电机智能控制器

摘要

本发明公开了一种电机智能控制器，包括电源同步信号检测电路、功率因数检测电路、电机重载检测电路、启动控制及温度保护电路、缺相保护电路、可控硅触发角控制电路、电源电路。本发明适时检测三相异步电机负载功率因数，从而适时判定电机负载功率的大小，通过控制可控硅导通角，动态调整电机输入电压，达到节能目的。本发明结构简单实用，安装方便，具有自动调整方式，节电效果显著，适用于定速拖动，负载变化较大的电机负载。

权利要求

1.一种电机智能控制器，包括向电机供电的第一至第三相电L1、L2和L3，连接在所述第一相电L1与电机第一相电W之间的第一可控硅KP1，连接在所述第二相电L2与电机第二相电V之间的第二可控硅KP2，以及连接在所述第三相电L3与电机第三相电U之间的第三可控硅KP3，还包括：同步信号检测电路，用于检测第一相电L1的电压过零点，并以此作为同步基准信号；

功率因数检测电路，用于检测流经第一可控硅KP1的电流过零点，并通过单片机计算所述电流过零点与所述同步基准信号的时间差，得到功率因数；

电机重载检测电路，用于在所述电机第一相电W上检测电机负载电压过零点，并通过所述单片机计算所述电机负载电压过零点与所述同步基准信号的时间差，得到电机重载；

可控硅触发控制电路，用于依据所述同步基准信号以及所得到的功率因数和电机重载控制所述第一至第三可控硅KP1、KP2和KP3的导通角，从而动态调整电机输入电压；

其中，所述单片机计算电机负载电压过零点与所述同步基准信号的时间差的变化，并且将所述变化的突然变小确定为电机重载；

其中，电机重载检测电路包括：

连接所述电机第一相电W端的第一限流电阻（R46）；

对经由所述第一限流电阻（R46）的电机第一相电W进行嵌位的第一正向嵌位二极管（D9）和第一反向嵌位二极管（D10）；以及根据所述第一正向嵌位二极管（D9）或第一反向嵌位二极管（D10）的嵌位电压启动所述单片机生成电机重载发生时刻的第一触发器（IC10E）。

2.根据权利要求1所述的电机智能控制器，还包括缺相检测电路，所述缺相检测电路在由同步基准信号确定的一个周期内分别检测流经第一可控硅KP1、第二可控硅KP2和第三可控硅KP3的电流过零点，并通过所述单片机判断流经三个可控硅的电流过零点是否缺失。

3.根据权利要求1或2所述的电机智能控制器，其中所述同步信号检测电路包括：连接所述第一相电L1端的第二限流电阻（R49）；

对经由所述第二限流电阻（R49）的第一相电L1进行嵌位的第二正向嵌位二极管（D11）和第二反向嵌位二极管（D12）；以及根据所述第二正向嵌位二极管（D11）或第二反向嵌位二极管（D12）的嵌位电压启动所述单片机生成所述同步基准信号发生时刻的第二触发器。

4.根据权利要求3所述的电机智能控制器，其中，所述单片机通过计算从同步基准信号发生时刻到第一可控硅KP1电流过零点发生时刻的持续时间，然后将所述持续时间除以三相电的360度周期的1度时间，得到功率因数。

说明书

电机智能控制器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种节电器，特别是一种用于电机定速运行的电机智能控制器。

背景技术

[0002] 在工农业生产中，广泛使用三相异步电动机作为动力，在电机作为动力的机械设备中，普遍按照机械设备可能产生的最大功率来配置电机，在实际使用的过程中满载的情况很少，大多数情况电机都在轻载情况下运行，造成了电能的浪费，而电机在运行过程中，有变速运行和定速运行两种方式，对与需要变速运行的电机，人们普遍采用变频器来解决变速运行和节能的问题，而定速运行的电机，变频器并不适用，为解决定速运行的电机节能问题，普遍采用轻载降压重载升压的方式解决，但在如何检测电机轻、重载状态，并自动升、降电压方面，方式很多，效果也不是很理想。

