卷扬机电动机无触点开关设计

1、辽宁科技大学本科生毕业设计第 IV 页卷扬机电动机无触点开关设计摘 要无触点开关是近几十年发展起来的一种高科技电子元器件，它的特点是开关速度快、无电弧产生、理论寿命长等，并且由于电力电子技术和元器件制造技术的提高，其成本不断降低，因此无触点开关已被广泛应用于电力拖动控制系统中。另外，由于无触点开关采用了处理器和通讯技术，再配合BCQ操作显示模块使用，在控制卷扬机的正转、反转、以及零位能耗制动的同时对卷扬机传递电机的过载、断相、三相不平衡、接地/漏电、欠电流等起到保护作用，实现了对电动机的保护功能。本次毕业设计，我研制的是卷扬机电动机无触点开关控制系统，整个系统由三相异步电动机主回路，无触点开关

2、控制电路，和检测电路组成。针对卷扬机电动机的实际工作状况，再根据所需实现的功能，完成了主回路的设计。然后通过对输入电路、输出电路、CPU周边的参数计算完成了对无触点开关控制电路的设计。最后通过电路故障分析和性能分析完成检测电路 的设计。从而完成了整个无触点开关控制系统的设计。关键词：卷扬机；无触点开关；主回路；控制电路；检测电路；控制系统The Dedign of the Non-contact Switchfor Hoist MotorAbstractNon-contact suitch developed in recent years is a high-tech electronic

3、components, its characteristic is switching speed, no arc and long service life etc, and the theory of power electronic technology and components due to improve manufacturing technology, the lower costs, thus non-contact switch has been widely used in electric drive control system. In addition, beca

4、use non-contact suitch adopted processor and communication technology, combined with BCQ with operation in control, display module USES the hoist is zero, inversion, and at the same time to hoist braking energy transfer overload, motor, phase unbalanced three-phase, grounding/leakage, current protec

5、tion, the protection of motor function. The graduation design, I developed is hoist motor control system, and non-contact suitch whole system from the main circuit, three-phase asynchronous electric circuit, and non-contact switch control circuit testing. According to the actual working condition ho

6、ist motor, according to the needs, complete the functions of the circuit design. Then based on input circuit, the output circuit, the CPU surrounding parameters are calculated to non-contact switch control circuit design. Through the analysis on fault circuit performance analysis and design of compl

7、ete detection circuit. To complete the whole non-contact switch control system design.Keywords: Hoist；Non-contact switch；The main circuit；Control circuit；Detection circuit；The control system目 录1绪论11.1卷扬机简介11.1.1卷扬机的发展及其概念11.1.2卷扬机安全操作规程21.1.3卷扬机主要技术参数31.2无触点开关的简介41.2.1无触点开关的发展及应用41.2.2无触点开关控制系统的特点41

8、.3卷扬机使用无触点开关的原因52无触点开关的组成及其原理72.1无触点开关的工作原理72.2无触点开关的组成83无触点开关主回路设计93.1主回路的工作原理及过零点触发93.1.1主回路的工作原理93.1.2过零点触发103.2元件选择及参数计算103.3晶闸管的保护123.3.1过电压保护123.3.2过电流保护134控制电路的设计144.1输入电路设计144.1.1 X1输入端子设计144.1.2电源抗干扰设计144.1.3光隔输入部分设计174.2继电器输出电路设计214.2.1继电器输出电路原理214.2.2继电器输出电路的组成及分析214.3驱动输出回路设计244.3.1驱动输出回

9、路原理244.3.2驱动输出回路的组成及分析255检测电路的设计325.1电压同步信号检测电路设计325.2电流信号检测回路设计345.2.1电流信号检测回路的原理345.2.2电流信号检测回路的组成355.2.3相关参数计算396无触点开关控制器介绍416.1控制电路概述416.2单片机概述416.2.1单片机硬件概述416.2.2单片机软件概述436.3控制器芯片图437无触点开关控制系统软件设计447.1软件设计思想447.2系统主程序设计457.3系统主程序特点45结 论46致 谢47参考文献48辽宁科技大学本科生毕业设计第 49 页1绪论1.1卷扬机简介1.1.1卷扬机的发展及其概念

10、随着社会的发展，机械将会越来越取代人力，这也是机械行业飞速发展的后果，在机械的发展历史中，新的机械发明有着举足轻重的作用。但是，那些很久以前就被利用生产并一直延续到今天的机械，更是起着不可替代的作用，卷扬机就是一例。卷扬机的发展就像其他机械一样，从开始的简单到现在的复杂，从以前的机械动力到现在的电力动力，从以前的人工操作到现在的电脑操作甚至是智能操作。本文就是通过利用无触点开关技术对卷扬机电动机进行控制，从而实现卷扬机的智能操作。卷扬机就是一种利用外力（例如电动机）来驱动它运转，然后通过电磁制动器和抱死制动器控制其在无动力下不自由运转，同时经过电动机的带动减速后，驱动一个轮盘运转，轮盘上可以卷

