專利名稱：數(shù)控制動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)交流異步電動機(jī)快速制動的電子數(shù)控裝置，該裝置采用微機(jī)數(shù)控技術(shù)和電力電子技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對交流電動機(jī)的快速制動，可廣泛應(yīng)用于機(jī)床、紡織、造紙、印刷等設(shè)備中。
背景技術(shù)：
大量的由交流異步電動機(jī)拖動的生產(chǎn)設(shè)備常需要快速制動，必須附加制動裝置。目前采用的制動裝置有如下三種1、電磁制動器(電磁抱閘)，2、附加制動變壓器直流能耗制動線路，3、新型電子制動器。這三種方法目前均較普遍采用。第一種電磁制動器需要在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝制動盤，且要對之定期維護(hù)，禁油，需要低壓直流制動電源，制動時間不能精確調(diào)節(jié)，使用不便；第二種較為常用，需用制動變壓器，線路雖然簡單，但是不便調(diào)節(jié)，體積重量大；第三種電子制動器是最新發(fā)展起來的，運(yùn)用電子技術(shù)，方便調(diào)節(jié)制動參數(shù)，體積小，重量輕，維護(hù)工作量小，壽命長。
電子制動器的一個最大的特征是去除常規(guī)能耗制動線路的提供整流電源的制動變壓器，而是運(yùn)用電力電子技術(shù)及微機(jī)控制技術(shù)，直接變換交流電，輸出可控的直流制動電流，能方便精確調(diào)節(jié)制動參數(shù)。僅用電子時間繼電器應(yīng)用在方式二中控制制動時間不能稱為電子制動器。
目前國內(nèi)市場上的電子制動器的特點(diǎn)是該裝置利用電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對交流異步電機(jī)的制動，具有制動迅速，安全可靠，壽命長等優(yōu)點(diǎn)。可以實(shí)時監(jiān)測電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，自動調(diào)節(jié)制動時間，并可以根據(jù)用戶要求設(shè)置不同的制動電流，從而實(shí)現(xiàn)最佳的制動效果。不足之處是1、采用二進(jìn)制撥碼開關(guān)來設(shè)定參數(shù)，不方便、不直觀，其工作狀態(tài)也不能直觀反映；2、需經(jīng)變壓器隔離后輸入控制電源，并且其外形尺寸較大，可推斷其主回路控制器件采用的是半控器件——晶閘管，這決定了其制動電流諧波較大，制動轉(zhuǎn)矩不平穩(wěn)；3、對轉(zhuǎn)速的監(jiān)控方法只能對“Y”接法的三相電機(jī)制動有效，但實(shí)際上4Kw及以上的電機(jī)的接法均為“Δ”接法，不能普遍適用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是采用大功率電力電子開關(guān)器件IGBT，運(yùn)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)，發(fā)明一種新型的電子智能制動器，以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)制動的精確控制，且方便操作。
本實(shí)用新型對交流電動機(jī)實(shí)現(xiàn)制動的基本原理為能耗制動。根據(jù)電機(jī)學(xué)理論，運(yùn)轉(zhuǎn)的交流異步電機(jī)在切除交流電后，迅速通入直流電于電機(jī)的繞組中，可實(shí)現(xiàn)能耗制動，能耗制動過程的獲得的平均制動轉(zhuǎn)矩的大小與通入的直流電流的平方成正比。如能精確地控制輸入的直流電流的太小，就可精確地調(diào)節(jié)制動時間。本實(shí)用新型的主電路為將電源380V線電壓經(jīng)全波整流電路連于大功率開關(guān)器件，其輸出連于三相交流電機(jī)繞組的兩個接線端子上，兩個接線端子并聯(lián)快恢復(fù)續(xù)流二極管，電子智能制動器控制電路分別連于大功率開關(guān)器件柵極及單片機(jī)控制電路，單片機(jī)控制電路輸出連于顯示器，電源電路分別連于繼電器控制電路和電子智能制動器控制電路。
