專利名稱：電動機(jī)過載線圈控制器的制作方法
一般地說，本發(fā)明涉及用于電磁接觸器的過載繼電器；更具體地說，涉及用于控制電磁電動機(jī)起動器中線圈的控制系統(tǒng)，它在實(shí)時基礎(chǔ)上使用8插針8位微型控制器和I/O簡化電路系統(tǒng)去處理至少13個I/O，和去計(jì)算電動機(jī)的工作溫度。
在典型的電磁接觸器中，使用過載繼電器保護(hù)電動機(jī)之類的特定負(fù)載不受過電流和過熱。已知的過載繼電器包含一些雙金屬開關(guān)，它們需要手工彎曲和扭曲，為特定設(shè)備而校準(zhǔn)。不用說，在進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)節(jié)，例如滿載電流強(qiáng)度(FLA)調(diào)節(jié)以后，準(zhǔn)確性受到懷疑。此外，用于現(xiàn)有過載繼電器的這種雙金屬開關(guān)和加熱器通常與接觸器的觸點(diǎn)串聯(lián)地連接。從而這些雙金屬設(shè)備需要在接觸器與過載繼電器之間進(jìn)行單獨(dú)闖入式連接，這就不僅增加起動器的成本和尺寸，還影響設(shè)備的可制造性。
與這種已知電磁過載繼電器有關(guān)的另一問題是要求使用電流測量設(shè)備，例如電流互感器和電流環(huán)(torroid)。電流互感器大而重，從而增加設(shè)備的總尺寸和成本。電流環(huán)不那么大，但也增加組合件的尺寸和成本，且呈現(xiàn)有限的精度和范圍。
因此，希望有一種能夠使用較小霍爾效應(yīng)傳感器的電動機(jī)過載線圈控制器，該傳感器具有寬得多的動態(tài)范圍，適用于傳感電流。此外，還希望有一種不需要機(jī)械雙金屬開關(guān)的設(shè)備。
本發(fā)明提供一種解決上述問題的電動機(jī)過載線圈控制器，同時保持較低的成本控制。
按照本發(fā)明的一個方面，電動機(jī)過載線圈控制器包括若干個輸入和輸出(I/O)，它們是到和來自具有j個輸入和k個輸出的電動機(jī)過載線圈控制器的。I/O包括至少一個復(fù)位輸入，一個電流傳感輸入，一個滿載電流(FLA)輸入，一個線圈控制輸入，一個線圈控制輸出，和一個狀態(tài)輸出?？刂破靼ㄒ粋€具有n個輸入線的微處理器，在此n小于j+k。提供一種電動機(jī)過載簡化電路，以便用一種優(yōu)先固定X I/O的方式把j個輸入和k個輸出連接到微控制器，從而減少I/O的數(shù)目，但還是大于微控制器I/O線的數(shù)目。微控制器是可編程的，以便用它的一些I/O插針充當(dāng)輸入端和輸出端。
按照本發(fā)明的另一個方面，微控制器是程序化的，以便計(jì)算一個一階微分方程，從而保持電動機(jī)溫度的實(shí)時跟蹤，和當(dāng)該溫度超過預(yù)定范圍時，提供溫度的狀態(tài)指示。能把系統(tǒng)設(shè)置成起動一個報(bào)警器和靠犧牲過程來斷路電動機(jī)，或起動一個報(bào)警器和一個直觀狀態(tài)指示；并且維持在重要過程中的操作。
控制器包括一個8位8插針微控制器，它能夠和一個I/O簡化電路一起起13個I/O的作用，其中只有5個I/O插針在微控制器上。三個遠(yuǎn)程輸入從一個遠(yuǎn)端源接收入簡化電路。在一個到微控制器的輸入線路上優(yōu)先整理這些遠(yuǎn)程信號。控制包括從三個霍爾效應(yīng)電流傳感器測量三相電流，各個傳感器位于各相的母線上。該系統(tǒng)包括電流信號的放大、半波整流和積分設(shè)備，以相加電流信號，和向微控制器提供一個單輸入。該系統(tǒng)包括一個滿載電流(FLA)調(diào)節(jié)器，以用于寬廣范圍的電動機(jī)。提供一個具有LED輸出的狀態(tài)指示器，以顯示系統(tǒng)的狀態(tài)，和在適當(dāng)時候指示電動機(jī)的溫度。