发明内容

[0003] 发明内容

[0004] 本发明的主要目的在于提出一种可根据电机负载变化自动调节电机输出功率的电机智能控制器，它具有高的运行稳定性、全自动调节并具有良好的节电效果。

[0005] 根据第一方面，本发明的电机智能控制器包括向电机供电的第一至第三相电L1、L2和L3，连接在所述第一相电L1与电机第一相电W之间的第一可控硅KP1，连接在所述第二相电L2与电机第二相电V之间的第二可控硅KP2，以及连接在所述第三相电L3与电机第三相电U之间的第第三可控硅KP3，还包括：

[0006] 利用同步基准信号得到功率因数的装置；以及

[0007] 根据所得到的功率因数控制所述第一至第三可控硅KP1、KP2和KP3的导通角从而动态调整电机输入电压的装置。

[0008] 由于当电机空载时，功率因数很低，只有0.18，而电机轻载、重载时，功率因数升高，满载时功率因数达到0.87左右，因此可以通过检测电机功率因数的大小判断电机负载的状态。

[0009] 本发明通过适时检测三相异步电机负载功率因数，适时判定电机负载功率的大小，通过控制可控硅导通角，动态调整电机输入电压，以达到节能目的。

[0010] 根据第二方面，本发明的电机智能控制器包括向电机供电的第一至第三相电L1、L2和L3，连接在所述第一相电L1与电机第一相电W之间的第一可控硅KP1，连接在所述第二相电L2与电机第二相电V之间的第二可控硅KP2，以及连接在所述第三相电L3与电机第三相电U之间的第第三可控硅KP3，还包括：

[0011] 同步信号检测电路，用于检测第一相电L1的电压过零点，并以此作为同步基准信号；

[0012] 功率因数检测电路，用于检测流经第一可控硅KP1的电流过零点，并通过单片机计算所述电流过零点与所述同步基准信号的时间差，得到功率因数；

[0013] 电机重载检测电路，用于在所述电机第一相电W上检测电机负载电压过零点，并通过所述单片机计算所述电机负载电压过零点与所述同步基准信号的时间差，得到电机重载；

[0014] 可控硅触发控制电路，用于依据所得到的功率因数和/或电机重载控制所述第一至第三可控硅KP1、KP2和KP3的导通角，从而动态调整电机输入电压。

[0015] 本发明的电机智能控制器还包括缺相检测电路，所述缺相检测电路分别检测流经第一可控硅KP1、第二可控硅KP2和第三可控硅KP3的电流过零点，并通过所述单片机判断流经三个可控硅的电流过零点是否缺失。

[0016] 其中，对于频率为50Hz的三相电，所述功率因数＝(第一可控硅KP1电流过零点发生时刻-同步基准信号发生时刻)÷56(ns)。

[0017] 其中，所述单片机计算电机负载电压过零点与所述同步基准信号的时间差的变化，并且将所述变化的突然变小确定为电机重载。

[0018] 其中，所述同步信号检测电路包括：连接所述第一相电L1端的限流电阻；对经由所述限流电阻的第一相电L1进行嵌位的嵌位二极管；以及根据所述正向嵌位二极管或反向嵌位二极管的嵌位电压启动所述单片机生成所述同步基准信号发生时刻的触发器。

[0019] 其中，所述功率因数检测电路是电流过零点检测电路，包括：经由所述第一相电L1端和电机第一相电W端并联连接所述第一可控硅KP1的包括限流电阻的二极管桥路；连接在所述二极管桥路输出的触发器；其中所述触发器依据所述第一可控硅KP1导通时刻二极管桥路的输出电压，启动所述单片机生成第一可控硅KP1电流过零点发生时刻。

[0020] 其中，所述单片机通过计算从同步基准信号发生时刻到第一可控硅KP1电流过零点发生时刻的持续时间，然后将所述持续时间除以三相电的360度周期的1度的时间，得到功率因数。

[0021] 其中，所述电机重载检测电路包括：连接所述电机第一相电W端的限流电阻；对经由所述限流电阻的电机第一相电W进行嵌位的嵌位二极管；以及根据所述正向嵌位二极管或反向嵌位二极管的嵌位电压启动所述单片机生成电机重载发生时刻的触发器。

