电机反向运转。第二功率二极管D2、第三功率二极管D3承受反向电压均处于截止 状态。当交直流两用电机处于正向运转状态时，如果控制第一 IGBT Tl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2上形成Al端为正A2端为负的电动势，如 果此时不改变其他IGBT原来的开关逻辑状态，但控制继电器Kl闭合，则由电枢电动势产 生的电流先后流经制动电阻3、第二 IGBT T2、励磁绕组1、第五IGBT T5和第二功率二极管 D2，返回A2端。此时，在电枢2中电流从Al端流出A2端流入，在励磁绕组1中电流从Il 端流入12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1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，交直流两用电机迅速从正转状 态进入制动状态，最终停车。此电流回路构成正向制动回路，主电路的等效连接电路如图5 所示。此时由于第一功率二极管Dl负极电压高于正极电压，所以处于截止状态，而第二功 率二极管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，如果控制第一 IGBT Tl关闭，其他 IGBT状态与反转时相同，第三IGBT T3、第四IGBT !"4导通，第二 IGBT T2、第五IGBT T5关 闭，同时控制继电器Kl闭合，则主电路可构成反向制动回路使交直流两用电机迅速从反转状态进入制动状态，最终停车。停车状态时只要一直保持第一 IGBT Tl关闭即可。对电机的调速控制通过对主电路第一 IGBT Tl开关以脉宽调制(PWM)方式进行高 频开关控制，使第一 IGBT Tl的输出平均值(即加在交直流两用电机上的电压)为第一 IGBT Tl前面直流电压乘以脉宽调制的占空比。占空比越小，加在电机上的平均电压也就越小， 电机转速越低，极端情况占空比为零，则第一 IGBT Tl完全关断，没有电压加在电机上，电 机不转；占空比越大，加在电机上的平均电压也就越大，电机转速越高，极端情况占空比为 100%，则第一 IGBT Tl—直开通，全部直流电压加在电机上，电机以最高转速运行。因此，改 变控制第一 IGBT Tl的占空比即实现对电机以调压方式调速。当控制系统在对交直流两用电机进行启动时，电机转子转速很小，其电枢中的反 电动势也就很小，所以启动电流很大，可能烧毁IGBT。为了减小启动电流的冲击，对第一 IGBT Tl并不是立即以全速下的占空比进行脉宽调制开关控制，即不是立即把全速时的电 压加在电机上，而是先从极低的占空比开始实施脉宽调制控制，并随着转速上升，逐步加 大，最终达到全速下的占空比，进入全速运行状态。这样实现交直流两用电机的软启动功 能。此交直流两用电机控制系统的主电路是实施交直流两用电机控制的基础，系统其 他部分无论采用什么型式，什么软件算法和控制策略都是基于该主电路的拓扑结构和结构 的动态变化。此主电路中所采用的IGBT在某些场合也可由其他电力电子开关器件取代，但 本质和作用都没有差别。IGBT的控制信号由微处理器以开关量方式给出，为保证弱电部分的安全可靠，控 制电路与主电路需要在电气上进行隔离，故控制信号经过光耦1、触发保护芯片3对IGBT 进行隔离驱动触发，如图6所示。由于P沟道IGBT —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，故为适应不同场合应用，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”处于不断浮动变化中，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，其中第一 IGBT Tl、第二 IGBT T2、第二 IGBT T3驱动供电各采用一路独立的隔离输出，第四IGBT T4、第五IGBT T5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。