CN111106782B - 超高转差率电动机控制设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超高转差率电动机控制设备，包括：电流采样电路，用于对电动机的三相工作电流进行采样，并将得到的三相采样电流分别传输到控制器；控制器，用于判断三相采样电流是否满足预设的转矩切换条件，当三相采样电流满足转矩切换条件时，获取与三相采样电流匹配的目标转矩档位，并根据目标转矩档位生成转矩切换指令；输出控制电路，分别与电动机的各个转矩挡接点以及变频器的无源接点连接，用于根据控制器生成的转矩切换指令进行转矩档位切换控制；电源电路，用于为控制设备中的各个电路模块提供电源。本发明能够在电机运行过程中自动识别负载状态并能根据负载状态自动切换到合适的转矩挡位，有效提高电动机的效率，达到节电的目的。

Description

超高转差率电动机控制设备

技术领域

本发明涉及电动机技术领域，尤其涉及一种超高转差率电动机控制设备。

背景技术

高转差率电动机有多个运行转矩挡位，常用为高、中、低三个挡。使用时根据负载大小的不同，分别采用不同的合适的挡位运行，以提高电动机的效率，达到节电的目的。在实际应用中，存在负载大小不固定、或者负载状态在工作过程中会发生变化的情况，因为，如何提供一种能够自动识别负载状态并能自动切换到合适转矩挡位的电动机控制超高转差率电动机控制设备具有重要意义。而且，目前没有合适的解决方案。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术问题，提供一种超高转差率电动机控制设备。

本发明提供了一种超高转差率电动机控制设备，包括：

电流采样电路，用于对电动机的三相工作电流进行采样，并将得到的三相采样电流分别传输到控制器；

控制器，用于判断所述三相采样电流是否满足预设的转矩切换条件，当所述三相采样电流满足预设的转矩切换条件时，获取与所述三相采样电流匹配的目标转矩档位，并根据所述目标转矩档位生成转矩切换指令；

输出控制电路，分别与所述电动机的各个转矩挡接点以及变频器的无源接点连接，用于根据所述控制器生成的转矩切换指令进行转矩档位切换控制；

电源电路，用于为控制设备中的各个电路模块提供第一电源和第二电源。

其中，所述电流采样电路包括三路电流采样子电路，分别对电动机的三相工作电流进行采样；

每一所述电流采样子电路均包括电流互感器、负载电阻、整流滤波电路模块、隔离电阻以及设置在所述电流采样电路的信号输出接口的电路保护模块，所述电流互感器的初级与所述电动机的任一相工作电流输出端连接，所述电流互感器的次级分别于所述负载电阻的两端连接，通过负载电阻将电流互感器的采样电流信号转换为电压信号，所述整流滤波电路模块的输入端与所述负载电阻的两端连接，以对所述电压信号进行整流、滤波，所述整流滤波电路模块的输出端与所述隔离电阻的一端连接，所述隔离电阻的另一端与所述控制器连接，以将通过隔离电阻将所述电压信号传输到控制器，所述电路保护模块，用于防止采样到的电压信号异常损坏控制器。

其中，还包括：显示电路，与所述控制器连接，用于对所述控制器接收到的三相工作电流分别进行显示。

其中，还包括与所述控制器连接的两路输入控制电路，用于分别控制电机的启动和停止。

其中，每一所述输入控制电路均包括第一电阻、第二电阻、第一电容和第一光电隔离器；

所述第一电阻的一端与第一电源连接，另一端与所述第一光电隔离器输入端发光二极管的阳极连接，所述第一光电隔离器输入端发光二极管的阴极与控制信号输入端连接，所述第二电阻的一端与第二电源连接，另一端与所述第一光电隔离器输出端光敏晶体管的集电极连接，所述第一光电隔离器输出端光敏晶体管的集电极作为所述输入控制电路的输出端与所述控制器连接，所述第一光电隔离器输出端光敏晶体管的发射极接地，所述第一电容连接在所述第一光电隔离器输出端光敏晶体管的集电极与发射极之间。