該系統(tǒng)使用24VDC線圈，并且在初始拉入線圈以后，微控制器生成一個PWM信號，以便在衰減功率電平下保持適當(dāng)線圈拉入。使用一個內(nèi)部24VDC傳感器去保證DC電壓的固有電平，和為DC電壓電平的變化而調(diào)節(jié)PWM。提供一個按扭試驗(yàn)開關(guān)，以及按鈕本地復(fù)位和固態(tài)遠(yuǎn)程復(fù)位器。在這種電動機(jī)過載線圈控制器中使用8位8插針微控制器使該系統(tǒng)能求解一個一階微分方程，以保持電動機(jī)工作溫度的實(shí)時跟蹤，同時保持控制的總成本較低。微控制器具有一個查找表，用于根據(jù)FLA調(diào)節(jié)和檢測電流值查找一個相當(dāng)?shù)腎2t值。I2t值用于電動機(jī)工作溫度的實(shí)時監(jiān)測。
從下面的詳細(xì)描述和附圖中會明白本發(fā)明的各種其他特征、目的和優(yōu)點(diǎn)。


目前為實(shí)施本發(fā)明而設(shè)想的最佳模式。
在附圖中
圖1是根據(jù)本發(fā)明的控制器方塊圖。
圖2A是流程圖，用于編入圖1控制器中的主線算法。
圖2B-2E是在圖2A的主線算法中調(diào)用的子程序的流程圖。
圖3是圖2E的流程圖的時序圖。
圖4A-4D是電路原理圖，用于實(shí)現(xiàn)圖1的控制。
參照圖1，根據(jù)本發(fā)明示出一個電動機(jī)過載線圈控制器10的方塊圖。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，電動機(jī)過載線圈控制器10包括一個8位8插針微控制器12，用作電動機(jī)過載I/O簡化電路14的一個部件。很清楚，微控制器可以相當(dāng)于一個微處理器，一個PLC，或其他等效設(shè)備，而不管是可用軟件編程還是可用離散邏輯編程。一般說來，I/O簡化電路14具有多個輸入16和輸出18(I/O)。微控制器12具有n個輸入/輸出(I/O)線，而電動機(jī)過載電路14連接于j個輸入和k個輸出。
電動機(jī)過載線圈控制器10包括一個來自電流傳感器22的電流傳感輸入20。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，電流傳感器22包括三個霍爾效應(yīng)電流傳感器，用于傳感在一個三相系統(tǒng)的各相上的電流。一個三相電流測量電路24通過一個適當(dāng)?shù)钠秒娐范B接于電流傳感器22，如下面參照圖4A所示。一個電流求和積分電路26接收三相電流測量結(jié)果，并且把電流傳感輸入20中的電流傳感信號供給I/O簡化電路14和微控制器12。
其他輸入包括一個滿載電流(FLA)調(diào)節(jié)設(shè)備28，它可校準(zhǔn)電動機(jī)過載線圈控制器10，以便用于各種尺寸的電動機(jī)。FLA調(diào)節(jié)器28通過一個FLA輸入30而連接于I/O簡化電路14。兩個其他的輸入包括一個本地復(fù)位器32和一個遠(yuǎn)程復(fù)位器34，各復(fù)位器分別通過本地復(fù)位輸入36和遠(yuǎn)程復(fù)位輸入38而連接于I/O簡化電路14和微控制器12?？梢园ㄒ粋€起動輸入42、一個正向輸入44和一個反向輸入46的一組遠(yuǎn)程控制輸入40被連接于I/O簡化電路14和微控制器12。
提供一個試驗(yàn)開關(guān)48，以試驗(yàn)電動機(jī)過載線控制器；通過一個試驗(yàn)開關(guān)輸入50把它連接于I/O簡化電路14。提供一個電路電壓傳感器52，以監(jiān)測內(nèi)部電路電壓，在一個優(yōu)選實(shí)施例中，該電壓是24VDC；通過一個24VDC傳感器輸入54把它連接于I/O簡化電路14。