[0022] 在所述缺陷检测电路中，检测流经第一可控硅KP1过零点的电路包括：经由L1端和W端并联连接所述第一可控硅KP1的包括限流电阻的第一二极管桥路，以及连接在所述第一二极管桥路输出与单片机的P5输入端之间的第一触发器；

[0023] 检测流经第二可控硅KP2过零点的电路包括：经由L2端和V端并联连接所述第二可控硅KP2的包括限流电阻的第二二极管桥路，以及连接在所述第二二极管桥路输出与所述单片机的输入端之间的第二触发器；

[0024] 检测流经第三可控硅KP3过零点的电路包括：经由L3端和U端并联连接所述第三可控硅KP3的包括限流电阻的第三二极管桥路，以及连接在所述第三二极管桥路输出与所述单片机的P3输入端之间的第二触发器；

[0025] 其中，所述单片机在由同步基准信号确定的一个周期内，检测从所述三个输入端P3～P5的触发脉冲。

[0026] 其中，可控硅触发控制电路包括分别连接单片机三个输出端与第一至第三可控硅KP1～KP3的控制端的三个双向可控硅驱动电路。

[0027] 本发明的技术效果是，以同步信号检测电路的检测信号为基准，其它电路均参照此电路信号为基准运行，保证了信号检测、可控硅控制的有序性。采用功率因数检测电路检测适时电机负载状态，单片机可以根据检测数据，控制可控硅触发角控制电路，适时调整可控硅控制角，从而改变三相电机电压升高或降低，从而达到节能的目的，而整个工作过程不需要人为参与，从而节省了人力成本。

[0028] 下面结合附图对本发明进行详细说明。

附图说明

[0029] 图1a是本发明的智能电机控制器第一实施例原理图；

[0030] 图1b是本发明的智能电机控制器第二实施例原理图；

[0031] 图2是显示图1b所示的同步信号检测电路、电机重载检测电路、功率因数检测电路及第一可控硅触发控制电路结构的电路图；

[0032] 图3是显示图1b所示的缺相检测电路、第二、第三可控硅触发控制电路结构的电路图；

[0033] 图4是显示图1b所示的单片机结构、供电电源电路的电路图；

[0034] 图5a至图5c是显示本发明的同步基准信号检测电路的原理、功能和实现过程的示意图；

[0035] 图6a至图6d是显示本发明的功率因数检测电路的原理、功能和实现过程的示意图。

具体实施方式

[0036] 图1和图2中的标记L1、L2和L3从供电的观点看，属于第一至第三相电；从连接的观点看，则为第一至第三相电端，比如L1端、L2端和L3端。因此在下面的说明中，把L1至L3分别称之为第一相电L1、第二相电L2和第三相电L3，以便说明供电关系；或者根据情况将其称之为第一相电L1端、第二相电L2端和第三相电L3端，以便说明连接关系。标记W、V和U按照相同方式称谓。

[0037] 图1a显示了本发明的电机智能控制器的第一实施例，如图1a所述，该电机智能控制器包括向电机供电的第一至第三相电L1、L2和L3，连接在所述第一相电L1与电机第一相电W之间的第一可控硅KP1，连接在所述第二相电L2与电机第二相电V之间的第二可控硅KP2，以及连接在所述第三相电L3与电机第三相电U之间的第第三可控硅KP3，还包括：利用同步基准信号得到功率因数的装置；以及根据所得到的功率因数控制所述第一至第三可控硅KP1、KP2和KP3的导通角从而动态调整电机输入电压的装置。