其中，还包括与所述控制器连接的通信接口，用于读取电动机的当前工作状态以及所述三相采样电流；

所述通信接口，支持Modbus RTU协议，所述电动机的启动和停止接口并连到所述通信接口的输出触点，用于远程控制电动机的启动和停止。

其中，所述通信接口为RS485通信接口。

其中，还包括与所述控制器连接的工作状态显示电路，用于对电动机的当前工作状态以及工作档位进行状态指示。

其中，所述输出控制电路与所述控制器连接的四路输出控制子电路，每一所述输出控制子电路均包括第二光电隔离器、第三电阻、第四电阻、第一三极管、第一二极管和继电器，所述第二光电隔离器输入端发光二极管的阳极与第二电源连接，所述第二光电隔离器输入端发光二极管的阴极与控制器的指令输出端连接，所述第二光电隔离器输出端光敏晶体管的集电极通过所述第三电阻与第一电源连接，所述第二光电隔离器输出端光敏晶体管的发射极与所述第四电阻的一端连接，所述第四电阻的另一端接地，所述第一三极管的基极与所述第二光电隔离器输出端光敏晶体管的发射极连接，所述第一三极管的集电极分别与所述第一二极管的阳极和所述继电器的控制端连接，所述第一二极管的阴极与第一电源连接，所述第一三极管的发射极接地，所述继电器的供电端与第一电源连接，所述继电器的被控触电连接在电动机的一个转矩挡接点或变频器的无源接点连。

其中，所述控制器，具体用于分别提取所述三相采样电流在预设检测周期内对应的电流最大值，计算所述三相采样电流对应的电流最大值的电流平均值，并根据所述三相采样电流的变化趋势确定所述电动机的转矩切换模式，以判断所述电流平均值是否满足当前转矩切换模式对应的转矩切换条件；

其中，转矩切换模式包括转矩上切和转矩下切。

本发明实施例提供的超高转差率电动机控制设备，通过在电动机启动完成后或运行过程中，对电动机的三相采样电流进行采样，并当三相采样电流满足预设的转矩切换条件时，获取与当前采样电流匹配的目标转矩档位，并根据目标转矩档位执行转矩切换，进而能够在电机运行过程中自动识别负载状态并能根据负载状态自动切换到合适的转矩挡位，有效提高电动机的效率，达到节电的目的。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明一个实施例的超高转差率电动机控制设备的结构框图；

图2为本发明实施例的超高转差率电动机控制设备中电流采样子电路的电路原理图；

图3为本发明实施例的超高转差率电动机控制设备中输入控制电路的电路原理图；

图4为本发明实施例的超高转差率电动机控制设备中通信接口电路的电路原理图；

图5为本发明实施例的超高转差率电动机控制设备中输出控制子电路的电路原理图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语），具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

图1示意性示出了本发明一个实施例的超高转差率电动机控制设备的结构框图。参照图1，本发明实施例提出的超高转差率电动机控制设备具体包括电流采样电路10、控制器20、输出控制电路30以及电源电路40，其中：

电流采样电路10，用于对电动机的三相工作电流进行采样，并将得到的三相采样电流分别传输到控制器20。

控制器20，用于判断所述三相采样电流是否满足预设的转矩切换条件，当所述三相采样电流满足预设的转矩切换条件时，获取与所述三相采样电流匹配的目标转矩档位，并根据所述目标转矩档位生成转矩切换指令。具体的，所述控制器，具体用于分别提取所述三相采样电流在预设检测周期内对应的电流最大值，计算所述三相采样电流对应的电流最大值的电流平均值，并根据所述三相采样电流的变化趋势确定所述电动机的转矩切换模式，以判断所述电流平均值是否满足当前转矩切换模式对应的转矩切换条件；其中，转矩切换模式包括转矩上切和转矩下切。