輸出包括一個報(bào)警器56，它連接于一個來自I/O簡化電路14的報(bào)警輸出58；和一個狀態(tài)指示器60，它被連接成從I/O簡化電路14的微控制器12通過狀態(tài)指示器輸出62接收信號。一對線圈64，66連接于I/O簡化電路14的輸出端68，70，以單獨(dú)地控制各線圈。雖然電動機(jī)過載線圈控制器10能夠控制兩個線圈64和66，但本發(fā)明的電動機(jī)過載線圈控制器也被設(shè)計(jì)成可同樣為一個線圈應(yīng)用而工作。在這種一個線圈應(yīng)用中，反向輸入端46不會接收輸入信號。在兩個線圈的應(yīng)用中，一個線圈充當(dāng)正向線圈，以控制電動機(jī)(未示出)的正向運(yùn)動；另一個線圈充當(dāng)反向線圈，以控制電動機(jī)的反向運(yùn)動。
和微控制器12在一起的I/O簡化電路14，用一種允許使用8插針微控制器的方式，至少把13個I/O 16，18連接到微控制器12上；在8插針中只有5插針用于I/O，如進(jìn)一步參照圖4所述。
電動機(jī)過載線圈控制器10按24VDC工作，且利用線圈64和66。微控制器是編程的，以便從一個DC源產(chǎn)生一個PWM信號，從而在拉入線圈以后降低保持電壓。因?yàn)檎J(rèn)為電動機(jī)的線圈控制是一種重要功能，故微控制器12的一個插針專用于線圈控制輸出，從而它只留下4個插針用于多路I/O功能。8插針8位微控制器按照一種使可控功能數(shù)目最大以便使外部硬件最少的方式，排序模擬信號抽樣，并且激勵和去激勵諸輸出。
圖2A示出主循環(huán)80，用于在圖1的微控制器12中編程的軟件。初始化過程82包括清除全部輸出或按照需要初始化輸出，清除RAM，從EEPROM檢索最后熱堆計(jì)算，裝載一個中斷計(jì)時器，和初始化一個一秒上電延遲器。還起動一個2ms計(jì)時器。在初始化以后，調(diào)入系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)器84的子程序。如下面進(jìn)一步參照圖2C-D所述，狀態(tài)機(jī)器84是一種根據(jù)系統(tǒng)以前狀態(tài)和當(dāng)前狀態(tài)來跟蹤和限制過載功能性的方法。然后監(jiān)測2ms計(jì)時器86，看它是否已經(jīng)終止；如果尚未終止88，就對下一步要使用哪一個分支作出決定92，即，是使用熱堆計(jì)算94還是使用熱堆容量指示輸出96。下面將參照圖2B詳細(xì)描述熱堆計(jì)算94，參照圖2E詳細(xì)描述熱堆容量指示輸出96。
在98，熱堆數(shù)據(jù)被定期地寫入EEPROM，此后根據(jù)一個每隔2ms設(shè)置的標(biāo)志來執(zhí)行主線計(jì)時器100。在定時程序期間，設(shè)置一個狀態(tài)指示標(biāo)志，以指示狀態(tài)指示器服務(wù)；該標(biāo)志還生成一個在熱堆子程序中的定序器94。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，主線計(jì)時器是2ms。
關(guān)于應(yīng)當(dāng)使用哪一個分支的判定92，是根據(jù)在熱堆子程序94中確定的定序器值作出的。如果定序器具有零值，則完成了最后熱堆計(jì)算，且可調(diào)用熱堆容量指示96。另一方面，如果定序器具有非零值，則調(diào)用熱堆子程序94。
在主線計(jì)時器已執(zhí)行以后100，主算法返至狀態(tài)機(jī)器子程序84。此后，如果計(jì)時器已滿2ms的周期，則調(diào)入一個模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換程序。從而A/D轉(zhuǎn)換模塊104被每隔2ms定序一次。如下面參照圖4所述，微控制器I/O硬件被修改成正確地測量模擬信號，同時不生成錯誤輸出數(shù)據(jù)。每個序列皆監(jiān)測電流106，并且對每個所取的電流的樣本皆執(zhí)行相位不平衡和失相。如從圖4所看出，用一個第一級數(shù)字濾波器過濾電流樣本，以濾去噪聲和信號偏移。在一個平衡三相系統(tǒng)中，輸出會產(chǎn)生一個接近常數(shù)的DC值。這種過濾后的電流提供一個基線值，以此較可能發(fā)生的相位異常值。如下面參照圖2C-D所述，如果一系列的樣本在一段給定時間偏離基線例如超過50％，則電動機(jī)過載線圈控制器會進(jìn)入一種被斷路狀態(tài)，使控制斷路。失相或相位不平衡會產(chǎn)生這種斷路。