上述單片機(jī)控制電路的組成是，單片機(jī)分別經(jīng)譯碼器再分別連于兩個數(shù)碼顯示器進(jìn)行分時掃描顯示、經(jīng)驅(qū)動器連于一位數(shù)碼顯示器、經(jīng)驅(qū)動器連于直流蜂鳴器，還分別連于E2ROM和按鍵，單片機(jī)還分別通過三個光電隔離電路分別連于與電子智能制動器控制電路相連的接口。所述電子智能制動控制電路的組成是，集成電源控制芯片的輸出連于大功率開關(guān)器件，由電流互感信號經(jīng)放大器后再經(jīng)整流電路送入比較器組成的過流保護(hù)電路經(jīng)光電隔離電路再通過二極管與集成電源控制芯片輸出相連，由充電電容連于比較器組成的通電限時電路既連于繼電器控制電路又通過二極管與集成電源控制芯片輸出相連。
工作原理及工作過程是將380V線電壓經(jīng)全波整流后得到脈動直流電壓，該直流電經(jīng)大功率開關(guān)器件IGBT進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制(PWM)斬波，加到三相交流電機(jī)的兩個接線端子上，這兩個接線端子并聯(lián)快恢復(fù)續(xù)流二極管。調(diào)節(jié)IGBT導(dǎo)通脈沖的寬度(占空比)，就可有效地調(diào)節(jié)電機(jī)獲得的直流制動電流的大小，獲得所需的制動轉(zhuǎn)矩，從而調(diào)節(jié)制動時間。控制IGBT的PWM脈沖由集成電源芯片輸出，其PWM脈沖的占空比大小由89C51單片微機(jī)控制板根據(jù)電機(jī)功率、要求的制動時間進(jìn)行智能控制。
本實(shí)用新型除了制動器所應(yīng)該具備的基本性能及技術(shù)條件外，其創(chuàng)新之處或有益效果是1、采用新型大功率電力電子開關(guān)器件，采用PWM開關(guān)方式控制輸出制動電流，無需制動變壓器，體積小，重量輕。2、人機(jī)界面友好，采用數(shù)字顯示、薄膜按鈕，方便用戶設(shè)定制動要求，可顯示制動過程時間，可累計(jì)制動工作次數(shù)，系統(tǒng)重要數(shù)據(jù)采用I2C存貯器，可掉電保持。3、采用電源控制芯片結(jié)合單片機(jī)控制制動過程，運(yùn)用人工智能技術(shù)，辨識制動效果，精確調(diào)節(jié)制動時間，制動轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)。4、實(shí)現(xiàn)軟起動技術(shù)，對系統(tǒng)沖擊小，有效保護(hù)電機(jī)拖動系統(tǒng)。


圖1數(shù)控制動器組成框圖。
圖2單片機(jī)控制電路原理圖。
圖3電子智能制動器控制電路原理圖，圖3中右下角為電源電路原理圖。
圖4數(shù)控制動器應(yīng)用示意圖。其中圖(a)是數(shù)控制動器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)框圖，圖(b)應(yīng)用示意圖。
圖1中標(biāo)號名稱1、全波整流電路，2、電子智能制動器控制電路，3、顯示器，4、單片機(jī)控制電路，5、電源電路，6、繼電器控制電路。
圖2與圖3中符號名稱J1、J2——接口，U1——E2ROM，U4——單片機(jī)，U5、U6——驅(qū)動器，U7——譯碼器，O1—O4——光電隔離器，B1——直流蜂鳴器，LED1—LED3——顯示器，U2——集成電源控制芯片，JP1、JP2——接口，U8——放大器，U3A——比較器，U4A——比較器，D1—D8——二極管，其它符號均為常用符號。
圖4中符號名稱，N1、L1、L2、L3——接線端子，Kmr——運(yùn)轉(zhuǎn)接觸器，Kmb——外部制動接觸器。
具體實(shí)施方式
由圖1可知，本實(shí)用新型的主電路，由電源380V的線電壓經(jīng)全波整流電路1整流后連于大功率開關(guān)器件IGBT，大功率開關(guān)器件IGBT連于三相交流電機(jī)繞組的兩個接線端子上，快恢復(fù)續(xù)流二極管并聯(lián)在這兩個接線端子上，電子智能制動器控制電路2分別連于大功率開關(guān)器件IGBT及單片機(jī)控制電路4，單片機(jī)控制電路4輸出連于數(shù)碼顯示器3，電源電路5分別連于電子智能制動器控制電路2和繼電器控制電路6。