11、钢索或者其他东西，这就是卷扬机。卷扬机又称绞车，是起重垂直运输机械的重要组成部分，配合井（门）架、桅杆、滑轮组等辅助设备，用来提升或拖动物料、安装设备等作业，同时还能远距离操作。由于它结构紧凑、操作方便、维护保养简单、成本低、使用安全可靠等优点，广泛应用于冶金、桥梁建筑、仓库、码头、提升设备等场所。提升重物是卷扬机的一种主要功能，所以各类卷扬机的设计都是根据这一要求为依据的。虽然目前塔吊、汽车吊等取代了卷扬机的部分工作，但由于塔吊成本高，一般在大型工程中使用，而灵活性较差，故一般中小型工程仍然广泛应用卷扬机；汽车吊虽然灵活方便，但也因为成本太高，而不能在工程中广泛应用，故大多设备的安装仍然是由

12、卷扬机承担的。此外，根据实现功能的不同，卷扬机系列大致可以分为电控卷扬机、船用卷扬机、快速卷扬机等等。本次设计的主要是电控卷扬机，如图1.1所示，其他类别的卷扬机在这里均不作介绍。图1.1 卷扬机1.1.2卷扬机安全操作规程（1）作业前准备1.安装时，基座必须平稳牢固，设置可靠的地锚并应搭设工作棚。操作人员的位置应该能看清楚指挥人员和拖动或起吊的物体；2.作业前检查卷扬机与地面固定情况，防护措施、电气线路、接地线、制动装置和钢丝绳等全部合格后方可使用；3.使用皮带和开式齿轮传动的部分，均须设防护罩，导向滑轮不得用开口拉板式滑轮；4.以动力正反转的卷扬机，卷筒旋转方向应和操纵开关上指示的方向一致

13、；5.从卷筒中心线到第一个导向滑轮的距离，带槽卷筒应大于卷筒宽度的15倍，无槽卷筒应大于20倍，当钢丝绳在卷筒中间位置时，滑轮的位置应与卷筒轴心垂直；6.卷扬机自动操纵杆的行程范围内不得有障碍物。（2）作业中注意事项1.卷筒上的钢丝绳应排列整齐，如发现重叠和斜绕时，应停机重新排列。严禁在转动中用手、脚拉踩钢丝绳。钢丝绳不许放完，最少应保留三圈；2.钢丝绳不许打结、扭绕，在一个节距内断线超过10%时，应予更换；3.作业中，任何人不得跨越钢丝绳，物件提升后，操作人员不得离开卷扬机。休息时物件或吊笼应降至地面；4.作业中，司机、信号要同吊起物件保持良好的能见度，司机与信号员应密切配合，服从信号的统一

14、指挥；5.作业中如遇停电，应切断电源，将提升物件降至地面。（3）作业完后注意事项1.作业完毕，应断开电源，锁好开关箱；2.提升吊笼或物件应降至地面，清整场地障碍物。1.1.3卷扬机主要技术参数1.钢丝绳额定拉力：50KN2.动比i：74.233.钢丝绳规格直径：21.5mm 钢丝绳额定速度：20m/min4.卷筒直径：300mm 卷筒宽度：630mm 卷筒转速：13.07r/min 卷筒容绳量：150m5.减速器齿轮参数： 第一级模数：3 齿数比：69/28 第二级模数：4 齿数比：82/14 第三级模数：6 齿数比：72/146.电动机型号：YZR200L 电动机功率：22kw 电动机转速：

15、970r/min7.液压推杆制动器：YWZ-300/458.外型尺寸：135510837071.2无触点开关的简介1.2.1无触点开关的发展及应用在六十年代迅速发展起来的硅可控整流元件即可控硅，是电子技术中的一种新型大功率半导体器件，它被广泛的应用在电气化、自动化技术当中，成为技术改造不可缺少的重要元件。它可作可控整流、无触点开关、变频等用途，具有体积小、重量轻、效率高、无噪声、操作维护方便等许多优点。随着科技的进步和现代化制动设备的普及，大型机械设备的电动机控制越来越受到注重，而无触点接触器（固体接触器）正是控制中必不可少的一环。无触点开关是以半导体器件为基础，全封装式的固态继电器(Soli

16、d State Relays) 。它利用电子元件(如开关三极管、双向可控硅等半导体器件)的开关特性，可无触点无火花地接通和断开电路，并且动作快，因此通常又称为“无触点开关”。1无触点开关具有高稳定，高可靠，无触点及寿命长等优点。它被广泛应用，如交流调功方面的有电阻型，电压型调压器，过零型单相、三相固体调压器、交一直流调压模块、容性负载固体继电器、延时固体继电器、三相断相保护固体继电器，电动机频繁启动，换向等。广泛用在电动机调速，正反转控制，调光，家用电器，烘箱烘烤加温控温，送变电电网的建设与改造电力拖动、印染、塑料加工，煤矿，钢铁，化工和军用等方面。众所周知，电力拖动控制系统的核心问题就是要对

