專利名稱：直流電動機脈沖調寬功率檢測法及轉換裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電動機功率檢測的新方法及轉換裝置，尤其是適用于PWM調制的直流伺服電動機的功率檢測。
目前，已經(jīng)公開的電功率的檢測原理主要有兩種(1)用電流和電壓的模擬量經(jīng)過霍爾元件或集成電路的模擬乘法器進行運算求值，輸出和被檢測功率成正比的電壓模擬信號，如日本橫河株式會社生產(chǎn)的2885功率轉換器;(2)經(jīng)過模數(shù)轉換器對電壓和電流信號進行采樣，再經(jīng)過數(shù)字運算求值。如中國發(fā)明專利公報一九九三年一月六日公開的“測量電功率和電能的方法及裝置”(公開號CN1067744A)就是對電壓、電流和環(huán)境溫度進行采樣和模數(shù)轉換，然后由微處理器利用傅里葉分析法計算出單元內的功率值。但是，在測量PWM調制直流伺服電動機的功率時，基于原理(1)的測量裝置輸出，實際上是電流信號對電壓脈沖信號幅值的線性調制，輸出信號必須經(jīng)過濾波才能得到實用的功率信號。由于模擬乘法器都不可避免地存在非線性誤差，而且在濾波過程中也濾掉了許多有用的動態(tài)信息，因此，基于原理(1)檢測PWM調制的直流伺服電動機的功率時，不僅測量裝置復雜，成本高，而且精度低。另一方面，由于PWM調制的電壓信號是高頻脈沖信號，現(xiàn)有的基于原理(2)的功率檢測裝置，由于采樣頻率受到限制，實時測量的功率信號誤差很大。
本發(fā)明的目的在于，克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種簡單而有效的檢測方法，其基本原理如下(1)用線性耦合隔離器實時測量電動機的電壓V(t)和電流i(t)，得到電動機電壓信號Vi(t)和電動機電流信號ii(t)。
對于PWM調制的直流伺服電動機有h, nT ≤t ≤nT + tVV(t)=｛(1)0, nT + tv＜t ＜(n + 1) T式中，T-電動機電壓開閉周期;
tv-一個電壓開閉周期內的閉合時間;
h-常量。
即電動機的電壓V(t)是一系列矩形電壓脈沖，其幅值為h，脈沖寬度為一個電壓開閉周期內的閉合時間tv耦合后11*h, nT ≤t ≤nT + tvv1(t) = 11*V(t) = ｛ (2)0, nT + tv＜t ＜(n + 1)Tii(t)＝l2＊i(t) (3)式中，l1，l2-均為常數(shù);
(2)把電動機電流信號ii(t)線性轉換成一個電壓信號Vii(t)Vii(t)＝l3＊ii(t)＝l2＊l3＊i(t) (4)其中，l3-常數(shù)。
(3)在nT≤t≤nT+tV期間，對Vii(t)進行積分，得到電壓信號Va(t)。在積分結束時，Va(t)達到最大值Vamax。
μe=11μ+Nd<5>]]>=l2*l3*l4∫nTnT+tvi(t)dt---(5)]]>其中，l2、l3、l4-均為常數(shù)。
(4)當t＞nT+tV時，使Va(t)勻速減小;當t＝nT+tV+tpn時，Va(t)＝0。此后，Va(t)保持0，直至再一次對Vii(t)積分。
dVa(t)/dt＝-l5，nT+tV＜t≤nT+tV+tpn(6)Vamax＝l5＊tpn(7)tpn=Vamax/l5=(l2*l3*l4/l5)*∫nTnT+tvi(t)dt---(8)]]>其中，l5-常數(shù);
