[发明专利]三相电动执行器过力矩保护控制装置及方法

权利要求书

1.一种三相电动执行器过力矩保护控制装置，其特征在于，包括A/D采集器、电流信号采集电路、电压信号采集电路和中枢控制电路，中枢控制电路主要包括过零比较电路A、过零比较电路B、单片机运算电路、传统电气控制电路，用于调整机械效率的变阻器和手操显示面板；

所述A/D采集器采用德州仪器公司生产的模数转换器TLC2543的模拟量信号输入端与电动执行器内部的电机与采集器接口电路连接；A/D采集器三个控制输入端，片选CS端、 输入/输出时钟端I/O CLOCK、数据输入端DATA INPUT和数据输出端DATA OUT分别与单片机运算电路中的单片机的对应端口连接；

     所述电流信号采集电路包括三个电流互感器和一个电流转换开关，三个电流互感器分别套装在三相电源的三条火线上，每个电流互感器的一端分别与电流转换开关输入端连接，另一端接地；通过电流转换开关选通一个电流互感器通路，被选通的电流互感器通过电流转换开关的输出端与I/V转换电路的输入端连接， I/V转换电路的输出端与中枢控制电路中的过零比较电路A的输入端连接；电流互感器输出的电流信号经I/V转换电路转换为电压信号并传送给过零比较电路A；然后送入单片机的HS1.1引脚；

所述电压信号采集电路包括三个电压互感器和一个电压转换开关，三个电压互感器的初级连接三相电源的三条火线，三个电压互感器的次级分别与电压转换开关输入端连接，另一端接地；通过电压转换开关选通一个电压互感器通路，被选通的电压互感器通过电压转换开关的输出端与中枢控制电路中的过零比较电路B的输入端连接，另一端接地；电压互感器输出的电压信号经电压转换开关传送给过零比较电路B，然后送入单片机的HS1.0引脚；  

电机与采集器接口电路包括一个10K可变电阻，可变电阻与电机0-5V电压输出端连接，可变电阻可变端的阻值与电动执行器的运转的角位移值对应；可变电阻可变端为采集器接口电路的0-5V电压信号输出端；

单片机运算电路主要由单片机80C196KC构成；

单片机运算电路的单片机80C196KC输出端口连接继电器驱动电路，继电器的常开/常闭触点串接在电动执行器控制板电源通道中，通过继电器控制电动执行器控制板电源开关；

单片机运算电路中的单片机80C196KC经过运算得到表示相位角的信号，同时A/D采集器从采集器接口电路获得采集到0-5V电压信号，经模数转换后将数据传送给单片机80C196KC；通过单片机运算电路进行处理，单片机80C196KC输出控制指令，控制继电器工作状态，进而控制电动执行器运行状态。

2.如权利要求1所述三相电动执行器过力矩保护控制装置，其特征在于， 电机与采集器接口电路包括一个10K可变电阻，可变电阻与电机0-5V电压输出端连接，可变电阻可变端的阻值与电动执行器的运转的角位移值对应；可变电阻可变端为采集器接口电路的0-5V电压信号输出端。

3.如权利要求1所述三相电动执行器过力矩保护控制装置，其特征在于，过零比较电路A由整流二极管、电阻和运算放大器LM324组成，过零比较电路B由整流二极管、电阻和运算放大器LM324组成。

4.如权利要求1所述三相电动执行器过力矩保护控制装置，其特征在于， I/V转换电路主要由精密电流环接收器芯片RCV420和单电源运算放大器OPA237组成。

5.三相电动执行器过力矩保护控制的方法，其特征是，包括如下步骤：

a)      将与过力矩保护装置配套的电动执行器的过力矩信号数据输入到中枢控制电路的单片机程序中，作为与实际采集的过力矩信号比较用的标准信号数据，过力矩信号数据是通过厂内实际检测获得；

b)      通过单片机内部计时器和该引脚的中断方式工作，上升沿触发时读取HIS时间寄存器，电压正跳变时刻记录为T1的计数值n1，电流正跳变时刻记录为T1的计数值n2，n=n1-n2，通过n来计算相位角θ，按交流电为50Hz计算，θ=0.036×n；

c)      通过A/D采集器采集实时电压U，实时电压U数据通过电机与采集器接口电路、采集器与单片机接口电路输入单片机运算电路，从而完成从数据采集到输入的过程；将电压U数据送入单片机运算电路，采用公式1计算电机的输出转矩：

   ——公式1

公式1中：

T为电机的输出转矩，单位：牛米 （Nm ）；      

   为电机的相位角；

U为电动执行器输入电压，单位：伏特 （V）；

a₁、a₂、a₃、a₄  是在电动执行器出厂前调试时配合工厂的调试台经多次检测获得的T、、U平均数作为标准值，根据公式1，即可得到简单的方程组，利用单片机计算得到a₁、a₂、a₃、a₄  

以B+RS600F型号为例: ；

其数据通过四次检测获得：

在380V电压下，电动执行器中电机的输出转矩为T₁，对应的相位角为θ₁ ；

在380V电压下，电动执行器中电机的输出转矩为T₂，对应的相位角为θ₂；

在380V电压下，电动执行器中电机的输出转矩为T₃，对应的相位角为θ₃；

在340V电压下，电动执行器中电机的输出转矩为T₄，对应的相位角为θ₄；

根据公式1，计算得到a₁、a₂、a₃、a₄  ；

d)      单片机通过引脚P3.0-P3.7输出转矩数值信号，高电平有效，其中通过P3.0-P3.3分别判定信号为万位有效、千位有效、百位有效、十位有效，通过P3.4-P3.7输出0-9的数字信号；由此得到单片机的输出信号为完整的电机转矩信号，输出信号经过D/A转换成表示电机输出转矩的模拟信号，模拟信号输入至FET乘法电路的一个输入端，再通过调整变阻器调整电流完成对机械效率的输入，输入FET乘法电路的另一个输入端，通过乘法电路后再输入PID电路得到实际输出转矩的模拟信号；

e)      随着电动执行器的使用时间增加，其机械效率会发生变化，通过变阻器调整阻值来改变电流大小来实现对输入的机械效率值的调整；

f)      将步骤c和步骤d计算得到实际输出转矩值，与该电动执行器所能承受的最大转矩值进行比较，判断电动执行器的输出转矩是否超过其可以承受的最大值，进而确定是否停止电机转动或者输出报警信号。