一种大型设备电机急刹保护装置及其方法
【专利摘要】本发明公开了一种大型设备电机急刹保护装置及其方法，转速传感器模块对电机进行转速采样得电流信号输入至信号调理模块内，转换成电压信号，然后再通过放大电路和偏置电路将信号转换成0-5V的电压信号输入至AD转换器，同时，对电流信号进行过零检测并将过零检测结果发送给PIC单片机控制模块；AD转换器将收到的电压信号进行模数转换为电压数字信号发送给PIC单片机控制模块；PIC单片机控制模块对收到的过零检测结果和电压数字信号数据进行处理，判断相邻采样点电压差值是否大于临界值M，当超过临界值，则单片机让调速模块按照标准下降曲线执行调速。本发明的有益效果是调整电机急刹时的电流，防止电流突然增大造成电机损坏。
【专利说明】一种大型设备电机急刹保护装置及其方法
【技术领域】
[0001]本发明属于单片机通信及控制【技术领域】，涉及一种大型设备电机急刹保护装置及其方法。
【背景技术】
[0002]一般情况下，工厂等为了工人安全会特别重视急刹和急停的控制，但是很少考虑到急刹或急停过程中，产生的很大冲击电流，对电机和设备的影响，尤其针对大型设备上的电机急刹保护。
[0003]在项目实践中对电机回转控制过程中，由高速到低速减速的过程中产生了比较大的冲击电流，不仅对电机造成了比较大的损害，容易烧毁电机，而且由于冲击电流急剧增大，使内部给定急剧下降，影响了外部的给定也将急剧下降。本发明通过利用速度传感器变换成的电流信号，与给定电流下降曲线参数进行对比，从而判断是否需要进行急刹保护，通过PIC单片机编程控制双向晶闸管的开通相位，进而控制电机的速度，在非紧急刹车的情况下，进行缓慢下降。
[0004]此设备及方法经过适当改进后还可以对其他如车辆等，对进行速度下降时间有要求的机器进行控制。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种大型设备电机急刹保护装置及其方法，解决了目前电机在急刹过程中冲击电流急剧增大容易造成电机损坏的问题。
[0006]本发明所采用的技术方案是包括转速传感器，信号调理电路，AD转换器，PIC单片机控制，调速模块和电机；
[0007]转速传感器模块对电机进行转速采样，采样测得电流信号，输入至信号调理模块内；
[0008]信号调理模块将输入的电流信号转换成0-5V的电压信号输入至AD转换器，同时，对电流信号进行过零检测并将过零检测结果发送给PIC单片机控制模块；
[0009]AD转换器将收到的电压信号进行模数转换，转换为电压数字信号发送给PIC单片机控制|吴块；
[0010]PIC单片机控制模块对收到的过零检测结果和电压数字信号数据进行处理，判断相邻采样点电压差值是否大于临界值M，当超过临界值，则单片机让调速模块按照标准下降曲线执行调速，控制电机转速下降，进而控制电机在急刹过程中使速度缓慢下降。
[0011]进一步，判断相邻采样点电压差值是否大于临界值Μ的方法为:
[0012]设定V为当前AD采样值，VI为前一 AD采样值，V与VI是相邻的两个AD采样值，临界值Μ为97，当V1-V>97时，符合正向下降，需要缓冲处理，否则不需要；或者当V1-V〈-97时，符合负向下降，需要缓冲处理，否则不需要。
[0013]进一步，按照标准下降曲线执行调速，是指将标准下降曲线量化后的采样点值赋值给V，其中的标准下降曲线量化后的采样点值为:
[0014]2045，2029，2013，1997，1981，1965，1949，1933，1917，1901，1885，1869，1853，1837，1821，1805，1789，1773，1757，1741，1725，1709，1693，1677，1661，1645，1629，1613，1597，I581，1565，1549，1533，1517，1501，1485，1469，1453，1437，1421，1405，1389，1373，1357，134I, 1325，1309，1293，1277，1261，1245，1229，1213，1197，1181，1165，1149，1133，1117，1101，1085，1069, 1053, 1037, 1021, 1005, 989，973, 957, 941，925, 909, 893，877, 861，845, 829，813，797，781，765，749，733，717，701，685，669，653，637，621，605，589，573，557，541，525，509，493，477，461，445，429，413，397，381，365，349，333，317，301, 285，269，253，237，221，205，I89，173，157，141，125，109，93，77，61，45，29，13，5。