[0038] 该实施例的同步基准信号可以取自第一至第三相电L1至L3之任一相电(比如L1或L2或L3)的电压过零点，并将该电压过零点作为计算功率因数的基准。

[0039] 需要说明的是，由于三相电是正弦波交流电，因此本发明在任意一个周期中，以电压过零点为同步基准信号进行功率因数检测或其他检测。

[0040] 图1b显示了本发明的智能电机控制器第二实施例，图2所示的电机智能控制器包括向电机供电的第一至第三相电L1、L2和L3，连接在所述第一相电L1与电机第一相电W之间的第一可控硅KP1，连接在所述第二相电L2与电机第二相电V之间的第二可控硅KP2，以及连接在所述第三相电L3与电机第三相电U之间的第第三可控硅KP3，还包括：同步信号检测电路，用于检测第一相电L1的电压过零点，并以此作为同步基准信号；功率因数检测电路，用于检测流经第一可控硅KP1的电流过零点，并通过单片机计算所述电流过零点与所述同步基准信号的时间差，得到功率因数；电机重载检测电路，用于在所述电机第一相电W上检测电机负载电压过零点，并通过所述单片机计算所述电机负载电压过零点与所述同步基准信号的时间差，得到电机重载；可控硅触发控制电路，用于依据所得到的功率因数和/或电机重载控制所述第一至第三可控硅KP1、KP2和KP3的导通角，从而动态调整电机输入电压。

[0041] 本发明的电机智能控制器还可以包括缺相检测电路，所述缺相检测电路分别检测流经第一可控硅KP1、第二可控硅KP2和第三可控硅KP3的电流过零点，并通过所述单片机判断流经三个可控硅的电流过零点是否缺失。

[0042] 对于频率为50Hz的三相电，所述功率因数＝(第一可控硅KP1电流过零点发生时刻-同步基准信号发生时刻)÷56(ns)。

[0043] 对于电机重载检测，单片机在三相电的每个周期中计算电机负载电压过零点与所述同步基准信号的时间差的变化，并且将所述变化的突然变小确定为电机重载。

[0044] 图5a至图5c显示了本发明的同步基准信号检测电路的原理、功能和实现过程。

[0045] 本发明同步基准信号检测的原理是检测L1相电压过零点发生时间，以此时间为基准，在一个周期内，三相电的检测、控制以此为参考点，使本发明能在同步基准信号的控制下有序进行。

[0046] 本电路的采样点取自L1端，经过嵌位二极管嵌位后至信号触发器的输入端，信号触发器的输出端接入单片机，L1端电压是图5a所示的标准的正弦波，当正弦波由负到正时5.7V时，超过嵌位二极管的导通电压，嵌位二极管将导通，将正弦波电压嵌位，如图5b所示；5.7V伏的正电压使信号触发器导通，由此将一个触发信号输入给单片机，如图5c所示。当正弦波电压下降至5.7V以下时，二极管截止，信号触发器关断。因此，单片机将检测到的信号上升沿为同步基准信号发生的时间。通过软件控制单片机时间定时器工作。为检测、控制提供基准。

[0047] 本发明通过计算单片机输入端脉冲上升沿发生的时刻，准确采集到同步基准信号。

[0048] 图6a至图6d显示本发明的功率因数检测电路的功能、原理及实现过程。其中，图6a显示了L1端电压波形；图6b显示了W端电压波形；图6c显示了电流过零点时的单片机输入脉冲；图6d显示了电压过零点单片机输入脉冲，虚线所带表的间隔时间为功率因数角。

[0049] 本发明功率因数检测电路是通过检测L1相电流过零点发生的时间，与同步基准信号发生时间相比较，然后将两信号发生的时间差为功率因数。

[0050] 电机功率因数的定义为电流滞后电压的角度，以50HZ交流电为例，每周期为20ms，一周期为360度，每一度为56ns，通过上述计算所得时间值除以56ns，就是电机瞬时功率因数值。

[0051] 通过电机参数特性可知，电机是电感性负载，电流滞后与电压，对电机而言，其电感量是固定的，而随着电机负载的变化，其功率因数、电流发生变化，负载小时功率因数低，电流小，负载大时功率因数高，电流大。

[0052] 双向可控硅的特性是电流的起点取决与可控硅导通角开通时间，但电流的终点取决于功率因数大小，并在电流过零点时会产生一个脉冲，本发明就是检测这一脉冲发生时刻来判断功率因数。

