CN104505811B - 一种电机过力矩的保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机过力矩的保护方法，通过电流采样电路、电压采样电路、处理器电路和位置传感器电路对电机过力矩进行保护，步骤为：采样输入电机的电压和电流；根据电压电流采样值计算出电机有效功率，换算出电机输出力矩；在电动执行机构进行开关阀时判断电机是否在运行末端位置；判断电机输出力矩是否大于执行机构设定力矩；执行电动执行机构的电机过力矩保护。本发明解决了当前对电动执行机构的力矩保护过程中存在比较大的误差，控制精度不准等问题，在实际应用中更快更准的响应力矩保护。该方法不仅用于电动执行机构技术领域，也可广泛用于各类电机驱动设备中存在的力矩保护的领域。

Description

一种电机过力矩的保护方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，涉及一种电机过力矩的保护方法。

背景技术

电动执行机构作为工业过程控制系统中一个十分重要的现场驱动设备，广泛应用于电力、石油、冶金、化工等行业。在现场流体控制中被驱动设备在运转中出现问题，就会在电动执行机构中体现出来。因此电动执行机构还拥有另一个身份——“被驱动设备保护者”，它的作用就体现在对被驱动设备正常使用的监测，这当中最终要的一点就是过力矩保护。它的控制精度直接决定着执行器能否对自身和连接的阀门起到保护作用。

目前电动执行机构的力矩保护动作比较迟缓，存在比较大的误差，控制精度不准。这样就导致电动执行机构在运行时很容易导致被驱动设备的损坏，在运行中力矩动作迟缓无法达到应用要求。所以需要让力矩保护措施，提高控制精度，减少设备损坏。

发明内容

本发明的目的是提供一种电机过力矩的保护方法，该方法解决了当前对电动执行机构的力矩保护过程中存在比较大的误差，控制精度不准等问题，在实际应用中更快更准的响应力矩保护。该方法不仅用于电动执行机构技术领域，也可广泛用于各类电机驱动设备中存在的力矩保护的领域。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种电机过力矩的保护方法，其特征在于：该方法通过电流采样电路、电压采样电路、处理器电路和位置传感器电路对电机过力矩进行保护，其中，电流采样电路包括电流互感器，电压采样电路包括电压互感器，处理器电路包括单片机，位置传感器电路包括绝对光电隔离编码器，具体步骤如下：

步骤1，实时获取电机的电压、电流和电机控制开关运行位置信息：电流采样电路、电压采样电路、位置传感器电路分别采集电机的电压、电流和电机控制开关运行位置，输入给处理器电路；

步骤2，计算电机力矩：处理器电路依据以下公式计算当前的电机力矩：

F＝(P×η)/V，其中P＝U*I*cosθ，

式中：F为力矩；P为电机输入功率；U为电压；电流为I；cosθ为电机功率因数；V为电机输出轴转速；η为机电总效率；

步骤3，判定电机是否启动：如果电机已启动，进入步骤4；如果电机未启动，进入步骤5；

步骤4，判定电机是否在运行至末端位置换向，所述的运行至末端位置换向是电动执行机构控制阀门开关至全开位置或全关位置时电机换相反转工作；如果是，延时2s-6s后进入步骤5；如果否，延时100ms-2s后进入步骤5；

步骤5，比较当前力矩F是否大于等于设定值，处理器电路将当前力矩F与用户设定过力矩保护的力矩设定值进行比较，如果大于等于设定值，进入步骤6；否则，返回步骤3进入下一轮过力矩保护分析；

步骤6，输出报警和停阀信号。

在上述方法中，力矩F是基于公式U×I×η＝F×V进行换算的，其中，η作为机电总效率，应实际测量获得，据实测情况，其与电机速度密切相关，关系式如下：

η＝α×V²+β×V+γ

式中：V为电机速度，α为二次项系数，β为一次项系数，γ为常数项系数。

需要补充说明的是，在机械传动上，顺时针和逆时针的传动效率不一样，顺时针相对于逆时针传动效率为0.95，因此，单片机运算中应设定根据电机运行状态自动对机电总效率η值的修正。

