具有智能過流保護功能的無觸點電機驅(qū)動裝置制造方法
【專利摘要】具有智能過流保護功能的無觸點電機驅(qū)動裝置，涉及一種電機驅(qū)動裝置，本發(fā)明為解決現(xiàn)有電機驅(qū)動裝置采用繼電器控制電路，其繼電器在頻繁的開關(guān)切換下容易出現(xiàn)觸點氧化失效和機械老化的問題，并且沒有實時監(jiān)測電機運行狀況的裝置，容易出現(xiàn)燒毀電機甚至引發(fā)火災的問題。本發(fā)明所述無觸點電機驅(qū)動裝置，當電機為直流電機時，采用的驅(qū)動器為L298，采用單片機為驅(qū)動器L298提供控制信號；當電機為交流電機時，無觸點電機驅(qū)動裝置包括光耦、可控硅、單片機和三個電阻；具有過流保護功能的電路包括采樣電阻R13和交流調(diào)理電路。本發(fā)明用于對直流電機和交流電機的驅(qū)動。
【專利說明】具有智能過流保護功能的無觸點電機驅(qū)動裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種電機驅(qū)動裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著全球電子工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，目前電機的應用范圍逐漸擴大，并扮演著日益重要的角色。電機的應用在動力與控制領(lǐng)域方面不斷擴展?，F(xiàn)有的電機驅(qū)動模塊廣泛采用繼電器控制電路，其具有價格低廉，使用方便等優(yōu)點。但是，繼電器在頻繁的開關(guān)切換下容易出現(xiàn)觸點氧化失效和機械老化的問題。例如，早期安裝的電梯多采用繼電器控制方式，其缺點是系統(tǒng)觸點繁多、線路復雜、控制功能不易增加、能耗高、噪音大、故障率高、可靠性低。
[0003]另外，電機在長期運行的過程中，可能由于潤滑不夠或者機械摩擦增大而導致運行阻力增大，甚至可能出現(xiàn)電機卡住而不能運動的故障。由于電機的內(nèi)阻非常小，此時通過電機的電流將會迅速增大，在短時間內(nèi)產(chǎn)生巨大的熱量而燒毀電機，甚至可能引發(fā)火災。但是，在現(xiàn)有的長期無人值守的系統(tǒng)中，并沒有實時檢測電機的運行狀況的裝置不能達到保護電機的目的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有電機驅(qū)動裝置采用繼電器控制電路，其繼電器在頻繁的開關(guān)切換下容易出現(xiàn)觸點氧化失效和機械老化的問題，并且沒有實時監(jiān)測電機運行狀況的裝置，容易出現(xiàn)燒毀電機甚至引發(fā)火災的問題，提供了一種具有智能過流保護功能的無觸點電機驅(qū)動裝置。
[0005]本發(fā)明所述具有智能過流保護功能的無觸點電機驅(qū)動裝置，所述電機為直流電機；所述無觸點電機驅(qū)動裝置采用的驅(qū)動器為L298，采用單片機為驅(qū)動器L298提供控制信號；單片機的1接口與驅(qū)動器L298的10、11和12管腳連接；驅(qū)動器L298的11管腳為使能端EN，當EN的輸入電壓為低電平時，電機禁止運動，當EN的輸入電壓為高電平時，電機允許運動；驅(qū)動器L298的11管腳和12管腳分別為電機方向控制端C和D，當C的輸入電壓為高電平，且D的輸入電壓為低電平時，電機正轉(zhuǎn)，當C的輸入電壓為低電平，且D的輸入電壓為高電平時，電機反轉(zhuǎn)；直流電機兩端分別連接4個快恢復二極管Dl、D2、D3和D4，直流電機的一端同時連接二極管Dl的正極和二極管D2的負極，直流電機的另一端同時連接二極管D3的正極和二極管D4的負極，二極管Dl的負極和二極管D3的負極同時連接10nf電容的一端和12V電源，10nf電容的另一端接地，二極管D2的正極接地，二極管D4的正極接地；電機的兩端分別連接驅(qū)動器L298的13管腳和14管腳；驅(qū)動器L298的4管腳連接電機驅(qū)動電源，驅(qū)動器L298的8管腳接地，驅(qū)動器L298的9管腳連接邏輯控制部分電源；驅(qū)動器L298的15管腳串接電阻Rs到地，將電阻Rs兩端電壓反饋至單片機，單片機通過測量電阻Rs兩端的電壓判斷電機的電流狀況，進而判斷電機是否正常工作。