在圖2A的主算法中的下一個步驟是在108判定應(yīng)當(dāng)分析哪一個模擬信號。雖然每個序列都在106監(jiān)測電流，但其余的4個模擬信號是成對地循環(huán)的，以便使主算法執(zhí)行最大和使最高抽樣速度用于電流測量，因?yàn)殡娏鳒y量被認(rèn)為是最重要的功能。這些交變對包括在一個迭代期間的24VDC檢測110和FLA調(diào)節(jié)112；并且在下一個迭代期間，復(fù)位和遠(yuǎn)程輸入114被檢測和A/D轉(zhuǎn)換。因此，成對的模擬信號110、112和114被每隔4ms讀出。按鈕輸入114不僅包括遠(yuǎn)程輸入，例如使能、正向和反向輸入；而且包括復(fù)位，其中有遠(yuǎn)程復(fù)位和本地復(fù)位。
使能、正向和反向電壓被讀出和轉(zhuǎn)換成一個標(biāo)志，該標(biāo)志在去抖動(debounce)程序90中去抖動。如正將進(jìn)一步參照圖4所述，從檢測兩種被同時觸發(fā)的復(fù)位中，能夠單獨(dú)分別地檢測本地復(fù)位和遠(yuǎn)程復(fù)位這兩種復(fù)位的輸入。能夠機(jī)械地鎖定本地復(fù)位按鈕，以得出一種自動復(fù)位模式。然而，如果不鎖定本地復(fù)位按鈕，則電動機(jī)過載線圈控制器處于人工復(fù)位模式。如果按下遠(yuǎn)程復(fù)位按鈕，就能用遠(yuǎn)程復(fù)位模式進(jìn)行相同的控制。即，可從參照圖4的描述中看出，如果以24VDC激勵遠(yuǎn)程復(fù)位器，則控制器能以自動復(fù)位模式工作；而如果不激勵遠(yuǎn)程復(fù)位按鈕，則控制器處于一種人工復(fù)位模式。因此，能夠假定本地復(fù)位和遠(yuǎn)程復(fù)位是互不相容的。然而，當(dāng)兩個復(fù)位按鈕都被激勵或有效時，控制就進(jìn)入唯一的報(bào)警模式。對于過程的連續(xù)操作比電動機(jī)壽命重要的臨界操作，如果電動機(jī)(即熱堆)的溫度超過最大閾值，則系統(tǒng)不會中斷電動機(jī)的操作。在報(bào)警唯一模式中，當(dāng)跳閘閾值被超過并且維持電動機(jī)運(yùn)行時，控制器只激勵一個報(bào)警輸出和一個直觀輸出。回到參照圖2A，在狀態(tài)機(jī)器84的狀態(tài)變化之前，在90對復(fù)位數(shù)據(jù)去抖動。
每當(dāng)測量24VDC模擬信號時，在110分析一個24VDC樣本，并且檢測試驗(yàn)開關(guān)的觸發(fā)。進(jìn)行24VDC樣本分析，以便根據(jù)到控制電路的電流輸入電壓來設(shè)置PWM速度。在對PWM速度作出任何改變之前，對24VDC樣本信號平均約1/4秒。如果在24VDC樣本分析110期間檢測試驗(yàn)開關(guān)48(圖1)，則在狀態(tài)機(jī)器子程序84中對該信號去抖動90和進(jìn)行分析(圖2A)。在分支109中分析的其他模擬信號是電位計(jì)樣本分析信號112，這是來自FLA調(diào)節(jié)器28的輸入(圖1)。每當(dāng)FLA電位計(jì)模擬信號樣本被測量和平均1/4秒時，執(zhí)行電位計(jì)樣本分析112(圖2A)。平均樣本用于找出查找表中的適當(dāng)值，其結(jié)果是根據(jù)存儲值的分辨率定標(biāo)的。然后把所得的FLA乘數(shù)用于在94計(jì)算熱堆。如前所述，在90對全部A/D轉(zhuǎn)換輸入進(jìn)行去抖動，以消除噪聲，和確認(rèn)正在分析的信號是有效的。
