基于固态软起动器的电机柔性制动控制及零速检测系统

摘要

基于固态软起动器的电机柔性制动控制及零速检测系统，由主回路和控制电路组成，主回路有多支晶闸管、接触器KM1、大功率二极管；每两支晶闸管反并联后构成一相阀组；接触器辅助常闭触点NC1与阀组中SCR1及触发信号a电连接，接触器主常开触点KL1与一相阀组输出端及大功率二极管D1电连接；大功率二极管D1另一端与另一相阀组输出端电连接；控制电路由单片机控制电路、人机界面及外围检测电路组成，单片机控制电路分别与人机界面、外围检测电路电连接；外围检测电路与主回路电连接；外围检测电路设有电机零速检测电路，用以在制动状态下检测电机的运转状态，判断电机是否停转，并根据该停转点切断软起动器制动输出。本发明在上述硬件基础上并通过电机制动控制程序和电机零速检测程序实现了电机柔性制动控制及零速检测。

说明书

技术领域

本发明涉及电机的拖动、控制技术，即一种基于软起动器的电机零速检测及制动控制技术。

背景技术

如机床等许多工业用的机械，都需配备电机做为驱动的动力，且需要电机具有快速停车的功能。至今，只有部分固态软起动器具备制动功能，而且其主要以“反接制动”为主。

所谓“反接制动”，是指三相交流异步电机制动时，改变其输入电源中任意两相电源的相序，使电机内部磁场的旋转方向发生改变，即，使电机内部磁场反向转动。此时，反向磁场与转子间产生一反向力矩，并阻碍电机转子与负载正向转动，拖动电机减速制动。

固态软起动器，是以单片机作为控制核心来控制反并联的大功率晶闸管(可控硅)的，其能够通过各种算法轻易实现对其输出的电压幅值、相序、频率等的控制，故固态软起动器能够轻易的实现反接制动。反接制动时，软起动器首先切断电机电源，延时后根据检查到的三相交流电源的相序确定其输出测相序，即，使输出侧其中两项相序进行互换，并将改变了相序的三相交流电源施加于电机上。其原理是：单片机控制晶闸管(可控硅)导通角逐渐增加，使其输出侧电压逐渐增大，即制动力矩逐渐增加，至软起动器输出电压达到额定电压后，制动力矩达到最大，从而方便地实现了电机的制动。

软起动器反接制动，较传统机械制动结构简单，制动效果好，且故障率低，然而该方式制动过程机械冲击大，制动过程控制复杂，易出现电机制动过程翻转的现象。

发明内容：

本发明的目的在于，克服现有技术之不足，提供一种集电机零速检测及能耗制动于一体的电机软起动器，使电机的制动过程平稳、快速。

本发明是基于下述构思而完成的：

本发明以软起动器为平台，在保持其常规功能不变的基础上增加了能耗制动装置，硬件电路兼顾软起动器常规工作状态与软起动器能耗制动工作状态。该能耗制动装置也可称作直流制动装置，其实质上是将一直流电源施加于交流三相异步电动机的两相定子绕组上，使这两相定子绕组间产生一固定磁场，转子旋转切割该固定磁场，产生一阻力矩阻止转子转动，从而实现电机制动。制动过程要求具备制动过程冲击小、准确判断电机转速，制动时间自动控制。制动过程中采用两相半波可控整流的方式，关闭第三相晶闸管。制动时软起动器输出的直流电源缓慢增加，以减小由于电压增加过快而导致制动力矩增加过快引起的机械冲击。通过对电机停转前第三相定子绕组产生感应电动势的检测，准确判断电机是否停转。在电机制动停转后半秒钟结束制动过程，从而实现制动时间的自动调节。