输出控制电路30，分别与所述电动机的各个转矩挡接点以及变频器的无源接点连接，用于根据所述控制器20生成的转矩切换指令进行转矩档位切换控制。

电源电路40，用于为控制设备中的各个电路模块提供第一电源和第二电源。

其中，第一电源为+12V直流电、第二电源为+5V直流电。

本实施例中，控制器20采用单片机实现。单片机具体可以采用STC15F2K60S2，LQFP44封装。使用单片机内部时钟电路，没用用到的引脚都直接悬空，在软件中配置为高阻态。

本发明实施例提供的超高转差率电动机控制设备，通过在电动机启动完成后或运行过程中，对电动机的三相采样电流进行采样，并当三相采样电流满足预设的转矩切换条件时，获取与当前采样电流匹配的目标转矩档位，并根据目标转矩档位执行转矩切换，进而能够在电机运行过程中自动识别负载状态并能根据负载状态自动切换到合适的转矩挡位，有效提高电动机的效率，达到节电的目的。

本实施例中，电流采样电路10包括三路电流采样子电路，分别用于对电动机的A、B、C三相工作电流进行采样；如图2所示，每一电流采样子电路均包括电流互感器TT1、负载电阻R68、整流滤波电路模块、隔离电阻R59以及设置在所述电流采样电路的信号输出接口的电路保护模块，所述电流互感器的初级与所述电动机的对应的一相工作电流输出端连接，所述电流互感器的次级分别于所述负载电阻R68的两端连接，通过负载电阻R68将电流互感器的采样电流信号转换为电压信号，所述整流滤波电路模块的输入端与所述负载电阻R68的两端连接，以对所述得到的电压信号进行整流、滤波，所述整流滤波电路模块的输出端与所述隔离电阻R59的一端连接，所述隔离电阻R59的另一端与所述控制器的P1.0口连接，以将通过隔离电阻R59将所述电压信号传输到控制器，所述电路保护模块，用于防止采样到的电压信号异常损坏控制器。

参见图2，其中，整流滤波电路模块包括二极管D8、电容C14、电容C15、电阻R60，电路保护模块包括二极管D4、二极管D9以及电容C16。

本实施例中，控制设备的电流采样电路特征为三相分别采样，采用两级电流互感器完成，如图2所示。第二级电流互感器次级通过负载电阻R68将采样电流信号转换为电压信号，采用肖特基二极管D8半波整流、电容滤波并通过负载电阻调整到合适的时间常数，通过隔离电阻R59将采样信号送至单片机的P1.0端口。电流采样输出接口采用D4、D9组成保护电路，以防止采样电压异常损坏单片机。其他两路电流采样子电路分别将采样信号送至单片机的P1.1、P1.2端口。

本实施例提出的超高转差率电动机控制设备，还包括显示电路，所述的显示电路，与所述控制器连接，用于对所述控制器接收到的三相工作电流分别进行显示。

控制设备中采用3组4位共阳极数码管作为显示电路，分别显示三相工作电流，显示精度为0.1A。其中，数码管采用三片8位锁存器控制，锁存器的数据输入端接单片机的P0口，锁存控制端分别接单片机的P4.1、P4.2、P4.3接口。每位数码管的显示分别由三级控制。

本实施例提出的超高转差率电动机控制设备，还包括与所述控制器连接的两路输入控制电路，用于分别控制电机的启动和停止。

其中，如图3所示，每一所述输入控制电路均包括第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1和第一光电隔离器IC1；所述第一电阻R1的一端与第一电源+12V连接，另一端与所述第一光电隔离器IC1输入端发光二极管的阳极连接，所述第一光电隔离器IC1输入端发光二极管的阴极2与控制信号输入端X2连接，所述第二电阻R2的一端与第二电源+5V连接，另一端与所述第一光电隔离器输出端光敏晶体管的集电极4连接，所述第一光电隔离器输出端光敏晶体管的集电极4作为所述输入控制电路的输出端与所述控制器连接，所述第一光电隔离器输出端光敏晶体管的发射极3接地，所述第一电容C1连接在所述第一光电隔离器输出端光敏晶体管的集电极4与发射极3之间。