[0053] 本发明的功率因数检测电路输入端为L1端和W端，二极管桥路D17～D20并接在L1端和W端，该二极管桥路整流后形成的直流信号通过高速光耦IC3隔离转换后变成脉冲信号，经由OUT端输入到单片机P5输入端。当双向可控硅KP1导通有电流流过时，可控硅KP1将二极管桥路D17～D20短路，因此没有信号输入给光耦IC3，可控硅在电流降为零到自然换相点时，因可控硅没有电流流过，从而电流经过四个二极管整流形成通路，形成直流信号通过光耦隔离输入到单片机，检测到此信号上升沿为电流信号过零点时刻。

[0054] 当同步基准信号检测到电压过零点信号时，触发单片机定时器，开始计时，检测到电流过零点信号时停止计时，此时间按照前述所说方法换算就可得到适时的功率因数。

[0055] 电机缺相检测电路(和相序检测)的原理和工作过程如下：

[0056] 电机相序检测和缺相检测电路利用在L1、L2、L3三相均安装功率因数检测电路来完成检测，原理是在电机启动前检测L1、L2、L3三相输入电压过零点，判断三相电流发生的顺序，以判断相序，利用软件控制电机正、反转，其原理是电机未启动时，双向可控硅没有电流通过，输入端为正弦电压波形，经过二极管桥路整流后旁路流过电机定子形成回路，当正弦波到零点时，电流停止，二极管没有整流信号输出以高速光耦，因此高速光耦检测到这一变化输出高脉冲给单机，三相电每相相差120度，所以三个高速光耦输出的脉冲也差120度，判断三相发生的顺序就可得到相序。

[0057] 缺相检测是利用该电路在运行时检测三相电流过零点来完成的，如果某次一相电流过零点没发生，意味缺相，单片机控制可控硅停止输出，以保护系统不受损坏。

[0058] 本发明的重载检测电路的功能、原理及实现过程如下：

[0059] 重载检测电路检测W端电压信号，经过限流电阻后输入到嵌位二极管后输入到信号放大器输入端，二极管阴极接+5V，当电压超过5.7V时，信号放大器导通，信号放大器输出一方波到单片机输入端。

[0060] L1端是标准的正弦波，提供同步基准信号，W端经过可控硅斩波后形成的输入电压和电机反电动势叠加，其电压值主要由电流决定，当负载变化不大时，电流变化不大，此重载信号和同步基准信号的时间差变化较小，当负载发生突变增大时，因电流迅速增加导致两信号时间差迅速变小，软件检测到这一变化时立刻以3.4ms内将电压升至全压状态，避免电机堵转现象的发生。

[0061] 本发明的可控硅驱动控制电路的原理和实现过程如下：

[0062] 单片机的三个输出端子分别对三个双向可控硅驱动芯片如MOC3052进行驱动，每一个输出端子对应一个可控硅，

[0063] MOC3052是光电隔离可控硅驱动芯片，导通需要两个条件，一个是检测到电压过零，另一个是有驱动控制信号，当这两个条件同时满足时，芯片导通，所以利用这一原理，控制软件以同步基波信号为基准，根据反馈的信号，计算出可控硅控制角度，由单片机的三个输出端输出控制信号，芯片根据自然换相点方向控制正向或反向可控硅导通，从而完成对可控硅控制。

[0064] 下面分别结合图2至图4说明本发明的同步信号检测电路、功率因数检测电路、单片机、电机重载检测电路、可控硅触发控制电路和缺相检测电路的电路结构。

[0065] 参见图2，本发明的同步信号检测电路包括：连接所述第一相电L1的限流电阻R49；对经由所述限流电阻R49的第一相电L1进行正向嵌位的正向嵌位二极管D11；根据所述正向嵌位二极管D11的嵌位电压启动所述单片机生成所述同步基准信号发生时刻的触发器，即晶体管Q3和反向器IC10F。反向器IC10F的输出端连接单片机的P24输入端。图中的反向二极管D12用于将来自L1的负半周交流电旁通至地。

[0066] 参见图2，本发明的功率因数检测电路是电流过零点检测电路，它包括：经由所述第一相电L1端和电机第一相电W端并联连接所述第一可控硅KP1的包括限流电阻R4的二极管桥路D17～D20；连接在所述二极管桥路D17～D20输出的触发器IC3；其中所述触发器IC3依据与所述第一可控硅KP1导通时刻二极管桥路D17～D20的输出电压，启动所述单片机生成第一可控硅KP1电流过零点发生时刻。该触发器IC3是一个光电耦合器，该光电耦合器的输出端OUT连接单片机的P5输入端。