現(xiàn)在參照圖2B，描述熱堆子程序94。最初，作一個檢驗(yàn)，看是否已抽取足夠的電流樣本120；如果否122，且如果定序器124或?yàn)榱慊驗(yàn)榕紨?shù)126，則該系統(tǒng)存在熱堆子程序128。然而，如果已抽取足夠的電流樣本120，130，則在132電流樣本寄存器被清零，并且定序器被初始化。此外，如果定序器不為奇數(shù)124，126，則在128存在熱堆子程序94，并且返回到圖2A的主算法。另一方面，如果不論在120是否已讀出滿電流樣本，定序器皆為奇數(shù)132，則執(zhí)行一個數(shù)學(xué)計(jì)算步驟來確定熱堆分析。在說明熱堆子程序94中各個剩余迭代之前，下面先描述熱堆分析。
熱堆分析基于電動機(jī)發(fā)熱的電等效模式。要求解的微分方程由下式給出dV(n)=(I2t-VR(n-1))1C·dt]]>式中I2t最好先乘以FLA的平方。I2t值是RMS電流的平方乘以模型分析時間間隔，它在這種情況下是64ms。使用圖2A主算法中找出的電流檢測信號，從查找表中選擇I2t值。C是電動機(jī)模型電容，R是表示從電動機(jī)輸出的熱量的電動機(jī)模型熱阻，和V是熱堆或電動機(jī)的計(jì)算溫度。雖然很清楚，能在較短時間內(nèi)完成熱堆計(jì)算，但模型數(shù)學(xué)被定序成使執(zhí)行時間最長。
為了找出I2t，用上述濾波電流作指針，去從查找表中選擇一個適當(dāng)?shù)闹?；并且根?jù)代表存儲位置中該值所需的位數(shù)，定標(biāo)該值，以獲取正確的分辨率。為了使控制器的主線執(zhí)行最大，用主線的每個迭代去執(zhí)行一個數(shù)學(xué)步驟，如圖2B中所示。如所述，當(dāng)定序器是非零奇數(shù)時124，132，就在熱堆子程序94中在每個迭代一個步驟的基礎(chǔ)上進(jìn)行各種數(shù)學(xué)步驟。例如，當(dāng)定序器在134等于1時，就在136從查找表中獲取I2t值并且定標(biāo)該值，此后，系統(tǒng)回到主線128。當(dāng)定序器在138等于3時，就把從第一方程得到的值136乘以FLA定標(biāo)系數(shù)(在140)，然后熱堆子程序94回到主線128。當(dāng)定序器在142等于5時，就從查找表中獲取FLA值，并且乘以在第二計(jì)算中找出的值140。當(dāng)定序器在146達(dá)到7時，就在148計(jì)算熱損失；并且當(dāng)定序器在150達(dá)到9時，就在152計(jì)算小于熱損失的熱輸入。當(dāng)定序器在154達(dá)到11以后，就在156計(jì)算熱堆中的變化；并且象各種其他計(jì)算一樣，返至主線128。當(dāng)定序器在158達(dá)到13時，就在160計(jì)算最新的熱堆；并且當(dāng)定序器在162達(dá)到15時，就把新熱堆同預(yù)定跳閘值比較；如果它等于或大于預(yù)定跳閘值，就在164設(shè)置跳閘標(biāo)志，并且熱堆子程序回到主線128。
現(xiàn)在參照圖2C-D，描述狀態(tài)機(jī)器子程序84。狀態(tài)機(jī)器確定該系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)處于哪一個狀態(tài)，和它處于這個狀態(tài)時要采取什么行動。