本实施例中，控制设备有2个输入端，分别控制电机的启动和停止。如图3所示，输入电路采用光电隔离，接到单片机的P4.4端口，端口分别接有上拉电阻R2及滤波电容C1。

本实施例提出的超高转差率电动机控制设备，还包括与所述控制器连接的通信接口，用于读取电动机的当前工作状态以及所述三相采样电流；

所述通信接口，支持Modbus RTU协议，所述电动机的启动和停止接口并连到所述通信接口的输出触点，用于远程控制电动机的启动和停止。

其中，所述通信接口为RS485通信接口。

在一个具体示例中，如图4所示，控制设备设置有RS485通信接口，支持Modbus RTU协议，可以远程控制电机的启动和停止，可以读取当前的工作状态以及工作电流数据。参见图4，采用MAX485芯片，数据和控制线分别接到单片机的P4.5、P4.6、P4.7端口。

本实施例提出的超高转差率电动机控制设备，还包括与所述控制器连接的工作状态显示电路，用于对电动机的当前工作状态以及工作档位进行状态指示。

在一个具体示例中，控制设备的工作状态指示电路由10个发光二极管完成，指示功能为电源、测试、故障、运行、停止、自动、变频、高挡、中挡、低挡。其中变频、高挡、中挡、低挡由输出电路控制，其它功能除电源指示以外由单片机控制，具体的，分别接到单片机的P3.0、P3.1、P2.4、P2.5、P2.6端口。

本实施例提出的超高转差率电动机控制设备，还包括与所述控制器连接的控制器声音提示电路，由蜂鸣器组成。具体可以由单片机的P3.6端口输出控制信号。

本实施例提出的超高转差率电动机控制设备，所述的输出控制电路30与所述控制器20连接的四路输出控制子电路，如图5所示，每一所述输出控制子电路均包括第二光电隔离器IC10、第三电阻R49、第四电阻R56、第一三极管T3、第一二极管D3和继电器J3，所述第二光电隔离器IC10输入端发光二极管的阳极1与第二电源+5V连接，所述第二光电隔离器IC10输入端发光二极管的阴极2与控制器的指令输出端连接，具体的，所述第二光电隔离器IC10输入端发光二极管的阴极2可通过一个电阻与控制器的指令输出端连接，参见图5中的R53，所述第二光电隔离器IC10输出端光敏晶体管的集电极4通过所述第三电阻R49与第一电源+12V连接，所述第二光电隔离器输出端光敏晶体管的发射极3与所述第四电阻R56的一端连接，所述第四电阻R56的另一端接地，所述第一三极管T3的基极与所述第二光电隔离器IC10输出端光敏晶体管的发射极3连接，所述第一三极管T3的集电极分别与所述第一二极管D3的阳极和所述继电器J3的控制端3连接，所述第一二极管D3的阴极与第一电源+12V连接，所述第一三极管T3的发射极接地，所述继电器的供电端与第一电源+12V连接，所述继电器J3的被控触电连接在电动机的一个转矩挡接点或变频器的无源接点连。