17、拖动工作机械的电动机进行控制。因此，本文就是利用两只反向并联的晶闸管组成无触点开关，来实现对卷扬机电动机正、反转及能耗制动等功能的控制。1.2.2无触点开关控制系统的特点优点：1.无触点开关控制系统不存在电器磨损、机械磨损、碰撞和冲击，所以元件运行可靠、动作快、寿命长、结构紧凑、体积小；2.操作安全，维修方便。缺点：1.温度稳定性差；2.抗干扰性差；3.过载能力差，由于半导体元件的过电压、过电流能力差，所以容易过载击穿或烧毁。1.3卷扬机使用无触点开关的原因在电力系统配电网中,为减少线路压降和提高功率因数,以降低网损、节约电能和改善供电电压质量,大都安装无功功率自动补偿装置。而电力负载一直进行

18、难以预期的动态变化,因此电容器到电网间有一个频繁投切的过程。传统的投切用电气开关通常有两种:一种是普通的开关，其优点是稳态导通时无压降,能耗少,但是缺点却非常明显触点投入瞬间,触头处往往会产生火花,并且浪涌电流非常大;切断触点时,触头又容易拉出电弧,造成咬死现象,尽管采用带预投电阻的专用接触器一定程度上可以降低浪涌,但是综合效果并非理想。另一种开关就是电力电子开关器件,常用的是晶闸管,通过过零投切可以大大减少浪涌电流、火花等现象。目前，很多工厂用的电动机功率都比较大，并且需要频繁起动，如果仍然用这种机械式接触器开关的控制系统，事故率就会极高，所造成的维修量也极大，存在的问题很多，大致可以归纳为

19、以下几点：（1）各种机械式控制器、交流接触器和电流继电器接点多、线路联锁、互锁复杂，经常出现接点接触不良，甚至接点粘连事故，造成电控系统失效，从而引起电动机停机或是损坏；（2）频繁的起动时，机械式控制器和交流接触器受机械磨损和电流冲击作用，寿命大大降低，从而加大了检修工作量，当然备品、备件的消耗量也随之增加；（3）电动机的过流、过载保护均通过电流继电器来完成，而普通的电流继电器工作整定值整定困难，并且误差较大，不能对电动机形成有效的电气保护，极易造成电动机的烧损；（4）转子回路多级切换金属电阻的起动方式会造成切换时弧光闪烁，再加上环境灰尘大，因此在工作时经常会发生交流接触器主接点接触不良，转子

20、电阻不平衡，电动机发热，铁心接合面未对好，交流铁心吸合时噪声过大，接触器滞磁，断开动作迟缓，接点黏结，接触器线圈烧损等多种故障，多级切换金属电阻起动时机械冲击力也很大，严重影响配套机械设备的使用寿命。而与卷扬机配套的电动机需要频繁起动和正反转间的切换，在这种情况下要保证电动机的可靠运行，提高设备有效作业率，除加强对控制系统和电动机的维护外，更重要的是从根本上提高控制系统的可靠性，而利用无触点开关技术可为需要频繁起动的电动机工作的可靠性提供保证。随着电子技术的广泛应用机电工业的不断发展，对机电产品控制技术的要求也越来越高，无触点开关必将逐渐代替有触点开关，无触点开关技术也将应用的更加广泛。2无触

21、点开关的组成及其原理2.1无触点开关的工作原理晶闸管元件具有导通与阻断两种作用，相当于有触电开关的开和关，可用作定子回路中的控制元件或控制开关，由于它没有触头的机械运动，所以称为无触点开关。当晶闸管加有正向电压的情况下，加上适当的触发信号就可使晶闸管从关断转为导通状态。除去触发信号，当阳极电压为零时即自行关断，从而达到开与关的目的。利用两只反并联的晶闸管组成的双向无触点开关就可以代替交流接触器的一相主触头，无处发信号时，晶闸管不导通，电路处于断开状态2；有触发信号时，晶闸管导通，电路处于导通状态，此时两只晶闸管在正负半周交替导通，电路得到的是正弦交流电，也就是说接通与断开晶闸管的触发信号即能控

22、制交流回路的导通与关断，起到开关作用。由两只反并联的晶闸管组成的单向交流无触点开关的主电路如图2.1所示。如果两只晶闸管SCR1和SCR2都加上正向控制电压，再加以适当的触发信号，那么，在电源电压u的正半周时，SCR1导通，而SCR2截止；在电源电压u的负半周时，SCR1因承受反向阳极电压即自行关断，而SCR2则导通。这样，两只晶闸管交替工作，负载得到一个交流电压。这时相当于无触点开关处于导通状态。图2.1 单向交流无触点开关主电路如果不加正向电压，或无触发信号时，两只晶闸管都不导通，这时相当于无触点开关处于断开状态。2.2无触点开关的组成无触点开关控制系统是为了实现对大功率三相交流电动机进行