[0015]本发明的有益效果是调整电机急刹时的电流，防止电流突然增大造成电机损坏。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明大型设备电机急刹保护装置的硬件控制模块图；
[0017]图2为本发明防急刹控制流程图；
[0018]图3为本发明调速控制电路图；
[0019]图4为正向下降的临界曲线的斜率示意图；
[0020]图5为负向下降的临界曲线的斜率示意图；
[0021]图6为正向下降时的标准曲线和临界曲线示意图；
[0022]图7为负向下降时的标准曲线和临界曲线示意图；
[0023]图8为tk+1时刻的采样值示意图；
[0024]图9为tk时刻的采样值示意图；
[0025]图10为输入电压和数字量示意图；
[0026]图11为标准曲线量化为128个点示意图；
[0027]图12为Vl与V同时大于零为正向下降示意图；
[0028]图13为Vl与V小于零为负向下降示意图；
[0029]图14为Vl>97，V = 0，为正向下降示意图；
[0030]图15为Vl〈-97，V = O,为负向下降示意图；
[0031]图16为Vl>97, V<0, Vl - V>97时正向下降示意图；
[0032]图17为Vl〈-97，V>0, Vl - V〈_97，为负向下降示意图；
[0033]图18为急速下降曲线示意图；
[0034]图19为延时前和延时后曲线实例I ;
[0035]图20为延时前和延时后曲线实例2 ；
[0036]图21为延时前和延时后曲线实例3。
【具体实施方式】
[0037]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0038]本发明公开了一种将大型设备上电机的急刹保护方法及装置，对大型设备和电机等起到电流冲击保护的作用。用以避免大型设备上电机在非紧急或紧急急刹时由高速减小到要求速度时，因减速过快产生的很大的急刹电流，进而保护电机等相关内部设备不受该急刹电流的冲击影响。
[0039]如图1所示，本发明包括转速传感器1，信号调理电路2，AD转换器3，PIC单片机控制4，调速模块5和电机6 ；
[0040]转速传感器模块1对电机6进行转速采样，采样测得电流信号，输入至信号调理模块2内；
[0041]信号调理模块2将输入的电流信号经过精密电阻转换成电压信号，然后再通过放大电路和偏置电路将信号转换成0-5V的电压信号输入至AD转换器3，同时，对电流信号进行过零检测并将过零检测结果发送给PIC单片机控制模块4 ；
[0042]AD转换器3将收到的电压信号进行模数转换，转换为电压数字信号发送给PIC单片机控制模块4 ；
[0043]PIC单片机控制模块4对收到的过零检测结果和电压数字信号数据进行处理，判断相邻采样点电压差值是否大于临界值Μ (M根据不同要求值可以调整)，当超过临界值，则单片机让调速模块5按照标准下降曲线执行调速，控制电机转速下降，进而控制电机在急刹过程中使速度缓慢下降。
[0044]具体方法如图2所示:
[0045](a)进行不同时间间隔电流传感器采样电机电流，分别将当前采样电流为V，上一次采样电流为VI ；
[0046](b)判断是否需要急刹保护:判断V1-V是否大于临界值M(M根据不同要求值可以调整，Μ为临界曲线上两采样点之间的差值)，若是，则执行步骤(c);若否，则执行步骤(d)；
[0047](c)进行急刹保护处理:将V赋值成标准下降曲线上对应的点的值，将V赋值给VI ；
[0048](d)执行完毕。
[0049]如图3为调速模块电路，包括降压，整流电路、滤波电路，阻容吸收网络，双向晶闸管驱动电路。其中降压、整流、滤波电路包括二极管D1、电阻R5、有向电容C3、二极管Z1、电阻R3、电容C2组成；R1、C1组成RC阻容吸收网络，解决双向晶闸管导通与截止对电网的干扰，使其符合EMI测试标准，同时防止双向晶闸管两端电压突变，造成无门极信号误导通。光电偶合器接受主控芯片指令，控制双向晶闸管导通与截止，同时起到PIC单片机与强电隔离的作用。L1为扼流线圈，防止晶闸管回路中电流突变，保护晶闸管，由于它是储能元件，在晶闸管关断和导通过程中，尖峰电压较大，R2容易受冲击损坏，因此禁止将L1放置在晶闸管前端。