tpn-Va(t)從t＝nT+tV時刻由Va(t)＝Vamax減小至Va(t)＝0的時間。
(5)在時間nT+tV＜t＜nT+tV+tpn內形成一個矩形脈沖信號，脈沖寬度為tpn，tpn和電動機在nT至(n+1)T的一個電壓開閉周期內的平均功率Pn(即單元功率)成正比。
Pn=l/T*∫nT(n+1)Ti(t)*V(t)dt]]>Pn=l/T*∫nT(n+1)Ti(t)*V(t)dt]]>
=h/T*∫nTnT+tvi(t)dt]]>= h*l5/ (T*l2*l3*l4)*tpn= L*tpn其中，L＝h＊l5/(T＊l2＊l3＊l4)-常量。
記錄下正矩形脈沖信號的寬度tpn，即檢測出Pn。
(6)重復上述(3)、(4)、(5)，得到正矩形脈沖波，其中的每個正矩形脈沖信號寬度tpn和相應的Pn成正比，實時測量tpn即可實現(xiàn)Pn的實時檢測。
依據(jù)上述基本原理形成的一個直流伺服電動機脈沖調寬功率轉換裝置如附圖所示。該裝置由一個電壓耦合器1，電流耦合器2和脈沖調寬電路3組成，它通過電壓耦合器1和電流耦合器2輸入電動機電壓V(t)和電流i(t)，輸出脈沖調寬信號Vo(t)。其中電壓耦合器1由分壓電阻R1、R2、光電耦合器GD及電阻R3組成;電流耦合器2由LEM電流傳感器4和外接電阻R4組成。脈沖調寬電路3包括由運算放大器A1、A2和電阻R5、R6、R7組成的電壓跟隨放大器，由運算放大器A3和電阻R8、積分電容C組成的積分電路;由穩(wěn)壓電源E、電阻R9和運算放大器A3、積分電容C組成的反向積分電路;由電壓比較器A5組成的參考比較電路;由電壓比較器A4組成的比較電路，以及集成電子模擬開關K1、K2、K3及其邏輯控制電路。電壓跟隨放大器的輸入端和電流耦合器2的輸出端相連，輸入電動機電流信號ii(t)，其輸出電壓Vii(t)通過電子開關K1接到積分電路的輸入端。電子開關K2位于反向積分電路的電阻R9和積分電容C之間，積分電容C的輸出電壓 和比較器A5的正向輸入端相連，比較器A5輸出參考電壓信號VSO，同時，Va通過電子開關K3和比較器A4的正向輸入端相連，比較器A4輸出矩形電壓脈沖信號Vo，Vo即為脈沖調寬電路的輸出信號。電子開關K1的邏輯控制電路由Vi輸入到上升沿觸發(fā)的J-K觸發(fā)器B1的cp端，Vo通過一個非門和觸發(fā)器B1的Ra連，Vo通過一個非門和一個高電平再經(jīng)過與門和觸發(fā)器B1的J端相連，觸發(fā)器B1的K端置低電平組成。電子開關K2、K3的邏輯控制電路相同，是由Vi輸入到下降沿觸發(fā)的J-K觸發(fā)器B2的cp端，Vao和觸發(fā)器B2的Ra端相連，Vao和一個高電平經(jīng)過一個與門與觸發(fā)器B2的J端相連，觸發(fā)器B2的K端接低電平組成。觸發(fā)器輸出高電平時，控制相應的電子開關閉合;觸發(fā)器輸出低電平時，控制相應的電子開關斷開。
附圖1、是轉換裝置的電路結構示意圖附圖2、是電壓耦合器的電路圖附圖3、是電流耦合器的電路圖附圖4、是脈沖調寬電路圖附圖5、是電子開關K1的邏輯控制電路圖附圖6、是電子開關K2、K3的邏輯控制電路圖附圖7、是轉換裝置工作時序波形圖附圖8、是轉換裝置輸出脈沖信號Vo(t)對電動機電壓信號Vi(t)自動分頻的工作時序波形圖下面結合


本發(fā)明的一個最佳實施例和工作過程。