由圖2可知，單片機(jī)控制電路4的組成是，單片機(jī)89C51通過P0.0、P0.1、P0.2、P0.3四個口經(jīng)譯碼器U7連于兩個數(shù)碼顯示器LED1與LED2，提供兩路數(shù)碼管的段選，譯碼器可采用BCD七段譯碼器74LS48，兩路的位選由單片機(jī)P0.5、P0.6口經(jīng)驅(qū)動器U5——MC1413分別提供給兩個數(shù)碼顯示器LED1、LED2。單片機(jī)P2口徑驅(qū)動器U6——MC1413連于數(shù)碼顯示器LED3，控制一位數(shù)碼管的顯示，用于顯示功能字符。單片機(jī)P1.0、P1.1口構(gòu)成I2C總線，擴(kuò)展一片I2C總線E2ROM芯片24C02，用于存儲系統(tǒng)功能參數(shù)(如設(shè)定的制動時間，電機(jī)功率等)可掉電保持，上電時載入。單片機(jī)P1.2、P1.3口連于兩只按鍵，即護(hù)展了兩只按鍵。單片機(jī)P1.4口輸出控制電子智能制動器控制電路2集成電源控制芯片的PWM脈沖，該脈沖經(jīng)光電隔離器O2送至與電子智能制動器控制電路2相連的接口J1。單片機(jī)P1.5口的信號經(jīng)驅(qū)動器U5——MC1413控制直流蜂鳴器B1，給操作者在按鍵輸入時給予聲音提示。單片機(jī)P1.7口用于指示系統(tǒng)運(yùn)行于時間方式還是速度閉環(huán)方式，當(dāng)速度/時間方式選擇三相交流電機(jī)繞組線電壓兩個接線端子短接，經(jīng)光電隔離器O4，P1.7口為低電平，就轉(zhuǎn)入執(zhí)行速度控制方式，反之為時間方式。當(dāng)要求制動運(yùn)行時，電子智能制動器控制電路2通電，通過光電隔離器O1，單片機(jī)int0腳從高到低跳變，單片機(jī)進(jìn)入振動控制運(yùn)行，單片機(jī)P1.4腳將有PWM脈沖輸出。單片機(jī)int1為轉(zhuǎn)速脈沖輸入端，在速度控制方式中，單片機(jī)由此判別轉(zhuǎn)速，制動效果。
圖3的電子智能制動器控制電路2的核心芯片是集成電源控制芯片U2，采用SG3525芯片，該芯片的工作原理在大多電力電子書籍中有介紹。在本電路中，SG3525芯片的PWM脈沖頻率為10KHz，從SG3525芯片11腳輸出，單片機(jī)的PWM控制信號加在其10腳封鎖端上，在整個調(diào)節(jié)范圍，單片機(jī)的PWM脈沖信號的開通時間固定為0.5ms，而關(guān)斷時間可變，PWM脈沖的頻率從1KHz至450KHz間變化。本系統(tǒng)實(shí)際為雙PWM方式工作，只是SG3525的PWM頻率不變，其占空比經(jīng)調(diào)好后(調(diào)節(jié)電阻R18)則不變。SG3525芯片10腳的封鎖端還接有過流保護(hù)信號和通電限時信號，通過二極管D5、D6、D7構(gòu)成的或門接到10腳，任意一個為高電平，則SG3525芯片11腳的驅(qū)動大功率開關(guān)器件IGBT的信號被封鎖。過流保護(hù)幸好由電流互感器信號經(jīng)放大器OP07放大，整流得到直流電平，送至比較器U3A——LM193，若電流過大，比較器U3A輸出低電平，經(jīng)光電隔離器隔離后，SG3525芯片被封鎖。這部分電路巧妙地解決了放大器OP07所需的雙電源問題。用充電電容C7上的充電電平與一固定電平經(jīng)比較器U4A——LM193比較，延時3秒輸出高電平封鎖SG3525芯片，斷開內(nèi)部繼電器，使制動時間最大不會超過3秒，這樣使系統(tǒng)工作可靠。
圖3右下方是電源電路，提供+5V、+15V、24V的直流電壓。其中24V供給繼電器線包電壓。
再結(jié)合附圖4a、b兩圖闡述具體實(shí)施方式
及工作過程單片機(jī)控制電路1—直上電工作，處于等待制動狀態(tài)，在等待狀態(tài)時可由按鍵輸入所需電機(jī)功率、制動時間等制動工作參數(shù)。當(dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，電子智能制動器控制電路2因運(yùn)轉(zhuǎn)接觸器KMr的常閉觸點(diǎn)打開而無電，無PWM脈沖輸出，內(nèi)部繼電器無電不吸合，外部制動接觸器KMb線包無電，不能吸合。當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)接觸器KMr失電打開，系統(tǒng)要求制動，KMr常閉觸點(diǎn)閉合，電子智能制動器控制電路2得電工作，內(nèi)部繼電器吸合，外部制動接觸器KMb得電吸合，接通制動電流回路，單片機(jī)進(jìn)入監(jiān)控制動過程工作方式。PWM脈沖由集成電源控制芯片SG3525輸出加到大功率開關(guān)IGBT上，控制其開通與關(guān)斷。SG3525輸出的脈沖的占空比由單片機(jī)89C51為核心的控制電路控制。當(dāng)制動時間到，大功率開關(guān)IGBT觸發(fā)脈沖被封鎖，內(nèi)部繼電器失電，外部制動繼電器KMb失電，完成制動過程。本實(shí)用新型巧妙開發(fā)利用了SG3525的軟起動功能，可避免制動電流突加而造成的對電機(jī)拖動系統(tǒng)的沖擊。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)有LED數(shù)碼顯示及薄膜按鍵的人際界面，方便進(jìn)行工作電機(jī)功率的設(shè)定、制動時間的設(shè)定、制動時間修正的設(shè)定，一位LED數(shù)碼管顯示功能字，二位LED數(shù)碼管顯示數(shù)值。在制動過程中，制動時間以0.1秒累計(jì)跳變，直觀顯示制動過程。系統(tǒng)可累計(jì)制動次數(shù)，并可將累計(jì)的制動次數(shù)通過按鍵控制以個、十、百、千、萬逐一顯示。
本實(shí)用新型的電子智能制動器的應(yīng)用有兩種方式，時間控制方式與轉(zhuǎn)速控制方式。時間控制方式下，制動器的8號、9號接線端子開路，單片機(jī)控制程序根據(jù)輸入的電機(jī)功率及制動時間要求將自行選擇最初制動電流，由于電機(jī)拖動的機(jī)械負(fù)載的慣性有較大差別，這要求由人工修正實(shí)際制動時間與設(shè)定時間的偏差，修正量可由按鍵方便輸入。將制動器的8號、9號接線端子短接，則為轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制方式。轉(zhuǎn)速脈沖由霍耳傳感器輸入，要求在轉(zhuǎn)軸上固定一塊小的磁鋼，圖4的接線方式即轉(zhuǎn)速控制方式。處于這種方式工作時，系統(tǒng)在設(shè)定的制動時間到的前后，自行檢測轉(zhuǎn)速脈沖，就可得到實(shí)際制動時間與設(shè)定制動時間的偏差情況，運(yùn)用模糊控制技術(shù)，智能地調(diào)整PWM脈沖的占空比，使得下次制動時間得以修正。
權(quán)利要求1.一種數(shù)控制動器，其特征在于，由電源380V線電壓經(jīng)全波整流電路連于大功率開關(guān)器件后再連于三相交流電機(jī)繞組的兩個接線端子上，兩個接線端子之間并聯(lián)快恢復(fù)續(xù)流二極管，電子智能制動器控制電路分別連于大功率開關(guān)器件及單片機(jī)控制電路，單片機(jī)控制電路輸出與顯示器相連，電源電路分別連于繼電器控制電路和電子智能制動器控制電路。
2.依據(jù)權(quán)利要求1所述數(shù)控制動器，其特征在于單片機(jī)控制電路的組成是，單片機(jī)分別經(jīng)譯碼器再分別連于兩個顯示器、經(jīng)驅(qū)動器連于一位顯示器、經(jīng)驅(qū)動器連于直流蜂鳴器，單片機(jī)還分別連于E2ROM和按鍵，單片機(jī)還分別通過三個光電隔離電路分別與電子智能制動器控制電路相連的接口。
3.依據(jù)權(quán)利要求1或2所述的數(shù)控制動器，其特征在于，電子智能制動器控制電路的組成是，集成電源控制芯片的輸出連于大功率開關(guān)器件，由電流互感信號經(jīng)放大器后再經(jīng)整流電路送入比較器組成的過流保護(hù)電路經(jīng)光電隔離電路再通過二極管與集成電源控制芯片輸出相連，由充電電容連于比較器組成的通電限時電路既連于繼電器控制電路又通過二極管與集成電源控制芯片輸出相連。
專利摘要一種數(shù)控制動器屬應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)交流異步電動機(jī)快速制動的電子數(shù)控裝置，本制動器由電源380V線電壓經(jīng)全波整流電路(1)連于大功率開關(guān)器件IGBT后再連于三相交流電機(jī)繞組的兩個接線端子上，兩個接線端子還并聯(lián)續(xù)流二極管，電子智能制動器控制電路(2)分別連于大功率開關(guān)器件IGBT及單片機(jī)控制電路(4)，單片機(jī)控制電路(4)輸出與顯示器(3)相連，電源電路(5)分別連于繼電器控制電路(6)和電子智能制動器控制電路(2)。本數(shù)控制動器克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，具有制動轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，能實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)制動的精確控制，且操作方便。
文檔編號H02P3/24GK2624521SQ0322151
公開日2004年7月7日 申請日期2003年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月29日
發(fā)明者陳兆祥, 黃文新 申請人:陳兆祥