[0050]本发明设定临界曲线为:电压在0.5s时间段内从2.5V平稳下降到0V或者从-2.5V平稳上升到0V的曲线为临界曲线，这个临界曲线是本发明经过大量测试的基础上设定的。如图4所示，正向下降的临界曲线的斜率1^ =-5，下降曲线的斜率k满足，-5时，定义为正向下降。进入正向下降需要进行缓冲处理。如图5所示，负向下降的临界曲线的斜率h = 5，当曲线斜率k满足，k ^ 5时，定义为负向下降，进入负向下降需要进行缓冲处理。本发明目的曲线，就是急刹曲线处理后想得到的标准下降曲线的定义为，电压在3s时间段，从2.5V平稳下降到0V或从-2.5V下降到0V时的曲线。从图6和图7中可以知道，正向下降时，标准曲线的斜率为k = -2.5/3，负向下降时为k = 2.5/3。
[0051]本发明采样值变量定义为:
[0052]V:当前AD采样值，如图8为tk+1时刻的采样值；
[0053]Vl:前一 AD采样值，如图9为tk时刻的采样值；
[0054]V与Vl是相邻的两个AD采样值。
[0055]本发明对临界曲线的量化处理，由图9可知，0.5s内，AD采样20.5个点，由此可以量化临界曲线的斜率。在实际处理中，临界曲线内采样21个点，则相邻两个AD值得差值为Vl - V = 2048/21 (AD采样为12位精度，模拟电压输入范围为0-5V，模拟量和数字量为线性关系，所以两采样点之间的数字量大小相等。如图10，当输入电压VoltInput为5V时，单片机所得数字量为212-1 = 4095，当输入电压VoltInput为2.5V时，单片机所得数字量为2047)。取整数位为97。由此可以通过Vl与V的差值，曲线是否符合正向下降，当Vl - V>97时，符合正向下降，需要缓冲处理。否则，不需要。
[0056]负向下降的量化与正向下降的量化一样，当Vl -V〈-97时，符合负向下降，需要缓冲处理；否则，不需要。
[0057]如图11所示，根据标准曲线的定义，3s时间段内，AD采样123个点，我们在此将标准曲线量化为128个点,所以标准曲线相邻两点间隔Λ= 2048/128 = 16,将标准曲线点存放在数组standard中，(这是本发明设定的标准下降曲线量化后的采样点，系统判断需要做急刹处理时，将当前采样标准下降曲线量化后的采样点值赋值给V，从而进行PWM调速，增加给定量)
[0058]standard [] = {2045，2029，2013，1997，1981，1965，1949，1933，1917，1901，1885，1869，1853，1837，1821，1805，1789，1773，1757，1741，1725，1709，1693，1677，1661，1645，1629，1613，1597，1581，1565，1549，1533，1517，1501，1485，1469，1453，1437，1421，1405，1389，1373，1357，1341，1325，1309，1293，1277，1261，1245，1229，1213，1197，1181，1165，1149，I133，1117，1101，1085，1069，1053，1037，1021，1005，989，973，957，941，925，909，893，877，861，845，829，813，797，781，765，749，733，717，701，685，669，653，637，621，605，589，573，557，541，525, 509, 493, 477, 461，445, 429, 413, 397, 381，365, 349, 333, 317, 301, 285, 269，253，237，221，205，189，173，157，141，125，109，93，77，61，45，29，13，5}；
[0059]综上可知，我们可以通过判断Vl与V的差值来确定是否需要进行急刹处理。令Vmul = V1*V，当进入以下几种情况时需要进行急刹处理。
[0060]1、当 VmuI>0 时，
[0061]图12可知，Vl与V同时大于零，且Vl _V>97，为正向下降；
[0062]图13可知，Vl与V小于零，且Vl -V〈-97，为负向下降。
[0063]2、当 Vmul = O 时，
[0064]图14可知，Vl>97，V = 0，为正向下降；
[0065]图15可知。Vl〈-97，V = 0，为负向下降。
[0066]3、当 Vmul〈0 时，
[0067]图16 可知，Vl>97, V<0, Vl - V>97,为正向下降；
[0068]图17 可知，Vl<-97, V>0, Vl _ V〈_97，为负向下降。
[0069]实施例中当系统处于回转状态自给定急剧下降时，系统要对给定进行缓冲处理，以防止外部给定急剧下降。要对急剧下降的给定值进行处理，首先要了解急剧下降时间和下降曲线。在实验中，我们对外部给定采样，采样频率为162Hz，当给定值由最高下降到最低时(2.5V?O)，下降时间大约为0.5秒。当给定急速下降时，从2.5V下降到0.5V下降时间大约为0.2s，在0.5V?OV下降时间大约0.3s。所以可以设定临界条件为:给定从2.5V匀速下降到OV所用时0.5s的曲线为临界曲线，图18斜线为临界曲线。当给定下降曲线斜率等于或大于临界曲线时，进行缓冲处理。系统AD采样频率为41HZ，可以计算出在临界曲线上可采样21个点，由此可以计算相邻两点的间距Λ= 2047/21 ^ 97。设定V为AD当前采样值，Vl为AD前一次采样值。在实际程序中Vl - V>95且V、V1均大于零时，就会进行延时处理，如图19-21的三个实例曲线。可看出实际应用中很好的实现了电机急刹处理，将原来下降很陡的曲线通过调整和防急刹控制，达到了一个良好的效果，由陡变得平缓下降，将原来的下降时间0.5s增加至2.5s，保护了电机和项目其他程序的稳定进行。
[0070]以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
【权利要求】
1.一种大型设备电机急刹保护装置，其特征在于:包括转速传感器(I)，信号调理电路⑵，AD转换器(3)，PIC单片机控制(4)，调速模块(5)和电机(6)； 转速传感器模块(I)对电机(6)进行转速采样，采样测得电流信号，输入至信号调理模块⑵内； 信号调理模块(2)将输入的电流信号转换成0-5V的电压信号输入至AD转换器(3),同时，对电流信号进行过零检测并将过零检测结果发送给PIC单片机控制模块(4)； AD转换器(3)将收到的电压信号进行模数转换，转换为电压数字信号发送给PIC单片机控制模块(4)； PIC单片机控制模块(4)对收到的过零检测结果和电压数字信号数据进行处理，判断相邻采样点电压差值是否大于临界值M，当超过临界值，则单片机让调速模块(5)按照标准下降曲线执行调速，控制电机转速下降，进而控制电机在急刹过程中使速度缓慢下降。
2.按照权利要求1所述一种大型设备电机急刹保护装置，其特征在于:判断相邻采样点电压差值是否大于临界值M的方法为: 设定V为当前AD采样值，Vl为前一 AD采样值，V与Vl是相邻的两个AD采样值，临界值M为97，当Vl - V>97时，符合正向下降，需要缓冲处理，否则不需要；或者当Vl - V〈_97时，符合负向下降，需要缓冲处理，否则不需要。
3.按照权利要求1所述一种大型设备电机急刹保护装置，其特征在于:按照标准下降曲线执行调速，是指将标准下降曲线量化后的采样点值赋值给V，其中的标准下降曲线量化后的采样点值为:
.2045，2029，2013，1997，1981，1965，1949，1933，1917，1901，1885，1869，1853，1837，18.21，1805，1789，1773，1757，1741，1725，1709，1693，1677，1661，1645，1629，1613，1597，1581，1565，1549，1533，1517，1501，1485，1469，1453，1437，1421，1405，1389，1373，1357，1341，I.325，1309，1293，1277，1261，1245，1229，1213，1197，1181，1165，1149，1133，1117，1101，108.5，1069，1053，1037，1021，1005, .989，973，957，941，925，909，893，877，861，845，829，813，79.7，781，765，749，733，717，701，685，669，653，637，621，605，589，573，557，541，525，509，493，477，461，445，429，413，397，381，365，349，333，317，301, 285，269，253，237，221，205, .189，.173，157，141，125，109，93，77，61，45，29，13，5。
【文档编号】H02P3/04GK104467553SQ201410711917
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月28日 优先权日:2014年11月28日
【发明者】黄辉先, 周鹏, 吴翼, 谭志飞, 陈资滨, 毛美姣 申请人:湘潭大学