[0006]本發(fā)明所述具有智能過流保護功能的無觸點電機驅(qū)動裝置，所述電機為交流電機；
[0007]所述無觸點電機驅(qū)動裝置包括光耦、可控硅、單片機和三個電阻；光耦的一個輸入端連接單片機的1端口，光耦的另一個輸入端通過電阻Rl接地，光耦的一個輸出端連接到交流火線，光耦的另一個輸出端通過電阻R2連接可控硅的控制極G，可控硅的陽極A連接到交流火線，可控硅的陰極K連接到交流電機的一端，交流電機的另一端通過電阻R3連接到交流零線；當單片機輸出高電平時，光耦導通，進而觸發(fā)可控硅導通，交流電機運轉(zhuǎn)，當單片機輸出低電平時，光稱和可控娃截止，交流電機停轉(zhuǎn)；
[0008]具有過流保護功能的電路包括采樣電阻R13和交流調(diào)理電路，采樣電阻R13串聯(lián)在交流電機回路上，采樣電阻R13的兩端分別連接到交流調(diào)理電路的Vinl和Vin2端，Ul、R5和R6組成電壓跟隨器，為U12提供直流偏置電壓Vtjff,通過調(diào)整R5和R6的阻值調(diào)整直流偏置電壓Vtjff的大小，R11、R12、C1和C2組成濾波電路，對輸入電壓Vinl和Vin2進行濾波，U2、R13、R4、R7、R8、R9、RlO組成對Vinl、Vin2和Vtjff的運算電路，獲取交流調(diào)理電路的輸出電壓Vout ;單片機連續(xù)采集調(diào)理電路的輸出電壓V-，獲取輸出電壓Vtjut與直流偏置電壓Vtjff絕對值的平均值作為判斷過流的判據(jù)，當該電壓平均值大于閾值時，單片機控制交流電機停機并報警。
[0009]本發(fā)明獲得有益效果:本發(fā)明為了解決采用繼電器控制電路驅(qū)動電機時，繼電器在頻繁的開關(guān)切換下容易出現(xiàn)觸點氧化失效和機械老化的問題設計出了無觸點和機械動作的電機控制電路，提高了電機的可靠性和壽命，降低了維護的成本。為了解決在長期無人值守的系統(tǒng)中沒有實時監(jiān)測電機運行狀況的裝置的問題，設計出了直流電機和交流電機的智能過流保護電路，能夠有效檢測電機的運行電流，并且在電機發(fā)生故障時能夠有效保護電機。本發(fā)明分別根據(jù)電源類型分成的直流電機和交流電機設計出了長壽命高可靠無觸點電機驅(qū)動電路及相應的智能過流保護電路。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是直流電機的具有智能過流保護功能的無觸點電機驅(qū)動裝置的電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011]圖2是直流電機的智能過流保護電路采樣電阻Rs兩端電壓的變化曲線圖，其中:橫坐標表示時間，縱坐標表示采樣電阻兩端的電壓，曲線a表示閾值電壓，曲線b表示過流電壓，曲線c表示啟動沖擊電壓，曲線d表示正常電壓；
[0012]圖3是交流電機的具有智能過流保護功能的無觸點電機驅(qū)動裝置的電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖4是交流電機過流保護電路的采樣電阻的電壓調(diào)理電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖5是交流電機過流保護電路采樣電阻的電壓調(diào)理電路輸出電壓曲線示意圖，其中:橫坐標表不時間，縱坐標表不輸出的電壓，曲線e表不輸出電壓，曲線f表不輸入電壓。

