一种机电一体化直流电机控制器.pdf

一种机电一体化直流电机控制器，它是一种机电一体化的控制调节直流电机工作状态的电力控制装置，可用于各种直流电机拖动系统，特别适用于需频繁调整其真流电机工况的场合，如象在电动轧机、电力机车、城市公共交通所用的有轨电车等。
    在直流电机应用的很多场合都需要对直流电机的输出工况加以控制。现在的控制方法基本上是两种，对于输出功率较大的电机，多采用控制其励磁功率进行工况控制，这样控制功率可以小一些。对于输出功率不大的电机，也可以采用直接控制其整个电机的输入功率来进行工况控制。但不管是采用哪一种方法，都必须调节输入功率的大小。现在的调节控制方法多采用在输出回路中串联可变电阻箱的方法，通过改变串联电阻的值来改变输入或励磁功率的大小。由于用电阻来降压，电阻本身要消耗大量的能量，能量损失且不论，发热问题也相当严重。一般电阻箱要占用很大地散热面积，有时还要采用特别的散热措施。可变电阻箱中改变电阻值的方法是用切换不同触点的方法来实现的，由于通过的电流大，在切换中容易拉电弧，加剧触点的磨损。由于是机械方式切换，速度较慢，控制精度不高。现在先进的直流电机功率控制器采用可控硅的导通角来调节平均输出电压。由于可控硅的成本较高，不容易控制其关断，需采用交流对可控硅供电，为减小滤波元件，错开与电机转速共振，要使用较高频率的交流电，这就要求增加一套直流交流逆变装置。

    本发明的目的是发明一种机电一体化直流电机控制器，该控制器可对直流电机的工作状况进行控制，它基本无能量损失，而且控制精度高，响应时间短，能适应自动化控制的要求。

    本发明的结构框图如附图1所示，大功率开关如附图1所示，它有大功率开关（1），开关控制电路（2），其特征在于：大功率开关（1）装置于直流电机近旁，有可为系统共用的标准工业控制介面（3），开关控制电路（2）为插入标准工业控制介面（3）中的控制适配模块，为整个机电一体化系统所共有的中央控制计算机（4）通过串行通讯接口与标准工业控制介面相连接，大功率开关（1）是由多个VMOS管并联组成，所有的VMOS管源极并联于源极极板（6），并且所有的VMOS管漏极也都并联于漏极极板（7），VMOS管被源极极板（6）和漏极极板（7）夹持其间，所有VMOS管的栅极各串联一个限流电阻R1后并联于控制端（5），并在所有VMOS管的栅极和源极之间各并联一个保护电阻2。

    在本发明中，中央控制计算机（4）通过标准工业控制介面（RTU）（3）选通控制适配模块（2），控制适配模块（2）根据中央控制计算机（4）传输的数据要求产生不同脉宽比的重复脉冲串，该脉冲串控制大功率开关（1）的通断。由于导通与关断的时间比可以调节为不同的值，因此也就能得到不同的平均输出电压，用它作为直流电机的输入控制或励磁控制，可以控制电机的工作状况。本发明采用为整个系统所共有的中央控制计算机（4）通过在直流电机附近的RTU（3）对电机进控制，实现了机电一体化的控制方法。在RTU（3）中还可以插有其它的不同模块，完成不同的功能。如还可以插入转速测量模块，温度测量模块，甚至还可以插入其它直流电机的控制适配模块，使其能够检测整个系统的状态，实行群控和整体自动控制。本发明由于采用开关的方法调节控制平均电压，在大功率开关（1）上其本不消耗能量，不象电阻箱调压，结构尺寸也很小，再加上采用计算机自动控制，控制精度高，响应时间短。本发明VMOS管组做大功率开关（1），也比可控硅所要求的驱动简单，省去了一套直流交流逆变装置。

    本发明中的大功率开关（1）如附图2所示。由于VMOS管的阻抗很高，基本上是由栅极电位控制源漏极之间的导通率，因此就是多VMOS管并联，用TTL级的控制电平也能驱动，驱动电路可以十分简单。VMOS管的输出阻抗是正阻特性，并有正的温度系数，因此多个VMOS管并联，总的输出电流能够自动均匀分配到各管上，而且热稳定性也好，不会出现普通晶体管并联后工作不均和不稳定现象。通过多个VMOS管的并联，可以用较便宜的VMOS管组合出控制功率很大的复合块。在复合块中，可以有几个、几十个、上百个VMOS管，控制功率形成一个系列。在复合块中，用源极极板（6）和漏极极板（7）把VMOS管夹持其间，各VMOS管都可通过两极板进行双面散热。可以用粘接剂或紧固件使每个VMOS管固定。由于复合块成了一个固态组件，它的可靠性提高，能适应各种环境。

    本发明中的控制适配模块（2）也是一个插入RTU（3）内部插槽中的标准模块，它可以是一个简单的多谐振荡器，用一个数/模转换芯片把从RTU（3）中接收来的数字信号转换为电压值，加到多谐荡器一边的基极电阻一端，改变电阻端的电位，可以得到不同的延时，从而产生宽窄不同的方波。控制适配模块（2）也可以是由一个时钟电路推动一个循环计数器，用比较电路把循环计数器计数的值与由RTU传来的值进行比较，控制输出寄存器的翻转。用输出寄存器的“0”、“1”值产生脉宽比不同的脉冲串，其逻辑图如附图3所示。时钟（8）为一固定频率的晶体振荡器，频率可在10000赫芝到1000000赫芝之间。根据控制精度的要求，循环计数器（9）可为8位或16位，比较电路（10）把输入寄存器组（11）的值与循环计数器（9）比较。在循环计数器（9）的值为全“0”时，触发输出寄存器（12）翻转为“1”。当循环计数器（9）的值为与输入寄存器（11）的值一样时，触发输出寄存器（12）翻转为“0”。本发明的控制适配模块（2）还可以是由可编程的定时器芯片（如象8253等）加上时钟芯片以及辅助电路组成。由RTU（3）传来的信号对定时器芯片进行设定，通过循环启动定时器芯片，输出不同宽度的脉冲串。