CN1100811A - 直流电动机脉冲调宽功率检测法及转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流电动机脉冲调宽功率检 测法及转换装置。对于PWM调制直流伺服电动 机，它通过耦合器实时测量电动机的电压脉冲信号和 电流信号，然后通过脉冲调宽电路用电流信号对电压 脉冲信号的宽度进行调制，调制后输出的脉冲信号宽 度和电动机的功率成正比。这种方法把模拟电子技 术和数字电路控制逻辑结合在一起，具有结构简单， 转换精度高，可靠性好等优点。

Description

本发明涉及一种电动机功率检测的新方法及转换装置，尤其是适用于PWM调制的直流伺服电动机的功率检测。

目前，已经公开的电功率的检测原理主要有两种：（1）用电流和电压的模拟量经过霍尔元件或集成电路的模拟乘法器进行运算求值，输出和被检测功率成正比的电压模拟信号，如日本横河株式会社生产的2885功率转换器;（2）经过模数转换器对电压和电流信号进行采样，再经过数字运算求值。如中国发明专利公报一九九三年一月六日公开的“测量电功率和电能的方法及装置”（公开号：CN1067744A）就是对电压、电流和环境温度进行采样和模数转换，然后由微处理器利用傅里叶分析法计算出单元内的功率值。但是，在测量PWM调制直流伺服电动机的功率时，基于原理（1）的测量装置输出，实际上是电流信号对电压脉冲信号幅值的线性调制，输出信号必须经过滤波才能得到实用的功率信号。由于模拟乘法器都不可避免地存在非线性误差，而且在滤波过程中也滤掉了许多有用的动态信息，因此，基于原理（1）检测PWM调制的直流伺服电动机的功率时，不仅测量装置复杂，成本高，而且精度低。另一方面，由于PWM调制的电压信号是高频脉冲信号，现有的基于原理（2）的功率检测装置，由于采样频率受到限制，实时测量的功率信号误差很大。

本发明的目的在于，克服上述现有技术的不足，提供一种简单而有效的检测方法，其基本原理如下：

（1）用线性耦合隔离器实时测量电动机的电压V（t）和电流i（t），得到电动机电压信号V_i（t）和电动机电流信号i_i（t）。

对于PWM调制的直流伺服电动机有：

h, nT ≤t ≤nT + t_V

V(t)=｛                                (1)

0, nT + t_v＜t ＜(n + 1) T

式中，T-电动机电压开闭周期;

t_v-一个电压开闭周期内的闭合时间;

h-常量。

即电动机的电压V（t）是一系列矩形电压脉冲，其幅值为h，脉冲宽度为一个电压开闭周期内的闭合时间t_v

耦合后：

1₁*h, nT ≤t ≤nT + t_v

v₁(t) = 1₁*V(t) = ｛ (2)

0, nT + t_v＜t ＜(n + 1)T

i_i（t）＝l₂＊i（t） （3）

式中，l₁，l₂-均为常数;

（2）把电动机电流信号i_i（t）线性转换成一个电压信号V_ii（t）

V_ii（t）＝l₃＊i_i（t）＝l₂＊l₃＊i（t） （4）

其中，l₃-常数。

（3）在nT≤t≤nT+t_V期间，对V_ii（t）进行积分，得到电压信号V_a（t）。在积分结束时，V_a(t）达到最大值V_amax。

${\mathrm{\&mu;}}_e=\frac{1}{\frac{1}{\mathrm{\&mu;}}+N_d}<5>$

$=l_2*l_3*l_4{\&Integral;}_{\mathrm{nT}}^{\mathrm{nT}+t_v}i\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(5\right)$

其中，l₂、l₃、l₄-均为常数。

（4）当t＞nT+t_V时，使V_a（t）匀速减小;当t＝nT+t_V+t_pn时，V_a（t）＝0。此后，V_a（t）保持0，直至再一次对V_ii（t）积分。

dV_a（t）/dt＝-l₅，nT+t_V＜t≤nT+t_V+t_pn（6）

V_amax＝l₅＊t_pn（7）

$t_{\mathrm{pn}}=V_{a\max }/l_5=(l_2*l_3*l_4/l_5)*{\&Integral;}_{\mathrm{nT}}^{\mathrm{nT}+t_v}i\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(8\right)$

其中，l₅-常数;

t_pn-V_a（t）从t＝nT+t_V时刻由V_a（t）＝V_amax减小至V_a（t）＝0的时间。

（5）在时间nT+t_V＜t＜nT+t_V+t_pn内形成一个矩形脉冲信号，脉冲宽度为t_pn，t_pn和电动机在nT至（n+1）T的一个电压开闭周期内的平均功率P_n（即单元功率）成正比。

$P_n=l/T*{\&Integral;}_{\mathrm{nT}}^{(n+1)T}i\left(t\right)*V\left(t\right)\mathrm{dt}$

$P_n=l/T*{\&Integral;}_{\mathrm{nT}}^{(n+1)T}i\left(t\right)*V\left(t\right)\mathrm{dt}$