本发明是这样实现的：

为了能够实现能耗制动功能，本发明从硬件电路与软件程序两个方面做出改进。

该系统的硬件电路由主回路4和控制电路组成。主回路4有多支晶闸管、接触器KM1(主常开触点KL1，辅助常闭触点NC1)、大功率二极管；每两支晶闸管反并联后构成一相阀组；接触器KM1辅助常闭触点NC1与阀组中SCR1及触发信号a电连接，接触器KM1主常开触点KL1与一相阀组输出端及大功率二极管D1电连接；大功率二极管D1另一端与另一相阀组输出端电连接；控制电路由单片机控制电路1、人机界面2及外围检测电路3组成，单片机控制电路1分别与人机界面2、外围检测电路3电连接；外围检测电路3与主回路4电连接。主回路4有3组反并联的晶闸管(可控硅)。外围检测电路3在保留原软起动各基本检测电路不变的基础上增设了电机零速检测电路，用以在制动状态下检测电机的运转状态，判断电机是否停转，并根据该停转点切断软起动器制动输出，该电机零速检测电路的3个20KΩ采样电阻组成Y型连接，并将输入端分别与主回路4的输出端电连接；整流器DB107交流输入端一端与主回路4输出端T3所连接采样电阻电连接，另一端与采样电阻Y型连接公共点电连接；光耦6N139输入测与整流器DB107直流输出侧电连接，光耦6N139输出侧集电极C与施密特反向器74HC14电连接，同时在该处增加上拉电阻R，以区分高低电平。光耦6N139输出侧发射极E与控制电平地电连接；施密特反向器74HC14输出侧与单片机控制电路1电连接。

本发明设有软件程序，控制电机制动、零速检测：

一、电机制动控制，执行如下程序：

a)制动准备：切断旁路接触器，切断软起动器输出，延时投入制动接触器及卸放二极管。设定制动过程初始电压，为预制动做准备；

b)预制动：该阶段最高制动电压为设定制动电压的10％，预制动时间为500mS，制动电压由0V开始缓慢增加，制动输出电压V＝dv*ti/T(dv：设定制动电压的10％；ti：当前制动时间；T：预制动时间500mS)；若预制动时间未到达而制动电压已达到设定制动电压10％时，制动输出电压维持设定制动电压的10％至预制动时间到达；若预制动电压未达到设定制动电压的10％而预制动时间已到达时，结束预制动过程；

c)制动电压斜坡增加：该阶段制动电压由预制动结束时输出制动电压开始增加，最高制动电压为用户设定的制动电压，制动电压斜坡增加时间为用户设定制动时间的30％，制动输出电压V＝dv*ti/T(dv：设定制动电压；ti：当前制动时间；T：设定制动时间的30％)；制动时间未到达时，若制动输出电压小于用户设定制动电压，则制动输出电压继续增加直至制动输出电压与用户设定制动电压相等；若制动输出电压与用户设定制动电压已经相等，则制动输出电压不再增加；制动时间到达时，无论制动输出电压是否与用户设定制动电压相等，都将完成制动，切断制动电压输出；

d)制动全压输出：在制动时间未到达前都将维持输出用户设定制动电压。

二、电机零速检测执行如下程序：在预制动结束且制动开始700mS后，单片机开始扫描电机零速检测电路，并在检测到脉冲宽度达到1.5mS的脉冲后认定电机停转，此时无论处于制动的那个过程，都将在半秒后结束制动，切断输出。

本发明的工作原理如下：

软起动器常规工作状态下：软起动器的主回路由三相反并联的晶闸管(可控硅)构成，微处理器通过对这三相反并联SCR进行移相控制，从而控制加在电机上的电压和电流平滑地改变电机转矩，实现电机的软起或软停。当电机软起至达到全速运行后，电机电流由限流状态降到正常全速运行的电流值，软起动器控制旁路接触器闭合，使电流经旁路接触器流入电机，软起动做为监测设备，对电机进行全程保护。

软起动器能耗制动工作状态下：能耗制动即直流制动，本发明在能耗制动时，采用半波可控整流的方式，将交流电源整定为直流电源，为电机制动提供制动电源。微处理器只控制主回路中的一支晶闸管(可控硅)进行移相控制，就能够实现对输出直流电压的控制，从而实现对制动力矩的控制。

晶闸管关断时流过电机绕组的电流发生变化，作为感性负载的电机绕组两端便产生感应电动势来抑制电流的变化。该感应电动势的方向与制动电源的方向相反，会影响电机的制动效果。为了减小反向电动势对制动效果的影响，在电路中增加适当的泄放电路将该反向电动势释放掉。

为了提高工作效率，必须对电机的运转状态进行监控。能耗制动时，电机两相定子绕组施加直流电源，使这两相绕组间产生一固定磁场。转子及负载在惯性的作用下继续转动，转子线圈切割固定磁场，并在转子线圈上产生一交变的电流。第三相未接通电源的电机定子绕组线圈与定子绕组线圈等效组成一个互感变压器，于是电机第三相绕组上也感应产生了一交变的感应电动势。通过检测电路检测该感应电动势，便能有效的对电机转速进行监控。