圖2C是圖2A的狀態(tài)機(jī)器子程序84的流程圖。在進(jìn)入狀態(tài)機(jī)器子程序84時，子程序首先通過檢驗(yàn)一些判定框170-180，確定該系統(tǒng)目前處于哪一個狀態(tài)。即，如果目前的狀態(tài)處于上電模式，就執(zhí)行路線182。如果目前狀態(tài)處于空載模式，就執(zhí)行路線184。如果目前狀態(tài)處于PWM線圈模式174，就執(zhí)行路線175。如果目前狀態(tài)處于跳閘模式(圖2D)，就執(zhí)行路線188。如果目前狀態(tài)處于停止模式，就執(zhí)行路線190；并且如果目前狀態(tài)處于試驗(yàn)?zāi)Ｊ?，就?zhí)行路線192。
回到參照圖2C，在初始化和上電時，目前狀態(tài)被置于零，即上電模式，并且遵循路線182，這就首先保證線圈和報(bào)警被禁止，并且迅速閃亮狀態(tài)指示器194以指示上電模式。狀態(tài)指示器繼續(xù)快速閃亮，直至1秒鐘期滿196；并且當(dāng)已期滿時198，狀態(tài)在200增加到狀態(tài)1，在此時狀態(tài)機(jī)器在202回到主算法。在1秒鐘時計(jì)時器期滿以前196，197，子程序返回以執(zhí)行主算法202。
在執(zhí)行圖2A的主線算法和系統(tǒng)重新進(jìn)入狀態(tài)機(jī)器子程序以后84，目前狀態(tài)不再處于上電模式170，204，在205監(jiān)測試驗(yàn)按鈕，并且如果它有效207，則狀態(tài)變成試驗(yàn)狀態(tài)209，和子程序回到主算法202。另一方面，如果不按下試驗(yàn)按鈕205，211，則系統(tǒng)檢驗(yàn)，以看是否目前狀態(tài)處于空載模式172，并且如果它是184，則禁止到線圈的輸出206，并且如果需要就激勵狀態(tài)指示器，以顯示根據(jù)圖2E的熱堆輸出。還在206監(jiān)測輸入和去抖動，以及調(diào)用圖2E的顯示TPR子程序96。然后監(jiān)測遠(yuǎn)程起動輸入信號208，并且如果未起動系統(tǒng)210，則狀態(tài)在212變成停止模式(狀態(tài)4)，和狀態(tài)機(jī)器子程序84回到在202的主算法。然而，如果呈現(xiàn)起動208，213，就作檢驗(yàn)，以看是否已在214接收一個正向或反向遠(yuǎn)程信號。如果未接收216，則系統(tǒng)回到主算法202。如果已接收一個有效正向或反向輸入信號214，218，則50ms計(jì)時器被啟動，且狀態(tài)在220變成PWM狀態(tài)(狀態(tài)2)。正向/反向信息被保存或鎖定，并且阻斷以100％的占空因數(shù)激勵線圈，此后把占空因數(shù)減到20％。狀態(tài)機(jī)器子程序回到主算法202。
在圖2A的主回路的下一個迭代，且目前狀態(tài)是狀態(tài)2或PWM線圈工作模式以后，狀態(tài)機(jī)器84繼續(xù)通過上電模式狀態(tài)檢驗(yàn)點(diǎn)170，204，和通過空載模式狀態(tài)檢驗(yàn)點(diǎn)172，222，并且進(jìn)入PWM線圈模式174，175。首先，調(diào)用圖2E的顯示TPR子程序186，96，并且當(dāng)完成時，它返回操作以檢驗(yàn)是否存在圖2C中呈現(xiàn)的使能(允許)信號224，226，和然后在228把索引狀態(tài)指針設(shè)置成第4狀態(tài)或停止模式，并且在202狀態(tài)機(jī)器算法存在以回到圖2A的主算法。然而，如果在圖2C的224呈現(xiàn)一個使能信號，則PWM線圈模式在232著手檢驗(yàn)以狀態(tài)1裝載的50ms計(jì)時器是否已期滿；并且如果尚未期滿234，就檢驗(yàn)熱堆，以看是否已超過一個預(yù)定的最大值236。如果熱堆尚未等于或大于最大值238，則狀態(tài)機(jī)器回到主算法，以允許50ms計(jì)時器期滿，或某一其他插入事件。50ms計(jì)時器允許在開始調(diào)制省電之前，把滿功率的滿50ms加到線圈上。當(dāng)50ms計(jì)時器期滿時232，240，允許阻斷程序在242以優(yōu)選的20kHz去PWM線圈。