在電路開始工作時，Vo為低電平，觸發(fā)器B1的Ra端及J端均置高電平; Vao為低電平，觸發(fā)器B2的Ra端置低電平，電子開關K2、K3斷開。在Vi由低電平變?yōu)楦唠娖降纳仙?，觸發(fā)器B1輸出高電平，電子開關K1閉合，積分電路工作，隨后Vao轉換為高電平，觸發(fā)器B2的Ra端和J端均置高電平，但K1、K2仍維持斷開。在Vi由高電平變?yōu)榈碗娖降南陆笛兀|發(fā)器B2輸出高電平，電子開關K2、K3閉合，反向積分電路和比較電路工作，Vo輸出高電平。在Vo輸出高電平的時刻，觸發(fā)器B1的Ra端置低電平，觸發(fā)器B1輸出低電平，電子開關K1斷開，積分電路停止工作，積分電壓 達到最大值Vamax，當反向積分電路使Va均勻下降到零時，Vo、Vao變?yōu)榈碗娖?，Vo形成一個完整的矩形脈沖信號，脈沖寬度即為Va由Vamax均勻下降到零時積分電容C的放電時間tpn。同時，由于Vao為低電平，置觸發(fā)器B2的Ra端為低電平，觸發(fā)器B2輸出低電平，電子開關K2、K3斷開，反向積分電路停止工作，而Vo為低電平使觸發(fā)器B1的Ra端和J端置高電平，但此時開關K1仍維持斷開。在Vi再次由低電平變?yōu)楦唠娖降纳仙貢r，觸發(fā)器B1再次輸出高電平，電子開關K1閉合，再一次重復以上所述的積分和反向積分過程，Vo再次形成一個矩形脈沖信號。上述過程反復進行即實現(xiàn)了電動機電流信號ii(t)對電動機電壓脈沖信號Vi(t)的脈沖寬度調制，調制后輸出的脈沖寬度tpn和相應的電動機在一個電壓開閉周期內的平均功率Pn成正比。
該裝置中的電阻R5和電阻R9采用了可變電阻。其中可變電阻R5用于調整對電動機電流信號ii(t)的放大系數(shù)l3，可變電阻R9用于調整反向積分電路的放電系數(shù)l5在電動機一個電壓開閉周期的閉合時間tV較長，而且電動機的電流信號ii(t)經(jīng)放大后得到的Vii(t)也較大時，該裝置輸出的脈沖調寬信號Vo能夠自動對電動機電壓脈沖信號Vi(t)分頻，但是保證輸出的脈沖信號寬度tpn仍然和檢測的功率Pn成正比，其工作時序波形如附圖8所示。
由于該方法及其轉換裝置采用了模擬電子技術和數(shù)字邏輯控制相結合的方式，具有結構簡單、轉換精度高及可靠性好等優(yōu)點。
權利要求
1.直流電動機的脈沖調寬功率檢測法是一種把PWM調制的直流伺服電動機功率線性變換為脈沖寬度的新方法，其特征在于1.1用耦合器對PWM調制的直流伺服電動機的電壓和電流進行線性耦合和隔離，耦合后的電壓和電流信號分別和電動機的電壓和電流成正比，但隔離了彼此之間的電聯(lián)系；1.2對電流信號進行線性變換；1.3在電動機電壓信號由低電平轉換為高電平時，積分電路導通，對電流信號進行積分，得到一個積分電壓；當電動機電壓信號由高電平轉換為低電平時，積分電路斷開，對電流信號的積分終止，積分電壓達到最大值；1.4當電動機電壓信號由高電平轉換為低電平時，反向積分電路導通，積分電壓勻速下降；當積分電壓恢復至零時，反向積分電路斷開，反向積分終止；1.5把反向積分過程轉換成一個矩形脈沖信號，該矩形脈沖信號的寬度等于反向積分時間，并和電動機在一個電壓開閉周期內的平均功率成正比；1.6在反向積分過程停止后，重復下一次積分及反向積分過程，得到另一個電壓開閉周期內脈沖寬度與電動機的平均功率成正比的矩形脈沖信號；1.7測量輸出的矩形脈沖信號寬度，得到電動機的功率。