本发明实施例提供的超高转差率电动机控制设备的具体实现原理如下：

在电动机启动完成后或运行过程中，获取电动机的三相实时工作电流，分别提取所述三相实时工作电流在预设检测周期内对应的电流最大值，计算所述三相实时工作电流对应的电流最大值的电流平均值。具体的，当用户按下“启动”按钮触发启动指令或接收到用户远程发送的启动指令时，控制器高挡输出接通，控制电机高转矩启动，以保证电机在带载情况下可靠启动，同时通过预先设置的指示灯进行“运行”指示提醒，并可以通过预先设置的数码管显示三相实时工作电流。在接收到启动指令延时一定启动时间以后，电机启动完成，控制器开始监测电机工作状态，检测周期可以为1分钟，并在检测周期之后根据三相实时工作电流对应的电流最大值的电流平均值判断负载状态参数是否满足预设的转矩切换条件，若满足，则根据所述三相实时工作电流的变化趋势确定所述电动机的转矩切换模式，其中，转矩切换模式包括转矩上切和转矩下切；判断所述电流平均值是否满足当前转矩切换模式对应的转矩切换条件。当所述电流平均值满足预设的转矩切换条件时，获取与当前电流平均值匹配的目标转矩档位，并根据所述目标转矩档位执行转矩切换，以将电机切换到合适的转矩挡位。

其中，启动时间可以由用户进行设置或修改，默认值可以设置为3-10秒。

在一个具体实施例中，电动机由低挡切换到中挡的切换电流值，单位：A，范围1—300，默认值可设置为48.5；电动机由中、低挡切换到高挡的切换电流值，单位：A，范围1—300，默认值可设置为69.4；电动机由中、高挡切换到低挡的切换电流值，单位：A，范围1—300，默认值可设置为48.0；电动机由高挡切换到中挡的切换电流值，单位：A，范围1—300，默认值可设置为68.9。

具体的，在设置切换电流时，同一挡位上的上切电流应该比下切电流大，比如从中挡切换到高挡的电流要大于从高挡切换到中挡的电流，两个电流值要有一定的差值，以防止接触器频繁动作，进行不必要的切换，影响接触器使用寿命。

进一步地，本发明实施例中，当所述电动机的三相实时工作电流中存在一相实时工作电流或多相实时工作电流大于预设的安全电流阈值，且持续时间大于预设时间阈值时，执行过载保护操作。

其中，用于电动机过载保护的安全电流阈值，单位：A，范围1—300，默认值可设置为106.7。

进一步地，本发明实施例中，当所述电动机的三相实时工作电流中缺少任一相电流时，执行缺相保护操作。

本发明能完全满足电动机对效率和节电的需要，控制器通过对电机三相工作电流采样并处理，实时监测电动机的负载状态，并根据相应的电机运行参数自动切换到合适的转矩挡位，保持电机的高效率运行；在运行过程中，如果负载发生了变化，控制器能自动识别并切换到相应的合适挡位。

本发明实施例提供的超高转差率电动机控制设备，通过在电动机启动完成后或运行过程中，对电动机的三相采样电流进行采样，并当三相采样电流满足预设的转矩切换条件时，获取与当前采样电流匹配的目标转矩档位，并根据目标转矩档位执行转矩切换，进而能够在电机运行过程中自动识别负载状态并能根据负载状态自动切换到合适的转矩挡位，有效提高电动机的效率，达到节电的目的。

本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种超高转差率电动机控制设备，其特征在于，包括：

电流采样电路，用于对电动机的三相工作电流进行采样，并将得到的三相采样电流分别传输到控制器；

控制器，用于判断所述三相采样电流是否满足预设的转矩切换条件，当所述三相采样电流满足预设的转矩切换条件时，获取与所述三相采样电流匹配的目标转矩档位，并根据所述目标转矩档位生成转矩切换指令；

输出控制电路，分别与所述电动机的各个转矩挡接点以及变频器的无源接点连接，用于根据所述控制器生成的转矩切换指令进行转矩档位切换控制；

电源电路，用于为控制设备中的各个电路模块提供第一电源和第二电源；

所述控制器，具体用于分别提取所述三相采样电流在预设检测周期内对应的电流最大值，计算所述三相采样电流对应的电流最大值的电流平均值，并根据所述三相采样电流的变化趋势确定所述电动机的转矩切换模式，以判断所述电流平均值是否满足当前转矩切换模式对应的转矩切换条件；