23、适时准确的正转、反转、制动和监测反馈等控制。根据其要求进行电路设计，将无触点控制系统分成三个主要模块进行设计，即：无触点控制系统的主回路、控制电路、检测电路。无触点控制系统主回路中的主要元件就是晶闸管，被用来作为三相交流电源和三相交流电动机的中间连接元件。根据来自控制电路的控制信息来控制晶闸管的导通和断开，从而实现电动机电源的加载和电动机的启动、正反转和制动等控制。采用这种方式对高电压、大电流的通断控制，避免了普通强电通断控制中产生的强烈电弧所带来的危害。控制电路采用Intel公司生产的TN87C196KD-20型号的单片机，来实现对各种控制信号的处理和输出，从而实现主电路中晶闸管的导通和关断

24、控制。无触点开关控制系统的整体结构图如图2.2所示。图2.2无触点开关整体结构图3无触点开关主回路设计3.1主回路的工作原理及过零点触发3.1.1主回路的工作原理如图3.1所示，是卷扬机电动机无触点开关主回路。可以看出，无触点开关的主回路7是利用晶闸管控制电动机的供电回路来实现电动机的各种启动方式，通过内部的整定实现电动机的直接启动、间接启动以及能耗制动，同时还可以实现频繁正反转切换控制和定时正反转切换控制。根据三相交流异步电动机的工作原理，只要将三相电源正确加载到电动机，电动机即可实现正转，改变三相电源任意两相的相序，电动机即可实现反转。本次设计中电动机的制动方式采用能耗制动，能耗制动是比较

25、常用的准确停车的方法3。根据能耗制动的原理，只要将三相交流电动机定子绕组从三相交流电源断开，然后立即将一低压直流电源通入定子绕组。三相交流电动机内部就会立即产生一个与转子实际旋转方向相反的制动力矩实现电动机的快速制动。图3.1 无触点开关主回路图按照上述所要实现功能的工作原理，只要将上述各种控制的接线方式融合在一起，组成图3.1所示的无触点开关主回路就可以了。但是由于无触点开关主回路是由五组反向并联的晶闸管构成的，所以，还需要配合适当的触发电路来控制每相回路的通断。本次设计中采用的是过零点触发。3.1.2过零点触发所谓晶闸管的过零点触发就是指在电路电压为零或是接近零的瞬间给晶闸管一触发脉冲使之

26、导通，利用管子电流小于维持电流时管子自行关断4。在一般的调压和整流电路中通常采用移向触发控制的晶闸管，这种触发方式的主要缺点是其产生的缺角正弦波中包含较大的高次谐波，对电力系统形成干扰。然而在无触点开关电路中只要求电流的通断，并不要求电压的调节，所以这里晶闸管使用过零点触发的方式，其波形图如图3.2所示。图3.2 过零点触发波形图3.2元件选择及参数计算（1）晶闸管的选择及相关计算由于晶闸管工作时可能会遭受到一些瞬时过电压，为了确保管子安全运行，在选用晶闸管时应使其额定电压为正常工作电压峰值的23 倍。本课题所研究卷扬机电动机电压为380V ，双向晶闸管的额定电压的选择由下式决定：双向晶闸管在

27、用于交流电路时，其通态额定电流是电流指有效值。异步电机额定功率为 22KW，则晶闸管额定电流与为：而启动电流可以高达额定电流的48倍，这就要求双向晶闸管的额定通态平均电流：在选择晶闸管时仅仅加大安全裕量是不够的。为了使晶闸管能正常工作而不受损坏，还必须对过电压、过电流等进行适当的保护。根据市场现有产品和价格，系统最后选择了型号为 3CT300A/1000V 的晶闸管，其额定电压为 1000V ，额定电流为300A , 能满足系统。(2) 阻容电路元件选择电容、电阻可按经验公式计算,即:C = (2.55) × ITR = (24) U / IT () PR = fcU2m ×

28、; (W)电容耐压: Ud式中: IT 通态平均电流；Ud 断态端电压；Um 工作峰值电压；f工作频率, 50Hz。经计算结果为:C = (2.55) ××200 = 0.51 (F) 可取系列值1F。R = (24) ×380 /200 = 3.87.6 () 可取系列值10。PR = 50 ×1 ×(220) × 5 (W) 可取系列值10W。电容耐压: 380= 537 (V)可取系列值630V。由此,最后选用R取 10、10W, C取1F、630V。(3) 防止误触发电容的选择5为了避免由于干扰引起误触发,在晶闸管控制极上并联

29、一个电容C,以利用电容的电压惰性来防止误触发,一般C的值取0.010.1F之间。因晶闸管3CT300A/1000V的门极触发电压为4V,故耐容电压为：(68)VGT = ( 68) ×4 = 24 32 (V)取系列值C =0.1F, 32V。(4) 快速熔断器的选择熔体的额定电流IRD按下式选择: 1.57 IT(VA) > IRD > IT(实际管子的Imax的有效值) 。为了保证可靠与选用方便,取IRD = IT(VA) ,即: IRD = 200A根据熔断器的规格,可选用RS3 (500V、200A)快熔器。(5) 压敏电阻的选择主要考虑额定电压和通流裕量,额定电