通过给电机绕组施加一恒定直流电源，进行制动测试时发现第三相绕组所感应到的感应电动势在制动初期幅值较大，且频率较高，在制动中期感应电动势变的不是很明显，而在电机停转的瞬间却能感应到一组幅值大且频率小、周期长的交流信号。此处感应电动势能够更准确的判断出电机停转，且此处的感应电动势能够更加方便的被检测到。因此可将电机未输入直流电源的第三相定子绕组上产生的感应电动势整流、滤波后，输入检测电路。检测电路将该感应电动势进行隔离、转换、处理后，将处理过的信号送给单片机作为电机转速的检测输入。

为了支撑电路运行，并实现能耗制动功能及电机零速检测功能，须在原软起动器程序的基础上增加制动控制程序，并在制动控制程序中镶嵌电机零速检测程序。

为了实现两相半波可控整流，必须通过检测这两相电源相序，并以其中一相电源的过零点为基准，与另一相电源过零点进行比较，从而判处这两相电源的相序关系。确定相序关系后，可通过将基准电源的过零点前移或后移30度电角度作这两相电源的线电压过零点。计算出该过零点后便能以此为基准，控制晶闸管的导通位置及导通电角度，实现半波可控整流。

制动时，为了减小电机与负载的电气与机械冲击，制动过程包括预制动，制动电压斜坡增加，全电压制动三个部分。预制动时，制动电压缓慢增加至设定制动电压的10％，以便使电机转子缓慢减速，避免电机转子与负载转轴碰撞，降低机械冲击。待规定的制动时间结束后，软起动器输出制动电压以斜坡的方式缓慢增加，从而使制动过程更加平顺。当输出的制动电压等于设定的制动电压后，软起动器将维持该电压，使电机快速制动。

由于在预制动过程中电机转子速度受负载影响，此时转子速度变化不稳定，电机第三相绕组上会产生频率高且幅值大的波动，为了不出现误检测，故在该过程将不进行电机零速检测。在制动电压斜坡增加与全电压输出阶段，单片机将不断扫描检测电路，当检测到脉冲宽度合适的信号后将认定电机停转，并在半秒钟后切断输出，完成制动。

本发明在保留固态软起动器各项常规功能不变的基础上，较好地为固态软起动器增加了柔性制动及电机零速检测功能。

附图说明

图1.整体构造的示意框图；

图2.电机零速检测电路原理图；

图3.主程序流程图；

图4.控制子程序流程；

图5.制动过程的的示意框图。

具体实施方式

下面结合附图叙述一个实施例，对本发明做进一步说明。

图1显示本实施例整体的电路结构。本实施例主要由单片机控制电路1、人机界面2、外围检测电路3及以晶闸管(可控硅SCR)为主的主回路4组成。

单片机控制电路1用以实现软起动器的模糊控制及相关计算，是整个软起动器的中枢。人机界面2则用以完成人机对话，实现人对设备的控制。外围检测电路3用以检测电源相序，电路中的电流，晶闸管(可控硅)的状态，设备的温度等，实现对设备的在线监测，为各项保护功能提供依据。

主回路4系在原软起动器电路的基础上改进而成，L1、L2、L3为软起动器的电源输入端子，T1、T2、T3为软起动器的输出端子，主回路4由3组反并联的晶闸管(可控硅)组成，单片机输出的触发信号a用以触发SCR1、SCR4，触发信号b用以触发SCR2、SCR5，触发信号c用以触发SCR3、SCR6。增加了接触器触点NC1、KL1及大功率二极管D1用以制动主回路。制动时，使用接触器KM1的辅助常闭触点MC1打开，切断SCR1的触发信号a，使SCR1在制动过程中处于关断状态，即SCR1制动时不工作。单片机停止输出SCR3、SCR6的触发信号c，使SCR3、SCR6处于关断状态。单片机输出触发信号a使SCR4在整个制动过程中处于全导通状态，单片机以电源线电压过零点为基准，不断计算触发信号b，控制SCR2、SCR5导通位置。制动时软起动器输出端T1为直流电源的正极，输出端T2则为直流电源的负极，输出端T3为电机零速检测电路的输入。制动时将接触器主常开触点KL1闭合，使大功率二极管D1接入电路，用以使电机绕组产生的反向电动势形成回路，快速将该反向电动势泄放掉。