【具體實施方式】
[0015]【具體實施方式】一:下面結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式所述具有智能過流保護功能的無觸點電機驅(qū)動裝置，本實施方式所述電機為直流電機；
[0016]所述無觸點電機驅(qū)動裝置采用的驅(qū)動器為L298，采用單片機為驅(qū)動器L298提供控制信號；單片機的1接口與驅(qū)動器L298的10、11和12管腳連接；驅(qū)動器L298的11管腳為使能端EN，當EN的輸入電壓為低電平時，電機禁止運動，當EN的輸入電壓為高電平時，電機允許運動；驅(qū)動器L298的11管腳和12管腳分別為電機方向控制端C和D，當C的輸入電壓為高電平，且D的輸入電壓為低電平時，電機正轉(zhuǎn)，當C的輸入電壓為低電平，且D的輸入電壓為高電平時，電機反轉(zhuǎn)；直流電機兩端分別連接4個快恢復二極管D1、D2、D3和D4，直流電機的一端同時連接二極管Dl的正極和二極管D2的負極，直流電機的另一端同時連接二極管D3的正極和二極管D4的負極，二極管Dl的負極和二極管D3的負極同時連接10nf電容的一端和12V電源，10nf電容的另一端接地，二極管D2的正極接地，二極管D4的正極接地；電機的兩端分別連接驅(qū)動器L298的13管腳和14管腳；驅(qū)動器L298的4管腳連接電機驅(qū)動電源，驅(qū)動器L298的8管腳接地，驅(qū)動器L298的9管腳連接邏輯控制部分電源；驅(qū)動器L298的15管腳串接電阻Rs到地，將電阻Rs兩端電壓反饋至單片機，單片機通過測量電阻Rs兩端的電壓判斷電機的電流狀況，進而判斷電機是否正常工作。
[0017]本實施方式中，直流電機具有啟動快、制動及時、可在大范圍內(nèi)平滑地調(diào)速、控制電路相對簡單等特點。其結(jié)構(gòu)簡單，驅(qū)動能力強，功耗小，低成本，廣泛應用在鐵路機車、地鐵機車、礦用機車等。由于傳統(tǒng)的繼電器具有觸點氧化失效的問題，因此本實施方式提出無觸點的直流驅(qū)動電路。
[0018]本實施方式中，通過單片機控制L298，能夠非常方便控制電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)。
[0019]本實施方式中，4個快恢復二極管Dl、D2、D3和D4的作用是防止電機狀態(tài)突然改變引起的感生電流倒灌燒毀電機。
[0020]【具體實施方式】二:下面結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式對實施方式一作進一步說明，所述單片機為AVR單片機ATmege 16。
[0021]【具體實施方式】三:下面結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式對實施方式一作進一步說明，當直流電機的驅(qū)動電流小于2A時，驅(qū)動器L298能夠使用4個驅(qū)動單元同時驅(qū)動2個直流電機，當直流電機的驅(qū)動電流在2A?4A之間時，驅(qū)動器L298能夠使用4個驅(qū)動單元兩兩并接驅(qū)動I個直流電機。
[0022]【具體實施方式】四:下面結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式對實施方式一作進一步說明，所述電阻Rs采用小阻值大功率的采樣電阻。
[0023]本實施方式中，采用小阻值大功率采樣電阻的原因為:通過電阻Rs的電流很大，為了不影響電機的正常運行。
[0024]【具體實施方式】五:下面結(jié)合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式對實施方式一作進一步說明，所述單片機通過測量電阻Rs兩端的電壓判斷電機的電流狀況，進而判斷電機是否正常工作的具體過程為:
[0025]采用單片機的AD轉(zhuǎn)換模塊實時監(jiān)控電阻Rs兩端的電壓Vsa ;單片機啟動直流電機，在電機啟動后的N毫秒后，單片機開始采集電阻Rs兩端電壓，當單片機監(jiān)測到電阻Rs兩端的電壓Vsa大于閾值時，單片機控制電機停止運行，同時發(fā)出報警信號；單片機判決電壓Vsa是否大于閾值時，連續(xù)采集多次電壓進行平均后再判決；其中，N為正實數(shù)，且10 ^ N ^ 100。
[0026]本實施方式中，單片機啟動直流電機后，開始采集Rs兩端電壓，該電壓如圖2所示。在電機啟動的瞬間，電阻Rs兩端產(chǎn)生一個非常大的啟動沖擊電壓，當電機正常啟動后，該電壓快速降低到正常電壓水平，為避免誤判，電機啟動的N毫秒(該時間取決于電機的具體型號，延遲時間在1ms?10ms以內(nèi))內(nèi)，單片機不對采集到的信號進行判決；如果電機卡住而不能運轉(zhuǎn)，流過Rs的電流將會非常大，此時電阻Rs兩端的電壓將會遠遠超出正常電壓水平，當單片機檢測到Vsa超過閾值電壓則停止電機的運行并發(fā)出報警信號。另外，電機運行過程中，電流會發(fā)生抖動，進而Vsa也會有相應的抖動，為了防止某次抖動電壓過大導致誤判，單片機需要連續(xù)采集多次電壓進行平均來判決。
[0027]本實施方式中，單片機ATmegel6內(nèi)部集成有一個10比特ADC模塊，能夠采集8路模擬電壓，采樣率能夠達到15ksps,能夠滿足電機電流監(jiān)控的需求。采用單片機ATmegel6,既能實現(xiàn)電機的控制，也能夠?qū)崿F(xiàn)電機電流的實時監(jiān)控，免除了外接AD轉(zhuǎn)換模塊的負擔，簡化了電路設計，節(jié)約了電路成本。
[0028]【具體實施方式】六:下面結(jié)合圖3和圖4說明本實施方式，本實施方式所述具有智能過流保護功能的無觸點電機驅(qū)動裝置，本實施方式所述電機為交流電機；
[0029]所述無觸點電機驅(qū)動裝置包括光耦、可控硅、單片機和三個電阻；光耦的一個輸入端連接單片機的1端口，光耦的另一個輸入端通過電阻Rl接地，光耦的一個輸出端連接到交流火線，光耦的另一個輸出端通過電阻R2連接可控硅的控制極G，可控硅的陽極A連接到交流火線，可控硅的陰極K連接到交流電機的一端，交流電機的另一端通過電阻R3連接到交流零線；當單片機輸出高電平時，光耦導通，進而觸發(fā)可控硅導通，交流電機運轉(zhuǎn)，當單片機輸出低電平時，光稱和可控娃截止，交流電機停轉(zhuǎn)；
[0030]具有過流保護功能的電路包括采樣電阻R13和交流調(diào)理電路，采樣電阻R13串聯(lián)在交流電機回路上，采樣電阻R13的兩端分別連接到交流調(diào)理電路的Vinl和Vin2端，Ul、R5和R6組成電壓跟隨器，為U12提供直流偏置電壓Vtjff,通過調(diào)整R5和R6的阻值調(diào)整直流偏置電壓Vtjff的大小，R11、R12、C1和C2組成濾波電路，對輸入電壓Vinl和Vin2進行濾波，U2、R13、R4、R7、R8、R9、RlO組成對Vinl、Vin2和Vtjff的運算電路，獲取交流調(diào)理電路的輸出電壓Vout ;單片機連續(xù)采集調(diào)理電路的輸出電壓V-，獲取輸出電壓Vtjut與直流偏置電壓Vtjff絕對值的平均值作為判斷過流的判據(jù)，當該電壓平均值大于閾值時，單片機控制交流電機停機并報警。
[0031]本實施方式中，為了避免傳統(tǒng)的交流電機驅(qū)動裝置采用的繼電器驅(qū)動存在繼電器觸點氧化失效的問題，本實施方式所述為無觸點的電機驅(qū)動電路。并且，電機在長期工作的過程中，可能會發(fā)生機械故障而卡住，導致電流過大而燒毀。為了保護電機，本實施方式提出交流電機故障自檢電路，當電機卡住而出現(xiàn)過流現(xiàn)象情況下，能夠及時檢測并且停止交流電機運作，并向發(fā)出報警信號。