30、压U1mA的下限是线路工作电压峰值,考虑到电网电压的波动及多次承受冲击电流以后U1mA可能下降,故额定电压的取值以30%的冗余量计算,即:U1mA 1.32U式中: U压敏电阻两端正常工作电压有效值。本设计的压敏电阻额定电压为:U1mA 1.32×380 = 698 (V)3.3晶闸管的保护晶闸管由于击穿电压接近工作电压，热容量又较小，所以承受过电压、过电流能力较差，短时间内的过电压、过电流都可能造成元件损坏。晶闸管是主回路中最为重要的元件，所以，为了使晶闸管能正常工作，除了合理的选择元件外，还必须对过电压、过电流发生的原因加以分析，并采取合适的保护措施。3.3.1过电压保护过电压可

31、以分为以下两类：（1）操作过电压：因变流装置拉、合闸或器件关断等经常性操作，由电磁过程引起的过电压。（2）浪涌过电压：因雷击等偶然原因引起，从电网串入到变流装置的过电压，其幅度可能比操作过电压还高。对过电压保护原则是：限制操作过电压，使其在晶闸管额定电压UR以下，浪涌过电压限制在晶闸管的断态不重复峰值电压UDSM和反相不重复峰值电压URSM之间。系统硬件设计中，过电压保护采用RC阻容吸收回路。主回路电路中，在每一个晶闸管的两端都并联上RC阻容吸收回路。利用电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制过电压；串联电阻能消耗部分过电压能量，同时能抑制 L-C 回路的振荡。3.3.2过电流保护由于晶闸

32、管的电流过载能力比一般电气设备差很多，因此必须对变流装置进行适当的过电流保护。在系统硬件设计中，采用交流断路器作为交流装置的后备保护，采用快速熔断器保护晶闸管的过电流。4控制电路的设计4.1输入电路设计4.1.1 X1输入端子设计1，2：控制板电源，AC200V/50Hz3：PE 端，保护地4：COM 输入信号公共端5：正转信号6：停止信号7：反转信号8：复位信号9：外部故障信号10：急停信号11，12：正转运行输出干接点，接点容量：3A/220VAC13，14：反转运行输出干接点，接点容量：3A/220VAC15，16：制动运行输出干接点，接点容量：3A/220VAC17，18：故障状态输出

33、干接点，接点容量：3A/220VAC19，20，21，22，23，24：控制装置内部电流互感器二次电流输入端25，26：外部零序电流互感器输入端4.1.2电源抗干扰设计由于无触点控制器的电源结构比较复杂。因此在这里我们只对抗干扰6部分进行简要的设计说明。如图4.1所示，图中变阻器RT1对整个回路起到一定的保护作用。电路中的电容均采用安规电容。图4.1 电源抗干扰电路图（1）安规电容安规电容中包括X，Y电容，火线零线间的是X电容,火线与地间的是Y电容。在这里，X电容是指跨于L3-N之间的电容器，Y电容是指跨于L-PE/N-PE之间的电容器。使用安规电容的优点在于即使电容器失效，也不会导致电击，危

34、及人身安全。并且它们用在电源滤波器里，起到电源滤波作用，分别对共模，差模干扰起滤波作用。X电容底下又分为X1，X2，X3，主要差别在于: 1.X1耐高压大于2.5 kV, 小于等于4 kV。2.X2耐高压小于等于2.5 kV。3.X3耐高压小于等于1.2 kV。Y电容底下又分为Y1，Y2，Y3，Y4，主要差别在于: 1.Y1耐高压大于8 kV。2.Y2耐高压大于5 kV。3.Y3耐高压 n/a 。4.Y4耐高压大于2.5 kV。（2）桥式整流电路原理7上图中DB1-GBP10实际上是一个桥式整流电路，其等效原理图如图4.2所示：当正半周时，瞬时极性a（+），b（）。二极管VD1，VD3正偏导通

35、，VD2，VD4反偏截止。导电回路aVD1负载VD3b，负载上电压极性上正下负。当负半周时，瞬时极性a（），b（+）。二极管VD1，VD3反偏截止，VD2，VD4正偏导通。导电回路bVD2负载VD4a，负载上电压极性上正下负。、及波形图如图4.3所示。图4.2 桥式整流电路原理图图4.3 桥式整流电路波形图4.1.3光隔输入部分设计该电路由正转控制输入电路、停止控制输入电路、反转控制输入电路、复位控制输入电路、外部故障输入电路、急停控制输入电路组成，其电路图如图4.4所示。图4.4 光隔输入部分电路图光隔输入电路中的六个回路的元件类型基本相同，可对正转控制输入电路进行举例分析，如图4.5所示。