IGBT之类的电力电子开关在过流时非常容易烧坏，所以要对IGBT需要进行过流 保护。因为IGBT在电机处于通电运转状态时才可能过流，而此时从系统主电路来看，第一 IGBT Tl与其他IGBT在导通时形成串联关系，且第一 IGBT Tl起到总开关作用，流经所有导 通的IGBT电流均相同，故系统中所采用的IGBT都可以选择为同样规格。IGBT正常工作时 处于饱和状态，其集电极C和发射极E间的电压VCE很小，而当IGBT过流时，会退出饱和， VCE增大到超过一个固定电压值(一般为6. 5V)。本系统的IGBT保护由过流检测和保护实 施两部分实现。过流检测采用判断VCE是否超过6. 5V来实现。但VCE超过6. 5V有两种情 况导通时过流，或处于关断状态。所以，判断过流与否还要看IGBT是否处于导通状态，这 通过栅极控制电压的高低电平来判断。将VCE是否超过6. 5V和栅极控制电压高低两个逻 辑通过与门(AND)生成高电平有效的过流信号。由于IGBT导通时存在串联关系，并且均为
7同一规格，所以检测其中一个是否过流即可，又因为无论电机运行方向如何第一 IGBT Tl总 是导通工作的，所以过流信号通过对第一 IGBT Tl进行检测获得。保护实施部分根据过流 信号实施对IGBT的保护。过流信号经过光耦2隔离作为连锁保护信号进入系统控制电路 部分。该信号作用于第一 IGBT Tl的栅极控制信号，在第一 IGBT Tl过流时对其实施关断 保护。IGBT栅极控制信号由该信号和微控制器对IGBT的控制端口经与非门(NAND)后生 成，IGBT栅极控制信号低时IGBT导通，如果过流则连锁保护信号为低，此时无论微控制器 对IGBT的控制端口是高或低，经过与非门产生的IGBT栅极控制信号均为高，IGBT被强制 关断，起到保护作用；同时该连锁保护信号也引入微控制器的外部中断接口，以通知微控制 器过流发生，便于微控制器进行软件保护处理。本系统的方案对于过流保护单纯通过硬件 互锁保护即可实现，软件保护处理根据实际情况和不同要求可选。本交直流两用电机控制系统可以通过开关指令接口获得控制指令，通过运行状态 输出指示当前的运行状态。控制指令包括正向运行、反向运行、制动停车和运行允许四个开 关量信号。对于可调速的应用还有模拟电压信号，提供转速参考输入；而无须调速场合则没 有此转速给定部分，运行时转速固定，不能改变，此转速对应的主电路第一 IGBT Tl占空比 在软件中预先设置。开关量信号通过光耦隔离输出到微处理器的输入输出端口，由微处理 器进行开关信号采集。模拟量信号根据具体要求直接连接或通过线形光耦隔离输出到微处 理器的模数转换器端口，由微处理器进行模拟量采集。开关量信号根据应用不同有低电压 直流24V和高电压交直流110-220V两种类型，信号以有电和无电表示开关状态。这两种类 型接口的不同在于光耦输入部分串接的限流电阻值。对直流24V类型的信号，开关指令接 口部分提供一个24V隔离供电，将光耦输入侧供电端连接其上，信号即可以触点形式使用。 同时，光耦采用输入端为双向发光二极管的光耦，并在输出端连接滤波电容，使交流信号有 电状态时输出为稳定的低电平，基本没有交流纹波，与直流信号输入时一致，从而兼容交流 或直流的开关信号输入。形成实际的控制器产品时，根据具体情况采用不同配置的接口方 式，无论哪种方式此部分的功能与基本形式相同。正向运行、反向运行用于给控制系统发出 正向或反向启动运行指令，制动用于发出制动停车指令，运行允许是此控制系统的使能信 号，只有此信号有效控制系统才工作，否则控制系统不工作，电机处于停止状态。此信号可 用于多台电机运行的互锁。运行状态输出是将交直流两用电机当前所处的状态(运行、停止)以继电器触点形 式输出，以实现状态指示或用于多台电机的运行互锁或机械抱闸机构的连锁控制。将一个 交直流两用电机控制系统的运行状态输出信号接到另一个控制系统开关指令接口部分的 使能信号端，即可实现电机运行的互锁保护，这在高压开关动作执行机构中应用广泛。为兼 容不同逻辑的互锁操作，运行状态输出同时提供常开常闭两套触点，实际使用中可灵活选 取。为在需要通过现场总线进行监控的场合使用，本交直流两用电机控制系统提供了 可以选的现场总线通信接口，通过此接口可以进行现场总线通信，接收控制站的操作指令， 并将系统状态和报警等信息发到其他站点。具有现场总线接口部分的交直流两用电机控制 系统可以实现全数字化远程监控，使用更加灵活。具体的现场总线类型根据实际情况选定， 一般有RS-485，CAN等多种。接入现场总线后，每个站需要一个可设置的地址，故现场总线 接口还提供拨码开关完成地址设置。拨码开关的开关信号接至微处理器输入端口，由其检测获得。对于具有现场总线接口的交直流两用电机控制系统，其微处理器软件中也有对相 应现场总线进行处理的程序部分。在需要转速闭环控制的应用中，本电机控制系统提供了转速反馈接口，支持增量 型编码器转速反馈信号。系统采集增量脉冲编码，用软件程序求取实际转速值，与转速给定 进行比较，比较所得差值经过软件PID运算获得控制信号，再将控制信号转化为与之成正 比的主电路第一 IGBT Tl的占空比，作用于主电路从而控制电机达到给定转速。从计算转 速到获得占空比均由微处理器软件实现。转速反馈硬件接口则实现将编码器输出脉冲变为 微处理器可以直接采集的TTL电平。编码器输出一般为10-30V电平信号，此接口通过高速 光耦将该信号隔离转换成与之同步的TTL电平信号，接到微处理器的脉冲捕获端口或外部 中断端口，由微处理器通过脉冲计数计时用软件程序来计算转速。本交直流两用电机控制系统的核心是数字微处理器，它通过软件程序，完成整个 控制系统的运行。微处理器是根据实际应用的不同要求和不同系统配置选用的，需满足处 理速度要求、输入输出端口数量、不同配置所需的特殊接口资源(如包含现场总线接口的系 统配置需要微处理器集成或可以方便扩展相应现场总线接口)，可以是8位微处理器、16位 微处理器或32位微处理器，也可以是专用的数字信号处理器(DSP)，带有复杂现场总线通 信且控制质量要求更高的场合还可以采用多处理器来实现。交直流两用电机控制系统的微处理器软件总体流程如图7所示，除去系统上电之 初的初始化部分，其余任务无限循环执行，直至断电。系统初始化完成要使用的微处理器内部各部件(CPU，时钟，输入输出端口等)以及 外围设备的初始化，为系统运行做好准备。进入工作循环后，首先检测开关指令端口，扫描 各端口状态获得外部操作指令暂存到程序的变量中，为后面电机控制准备好数据。对于配 置中有调速功能的系统，接下来对转速给定的电压模拟信号进行模数转换，获得转速给定， 为后面调速准备数据。此部分仅包含在可调速的系统配置中，无此功能的配置则不需要这 部分程序。对于配置中带有现场总线接口功能的系统，接下来处理现场总线通信协议栈，完 成现场总线数据的收发，接收通过现场总线发来的控制指令等信息，并将系统的状态等信 息发送出去。此部分仅包含在带有现场总线接口能力的系统配置中，无此功能的配置不需 要这部分对应的程序。然后程序开始执行真正对电机控制的部分，因为系统不同的配置涉 及到不同的控制方法和算法，所以该部分程序依据系统具体配置功能的不同而不同。完成 一个循环周期中的电机控制后，程序将电机现在所处的状态(运行或停止)以状态输出继电 器的触点状态来表达，即根据电机当前状态驱动状态输出继电器的通断。这样完成一个工 作循环，之后转到检测开关指令端口，执行新一个周期的工作循环。对于转速开环、不调速型的交直流两用电机控制系统，上述流程图中的电机控制 部分以7状态的有限状态机方式实现，某个时刻系统总处于7个状态中的一个。如图8所 示。当某个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，状态切换时微控制 器按照新状态的要求控制IGBT和继电器的通断，使主电路拓扑结构发生相应变化。系统在 上电初始化完成后，处于“停车”状态，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，按照预设增量从零逐渐增大第一 IGBT Tl的占空比，最终达 到预设的额定占空比(最大可以为100%)，而进入全速运行状态。当系统处于“正向制动”或 “反向制动”状态时，微控制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，此状态中微控制器不再响应外部操作信号，直至达到 预设的制动时间，进入“停车”状态。对于转速开环、调速型的交直流两用电机控制系统，电机控制部分也以7状态的 有限状态机方式实现，某个时刻系统总处于7个状态中的一个。如图9所示。当某个指令 开关信号有效时，按照有限状态机进行相应的状态切换，状态切换时微控制器按照新状态 的要求控制IGBT和继电器的通断，使主电路拓扑结构发生相应变化。系统在上电初始化完 成后，处于“停车”状态，控制电机正向或反向启动时，进入“正向稳定运行”或“反向稳定运 行”状态，当速度给定变化时进入相应的“正向变速”或“反向变速”状态。在变速状态中， 按照预设增量增大或减小第一 IGBT Tl的占空比，直至第一 IGBT Tl占空比达到新速度给 定对应的占空比后又重新进入稳定运行状态；如果在变速状态转速给定又发生变化则系统 仍然处在变速状态按最新的速度给定改变占空比直至进入稳定运行状态。当系统处于“正 向制动”或“反向制动”状态时，微控制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，此状态中微控制器不再响应外部操作信号， 直至达到预设的制动时间，进入“停车”状态。对于转速闭环型的交直流两用电机控制系统，电机控制部分以5状态的有限状态 机方式实现，某个时刻系统总处于5个状态中的一个。如图10所示。当某个指令开关信号 有效时，按照有限状态机进行相应的状态切换，状态切换时微控制器按照新状态的要求控 制IGBT和继电器的通断，使主电路拓扑结构发生相应变化。系统在上电初始化完成后，处 于“停车”状态，控制电机正向或反向启动时，进入“正向运行”或“反向运行”状态，在此状 态下按照速度给定值采用闭环PID算法改变第一 IGBT Tl占空比从而调节电机的转速，力 图使电机的实际转速和给定转速相同。此动态调速过程一直进行，故在运行状态中系统一 直处在动态过程，不像开环系统控制那样存在稳定状态。当系统处于“正向制动”或“反向 制动，，状态时，微控制器控制主电路构成相应的制动电路，直至检测到电机转速变为零，进 入“停车”状态。在制动状态中控制器不响应外部开关信号。交直流两用电机控制系统是一个交直流两用电机控制平台，其中的现场总线接 口、转速反馈、模拟转速给定均为可选部分，开关指令信号接口可以选择为低电压DC 24V 信号模式、高电压DC或AC 110-220V信号模式，或混合模式。根据具体应用场合灵活增减 和配置这些硬件部分及相应软件部分、灵活选择微处理器，并针对不同功率等级的电机采 用不同容量的主电路元器件，可以衍生出一系列交直流两用电机控制器产品。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术 人员应该了解，本发明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 发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明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发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其 等同物界定。
权利要求
1.一种交直流两用电机控制系统，其特征在于，包括主电路部分，IGBT驱动和保护电 路部分，控制核心部分，开关指令信号接口部分，运行状态输出部分；所述开关指令信号接 口部分、运行状态输出部分和控制核心部分连接，所述控制核心部分又依次连接驱动和保 护电路部分、主电路部分，最终连接到交直流两用电机上；所述主电路部分包括一单相全波 整流桥和一连在单相全波整流桥之后的交直流两用电机控制拓扑主电路；所述单相全波整 流桥包含四个整流功率二极管，第一整流功率二极管和第三整流功率二极管正负极串联， 第二整流功率二极管和第四整流功率二极管正负极串联，第一整流功率二极管负极和第二 整流功率二极管负极连接，第三整流功率二极管正极和第四整流功率二极管正极连接，外 部电源的正负极分别连在第一整流功率二极管和第三整流功率二极管之间以及第二整流 功率二极管和第四整流功率二极管之间；所述交直流两用电机控制拓扑主电路包括五个 IGBT、三个功率二极管和一个继电器，第一 IGBT作为电机供电电源总开关，其集电极连接 第一整流功率二极管和第二整流功率二极管负极，发射极分别连接交直流两用电机电枢的 一端和第三功率二极管的负极，第一功率二极管正极和第二功率二极管负极均连接电枢的 另一端，第二二功率极管和第三功率二极管正极都与第三整流功率二极管和第四整流功率 二极管的正极连接，第二 IGBT的发射极和第四IGBT的集电极连接，第三IGBT的发射极和 第五IGBT的集电极连接，第二 IGBT的集电极和第三IGBT的集电极都与第一功率二极管负 极连接，第四IGBT和第五IGBT的发射极都和第二功率二极管、第三功率二极管的正极以 及第三整流功率二极管、第四整流功率二极管的正极连接，第一功率二极管的负极连接制 动电阻的一端，制动电阻的另一端与继电器触点一端连接，继电器触点另一端连接在第一 IGBT的发射极上，发电机的励磁绕组的两端分别接在第二 IGBT和第四IGBT之间以及第三 IGBT和第五IGBT之间。
2.如权利要求1所述的一种交直流两用电机控制系统，其特征在于，所述IGBT驱动和 保护电路部分包括两个光耦，一个IGBT封锁逻辑门电路芯片，微控制器的IGBT触发端口连 接IGBT封锁逻辑门电路芯片的一个输入端，其另一个输入端与第二光耦的光敏器件连接， 其输出连接第一光耦的发光器件，实现IGBT硬件过流保护，第二光耦的光敏器件还接至微 控制器外部中断端口，以将IGBT过流信号传到微控制器，实现软件过流保护处理。
3.如权利要求1或2所述的一种交直流两用电机控制系统，其特征在于，所述交直流两 用电机控制系统还包括现场总线通信接口，所述现场总线通信接口 一端连接微处理器，另 一端连接系统外部现场总线，用于实现现场总线通信。
4.如权利要求1或2所述的一种交直流两用电机控制系统，其特征在于，所述交直流两 用电机控制系统还包括转速反馈接口，所述转速反馈接口 一端与微处理器连接，另一端连 接系统外部表达转速信息的增量型转速传感器，用于控制交直流两用电机实现转速闭环控 制。
5.如权利要求3所述的一种交直流两用电机控制系统，其特征在于，所述交直流两用 电机控制系统还包括转速反馈接口，所述转速反馈接口 一端与微处理器连接，另一端连接 系统外部表达转速信息的增量型转速传感器，用于控制交直流两用电机实现转速闭环控 制。
全文摘要
本发明公开的一种交直流两用电机控制系统，以电力电子器件IGBT作为无触点可控开关构成控制主电路，以数字微处理器作为控制核心，组成的基于微控制器的交直流两用电机控制系统。控制主电路首先采用四个功率二极管构成单相全波整流桥，把外部交直流不同的供电统一为内部直流供电。整流桥后面是交直流两用电机控制拓扑主电路。该控制拓扑主电路中的IGBT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，从而使电机正、反向运转或正、反向制动。本发明大大提高系统的使用寿命，消除开关电弧和火花，减小体积，可以实现交直流两用电机软启动、无级调速等复杂功能，本发明还可提供全数字通信现场总线接口，实现现场总线远程监控。
文档编号H02P1/16GK102075140SQ201110025268
公开日2011年5月25日 申请日期2011年1月24日 优先权日2011年1月24日
发明者陈巨涛 申请人:上海海事大学