[0032]本實施方式中，利用光耦和可控硅組成的小電流交流電機驅(qū)動電路，如圖3所示。光率禹，亦稱光電隔離器或光電稱合器，簡稱光稱，是以光為媒介來傳輸電信號的器件，通常把發(fā)光器與受光器封裝在同一管殼內(nèi)。當輸入端加電信號時發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實現(xiàn)了“電-光-電”轉(zhuǎn)換。以光為媒介把輸入端信號I禹合到輸出端的光電I禹合器，由于它具有體積小、壽命長、無觸點，抗干擾能力強，輸出和輸入之間絕緣，單向傳輸信號等優(yōu)點，在數(shù)字電路上獲得廣泛的應用?？煽毓?，是可控硅整流元件的簡稱，是一種具有三個PN結(jié)的四層結(jié)構(gòu)的大功率半導體器件，亦稱為晶閘管。具有體積小、結(jié)構(gòu)相對簡單、功能強等特點，是比較常用的半導體器件之一。該器件被廣泛應用于各種電子設備和電子產(chǎn)品中，多用作可控整流、逆變、變頻、調(diào)壓、無觸點開關(guān)等。
[0033]本實施方式中，為了解決交流電機運行過程中卡住不能正常運行而燒毀電機的問題，采用了過流保護電路。由于采樣電阻兩端的電壓比較小，而且該電壓時正負變化的交流信號，因而采樣電阻不能直接連接到單片機的AD輸入端測量其電壓，因而采用了交流調(diào)理電路，對采樣電阻兩端的電壓進行濾波、放大和加入直流偏置。
[0034]【具體實施方式】七:下面結(jié)合圖4說明本實施方式，本實施方式對實施方式六作進一步說明，所述運算電路的運算關(guān)系為:

【權(quán)利要求】
1.具有智能過流保護功能的無觸點電機驅(qū)動裝置，其特征在于，所述電機為直流電機； 所述無觸點電機驅(qū)動裝置采用的驅(qū)動器為L298，采用單片機為驅(qū)動器L298提供控制信號；單片機的1接口與驅(qū)動器L298的10、11和12管腳連接；驅(qū)動器L298的11管腳為使能端EN，當EN的輸入電壓為低電平時，電機禁止運動，當EN的輸入電壓為高電平時，電機允許運動；驅(qū)動器L298的11管腳和12管腳分別為電機方向控制端C和D，當C的輸入電壓為高電平，且D的輸入電壓為低電平時，電機正轉(zhuǎn)，當C的輸入電壓為低電平，且D的輸入電壓為高電平時，電機反轉(zhuǎn)；直流電機兩端分別連接4個快恢復二極管Dl、D2、D3和D4，直流電機的一端同時連接二極管Dl的正極和二極管D2的負極，直流電機的另一端同時連接二極管D3的正極和二極管D4的負極，二極管Dl的負極和二極管D3的負極同時連接10nf電容的一端和12V電源，10nf電容的另一端接地，二極管D2的正極接地，二極管D4的正極接地；電機的兩端分別連接驅(qū)動器L298的13管腳和14管腳；驅(qū)動器L298的4管腳連接電機驅(qū)動電源，驅(qū)動器L298的8管腳接地，驅(qū)動器L298的9管腳連接邏輯控制部分電源；驅(qū)動器L298的15管腳串接電阻Rs到地，將電阻Rs兩端電壓反饋至單片機，單片機通過測量電阻Rs兩端的電壓判斷電機的電流狀況，進而判斷電機是否正常工作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述具有智能過流保護功能的無觸點電機驅(qū)動裝置，其特征在于，所述單片機為AVR單片機ATmege 16。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述具有智能過流保護功能的無觸點電機驅(qū)動裝置，其特征在于，當直流電機的驅(qū)動電流小于2A時，驅(qū)動器L298能夠使用4個驅(qū)動單元同時驅(qū)動2個直流電機，當直流電機的驅(qū)動電流在2A?4A之間時，驅(qū)動器L298能夠使用4個驅(qū)動單元兩兩并接驅(qū)動I個直流電機。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述具有智能過流保護功能的無觸點電機驅(qū)動裝置，其特征在于，所述電阻Rs采用小阻值大功率的采樣電阻。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述具有智能過流保護功能的無觸點電機驅(qū)動裝置，其特征在于，所述單片機通過測量電阻Rs兩端的電壓判斷電機的電流狀況，進而判斷電機是否正常工作的具體過程為: 采用單片機的AD轉(zhuǎn)換模塊實時監(jiān)控電阻Rs兩端的電壓Vsa ;單片機啟動直流電機，在電機啟動后的N毫秒后，單片機開始采集電阻Rs兩端電壓，當單片機監(jiān)測到電阻Rs兩端的電壓Vsa大于閾值時，單片機控制電機停止運行，同時發(fā)出報警信號；單片機判決電壓Vsa是否大于閾值時，連續(xù)采集多次電壓進行平均后再判決；其中，N為正實數(shù)，且10 ^ N ^ 100。
6.具有智能過流保護功能的無觸點電機驅(qū)動裝置，其特征在于，所述電機為交流電機； 所述無觸點電機驅(qū)動裝置包括光耦、可控硅、單片機和三個電阻；光耦的一個輸入端連接單片機的1端口，光耦的另一個輸入端通過電阻Rl接地，光耦的一個輸出端連接到交流火線，光耦的另一個輸出端通過電阻R2連接可控硅的控制極G，可控硅的陽極A連接到交流火線，可控硅的陰極K連接到交流電機的一端，交流電機的另一端通過電阻R3連接到交流零線；當單片機輸出高電平時，光耦導通，進而觸發(fā)可控硅導通，交流電機運轉(zhuǎn)，當單片機輸出低電平時，光耦和可控硅截止，交流電機停轉(zhuǎn)；具有過流保護功能的電路包括采樣電阻R13和交流調(diào)理電路，采樣電阻R13串聯(lián)在交流電機回路上，采樣電阻R13的兩端分別連接到交流調(diào)理電路的Vinl和Vin2端，U1、R5和R6組成電壓跟隨器，為U12提供直流偏置電壓Vtjff，通過調(diào)整R5和R6的阻值調(diào)整直流偏置電壓Voff的大小，R11、R12、C1和C2組成濾波電路，對輸入電壓Vinl和Vin2進行濾波，U2、R13、R4、R7、R8、R9、RlO組成對Vinl、Vin2和Vtjff的運算電路，獲取交流調(diào)理電路的輸出電壓Vwt ；單片機連續(xù)采集調(diào)理電路的輸出電壓Vtjut,獲取輸出電壓Vtjut與直流偏置電壓Vtjff絕對值的平均值作為判斷過流的判據(jù)，當該電壓平均值大于閾值時，單片機控制交流電機停機并報目O
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述具有智能過流保護功能的無觸點電機驅(qū)動裝置，其特征在于，所述運算電路的運算關(guān)系為:
獲取調(diào)理電路的輸出電壓Vwt為:
Vout= 1(Vin2-VinAV0ff)o
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述具有智能過流保護功能的無觸點電機驅(qū)動裝置，其特征在于，所述過流保護電路的采樣電阻R13采用大功率小阻值的電阻。
【文檔編號】H02P29/00GK104135215SQ201410400461
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年8月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月14日
【發(fā)明者】趙雅琴, 胡丹, 任廣輝, 江立輝, 張堯 申請人:哈爾濱工業(yè)大學