36、该电路包括两个基本回路，它们由光电耦合器连接，使两个回路的地隔开，起到抗干扰作用。此外，该电路中还使用了发光二极管（LED），下面就对这两种主要元件进行简单的介绍及参数计算。图4.5 正转控制输入电路图（1）光电耦合器简介及原理分析光电耦合器是将发光元件和受光元件密封在同一管壳中，用作光电转换的一种半导体器件。即通过输入端加电信号，发光器件发光，受光器件受到光照后，产生光电效应，输出电信号，实现了电到光、光再到电的传输。光是传输的媒介，从而使输入和输出两端实现电器上的绝缘和隔离，输出端对输入端无反馈作用，信号能从输入端单向传输到输出端，具有抗干扰能力强、响应速度快、工作稳定可靠等优点。光电耦合

37、器亦称光耦合器，简称光耦。光电耦合器的基本原理：典型光电耦合器输入部分是砷化镓红外发光二极管，输出部分是硅光电三极管，如图4.6所示。当发光器的发光二极管中有电流流过时其就会发光，照射到施加有偏压的受光器硅光电三极管上光电三极管就有光电流产生。如果发光二极管中没有电流流过，即发光二极管不发光，光电三极管就无光电流产生。因此输入信号可以经过光媒介传输到输出端，实现输入端和输出端电隔离。图4.6 PC817内部电路方框图使用光电耦合器的原因：a 光电耦合器的输入阻抗很小而干扰源大的阻抗很大；b 光耦的输入回路和输出回路间无电器联系，也无共地；它们之间的分布电容极小，而绝缘电阻很大。c 由于各类光电

38、耦合器的输入端均为发光二极管，只有正偏是通过一定强度的电流才会发光，而大多数干扰信号即使有很高的幅值，也会由于没有足够的能量而不能驱动发光二极管发光，这样可以抑制高峰尖脉冲的冲击，使来自光电器件或输入电路的各种干扰噪声不能传输至输出端。d 光耦输入回路和输出回路间能承受电压在500V以上甚至几千伏高压。即使外部设备出现故障，甚至输入电路短路，也不会损坏光耦电路或设备，能起很好的安全保障作用。（2）发光二极管（LED）简介发光二极管是一种用于电-光转换的半导体器件，在各部门，尤其是仪器、家用电器中广泛应用。发光二极管按发光颜色分，分为红色、橙色、绿色、蓝色等。另外有的发光二极管中包含两种或三种颜

39、色的芯片。根据掺或不掺散发剂、有色还是无色，又可分为有色透明、无色透明、有色散色和无色散色四种类型。散色型发光二极管常用来做指示灯。使用发光二极管时的注意事项：a 对于全塑形封装的LED，正、负极引脚靠环氧树脂固定。为避免管芯受热损坏和因环氧树脂受热软化致使引脚移动使内引线断开，装配焊接时要注意；第一，印制电路板上LED安装孔应与管子两引脚间距相同，使引脚与环氧树脂管帽不产生应力；第二，焊接所用电烙铁应选25W以下，焊接点应离管帽4mm以上；第三，焊接时电烙铁接触时间不要超过4s，最好用镊子夹住管脚进行散热。b 要合理选用LED的驱动电流，不能超过允许值，以免PN结温度过高，缩短管子寿命。c

40、限流电阻R对保证LED正常工作起决定作用。一旦R值选定，电源Vcc值就不能改变，否则将会造成LED发光强度的变化，严重时会损坏LED。（3）参数计算表4-1为国产部分LED的型号、参数表，本设计中采用的是BT202型发光二极管，其具体参数可由该表查得。表4-1 国产部分LED的型号、参数表参考型号极限功率（mW）极限工作电流（mA）正向工作电流（mA）正向工作电压（V）反向漏电流（）反向击穿电压（V）发光颜色光视效能K（mIm/mW）BT201A1007020红BT201E1007020红BT201F1007020红续表4-1参考型号极限功率（mW）极限工作电流（mA）正向工作电流（mA）正向

41、工作电压（V）反向漏电流（）反向击穿电压（V）发光颜色光视效能K（mIm/mW）BT203A1007010红BT203E1007010红BT203F1007010红BT202A30205红BT202E100205红BT301A10060401.11.3绿BT301B10060401.11.3绿BT401A10040红外光BT401B10040BT401C10040注：BT401的的测试条件为=400mA。生产厂家：苏州半导体总厂。PC817型光电耦合器的具体参数见表4-2。表4-2 PC817型光电耦合器具体参数型 号等 级 牌 号（mA）PC817XABCD或无牌号2.53.0PC817X1

42、A4.08.0PC817X2B6.513PC817X3C1020PC817X4D1530PC817X5A或B4.013PC817X6B或C6.520PC817X7C或D1030PC817X8AB或C4.020PC817X9BC或D6.530PC817X10ABC或D4.030根据元件参数可以计算出限流电阻的阻值：这里我们选阻值为4.7。输出回路中根据查表计算：4.2继电器输出电路设计4.2.1继电器输出电路原理在无触点开关控制系统的设计中，继电器输出部分起到极其重要的作用。它可以通过接在其外部的仪器准确的判断出电动机当时所处的工作状态，尤其对故障继电器输出的监测更为重要。当系统发生故障时，可以