當(dāng)阻斷放棄控制時244，檢驗(yàn)熱堆以看是否它已超過預(yù)定的最大值236；和如果它或者在阻斷放棄控制244以后或者在50ms計(jì)時器尚未期滿232，234時，超過預(yù)定最大值246，則檢驗(yàn)一種用戶確定報(bào)警但并不跳閘的模式，以看是否由用戶在248選擇它。這種模式只在下述情況才選擇電動機(jī)在其中運(yùn)行的系統(tǒng)或過程要比電動機(jī)重要，并且必須靠犧牲電動機(jī)來保持運(yùn)行。在這種情況下250，在252激勵報(bào)警器和狀態(tài)指示器，但該系統(tǒng)停留在使電動機(jī)維持于其當(dāng)前狀態(tài)下的PWM線圈模式254。如果不選擇并不跳閘模式256，并已經(jīng)超過熱堆246，則狀態(tài)指針增至跳閘模式258，且系統(tǒng)回到主算法202。
在圖2D繼續(xù)進(jìn)行狀態(tài)機(jī)器程序，其目的在于如果目前狀態(tài)處于跳閘模式176，188，則線圈的輸出被阻塞298，且在260檢驗(yàn)并不跳閘的報(bào)警；并且如果已設(shè)置該報(bào)警262，則狀態(tài)指針被引向空載模式264，和回到主算法266，使線圈和電動機(jī)得以激勵。如果尚未選擇并不跳閘的報(bào)警260，268，并且沒有復(fù)位270，272，則狀態(tài)指示器被接通274，狀態(tài)機(jī)器停留于跳閘模式和回到主算法266。如果已檢測復(fù)位270，276，則再一次檢驗(yàn)熱堆，以看是否它已超過閾值278；并且如果它尚未超過閾值280，則狀態(tài)指針被引向空載模式264，且狀態(tài)機(jī)器在266回到主算法。然而，如果熱堆閾值已超過預(yù)定的最大值278，282，則狀態(tài)指示器快速地閃光，以指示復(fù)位已被檢測284，然后系統(tǒng)在266回到主算法。
當(dāng)狀態(tài)機(jī)器的狀態(tài)被設(shè)置為4，即停止模式時，則算法通過圖2D的判定178而沿路線190前進(jìn)，以阻塞線圈的輸出298；并且如果當(dāng)前還不存在阻塞290，292，則狀態(tài)維持于停止模式，且在266回到主算法。如果已收到起動信號290，294，則狀態(tài)指針被引到空載模式296，且狀態(tài)機(jī)器子程序在266回到主算法，以便在圖2C的214等待一個有效正向或反向輸入請求。
如果已觸發(fā)試驗(yàn)開關(guān)48(圖1)，則狀態(tài)被設(shè)置成用于試驗(yàn)?zāi)Ｊ降?，并且狀態(tài)機(jī)器遵循圖2D的路線176，177，178，179，180，192，和在298阻塞線圈的輸出。應(yīng)當(dāng)注意，需要時可以容易地把該系統(tǒng)擴(kuò)充到包括一些附加狀態(tài)，方法是把過程180變成判定和其后添加附加的狀態(tài)。在處于試驗(yàn)?zāi)Ｊ綘顟B(tài)以后，如果在上電時第一次調(diào)用這個程序300，302，則以70％-80％的輸出來閃光狀態(tài)指示器304，如圖3的計(jì)時圖中所示，且系統(tǒng)在266回到主算法。如果它不是第一次進(jìn)入試驗(yàn)?zāi)Ｊ?00，306，則該系統(tǒng)保證在308顯示至少兩個循環(huán)的70％-80％狀態(tài)指示；然后沿310前進(jìn)，以看試驗(yàn)定序器是否指向80％-90％的指示312，并且如果是，則在狀態(tài)指示器上顯示該指示314。同樣，如果試驗(yàn)定序器指向90％-95％指示316，則狀態(tài)指示器顯示95％-100％的輸出318；并且如果試驗(yàn)定序器指向100％的指示320，則狀態(tài)指示器輸出100％的指示322。如果試驗(yàn)定序器不指向上述任何一種指示，則作檢驗(yàn)以看是否實(shí)際上已檢測一個復(fù)位324；并且如果否，則以88％的占空因數(shù)激勵狀態(tài)指示器326，以指示錯誤狀態(tài)，并且在266回到主算法。88％的占空因數(shù)是圖3中所示的80％＞TPC≥70％的倒數(shù)。如果在324已檢測復(fù)位，則狀態(tài)指針被引到最后的狀態(tài)328，然后回到主算法266。