图2显示电机零速检测电路。制动时为了能够在存在大量交流分量与直流分量混杂的电路中检测出电机的零速信号，使用3个20KΩ3W的电阻组成Y型网络，并将该Y型网络的三端分别于软起动器的输出端子T1、T2、T3连接，从而为软起动器的输出端建立起可靠的交流中性点，使电机停转时的感应电动势能够方便的被检测。电路中使用电容对高频信号加以消减，并使用高速光耦6N139对高低电压进行隔离，使用施密特反向器74HC14对检测到的信号进行反向并滤除高频杂波。最后将检测到的信号送给单片机，用以判断电机是否已经停止转动。

图3显示主程序流程。软起动器的工作状态包括：停止，编程，故障；起动过程，停止过程；全压三种。主程序循环检测软起动器的工作状态，根据软起动器的当前工作状态选择执行相应程序段。

图3中10～17为软起动器原有程序，该部分程序作为程序的主体，根据软起动器的工作状态执行相应程序完成各项功能。软起动器的工作状态包括：12.全压及停止、参数编辑、故障显示状态与13.起动或停止过程。

14.起动或停止过程中，首先需判断软起动器的三相电源是否缺相，若缺相则执行15.故障处理，并显示‘Err1’；若不缺相则执行16.调用触发子程序，计算触发位置并送出触发信号。

17.每间隔10mS调用调用一个程序段(键盘及I/O口采样子程序段、A/D转换子程序段、控制子程序段)。

图4显示控制子程序流程。控制程序的入口处采用查表的方式来选择当前需要执行的控制程序，控制程序包括：启动延时控制程序；运行前漏电监测控制程序；突跳控制程序；电压斜坡控制程序；电流斜坡控制程序；运行限流控制程序；全压控制程序；点动控制程序；软停控制程序；刹车控制程序。其中刹车控制程序是本发明的关键，其它控制程序均为软起动器的原有基本控制程序。

刹车控制子程序包括：20.制动控制初始化与27.制动执行子程序。

21.制动准备：先切断旁路，延时100mS后关闭触发，然后再延时100mS后控制制动接触器吸合，接通制动主回路，制动所需硬件电路准备完毕。

22.设置制动时间：提取参数C007作为制动总时间，整个制动过程将不得超过该时间。

23.以制动电压的10％作为预制动电压dv，预制动时间T为500mS，输出制动电压V＝dv*ti/T，ti为制动过程消耗的时间。

24.设置制动过程初始制动电压为0，通过查表法计算出触发角位置，即触发信号与相电压过零点时间间隔，并将该触发角向后移动25度，即将计算出的时间间隔增加1.4mS。

25.完成制动初始化设置，返回主程序，输出触发信号。待20mS后再次进入制动控制子程序后开始执行制动。

图5为制动过程。

28.判断预制动是否完成？预制动过程电压与制动力矩缓慢增加，电机平缓减速，使电机轴与负载能够平缓的接触，减轻了机械冲击，避免由于机械冲击过大而损坏设备。

29.预制动完成前，且制动开始后700mS内不检测电机零速信号，从而避免由于制动初期制动过程不稳定而造成电机零速信号不稳定对系统正常工作的影响。制动开始700mS后开始检测电机零速信号，当零速信号维持超过1.5mS则认定电机已停止转动。

30.制动倒计时结束，即制动时间已达到设定的总的制动时间，则无论电机是否停转都要切断制动电压输出，避免电机定子绕组由于长时间施加直流电源而是电机温度升高，烧毁电机。

电机的制动过程包括：31.500mS预制动，34.制动电压斜坡增加与37.设定制动电压输出三个步骤。

32.预制动过程输出电压缓慢增加，每隔20mS利用公式V＝dv*ti/T计算一次输出电压。(公式说明见23)

33.预制动过程输出最大电压不超过设定制动电压的10％，预制动时间不超过500mS。

35.预制动完成后，电压以制动时间(C007)的30％作为直流电压斜坡的时间，制动电压缓慢增加，避免了制动力矩的快速增加(制动力矩与制动电压为指数关系)，减轻了设备的机械冲击，延长了设备的使用寿命。参数C008中为设定的制动电压dv，参数C007中为设定的最大制动时间的30％ T，已知当前制动时间ti，则当前制动输出电压V＝dv*ti/T。

36.最大输出制动电压不得超过设定制动电压。

37.当前输出电压已与设定制动电压相等后，制动输出电压斜坡增加结束，输出电压将不再变化，维持输出设定的制动电压。

38.查表求出触发角，并将触发角后移35度。

39.显示制动过程倒计时，并返回主程序。

40.满足制动结束要求后，延时1.5S关闭触发及制动接触器，结束制动。