在电机输入功率计算上，P＝U×I×cosθ，其中：U是固定值，二相是220V，三相是380V。cosθ是电机功率因数，本发明是根据以下方法计算功率因数cosθ的θ值。

θ值就是同一时刻电压和电流的相位差。因此，我们在某一时刻采样获取电压u和电流i瞬时值，紧跟其后进行200us的采样，由于电流电压的频率都是工频，为50HZ，这样一个周期就采样100次，与之对应间隔圆周角度值就是3.6度，分别记录电压采样过零点时间T1和电流采样过零点时间T2，则：

过零点时电压的相位：

过零点时电流的相位：

电压U和电流I过零点相位差：θ＝|θ₁-θ₂|

上述求值利用单片机的计算能力可以轻松计算得到。

采用本发明，电动执行机构在控制和驱动设备时，对电机出现过力矩进行准确的判断和保护，优点在于：

1.在高精度的控制执行机构时避免了电机启动电流带来的影响而产生的误动作。

2.只有在电机正在启动时，设置避让开过力矩检测时间，其余时间正常检测比较，不影响其在正常情况下的及时性。

3.在电动执行机构处于运行末端的时候，由于被驱动设备的严密性要求，其启动力矩会增大，故需要在运行末端反向运动时，设置避让时间，不进行力矩比较，以避免误动作。

4.当执行机构处于运行末端的时，只有执行机构反向运动时设置避让时间，否则有可能拉坏被驱动设备。

5.电机输出力矩一直在采样，且是先判断电机是否正在启动和是否处在运行末端位置，而不是在过力矩后判断，这样使过力矩检测更为及时。

附图说明

图1本发明电路结构逻辑关系图

图2本发明电流采样电路实施例图

图3本发明电压采样电路实施例图

图4本发明实现方法的流程图

具体实施方式

以下根据附图具体介绍本发明。

图1介绍了本发明的一种电机过力矩的保护方法实现的电路结构逻辑关系图，该电路包括电机的电流采样电路、电压采样电路、处理器电路、位置传感器电路，其中：电流采样电路包括电流互感器。处理器电路为单片机电路，单片机电路与报警器连接，单片机电路通过电机控制电路与电机连接。如图2；电压采样电路包括电压互感器，如图3；处理器电路为单片机；位置传感器电路包括绝对光电隔离编码器。

图4详细介绍了本发明实现的方法，该方法通过电流采样电路、电压采样电路、处理器电路和位置传感器电路对电机过力矩进行保护，在开启电动执行机构控制阀门开关开始工作，具体步骤如下：

步骤1，实时获取电机的电压和电流和电机控制开关运行位置信息：电流采样电路、电压采样电路、位置传感器电路分别采集电机的电压、电流和电机控制开关运行位置，输入给处理器电路；

步骤2，计算电机力矩：处理器电路依据以下公式计算当前的电机力矩：

F＝(P×η)/V，其中P＝U×I×cosθ，

式中：F为力矩；P为电机输入功率；U为电压；I为电流；cosθ为电机功率因数；V为电机输出轴转速；η为机电总效率；

力矩F是基于公式U×I×η＝F×V进行换算的，其中，η作为机电总效率，应实际测量获得，据实测情况，其与电机速度密切相关，关系式如下：

η＝α×V²+β×V+γ

式中：V为电机速度，α为二次项系数，β为一次项系数，γ为常数项系数。

在机械传动上，顺时针和逆时针的传动效率不一样，顺时针相对于逆时针传动效率为0.95，因此，单片机运算中应设定根据电机运行状态自动对机电总效率η值的修正。

在电机输入功率计算上，P＝U×I×cosθ，其中：U是固定值，二相是220V，三相是380V。cosθ是电机功率因数，本发明是根据以下方法计算功率因数cosθ的θ值。

θ值就是同一时刻电压和电流的相位差。因此，在某一时刻采样获取电压u和电流i瞬时值，紧跟其后进行200us的采样，由于电流电压的频率都是工频，为50HZ，这样一个周期就采样100次，与之对应间隔圆周角度值就是3.6度，分别记录电压采样过零点时间T1和电流采样过零点时间T2，则：