$=h/T*{\&Integral;}_{\mathrm{nT}}^{\mathrm{nT}+t_v}i\left(t\right)\mathrm{dt}$

= h*l₅/ (T*l₂*l₃*l₄)*t_pn

= L*t_pn

其中，L＝h＊l₅/（T＊l₂＊l₃＊l₄）-常量。

记录下正矩形脉冲信号的宽度t_pn，即检测出P_n。

（6）重复上述（3）、（4）、（5），得到正矩形脉冲波，其中的每个正矩形脉冲信号宽度t_pn和相应的P_n成正比，实时测量t_pn即可实现P_n的实时检测。

依据上述基本原理形成的一个直流伺服电动机脉冲调宽功率转换装置如附图所示。该装置由一个电压耦合器1，电流耦合器2和脉冲调宽电路3组成，它通过电压耦合器1和电流耦合器2输入电动机电压V（t）和电流i（t），输出脉冲调宽信号V_o（t）。其中电压耦合器1由分压电阻R₁、R₂、光电耦合器GD及电阻R₃组成;电流耦合器2由LEM电流传感器4和外接电阻R₄组成。脉冲调宽电路3包括由运算放大器A₁、A₂和电阻R₅、R₆、R₇组成的电压跟随放大器，由运算放大器A₃和电阻R₈、积分电容C组成的积分电路;由稳压电源E、电阻R₉和运算放大器A₃、积分电容C组成的反向积分电路;由电压比较器A₅组成的参考比较电路;由电压比较器A₄组成的比较电路，以及集成电子模拟开关K₁、K₂、K₃及其逻辑控制电路。电压跟随放大器的输入端和电流耦合器2的输出端相连，输入电动机电流信号i_i（t），其输出电压V_ii（t）通过电子开关K₁接到积分电路的输入端。电子开关K₂位于反向积分电路的电阻R₉和积分电容C之间，积分电容C的输出电压

和比较器A₅的正向输入端相连，比较器A₅输出参考电压信号V_SO，同时，V_a通过电子开关K₃和比较器A₄的正向输入端相连，比较器A₄输出矩形电压脉冲信号V_o，V_o即为脉冲调宽电路的输出信号。电子开关K₁的逻辑控制电路由V_i输入到上升沿触发的J-K触发器B₁的cp端，V_o通过一个非门和触发器B₁的 R_a连，V_o通过一个非门和一个高电平再经过与门和触发器B₁的J端相连，触发器B₁的K端置低电平组成。电子开关K₂、K₃的逻辑控制电路相同，是由V_i输入到下降沿触发的J-K触发器B₂的cp端，V_ao和触发器B₂的 R_a端相连，V_ao和一个高电平经过一个与门与触发器B₂的J端相连，触发器B₂的K端接低电平组成。触发器输出高电平时，控制相应的电子开关闭合;触发器输出低电平时，控制相应的电子开关断开。

附图1、是转换装置的电路结构示意图

附图2、是电压耦合器的电路图

附图3、是电流耦合器的电路图

附图4、是脉冲调宽电路图

附图5、是电子开关K₁的逻辑控制电路图

附图6、是电子开关K₂、K₃的逻辑控制电路图

附图7、是转换装置工作时序波形图

附图8、是转换装置输出脉冲信号V_o（t）对电动机电压信号V_i（t）自动分频的工作时序波形图

下面结合附图说明本发明的一个最佳实施例和工作过程。

在电路开始工作时，V_o为低电平，触发器B₁的 R_a端及J端均置高电平; V_ao为低电平，触发器B₂的 R_a端置低电平，电子开关K₂、K₃断开。在V_i由低电平变为高电平的上升沿，触发器B₁输出高电平，电子开关K₁闭合，积分电路工作，随后V_ao转换为高电平，触发器B₂的 R_a端和J端均置高电平，但K₁、K₂仍维持断开。在V_i由高电平变为低电平的下降沿，触发器B₂输出高电平，电子开关K₂、K₃闭合，反向积分电路和比较电路工作，V_o输出高电平。在V_o输出高电平的时刻，触发器B₁的 R_a端置低电平，触发器B₁输出低电平，电子开关K₁断开，积分电路停止工作，积分电压

达到最大值V_amax，当反向积分电路使V_a均匀下降到零时，V_o、V_ao变为低电平，V_o形成一个完整的矩形脉冲信号，脉冲宽度即为V_a由V_amax均匀下降到零时积分电容C的放电时间t_pn。同时，由于V_ao为低电平，置触发器B₂的 R_a端为低电平，触发器B₂输出低电平，电子开关K₂、K₃断开，反向积分电路停止工作，而V_o为低电平使触发器B₁的 R_a端和J端置高电平，但此时开关K₁仍维持断开。在V_i再次由低电平变为高电平的上升沿时，触发器B₁再次输出高电平，电子开关K₁闭合，再一次重复以上所述的积分和反向积分过程，V_o再次形成一个矩形脉冲信号。上述过程反复进行即实现了电动机电流信号i_i（t）对电动机电压脉冲信号V_i（t）的脉冲宽度调制，调制后输出的脉冲宽度t_pn和相应的电动机在一个电压开闭周期内的平均功率P_n成正比。

该装置中的电阻R₅和电阻R₉采用了可变电阻。其中可变电阻R₅用于调整对电动机电流信号i_i（t）的放大系数l₃，可变电阻R₉用于调整反向积分电路的放电系数l₅

在电动机一个电压开闭周期的闭合时间t_V较长，而且电动机的电流信号i_i（t）经放大后得到的V_ii（t）也较大时，该装置输出的脉冲调宽信号V_o能够自动对电动机电压脉冲信号V_i（t）分频，但是保证输出的脉冲信号宽度t_pn仍然和检测的功率P_n成正比，其工作时序波形如附图8所示。

由于该方法及其转换装置采用了模拟电子技术和数字逻辑控制相结合的方式，具有结构简单、转换精度高及可靠性好等优点。

Claims (9)

1、直流电动机的脉冲调宽功率检测法是一种把PWM调制的直流伺服电动机功率线性变换为脉冲宽度的新方法，其特征在于：

1.1用耦合器对PWM调制的直流伺服电动机的电压和电流进行线性耦合和隔离，耦合后的电压和电流信号分别和电动机的电压和电流成正比，但隔离了彼此之间的电联系；

1.2对电流信号进行线性变换；

1.3在电动机电压信号由低电平转换为高电平时，积分电路导通，对电流信号进行积分，得到一个积分电压；当电动机电压信号由高电平转换为低电平时，积分电路断开，对电流信号的积分终止，积分电压达到最大值；

1.4当电动机电压信号由高电平转换为低电平时，反向积分电路导通，积分电压匀速下降；当积分电压恢复至零时，反向积分电路断开，反向积分终止；

1.5把反向积分过程转换成一个矩形脉冲信号，该矩形脉冲信号的宽度等于反向积分时间，并和电动机在一个电压开闭周期内的平均功率成正比；

1.6在反向积分过程停止后，重复下一次积分及反向积分过程，得到另一个电压开闭周期内脉冲宽度与电动机的平均功率成正比的矩形脉冲信号；

1.7测量输出的矩形脉冲信号宽度，得到电动机的功率。

2、一种根据权利要求1.所述方法而形成的直流电动机脉冲调宽功率转换装置，它是由电压耦合器1和电流耦合器2及脉冲调宽电路3组成，其特征是电压耦合器1和电流耦合器2的输入端和电动机相连接，其输出端和脉冲调宽电路3相连接，脉冲调宽电路3输出脉冲调宽信号。

3、根据权利要求2.所述的功率转换装置，其特征是电压耦合器1由分压电阻R₁、R₂、光电耦合器GD及电阻R₃组成。

4、根据权利要求2.所述的功率转换装置，其特征是电流耦合器2由LEM电流传感器4和外接电路R₄组成。

5、根据权利要求2.所述的功率转换装置，其特征是脉冲调宽电路3由电压跟随放大电路、积分电路、反向积分电路、参考比较电路、比较电路、电子开关及逻辑控制电路组成。

6、根据权利要求5.所述的功率转换装置，其特征是电压跟随放大电路由运算放大器A₁、A₂和电阻R₅、R₆、R₇组成，其输入端和LEM电流传感器4的输出端相连，其输出端通过一个电子开关K₁和积分电路的输入端相连接;积分电路由运算放大器A₃和电阻R₃，电容C组成，积分电路的输出和参考比较电路的正向输入端相连，并通过电子开关K₃和比较电路的正向输入端相连接;反向积分电路由稳压电源E，电阻R₉，电子开关K₂及运算放大器A₃和电容C组成;参考比较电路由电压比较器A₅组成，输出参考电压信号V_SO;比较电路由电压比较器A₄组成，输出脉冲调宽信号V_O，其脉冲宽度和所测电动机功率成正比。

7、根据权利要求5.所述的功率转换装置，其特征在于所述的逻辑控制电路是由积分开关K₁的逻辑控制电路和反向积分开关K₂、比较电路开关K₃的逻辑控制电路组成。

8、根据权利要求7.所述的功率转换装置，其特征在于所述的积分开关K₁的逻辑控制电路是由电压耦合器的输出信号V₁和上升沿触发的J-K触发器B₁的cp端相连，比较器A₄的输出信号V_o经过一个非门和J-K触发器B₁的 R_a端相连，V_O经过一个非门再和一个高电平经过一个与门的输出和触发器B₁的J端相连，K端置低电平。

9、根据权利要求7.所述的功率转换装置，其特征在于所述的反向积分开关K₂、比较电路开关K₃的逻辑控制电路是由电压耦合器的输出信号V_i和下降沿触发的J-K触发器B₂的cp端相连，比较器A₅输出的参考电压信号V_SO和触发器B₂的 R_a端相连，V_SO和一个高电平经过一个与门与触发器B₂的J端相连，K端置低电平。

Images