CN115514257B - 一种电动绞车用缓启动电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电动绞车用缓启动电路。锯齿波发生电路，用于接收上电信号，并输出周期性变换的锯齿波；PWM波发生电路，与锯齿波发生电路连接，并将锯齿波转换为PWM方波；光电隔离电路，与PWM波发生电路连接，并将PWM方波转换为驱动方波；电机驱动电路，与光电隔离电路连接，并接收驱动方波，电机驱动电路导通。

Description

一种电动绞车用缓启动电路

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种电动绞车用缓启动电路。

背景技术

绞车，由可旋转卷筒、传动装置、制动器和动力部分组成，广泛应用于工作繁重和所需牵引力较大的场所。随着电机控制技术的发展，电动绞车因其控制精度高、控制逻辑直观、环境污染小等优点受到广泛的关注。

电机，作为电动绞车***的动力来源，是绞车***的核心组成部分。直流有刷电机是一种直流电机，其定子上安装有固定的主磁极和电刷，转子上安装有电枢绕组和换向器。直流电源的电能通过电刷和换向器进入电枢绕组，产生电枢电流，电枢电流产生的磁场与主磁场相互作用产生电磁转矩，使电机旋转带动负载。直流有刷电机具有良好的响应速度，制动效果好，控制方式简单，经济成本低的特点。绞车应急电机通常使用直流有刷电机。

通常，绞车电机采用直接通电的使用方式，该方式直接将直流电机的供电加载在电机两端，使电机瞬间达到额定转速。该方式没有缓启动逻辑，电机启动力矩会造成通电***较大的冲击电流，不利于***用电安全，同时，瞬间高转速启动也会对机械***造成较大的力矩冲击，影响机械***的使用寿命。其余部分带缓启动控制的方式，采用CPU控制输出PWM波的占空比逐渐增大，来达到电机缓慢启动的目的。该设计方式的缺陷在于，控制***复杂，成本较高，且依赖于CPU的控制指令，一旦CPU发生故障就无法实现缓启动的效果；并且缓启动的时间单一，一经设定后不可调节，在绞车***的实际应用中，会存在提取物体重量差异大的情况，易对缆绳反复造成较大冲击，缩短缆绳的使用寿命，增加缆绳破坏的风险，不利于绞车***的正常工作和运行。

发明内容

本发明提供了一种基于施密特触发器的电动绞车用缓启动电路，具有根据检测到的拉力反馈调节缓启动速率的功能。主要目的是能够更高效、可靠的控制电机缓启动，并减小对绞车缆绳造成的冲击，延长缆绳使用寿命，提高***工作效率和使用年限。

本发明提供了一种电动绞车用缓启动电路，包括：

锯齿波发生电路，用于接收上电信号，并输出周期性变换的锯齿波；

PWM波发生电路，与锯齿波发生电路连接，并将锯齿波转换为PWM方波；

光电隔离电路，与PWM波发生电路连接，并将PWM方波转换为驱动方波；

电机驱动电路，与光电隔离电路连接，并接收驱动方波，电机驱动电路导通。

进一步的：所述锯齿波发生电路由施密特触发器、第一电容、第二电容、第三电容，第一二极管、第二二极管，第一电阻、第二电阻、第一三极管组成；其中，

施密特触发器的电压端与第二电容一端以及供电端电连接，第二电容的另一端接地，第一电容另一端连接接地端；

施密特触发器的公共端连接串联的第一电容和第一电阻，第一电容和第一电阻之间连接有施密特触发器的接地端；

第一三极管的基极与第一电阻电连接；

第一二极管和第二二极管串联且第二二极管的负极连接第一三极管的基极，第一二极管的正极连接施密特触发器的复位端和第二电阻R2的一端；

第一三极管的发射极和第二电阻另一端电连接；

第一三极管的集电极通过第三电容连接接地端。

进一步的：所述PWM波发生电路由第一比较器，第四电容、第五电容、第三电阻、第四电阻、第五电阻和拉力反馈电路；其中，

第一比较器的正极端口与第三电阻的一端电连接，第三电阻的另一端和施密特触发器的DIS端口、第一三极管Q1的集电极和第三电容C3的一端电连接；

第一比较器的负极端口连接在第四电阻和第四电容电之间；

第四电容的另一端连接基准电压，第四电阻的另一端连接接地端；

第一比较器的输出端口和供电端口之间连接有第五电阻；

第一比较器的供电端口还连接第五电容，第五电容的一端连接接地端，第五电容的另一端连接第五电阻、第六电容、第八电阻和第九电阻；第一比较器的地电压端口连接接地端；

第一比较器的负极端口和第四电阻之间连接有拉力反馈电路。

进一步的：所述拉力反馈电路由第二比较器、第三比较器、第四比较器、第五比较器、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第十七电阻、第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻、第二十一电阻、第二十二电阻、第二十三电阻、第二十四电阻R24、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管、第七MOS管；其中，

第二比较器的正极输入端和输出端之间连接有串联的第二十电阻和第十六电阻，第二比较器的输出端还连接第四MOS管的栅极，第二十电阻和第十六电阻之间连接有+5V的电源端口；

第二十电阻、第二十一电阻、第二十二电阻、第二十三电阻和第二十四电阻串联连接，第二十四电阻的另一端连接接地端；

第三比较器的正极输入端连接在第二十一电阻和第二十二电阻之间，第三比较器的输出端连接第十七电阻的一端和第五MOS管的栅极连接，第十七电阻的另一端连接有+5V的电源端口；

第四比较器的正极输入端连接在第二十二电阻和第二十三电阻之间，第四比较器的输出端和供电端之间连接有第十八电阻，第四比较器的输出端还连接第六MOS管的栅极，第四比较器的供电端和第十八电阻之间设置有电源端口；

第五比较器的正极输入端连接在第二十三电阻和第二十四电阻之间，第五比较器的输出端连接第十九电阻和第七MOS管的栅极，第十九电阻的另一端连接有+5V的电源端口；

第四MOS管的漏极连接第十二电阻，第十二电阻的另一端连接第十三电阻的另一端和第一比较器的负极端口；第五MOS管的漏极连接第十三电阻，第十三电阻的另一端还连接第十四电阻的另一端；第六MOS管的漏极连接第十四电阻，第十四电阻的另一端还连接第十五电阻的另一端；第七MOS管的漏极连接第十五电阻，第十五电阻的另一端连接在第四电阻和第四电容之间；

第四MOS管的源极、第五MOS管的源极、第六MOS管的源极和第七MOS管的源极连接在第四电阻和接地端之间。

进一步的：

所述光电隔离电路由光电耦合器、第二MOS管，第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第六电容、第七电容和第八电容组成；其中，

光电耦合器的第一输入端连接有串联的第八电阻和第六电容，第六电容的另一端连接接地端；

光电耦合器的第二输入端连接第九电阻的一端和第二MOS管的漏极，第九电阻的另一端连接在第八电阻和第六电容之间；

第二MOS管的栅极和源极之间连接有并联的第七电容和第七电阻，第二MOS管的栅极和第一比较器之间还连接有第六电阻，第七电容和第七电阻之间设置有接地端；

光电耦合器的第一输出端通过第八电容连接接地端和电源端口；

进一步的：所述电机驱动电路由第三MOS管、第十电阻、第十一电阻和第九电容组成；其中，

第三MOS管的栅极通过第十电阻与光电耦合器的第二输出端电连接；

第三MOS管的栅极和源极之间连接有并联的第十一电阻和第九电容，第九电容与第三MOS管源极连接的一端还连接接地端，第九电容和第三MOS管源极连接以及第十一电阻连接的一端还连接有驱动端，第三MOS管的漏极连接驱动端。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例中一种电动绞车用缓启动电路的电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的缓启动电路主要由锯齿波发生电路、PWM波发生电路、光电隔离电路以及电机驱动电路三部分组成。

锯齿波发生电路由施密特触发器U1、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3，第一二极管D1、第二二极管D2，第一电阻R1、第二电阻R2、第一三极管Q1组成。该部分电路功能主要为输出周期性变换的锯齿波。其工作原理如下：施密特触发器U1在***上电初始时，由于第三电容C3没有充电，2、6、7脚均为低电平，施密特触发器的DIS端口是放电引脚，用于为电容C3提供充电或放电回路，内部触发器输出低电平，芯片输出高电平，进入暂稳态。当内部触发器输出低电平后，7脚不再接地，此时第三电容C3通过第二电阻R2开始进行充电，第三电阻R3左端电压即为第三电容C3的充电电压，是一个动态增加的过程，直至第三电容C3上的电压达到（2/3）VCC后，内部触发器被重置，此时7脚接地，第三电容C3通过7脚形成放电回路，第三电阻R3左端电压为低电平0V，回到了初始状态，此状态为稳态。暂稳态维持的时间即为第三电容C3充电的时间，取决于第三电容C3和第二电阻R2的参数。第三电阻R3左端电压重复从0V-3.3V增加的过程。此电路的输出电压波形为周期固定的锯齿波。

PWM波发生电路由第一比较器U2，第四电容C4、第五电容C5，第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5和拉力反馈电路。上电初始时，第四电容C4相当于短路，第四电阻R4近似于连接在5V电压和电源地之间，第一比较器U2的2脚电平为高，随着电容的充电，第四电阻R4两侧电压逐渐减小至零，第一比较器U2的2脚电平也由5V缓慢降低至0V，其降低速度由第四电容C4容值和第四电阻R4的阻值共同决定。电压波形为斜率相对固定电压幅值缓慢降低的曲线。此波形作为比较器的负极输入，锯齿波发生电路的输出电压波形作为比较器的正极输入，根据比较器的原理，当正极输入大于负极输入时，比较器输出高电平5V，反之输出低电平0V。因此，比较器输出一个周期固定，占空比逐渐增加（最小占空比0.33.最大占空比1）的PWM方波。

第一比较器U2的2脚电平由5V降低至0V的时间，即为电机缓启动的时间，其电平降低速率，影响电机缓启动的性能。该电平降低速度慢，则PWM占空比增速慢，电机启动更加缓慢。若电平降低速度快，则PWM占空比增速快，电机启动相应变快。当绞车提升重量较大的物品时，若使用较大的增速达到额定转速，物品加速度会增大，缆绳需要提供更大的拉力，不利于绞车***长寿命使用，当绞车提升重量较小的物品时，若电机达到额定转速时间过慢，会使任务完成效率降低，延长了***响应时间。因此使用拉力传感器引入缆绳拉力反馈，通过拉力传感器反馈数值，调节缓启动时间快慢。既可有效解决缆绳长寿命使用的问题，又可以保证***响应时间。

拉力反馈电路拉力反馈电路由第二比较器U4A、第三比较器U4B、第四比较器U5A、第五比较器U5B、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第十七电阻R17、第十八电阻R18、第十九电阻R19、第二十电阻R20、第二十一电阻R21、第二十二电阻R22、第二十三电阻R23、第二十四电阻R24、第四MOS管Q4、第五MOS管Q5、第六MOS管Q6、第七MOS管Q7组成。拉力传感器根据拉力的大小，输出不同的电压值，输出的电压范围为0-5V，将此电压作为第二比较器U4A、第三比较器U4B、第四比较器U5A、第五比较器U5B的负极输入。本发明设置五档不同的拉力范围，通过1V、2V、3V、4V的基准电压分别作为各个比较器的正极输入，将拉力传感器反馈的实时拉力数据，转换为不同的比较器输出量，控制充电电阻的导通数量。具体原理为，当比较器正极输入大于负极输入时，比较器输出高电平5V，反之输出低电平0V,拉力传感器输出的电压越大，比较器输出高电平的数量越少。比较器的输出接MOS管的G极（栅极），MOS管的S极（源极）接地，根据MOS管的原理，G极电压小于S极电压时，MOS管不导通，D极（漏极）和S极之间相当于断路；G极电压大于S极电压时，D极和S极之间导通，近似于导线。通过控制不同的MOS管导通，即可控制C4的充电电阻阻值，进而控制缓启动的速率。

例如当绞车提升较大重量的物品时，假设拉力传感器反馈电压在4-5V区间，代表此时拉力值较大，因此四路比较器电路均输出低电平，仅R4接入充电电路，等效充电电阻最大，缓启动时间最长，保护绞车缆绳不会过应力工作。当绞车***提升正常重量物品时，假设拉力传感器反馈电压在2-3V区间，此时拉力值正常，第二比较器U4A、第三比较器U4B输出高电平，第四比较器U5A、第五比较器U5B输出低电平，第十二电阻R12、第十三电阻R13接通充电电路，等效电阻阻值减小，缓启动时间缩短。第二比较器U4A和第四比较器U5A具有INA+和INA-的输入端口；第三比较器U4B和第五比较器U5B具有INB+和INB-的输入端口。

当绞车***提升较轻重量物品时，假设拉力传感器反馈电压在0-1V区间，此时拉力值较小，第二比较器U4A、第三比较器U4B、第四比较器U5A、第五比较器U5B均输出高电平，第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15均接入充电电路，等效电阻阻值最小，缓启动时间最短，可以最快速度提升绞车转速至额定速度。

也可根据不同的绞车***，设置不同档位的拉力传感器检测数值，使绞车缓启动具有相应的档位控制模式。

光电隔离电路光电耦合器U3、第二MOS管Q2，第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第六电容C6、第七电容C7和第八电容C8组成。其工作原理为，当第六电阻R6前端输入为低电平时，第二MOS管Q2不导通，光电耦合器U3源边无电流流经，光耦不导通，当第六电阻R6前端输入为高电平时，第二MOS管Q2导通，光电耦合器U3源边2脚接地，光耦产生导通电流，光耦副边随之导通。光电隔离电路的作用为将前级电路产生的PWM波隔离并转化为具备驱动能力的15V PWM波。

电机驱动电路由第三MOS管Q3、第十电阻R10、第十一电阻R11和第九电容C9。当光耦副边导通时，15V电平驱动MOS管导通，电机接通驱动电压，当光耦副边不通时，MOS管驱动电压为0V，电机不接通驱动电压。

在缓启动电路的控制作用下，直流有刷电机接收初始值为0.33且占空比缓慢增加的驱动信号，电机转速等效于额定转速与占空比的乘积，因此电机转速缓慢增加直至达到额定转速。

提取不同的物体时，物体的质量越大，缆绳上的初始拉力越大，经反馈电路后的PWM波占空比增加的速度变慢，提升物体的加速度减小，经反馈电路后缆绳上的最终拉力会小于不引入拉力反馈电路产生的拉力，降低缆绳受极限应力的情况，延长缆绳寿命；物体质量越小时，缆绳上的初始拉力越小，经反馈电路后的PWM波占空比增加的速度变快，提升物体的加速度增大，经反馈电路后缆绳上的最终拉力会大于不引入拉力反馈电路产生的拉力，提高了提升小重量物体的速率。

拉力反馈电路能够根据不同的情况，实时调节缆绳上拉力的大小，既能在拉力过大时减小拉力，达到保护缆绳，延长缆绳寿命的目的，又能在拉力过小时增大拉力，一定程度上保证了提取物品的速度和效率。

本发明采用基于施密特触发器U1的纯硬件方式来实现电机缓启动，减小对电机的冲击，避免对电机造成损坏,同时通过拉力传感器反馈缆绳拉力，改变缓启动时间，延长缆绳的使用寿命并且使缓启动时间更加合理，提升了***的工作效率；纯硬件的方式由于不需要CPU控制芯片的参与，显著提高了控制器的响应速度，具有独立性，不依赖于CPU控制指令，降低了***控制的复杂程度，不易受到电磁等外界环境干扰，出错率低，可靠性高，且***组成简单，成本较低。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (1)

1.一种电动绞车用缓启动电路，其特征在于，包括：

锯齿波发生电路，用于接收上电信号，并输出周期性变换的锯齿波；

PWM波发生电路，与锯齿波发生电路连接，并将锯齿波转换为PWM方波；

光电隔离电路，与PWM波发生电路连接，并将PWM方波转换为驱动方波；

电机驱动电路，与光电隔离电路连接，并接收驱动方波，电机驱动电路导通；

所述锯齿波发生电路由施密特触发器（U1）、第一电容（C1）、第二电容（C2）、第三电容（C3），第一二极管（D1）、第二二极管（D2），第一电阻（R1）、第二电阻（R2）、第一三极管（Q1）组成；其中，

施密特触发器（U1）的电压端与第二电容（C2）一端以及供电端电连接，第二电容（C2）的另一端接地；

施密特触发器（U1）的公共端连接串联的第一电容（C1）和第一电阻（R1），第一电容（C1）和第一电阻（R1）之间连接施密特触发器（U1）的接地端，第一电容（C1）另一端连接接地端；

第一三极管（Q1）的基极与第一电阻（R1）电连接；

第一二极管（D1）和第二二极管（D2）串联且第二二极管（D2）的负极连接第一三极管（Q1）的基极，第一二极管（D1）的正极连接施密特触发器（U1）的复位端和第二电阻（R2）的一端；

第一三极管（Q1）的发射极和第二电阻（R2）另一端电连接；

第一三极管（Q1）的集电极通过第三电容（C3）连接接地端；所述PWM波发生电路由第一比较器（U2）、第四电容（C4）、第五电容（C5）、第三电阻（R3）、第四电阻（R4）、第五电阻（R5）和拉力反馈电路组成；其中，

第一比较器（U2）的正极端口与第三电阻（R3）的一端电连接，第三电阻（R3）的另一端和施密特触发器（U1）的DIS端口、第一三极管（Q1）的集电极和第三电容（C3）的一端电连接；

第一比较器（U2）的负极端口连接在第四电阻（R4）和第四电容（C4）之间；

第四电容（C4）的另一端连接基准电压，第四电阻（R4）的另一端连接接地端；

第一比较器（U2）的输出端口和供电端口（VDD）之间连接有第五电阻（R5）；

第一比较器（U2）的供电端口（VDD）还连接第五电容（C5），第五电容（C5）的一端连接接地端，第五电容（C5）的另一端连接第五电阻（R5）、第六电容（C6）、第八电阻（R8）和第九电阻（R9）；第一比较器（U2）的地电压端口（VSS）连接接地端；

第一比较器（U2）的负极端口和第四电阻（R4）之间连接有拉力反馈电路；

所述光电隔离电路由光电耦合器（U3）、第二MOS管（Q2），第六电阻（R6）、第七电阻（R7）、第八电阻（R8）、第九电阻（R9）、第六电容（C6）、第七电容（C7）和第八电容（C8）组成；其中，

光电耦合器（U3）的第一输入端连接有串联的第八电阻（R8）和第六电容（C6），第六电容（C6）的另一端连接接地端；

光电耦合器（U3）的第二输入端连接第九电阻（R9）的一端和第二MOS管（Q2）的漏极，第九电阻（R9）的另一端连接在第八电阻（R8）和第六电容（C6）之间；

第二MOS管（Q2）的栅极和源极之间连接有并联的第七电容（C7）和第七电阻（R7），第二MOS管（Q2）的栅极和第一比较器（U2）之间还连接有第六电阻（R6），第七电容（C7）和第七电阻（R7）之间设置有接地端；

光电耦合器（U3）的第一输出端连接第八电容（C8）的一端和电源端口，第八电容（C8）的另一端连接接地端；

所述电机驱动电路由第三MOS管（Q3）、第十电阻（R10）、第十一电阻（R11）和第九电容（C9）组成；其中，

第三MOS管（Q3）的栅极通过第十电阻（R10）与光电耦合器（U3）的第二输出端电连接；

第三MOS管（Q3）的栅极和源极之间连接有并联的第十一电阻（R11）和第九电容（C9），第九电容（C9）与第三MOS管（Q3）源极连接的一端还连接接地端；第九电容（C9）与第三MOS管（Q3）源极之间设置有第一驱动端（B1），第一驱动端（B1）还连接第十一电阻（R11）的一端；第三MOS管（Q3）的漏极连接第二驱动端（A1）；

所述拉力反馈电路由第二比较器（U4A）、第三比较器（U4B）、第四比较器（U5A）、第五比较器（U5B）、第十二电阻（R12）、第十三电阻（R13）、第十四电阻（R14）、第十五电阻（R15）、第十六电阻（R16）、第十七电阻（R17）、第十八电阻（R18）、第十九电阻（R19）、第二十电阻（R20）、第二十一电阻（R21）、第二十二电阻（R22）、第二十三电阻（R23）、第二十四电阻（R24）、第四MOS管（Q4）、第五MOS管（Q5）、第六MOS管（Q6）和第七MOS管（Q7）组成；其中，

第二比较器（U4A）的正极输入端和输出端之间连接有串联的第二十电阻（R20）和第十六电阻（R16），第二比较器（U4A）的输出端还连接第四MOS管（Q4）的栅极，第二十电阻（R20）和第十六电阻（R16）之间连接有+5V的电源端口；

第二十电阻（R20）、第二十一电阻（R21）、第二十二电阻（R22）、第二十三电阻（R23）和第二十四电阻（R24）串联连接，第二十四电阻（R24）的另一端连接接地端；

第三比较器（U4B）的正极输入端连接在第二十一电阻（R21）和第二十二电阻（R22）之间，第三比较器（U4B）的输出端连接第十七电阻（R17）的一端和第五MOS管（Q5）的栅极，第十七电阻（R17）的另一端连接有+5V的电源端口；

第四比较器（U5A）的正极输入端连接在第二十二电阻（R22）和第二十三电阻（R23）之间，第四比较器（U5A）的输出端和供电端之间连接有第十八电阻（R18），第四比较器（U5A）的输出端还连接第六MOS管（Q6）的栅极，第四比较器（U5A）的供电端和第十八电阻（R18）之间设置有电源端口；

第五比较器（U5B）的正极输入端连接在第二十三电阻（R23）和第二十四电阻（R24）之间，第五比较器（U5B）的输出端连接第十九电阻（R19）和第七MOS管（Q7）的栅极，第十九电阻（R19）的另一端连接有+5V的电源端口；

第四MOS管（Q4）的漏极连接第十二电阻（R12），第十二电阻（R12）的另一端连接第十三电阻（R13）的另一端和第一比较器（U2）的负极端口；

第五MOS管（Q5）的漏极连接第十三电阻（R13），第十三电阻（R13）的另一端还连接第十四电阻（R14）的另一端；

第六MOS管（Q6）的漏极连接第十四电阻（R14），第十四电阻（R14）的另一端还连接第十五电阻（R15）的另一端；

第七MOS管（Q7）的漏极连接第十五电阻（R15），第十五电阻（R15）的另一端连接在第四电阻（R4）和第四电容（C4）之间；

第四MOS管（Q4）的源极、第五MOS管（Q5）的源极、第六MOS管（Q6）的源极和第七MOS管（Q7）的源极连接在第四电阻（R4）和接地端之间；

拉力传感器为第二比较器（U4A）、第三比较器（U4B）、第四比较器（U5A）和第五比较器（U5B）的负极输入，拉力传感器输出的电压范围为0-5V。