43、及时有效的显示，以防止发生大的事故。4.2.2继电器输出电路的组成及分析继电器输出电路由正转继电器输出电路、反转继电器输出电路、制动继电器输出电路和故障继电器输出电路组成，其电路图如图4.7所示。图4.7 继电器输出电路图由于构成继电器输出电路中的四个继电器输出电路结构及原理基本相同，因此在这里仅以故障继电器输出电路为例进行分析，其电路图如图4.8所示。该部分的电路主要由限流电阻、NPN型三极管9013、光电耦合器PS2701、续流二极管、发光二极管以及继电器组成。图4.8 故障继电器输出电路图通过故障继电器输出电路的电路图可知，控制器输出的信号通过限流电阻R83输入到三极管T7的基极，使得光

44、电耦合器的输入回路导通，发光二极管发光，使得输出回路导通，电流流进三极管T8的基极，使得三级管导通，继电器K4的线圈得电，触点随之闭合。回路中加入续流二极管D12，起到保护电路的作用。1.三极管9013三极管9013是一种非常常见的晶体三极管，在收音机以及各种放大电路中经常用到，应用范围很广。它是NPN型小功率三极管，其具体参数可由表4-3和表4-4查得。表4-3 9013型三极管具体参数参数符号测试条件最小值最大值单位集电极基极击穿电压45集电极发射极击穿电压25发射极基极击穿电压5集电极基极截止电流0.1集电极发射极截止电流0.1发射极基极截止电流0.1直流电流增益6430040集电极发射

45、极饱和压降0.6基极发射极饱和压降1.2基极发射极正向电压1.4特征频率150表4-4 分类档次DEFGHI范围64-9178-11296-135112-166144-220190-300特征：最大耗散功率 最大集电极电流 集电极-基极击穿电压 2.光电耦合器PS2701这部分电路选用的光电耦合器型号为PS2701，其作用是把+5V和24V电源的地隔开，起到抗干扰的作用。光电耦合器的内部结构图及原理分析在4.1.3中有详细介绍，这里不再重述。特点：高压隔离。隔离电压：正向电流：50mA反向击穿电压：40V电流传输比：50%300%3.发光二极管LED该电路里，发光二极管LED起到指示灯的作用，

46、据此可判断出电动机的工作状态。4.固体继电器固体继电器是采用固体元件组成的一种类似于无触点开关的电子器件，它的应用领域十分广泛。其主要特点与参数如下：a光电隔离输入驱动电流仅几毫安，与TTL、HTL、CMOS等数字电路相兼容，输入输出及底壳之间的绝缘耐压高于2KV；b应用范围广。交流：大功率1A40A，电网电压110V380V；直流：电流1A5A，负荷电压3V50V；c无触点、无动作噪声、无火花干扰、耐振动、寿命长、抗干扰、开关速度快；d胶木壳密封结构，耐潮、耐腐蚀，适宜于防爆场合；e固态继电器的最大缺点在于没有辅助“触点” 。4.3驱动输出回路设计4.3.1驱动输出回路原理驱动输出电路8是整

47、个无触点开关系统的执行部分，它接收单片机处理后的信号，通过对信号的处理，触发主回路的晶闸管，控制晶闸管的导通或关断，从而控制电动机的正转、反转等操作。此外，驱动输出回路还可以控制晶闸管的移向触发，来控制电动机的能耗制动。4.3.2驱动输出回路的组成及分析驱动输出电路由过零触发电路和移相触发电路两部分组成，过零触发电路控制晶闸管的导通和关断，移相触发电路控制电机的能耗制动。在具体线路的连接上分成六组电路图：L1相正转驱动回路、B相过触发回路、L3相正转驱动回路、L1相反转驱动回路、L3相反转驱动回路以及控制它们互锁的继电器输出电路。如图4.9和图4.10所示。图4.9 驱动回路组成图图4.10

48、继电器输出组成图由于其中的控制思想有许多相同之处，我们可以总结举例来逐个分析，可以分为继电器输出驱动回路、过零触发驱动回路和能耗制动驱动回路。1.继电器输出驱动回路继电器开关回路是利用固体继电器具有无触点、无噪声、抗干扰、开关速度快、寿命长等特点。使CPU发出信号可以安全、稳定的传输到驱动回路中去。由继电器开关控制驱动回路正转、反转、制动等回路基本相同，因此在这里我们仅以正反转继电器输出互锁驱动回路为例进行简要的说明，如图4.11和图4.12所示。图4.11 正反转继电器输出电路图图4.12 正反转驱动回路图正转继电器输出回路和反转继电器输出回路分别控制正转驱动回路和反转驱动回路，而且在控制上