2.一種根據(jù)權利要求1.所述方法而形成的直流電動機脈沖調寬功率轉換裝置，它是由電壓耦合器1和電流耦合器2及脈沖調寬電路3組成，其特征是電壓耦合器1和電流耦合器2的輸入端和電動機相連接，其輸出端和脈沖調寬電路3相連接，脈沖調寬電路3輸出脈沖調寬信號。
3.根據(jù)權利要求2.所述的功率轉換裝置，其特征是電壓耦合器1由分壓電阻R1、R2、光電耦合器GD及電阻R3組成。
4.根據(jù)權利要求2.所述的功率轉換裝置，其特征是電流耦合器2由LEM電流傳感器4和外接電路R4組成。
5.根據(jù)權利要求2.所述的功率轉換裝置，其特征是脈沖調寬電路3由電壓跟隨放大電路、積分電路、反向積分電路、參考比較電路、比較電路、電子開關及邏輯控制電路組成。
6.根據(jù)權利要求5.所述的功率轉換裝置，其特征是電壓跟隨放大電路由運算放大器A1、A2和電阻R5、R6、R7組成，其輸入端和LEM電流傳感器4的輸出端相連，其輸出端通過一個電子開關K1和積分電路的輸入端相連接;積分電路由運算放大器A3和電阻R3，電容C組成，積分電路的輸出和參考比較電路的正向輸入端相連，并通過電子開關K3和比較電路的正向輸入端相連接;反向積分電路由穩(wěn)壓電源E，電阻R9，電子開關K2及運算放大器A3和電容C組成;參考比較電路由電壓比較器A5組成，輸出參考電壓信號VSO;比較電路由電壓比較器A4組成，輸出脈沖調寬信號VO，其脈沖寬度和所測電動機功率成正比。
7.根據(jù)權利要求5.所述的功率轉換裝置，其特征在于所述的邏輯控制電路是由積分開關K1的邏輯控制電路和反向積分開關K2、比較電路開關K3的邏輯控制電路組成。
8.根據(jù)權利要求7.所述的功率轉換裝置，其特征在于所述的積分開關K1的邏輯控制電路是由電壓耦合器的輸出信號V1和上升沿觸發(fā)的J-K觸發(fā)器B1的cp端相連，比較器A4的輸出信號Vo經(jīng)過一個非門和J-K觸發(fā)器B1的Ra端相連，VO經(jīng)過一個非門再和一個高電平經(jīng)過一個與門的輸出和觸發(fā)器B1的J端相連，K端置低電平。
9.根據(jù)權利要求7.所述的功率轉換裝置，其特征在于所述的反向積分開關K2、比較電路開關K3的邏輯控制電路是由電壓耦合器的輸出信號Vi和下降沿觸發(fā)的J-K觸發(fā)器B2的cp端相連，比較器A5輸出的參考電壓信號VSO和觸發(fā)器B2的Ra端相連，VSO和一個高電平經(jīng)過一個與門與觸發(fā)器B2的J端相連，K端置低電平。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種直流電動機脈沖調寬功率檢測法及轉換裝置。對于PWM調制直流伺服電動機，它通過耦合器實時測量電動機的電壓脈沖信號和電流信號，然后通過脈沖調寬電路用電流信號對電壓脈沖信號的寬度進行調制，調制后輸出的脈沖信號寬度和電動機的功率成正比。這種方法把模擬電子技術和數(shù)字電路控制邏輯結合在一起，具有結構簡單，轉換精度高，可靠性好等優(yōu)點。
文檔編號G01R21/06GK1100811SQ9311217
公開日1995年3月29日 申請日期1993年9月21日 優(yōu)先權日1993年9月21日
發(fā)明者牟建強, 艾興, 李兆前 申請人:山東工業(yè)大學