过零点时电压的相位：

过零点时电流的相位：

电压U和电流I过零点相位差：θ＝|θ₁-θ₂|

上述求值利用单片机的计算能力可以轻松计算得到。

步骤3，判定电机是否启动：如果电机已启动，进入步骤4；如果电机未启动，进入步骤5；

步骤4，判定电机是否在运行至末端位置换向？所述的运行至末端位置换向是电动执行机构控制阀门开关至全开位置或全关位置时电机换相反转工作；如果是，延时2s-6s后进入步骤5，在具体实施中，根据实际情况设定，如图4设定为延时2s；如果否，延时100ms-2s后进入步骤5，在具体实施中，根据实际情况设定，如图4设定延时150ms；

步骤5，比较当前力矩F是否大于等于设定值？处理器电路将当前力矩F与用户设定过力矩保护的力矩设定值进行比较，如果大于等于设定值，进入步骤6；否则，返回步骤3进入下一轮过力矩保护分析；

步骤6，输出报警和停阀信号。此时处理器电路发出报警信号给报警器，同时输出停阀的控制指令，即关闭电机电源停止电动执行机构工作，避免因故障造成的过力矩而损坏机电设备。

Claims (4)

1.一种电机过力矩的保护方法，其特征在于：该方法通过电流采样电路、电压采样电路、处理器电路和位置传感器电路对电机过力矩进行保护，其中，电流采样电路包括电流互感器，电压采样电路包括电压互感器，处理器电路包括单片机，位置传感器电路包括绝对光电隔离编码器，具体步骤如下：

步骤1，实时获取电机的电压、电流和电机控制开关运行位置信息：电流采样电路、电压采样电路、位置传感器电路分别采集电机的电压、电流和电机控制开关运行位置，输入给处理器电路；

步骤2，计算电机力矩：处理器电路依据以下公式计算当前的电机力矩：

F＝(P×η)/V，其中P＝U×I×cosθ，

式中：F为力矩；P为电机输入功率；U为电压；电流为I；cosθ为电机功率因数；V为电机输出轴转速；η为机电总效率；

步骤3，判定电机是否启动：如果电机已启动，进入步骤4；如果电机未启动，进入步骤5；

步骤4，判定电机是否在运行至末端位置换向，所述的运行至末端位置换向是电动执行机构控制阀门开关至全开位置或全关位置时电机换相反转工作；如果是，延时2s-6s后进入步骤5；如果否，延时100ms-2s后进入步骤5；

步骤5，比较当前力矩F是否大于等于设定值，处理器电路将当前力矩F与用户设定过力矩保护的力矩设定值进行比较，如果大于等于设定值，进入步骤6；否则，返回步骤3进入下一轮过力矩保护分析；

步骤6，输出报警和停阀信号。

2.根据权利要求1所述的电机过力矩的保护方法，其特征在于：步骤2中，力矩F是基于公式U×I×η＝F×V进行换算的，其中，η为机电总效率，实际测量获得，其与电机输出轴转速密切相关，关系式如下：

η＝α×V²+β×V+γ

式中：V为电机输出轴转速，α为二次项系数，β为一次项系数，γ为常数项系数。

3.根据权利要求2所述的电机过力矩的保护方法，其特征在于：在机械传动上，顺时针和逆时针的传动效率不一样，顺时针相对于逆时针传动效率为0.95，单片机运算中根据电机运行状态自动对机电总效率η值的修正。

4.根据权利要求1所述的电机过力矩的保护方法，其特征在于：步骤2中，P＝U×I×cosθ，其中：U是固定值，二相是220V，三相是380V；cosθ是电机功率因数，根据以下方法计算功率因数cosθ的θ值：

θ值是同一时刻电压和电流的相位差，在某一时刻采样获取电压u和电流i瞬时值，紧跟其后进行200us的采样，由于电流电压的频率都是工频，为50HZ，这样一个周期就采样100次，与之对应间隔圆周角度值就是3.6度，分别记录电压采样过零点时间T1和电流采样过零点时间T2，则：

过零点时电压的相位：

过零点时电流的相位：

电压U和电流I过零点相位差：θ＝|θ₁-θ₂|。