49、实现互锁，如图4.11和图4.12所示。当HSO2A接收到来自CPU的信号使光电耦合器PS2701中的发光二极管发光，从而使得整个回路导通，继电器J200得电，接在正转驱动回路上的常开触点J200闭合，电动机正转，而接在反转驱动回路上的常闭触点J200则断开，这样无论反转继电器输出回路中的线圈J201是否得电，反转驱动回路都不工作。反之，当电动机处于反转工作状态时，正转驱动回路同样也不工作，这就实现了电动机正反转控制的互锁。以上的工作方式不仅保证了正反转的正常运作，还可以使其相互之间不受干扰，更好地对电动机进行控制。同理制动与正反转之间的互锁关系也是这样控制的。2.过零触发驱动回路由于本设计的

50、无触点开关不需要调压因此驱动回路采用过零触发。可控硅过零触发是在电源电压零点触发晶闸管导通。而在工程实际中常出现延时，一般的延时角大约为4°左右。在此过零触发回路中我们采用连续信号来替代脉冲信号触发主回路晶闸管。采用连续信号可以使整个过零触发的过程变得简单，触发时间容易掌握。当采用连续信号时，整个回路的触发过程只与主回路晶闸管连接方式有关，其余不需要采用特殊的控制方式。而采用脉冲触发就要考虑到触发时间的问题。而且还要注意触发几个晶闸管的同时性，再加上外界的干扰，这样使触发回路变得复杂而且难于控制。本设计采用过零触发的另一原因是无触点开关在正反转的过程中只起到开关作用而过零触发可以提供

51、完整的正弦波。这与传统开关控制电动机的波形相一致。使无触点开关的工作更加可靠。若要采用移相触发则会形成导通角，电动机功率也会随着导通角的变化而变化，不符合我们的设计要求。下面我们以L3相正转驱动回路为例进行分析，如图4.13所示。该电路主要由光电耦合器IL4118、限流电阻、分压电阻、二极管、晶闸管等元器件组成。当常开触点J200闭合时，两个光电耦合器的发光二极管部分导通，发光二极管发光，触发导通双相可控硅，当交流电流由L3流向L1时，晶闸管2处于反向截至状态，电流由K32端口流进控制回路，由于电阻R88的阻值远远大于二极管D28的阻值，电流经过二极管D28和限流电阻，流经两个光电耦合器U29

52、、U30的双向可控硅，电流分为两路，一路电流流向晶闸管1的门极B点，而另一路经过降压电阻R90降压后,使得A点和B点的电位高于C点的电位，形成压差，使晶闸管1触发导通。IL4118光耦的断态峰值电压为800V,而L1与L3之间的峰值电压大约为600V，为了保护光电耦合器不被损坏，使用了两个光电耦合器进行分压，并在两个光耦上并联两个电阻进行分压。二极管D28作用是K32和G32产生正向电压，防止晶闸管2误导通，造成环流，发生事故。当电流由L1流向L3时，其原理与上述原理相同，这里不再重叙。图4.13 L3相正转驱动回路3.能耗制动驱动回路（1）能耗制动的特点：能耗制动是指电机在正常运行中，为了迅

53、速停车，不仅断开三相交流电源，还要在定子线圈中接入直流电源，在定子线圈中通入直流电流，形成磁场，转子由于惯性继续旋转切割磁场，而在转子中形成感应电动势和电流，产生的转矩方向与电机的旋转方向相反，产生制动作用，最终使电机停止。制动时不会产生反转、制动停车准确、制动过程平稳。适用于电动机容量较大、要求制动平稳和启动频繁的场合。（2）能耗制动回路设计思想：能耗制动广泛的应用于各种电动回路当中。其形式多种多样，本设计采用的能耗制动设计回路具有独特的优越性。a.适用范围广：对于不同功率电动机的制动控制,此电路只需按电动机功率大小来选择可控硅的规格即可,其他部分无需重新设计。b.成本低：此电路能耗制动控制

54、部分的成本主要集中在继电器开关和可控硅，其余部分电路属电子线路,成本很低。c.避免复杂计算：此电路只需按电动机功率大小来计算可控硅的规格即可。无需根据负载情况来确定制动力的大小，从而计算确定变压器和整流元件的规格。d.可靠性高：该回路采用了很好的保护方式可以大大降低了可控硅被击穿的可能性同时能耗制动控制部分多为电子线路、体积小、电压低、安装方便。（3）能耗制动回路工作过程：如图4.14所示为卷扬机电动机无触点控制的能耗制动电路图。当电动机启动并且稳定工作以后。在需要对其进行能耗制动时继电器开关回路中的J202吸合，促使光耦合器工作。产生的稳定回路电流触发晶闸管VT1-1，VT3-2的基极，使晶闸管导通，能耗制动开始。晶闸管VT1-1, VT3-2在此过程中起到整流的效果，其工作特点相当于桥式整流电路将交流电变为直流电，这也是能耗制动的基本要求。图4.14 能耗制动驱动回路原理图另外在此回路中续流过零触发起到极其重要的作用。当L1，L3回路导通过程中电感U-W将产生反向电动势形成反向电流，使L1，L3回路不够稳定，阻碍能耗制动的正常工作。而续流过零触发可以促使晶闸管VT5-1导通。在电感、晶闸管V