[0067] 参见图3，单片机的P24输入端接收图5c所示的L1电压过零点的触发信号并开始计时，以及单片机的P5输入端接收图6d所示的触发信号并开始计时，从而计算从同步基准信号发生时刻到第一可控硅KP1电流过零点发生时刻的持续时间，然后将所述持续时间除以三相电的360度周期的1度的时间，得到功率因数。

[0068] 参见图2，本发明的电机重载检测电路包括：连接所述电机第一相电W端的限流电阻R46；对经由所述限流电阻R46的电机第一相电W进行正向嵌位的正向嵌位二极管D9；根据所述正向嵌位二极管D9的嵌位电压启动所述单片机生成电机重载发生时刻的触发器IC10E。触发器IC10E是一个反向器，其输出连接单片机的P32端或INTO端。图中的反向二极管D10用于将来自W1的负半周交流电旁通至地。

[0069] 参见图2和图3，本发明的可控硅触发控制电路包括分别连接单片机三个输出端P0、P1、P2与第一至第三可控硅KP1～KP3的控制端G11～G12，G21～G22，G31～G32的三个双向可控硅驱动电路MOC3052。单片机以同步基波信号为基准，根据反馈的信号，计算出可控硅控制角度，由单片机的三个输出端P0、P1、P2输出控制信号，MOC3052芯片根据自然换相点方向控制正向或反向可控硅导通，从而完成对可控硅控制。

[0070] 本发明的缺相检测电路包括分别检测第一相电L1、第二相电L2和第三相电L3的是否存在的检测电路。

[0071] 参见图2，第一相电L1检测电路包括：经由L1端和W端并联连接所述第一可控硅KP1的包括限流电阻R4的二极管桥路D17～D20；连接在所述二极管桥路D17～D20输出的触发器IC3。触发器IC3的输出连接单片机的P5输入端。

[0072] 参见图3，第二相电L2检测电路包括：经由L2端和V端并联连接所述第二可控硅KP2的包括限流电阻R16的二极管桥路D21～D24；连接在所述二极管桥路D21～D24输出的触发器IC2。触发器IC2的输出连接单片机的P4输入端。

[0073] 参见图3，第三相电L3检测电路包括：经由L3端和U端并联连接所述第三可控硅KP3的包括限流电阻R28的二极管桥路D25～D28；连接在所述二极管桥路D25～D28输出的触发器IC1。触发器IC1的输出连接单片机的P3输入端。

[0074] 如果单片机在由同步基准信号确定的一个周期内，检测从三个输入端P3～P5的输入脉冲或触发脉冲，如果没有检测到即认为确相，单片机立刻封锁可控硅KP1～KP3的控制角。

[0075] 图3还显示了本发明的温度保护和启、停控制电路。单片机输入端子 位做为温度保护和启、停控制位，当 位为高电平时，系统停止运行，当 位为低电平时系统工作，实现方法如下，将12V直流电源正极接到电路控制板外接端子CON7第2端，2号端子对外输出串接启动、停止按钮、温度开关后接回到CON7第1端，然后通过二极管NC接到光耦IC15的输入端，通过光耦内部发光二极管输出返回到5V直流电源负极，光耦的输出端将地信号接入到

[0076] 温度开关固定在散热片上，测量产品温度变化，当产品温度正常时，产品启动按钮按下，电源通过上述回路接通，使光耦发光二极管带电，光耦输出端将地信号接入到单片机端子，产品工作，当按下停止按钮或温度起过温度开关设定值时，回路断开，光耦停止工作， 端子被上拉电阻接入到高电平，系统停止工作。

[0077] 参见图3和图4，供电电源电路将L2、L3端的交流电压经变压器T1变成12V交流电，经D13、D14、D15、D16二极管整流在经过C4、C14滤波变成12V直流电，经过降压管和电容变成5V直流，供单片机和系统电路使用。

[0078] 尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本技术领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。