其中，转矩切换模式包括转矩上切和转矩下切，对于同一档位，上切至该档位的电流比下切至该档位的电流大；

所述电流采样电路包括三路电流采样子电路，分别对电动机的三相工作电流进行采样；

每一所述电流采样子电路均包括电流互感器、负载电阻、整流滤波电路模块、隔离电阻以及设置在所述电流采样电路的信号输出接口的电路保护模块，所述电流互感器的初级与所述电动机的任一相工作电流输出端连接，所述电流互感器的次级分别于所述负载电阻的两端连接，通过负载电阻将电流互感器的采样电流信号转换为电压信号，所述整流滤波电路模块的输入端与所述负载电阻的两端连接，以对所述电压信号进行整流、滤波，所述整流滤波电路模块的输出端与所述隔离电阻的一端连接，所述隔离电阻的另一端与所述控制器连接，以将通过隔离电阻将所述电压信号传输到控制器，所述电路保护模块，用于防止采样到的电压信号异常损坏控制器；

所述输出控制电路与所述控制器连接的四路输出控制子电路，每一所述输出控制子电路均包括第二光电隔离器、第三电阻、第四电阻、第一三极管、第一二极管和继电器，所述第二光电隔离器输入端发光二极管的阳极与第二电源连接，所述第二光电隔离器输入端发光二极管的阴极与控制器的指令输出端连接，所述第二光电隔离器输出端光敏晶体管的集电极通过所述第三电阻与第一电源连接，所述第二光电隔离器输出端光敏晶体管的发射极与所述第四电阻的一端连接，所述第四电阻的另一端接地，所述第一三极管的基极与所述第二光电隔离器输出端光敏晶体管的发射极连接，所述第一三极管的集电极分别与所述第一二极管的阳极和所述继电器的控制端连接，所述第一二极管的阴极与第一电源连接，所述第一三极管的发射极接地，所述继电器的供电端与第一电源连接，所述继电器的被控触电连接在电动机的一个转矩挡接点或变频器的无源接点连。

2.根据权利要求1所述的超高转差率电动机控制设备，其特征在于，还包括：

显示电路，与所述控制器连接，用于对所述控制器接收到的三相工作电流分别进行显示。

3.根据权利要求1所述的超高转差率电动机控制设备，其特征在于，还包括与所述控制器连接的两路输入控制电路，用于分别控制电机的启动和停止。

4.根据权利要求3所述的超高转差率电动机控制设备，其特征在于，每一所述输入控制电路均包括第一电阻、第二电阻、第一电容和第一光电隔离器；

所述第一电阻的一端与第一电源连接，另一端与所述第一光电隔离器输入端发光二极管的阳极连接，所述第一光电隔离器输入端发光二极管的阴极与控制信号输入端连接，所述第二电阻的一端与第二电源连接，另一端与所述第一光电隔离器输出端光敏晶体管的集电极连接，所述第一光电隔离器输出端光敏晶体管的集电极作为所述输入控制电路的输出端与所述控制器连接，所述第一光电隔离器输出端光敏晶体管的发射极接地，所述第一电容连接在所述第一光电隔离器输出端光敏晶体管的集电极与发射极之间。

5.根据权利要求1所述的超高转差率电动机控制设备，其特征在于，还包括与所述控制器连接的通信接口，用于读取电动机的当前工作状态以及所述三相采样电流；

所述通信接口，支持Modbus RTU协议，所述电动机的启动和停止接口并连到所述通信接口的输出触点，用于远程控制电动机的启动和停止。

6.根据权利要求5所述的超高转差率电动机控制设备，其特征在于，所述通信接口为RS485通信接口。

7.根据权利要求1所述的超高转差率电动机控制设备，其特征在于，还包括与所述控制器连接的工作状态显示电路，用于对电动机的当前工作状态以及工作档位进行状态指示。

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