參照圖2E，在圖2A的狀態(tài)顯示器96上顯示熱堆結(jié)果的子程序被進(jìn)一步詳細(xì)地示出。首先，把熱堆結(jié)果(TPR)同電動機(jī)的預(yù)定熱堆容量(TPC)閾值比較340，并且如果TPR接近等于100％的TPC，則狀態(tài)指示器被接通，且保持接通，以呈現(xiàn)為一個穩(wěn)定狀態(tài)輸出342。如果TPC處于95％與100％之間，則狀態(tài)指示器每秒鐘接近閃光4次344；并且如果TPC處于90％與95％之間，則在346狀態(tài)指示器每秒鐘閃光3次。如果TPC處于80％與90％之間，則在348狀態(tài)指示器中的LED每秒鐘閃光2次；并且如果TPC處于70％與80％之間，則在350LED每秒鐘閃光1次。如果TPC落入70％范圍，即未達(dá)到70％以上或未大于70％，則LED被斷開或保持?jǐn)嚅_352，且狀態(tài)指示器算法返回354，而不管其他子程序或主算法是否已調(diào)用它。
參照圖3，一個計(jì)時曲線圖示出在2E中以流程圖形式描述的狀態(tài)指示器的各種輸出。圖3表示，對大于或等于100％的TPC，狀態(tài)指示器的LED輸出保持高或通360。對處于95％與100％之間的TPC，LED接近閃光4次/秒362；而對處于85％與90％之間的TPC，LED閃光3次/秒364，有每秒短時期的斷開時間366。當(dāng)TPC處于80％與90％之間時，LED在第一個半秒鐘初始地閃光2次368，然后在剩余時期保持?jǐn)嚅_370。當(dāng)TPC處于70％與80％之間時，LED在開始時接通1次372，然后在1秒的剩余時期保持?jǐn)嚅_374。應(yīng)當(dāng)了解，這種用于顯示電動機(jī)溫度代碼的方案可以用許多各種代碼形式來顯示，所描述的形式只是一個優(yōu)選實(shí)施例。此外，還可添加一些附加代碼，其中接通時間的時期可加寬或變窄，或者1秒鐘的總試驗(yàn)時期可加寬或變窄。
現(xiàn)在參照圖4A-D，說明用于圖1的電動機(jī)過載線圈控制器的詳細(xì)電路圖。圖4A說明電流傳感器22和三相電流測量器24的詳細(xì)電路圖，該圖包括一個具有連接于電阻器R10和R15的運(yùn)算放大器402的霍爾效應(yīng)電流傳感器偏置電路400，用于通過開關(guān)晶體管Q1、Q2和Q3而向霍爾效應(yīng)傳感器404、406和408提供一個偏置電壓，這些晶體管向AC耦合霍爾效應(yīng)傳感器提供約1.4V的DC偏壓。偏置電壓起動霍爾效應(yīng)傳感器，以產(chǎn)生較高分辨率的輸出。成對的電容器410、412和414位于各個霍爾效應(yīng)傳感器的輸出端，用于由霍爾傳感器濾出DC。電容器410-415被作成一定的尺寸，以去除霍爾器件輸出端上的任何DC信號，但尺寸大到足以起動電路，以便在50Hz和60Hz系統(tǒng)上充分地工作。
所產(chǎn)生的輸出是一個AC差分輸出信號，該信號被送入一個倒相微分放大器電路416、418和420，這些電路被連接成分別接收來自霍爾效應(yīng)器件404、406和408的輸出。每個微分放大器416-420都包括一個電位計(jì)422、424和426，用于補(bǔ)償霍爾效應(yīng)器件中的偏差和任何電路偏差。每個微分放大器416-420的輸出都被送到一個RC網(wǎng)絡(luò)428、430、432，以進(jìn)一步過濾輸出信號，這些信號然后通過結(jié)點(diