专利名称：模块式直流电机调速器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于直流电机调速器，特别涉及一种模块式结构的直流电机调速器。
现有的直流电机调速器一般由金属箱体、安装在箱体内的控制电路板及变压器，安装在箱体后部的功率元件(如可控硅等)以及安装在箱体面板上的开关和调整元件组成，不追求体积、重量等指标，存在以下缺点及局限1.体积大、笨重，安装使用不便；2.不能和被控直流电机组合为一体以实现机电一体化；3.在对多台直流电机实现群控和联动时，整个控制装置更显得庞大复杂。
中国专利ZL92227500.9指出了上述问题并提出了解决方案，其调速控制器采用无变压器直耦式移相触发电路，此种结构虽能减小体积，但却存在以下不足1.由于电路结构和触发方式的限制，无法获得良好的低速特性；2.由于供电方式的限制，它不具备高低压隔离功能，调速给定元件上带有高压，给使用带来了不便；3.其适用范围为微型或分马力直流电机，应用范围受到限制。
本实用新型的目的在于克服现有技术不足，提供一种模块式直流电机调速器，它不仅体积小、重量轻，而且功能完善，应用范围广，安装使用方便。
本实用新型的目的是通过电路及结构设计来实现的。特别是在结构布局上，本实用新型以一块主印制板为核心，电源、控制及驱动电路的电子及电器元件的安放采用立体结构布局，以此构成模块式直流电机调速器的主体部分，将调速器的主体部分封装在一个装有作为输入和输出控制信号用的航空插座、装有用于连接调速器与电机和电源的接线端子并至少开有一个用于安放PID适配器的窗口及两个用于调整堵转电流和上限速度电位器的小孔的外壳中构成直流电机调速模块。该模块被固连在一个视被控对象的容量而选定的散热器上。用于调节比例常数、积分常数及微分常数的元件被安装在一块装有插针的印制板上构成PID适配器；在调速器主体部分与安放PID适配器的窗口相对应的地方装有连接PID适配器的插座；PID适配器可经外壳的窗口处插入调速器主体部分上的PID适配器插座或拔出。视被控对象的容量选择相应的驱动元件、散热器及电流传感方式，视被控对象的特性匹配PID适配器的各元件参数，本实用新型即可适用于各种不同容量的电机。
为了更好地实现发明目的，调速器的主体结构布局及其与外壳和散热器的组装最好采用以下方式1.印制板分为主印制板、接口板和备用功能扩展板，接口板和备用功能扩展板垂直安装在主印制板背面的两侧。
2.电源变压器嵌放在主印制板端部的方孔中；高度较高的元件贴近电源变压器的端部安放于主印制板的背面；高度较低的元件安放在主印制板的正面，驱动元件安放在主印制板背面的剩余空间中；接口元件(如与计算机接口的光电耦合器、与测速发电机接口的速度变换器等)安放在接口板上。
3.主体部分与外壳和散热器组装时，驱动元件的散热面与外壳的底面平行且略高于外壳底面，驱动元件的散热面与散热器平整紧密地接触。
本实用新型的具体结构及电路由以下的实施例及附图给出。
图1是根据本实用新型所提出的模块式直流电机调速器的一种外形结构图；图2是根据本实用新型所提出的模块式直流电机调速器主体部分的立体布局图3是表明主体部分结构的主视图；图4是表明主体部分结构的侧视图；图5是表明主体部分结构的俯视图；图6是PID适配器的一种结构图；图7是根据本实用新型所提出的模块式直流电机调速器的一种电路框图；图8是比较触发器中的触发电路的一种电原理图；图9是电流变换器的一种电原理图；图10是电压变换器的一种电原理图；图11是速度变换器的一种电原理图；图12是低压直流电源的电原理图。
以下结合
本实用新型的具体结构。
本实施例中的模块式直流电机调速器，其外形结构如图1所示；电源电路、控制电路及驱动电路中的电子电器元件以主印制板为核心形成的立体布局方式如图2、图3、图4、图5所示。外壳1为矩形盒，其上安装有作为输入和输出控制信号用的航空插座3、连接调速器与电机及电源用的接线端子12、开有一个用于安放PID适配器的窗口2、两个用于调整堵转电流整定电位器DWQ1及上限速度整定电位器DWQ2的小孔11，外壳1连同封装在其中的调速器主体部分与散热器4组装成一体。接口板7和备用功能扩展板8安装在主印制板背面的两侧，电源变压器10嵌放在主印制板端部的方孔中，高度较高的元件(如低压直流电源中的电容C121、C122、C127、整流桥ZLQ等)贴近电源变压器的端部安放于主印制板的背面，高度较低的元件安放在主印制板的正面，驱动元件9(可控硅或可控硅模块)及用直径2毫米的康铜丝制作的采样电阻R0安放于主印制板背面的剩余空间，与测速发电机TG接口的速度变换器安放在接口板上。外壳1及封装在其内的调速器的主体在和散热器4组装时，使驱动元件9的散热面与散热器4平整紧密地接触。PID适配器5的结构如图6所示，它为一个集中安放调整电路比例常数积分常数和微分常数的元件的小板，其上带有插针13，可以象一个厚膜集成电路一样从外壳1的窗口2处插入调速器主体部分上的插座14或拔出。两个用于调整堵转电流和上限速度的电位器DWQ1、DWQ2安装在调速器的主体上，并通过外壳上的小孔11进行调整。
本实施例为一单相不可逆多环自动调速系统，其电路结构框图如图7所示。该实施例包括低压直流电源电路PW、控制电路及驱动电路。控制电路可根据被控对象的不同特征包括给定积分器GI、速度调节器ST、速度变换器SB、电流电压调节器LYT、电流变换器LB、电压变换器YB、比较触发器BC中的部分或全部；驱动电路为一个四单元半控桥模块。
低压直流电源电路的电原理图如图12所示。作为本实用新型的发明点，电源变压器10上设置了一个独立的辅助电源绕组用来为电流变换器LB供电，以实现隔离变换。
控制电路中，构成本实用新型特征的电路结构及原理如下比较触发器BC中的触发电路的电原理图如图8所示，由NE555及电阻R81、R82，电容C81、C82、C，二极管D81等外围电路和脉冲变压器MB组成，NE555的输出经电容C与脉冲变压器MB耦合。由于电容C的作用，消除了触发电路带给电源的附加直流损耗，并使加到可空硅SCR触发极的信号变成尖脉冲，在保证可控硅SCR所需触发能量的同时降低了触发电路的功耗。实验表明，采用上述电路后，可用导磁率为4000、外径Φ10毫米、内径Φ6毫米、高5毫米的磁环制作脉冲变压器，脉冲变压器的初级约为100匝，次级约为30匝，触发电路的平均工作电流小于30毫安，却能可靠地触发100安的可控硅。将脉冲变压器MB靠近被其触发的可控硅的控制极粘结封固并将其输出端焊接到可控硅的控制极上，可使触发极具有极高的抗干扰能力且脉冲变压器MB不占据印制板空间。
电流变换器LB的电原理图如图9所示，它由辅助电源电路、采样电阻R0及信号放大和处理电路组成。电源变压器(10)上的独立辅助电源绕组的输出经二极管D91、电容C91、电阻R91、稳压管WD91、WD92组成的辅助电源电路产生正负电源向信号放大和处理电路供电；信号放大和处理电路由放大器Q91B、比较器Q91A、光电耦合器Q92A、Q92B及外围电阻电容组成。
采样电阻R0串联在电枢回路中，R0两端与电枢电流成正比的电压信号经放大器Q91B放大后通过光电耦合器Q92A向电流电压调节器LYT提供电流正反馈信号和限制堵转电流的负反馈信号，堵转电流的值由电位器DWQ1经外壳上的小孔11设定，负电源经过电阻R98、R99分压后向光电耦合器Q92A的输入端提供一个平衡其二极管正向压降的负偏置电压，以消除电流反馈的死区电压，避开光电耦合器在小电流工作时的非线性。
当被控直流电机经辅助换向电路实现双向运行时，电压比较器Q91A的输出信号经光电耦合器Q92B隔离后向辅助换向开关电路提供一个用以实现“零”电流换向的“控制开关”，当电枢电流大于一定值时禁止换向电路切换，辅助换向开关的下限切换电流由电阻R95和R96的比例决定。当本实用新型的电路及结构用于大中容量系统时，可用霍尔电流变换器对电枢电流进行采样，其属常规技术。
电压变换器YB的电原理图如图10所示。电压变换器YB由隔离采样电路和信号缓冲电路组成。信号缓冲电路由运算放大器Q102A、电容C101、电阻R102、R104组成；隔离采样电路由光电耦合器Q101A、Q101B、电阻R101、R103组成。光电耦合器Q101A和Q101B的输入端反向并联。电枢电压经电阻R101转换成光电耦合器的输入电流，与光电耦合器的输入电流成比例的输出电流经R103转换成输出电压信号，该输出电压信号经运算放大器Q102缓冲后作为电压负反馈信号送到控制电路的电流电压调节器LYT。
速度变换器SB的电原理图如图11所示。速度变换器SB采用了一种由运算放大器构成的精密整流电路，这样可实现不依赖电机旋转方向的速度负反馈，且可消除普通二极管整流所引起的反馈电压死区。测速发电机TG的输出信号经速度变换器SB变换后送给速度调节器ST，调速器的上限速度由电位器DWQ1经外壳上的小孔11设定。
框图中的给定积分器GI、速度调节器ST、电流电压调节器LYT等相关电路为常规技术。
本实施例所给出的模块式直流电机调速器的体积在不含散热器时为50毫米×75毫米×100毫米；适当选择驱动元件，其适应功率范围为数十瓦至数千瓦；调速比可达100∶1；堵转电流及上限速度可经外壳1上的小孔通过调节相应的电位器而任意设定。
本实施例中的比较触发器BC中的触发电路、电流变换器LB、电压变换器YB和速度变换器SB的具体电路结构还可用于单相可逆多环自动调速系统及其它类型的直流调速系统中。
驱动元件采用三相全控或半控桥模块，利用本实施例中的结构及电路组合，本实用新型还适用于三相可逆及不可逆多环自动调速系统。
采用以单片机为核心的控制电路和本实用新型所提出的结构布局及相关电路组合，本实用新型还可构成模块式智能数字直流电机调速器。
本实用新型所提出的模块式直流电机调速器同样适用于调压、调功等场合，例如可用于控温加热系统、滑差电机调速等。
本实用新型不限于上述实施例；其保护范围由权利要求书确定。
本实用新具有以下优点1.电源、控制及驱动电路采用立体结构布局，有效地利用了空间减小了体积。
2.触发电路的结构增加了触发可靠性，降低了触发电路的功耗，为电源变压器和脉冲变压器的小型化奠定了基础；脉冲变压器的安装方式增强了可控硅控制极的抗干扰能力，且不占据印制板空间。
3.采用光电耦合器实现电流和电压的隔离变换，简化了电路结构，减小了体积、降低了成本。
4.采用精密整流电路作速度变换器，可实现不依赖电机旋转方向的速度负反馈并消除了普通二极管整流所引起的反馈电压死区，增加了调速器与各类测速发电机接口的灵活性。
5.将需要依据被控对象而调整的元件统一安装在PID适配器上，增加了调试灵活性及调速器的通用性，简化了调速器的制作工艺。
6.体积小(普通直流电机调速器的1/5-1/10)，重量轻(普通直流电机调速器的1/10-1/20)；可独立使用，又可直接安装在直流电机上构成一种全功能一体化直流调速电机。
权利要求1.一种模块式直流电机调速器，包括电源电路、控制电路、驱动电路、外壳(1)，其特征在于还包括调整电路比例常数、积分常数和微分常数用的PID适配器(5)及散热器(4)，外壳上装有作为输入和输出控制信号用的航空插座(3)及连接电机与电源用的接线端子(12)，至少开有一个安放PID适配器的窗口(2)和两个用于调整堵转电流整定电位器DWQ1和调整上限速度整定电位器DWQ2的小孔(11)，各电路中的电子及电器元件围绕着印制板形成立体结构布局构成调速器的主体部分，将主体部分封装在外壳(1)中构成直流电机调速模块，该模块与散热器(4)固连，PID适配器(5)从外壳(1)的窗口(2)处插入安装在调速器主体部分的连接插座14上或拔出。
2.根据权利要求1所述的模块式直流电机调速器，其特征在于安放电子及电器元件的印制板包括主印制板(6)及垂直安装在主印制板背面两侧的接口板(7)和备用功能扩展板(8)，电子及电器元件的布局方式如下电源变压器(10)嵌放在主印制板端部的方孔中，高度较高的元件贴近电源变压器的端部安放于主印制板背面，高度较低的元件安放在主印制板正面，驱动元件(9)安放在主印制板背面的剩余空间，接口元件安放在接口板(7)上。
3.根据权利要求2所述的模块式直流电机调速器，其特征在于外壳(1)、封装在其内的调速器的主体部分以及散热器(4)之间的组装方式为驱动元件(9)的散热面与外壳(1)的底面平行且略高于外壳底面，驱动元件(9)的散热面与散热器(4)平整紧密地接触。
4.根据权利要求1或2或3所述的模块式直流电机调速器，其特征在于可视被控对象的特点在控制电路中包括给定积分器(GI)、速度调节器(ST)、速度变换器(SB)、电流变换器(LB)、电压变换器(YB)、电流电压调节器(LYB)和比较触发器(BC)中的部分或全部等，比较触发器(BC)中的触发电路由NE555及电阻R81、R82，电容C81、C82、C，二极管D81及脉冲变压器(MB)组成，NE555的输出经过电容C与脉冲变压器(MB)耦合，电流变换器(LB)包括辅助电源电路，采样电阻R0及信号放大和处理电路，辅助电源电路由二极管D91、电容G91、电阻R91、二极管WD91、WD92组成，电源变压器(10)上的一个独立辅助电源绕组的输出经上述电子元件产生正负电源向信号放大和处理电路供电，信号放大和处理电路由放大器Q91B、比较器Q91A、光电耦合器Q92A、Q92B及其外围电阻电容组成，采样电阻R0串联在电枢回路中，R0两端与电枢电流成正比例的电压信号经放大器Q91B放大后通过光电耦合器Q92A向电流调节器提供电流正反馈信号和限制堵转电流的负反馈信号，负电源经电阻R98、R99分压后向光电耦合器Q92A的输入端提供一个平衡其二极管正向压降的负偏置电压，以消除电流反馈的死区电压并避开光电耦合器在小电流工作时的非线性，当被控直流电机经辅助换向电路实现双向运行时，比较器Q91A的输出经光电耦合器Q92B隔离后向辅助换向开关电路提供一个用以实现“零”电流换向的“控制开关”，当电枢电流大于一定值时，禁止换向电路切换，辅助换向开关的下限切换电流由电阻R95和R96的比例决定，电压变换器(YB)包括信号缓冲电路和隔离采样电路，信号缓冲电路由运算放大器Q102A、电容C101、电阻R102、R104组成，隔离采样电路由光电耦合器Q101A、Q101B、电阻R101、R103组成，光电耦合器Q101A和Q101B的输入端反向并联，电枢电压经电阻R101转换为光电耦合器的输入电流，与光电耦合器输入电流成比例的输出电流经电阻R103转换成输出电压信号，该输出电压信号经运算放大器Q102A缓冲后作为电压负反馈信号送到控制电路的电流电压调节器LYT，速度变换器(SB)采用精密整流电路，上限速度由电位器DWQ2经外壳1上的小孔11设定。
5.根据权利要求4所述的模块式直流电机调速器，其特征在于比较触发器(BC)的触发电路中的脉冲变压器(MB)靠近被其触发的驱动元件的控制极粘结封固并将其输出端焊接到驱动元件的控制极上。
专利摘要一种模块式直流电机调速器，集电源、控制、驱动电路于一体，采用立体结构布局，控制电路采用微功耗元件，用光电耦合器实现电流、电压的隔离变换，电路的比例常数、积分常数和微分常数用PID适配器调整。该调速器体积小、重量轻，可单独使用也可直接安装在直流电机上构成一体化直流调速电机，可具有调速器所应有的一切功能。
文档编号H02P7/285GK2265630SQ9623299
公开日1997年10月22日 申请日期1996年4月18日 优先权日1996年4月18日
发明者王富元 申请人:王富元, 中国科学院成都分院知力科技开发公司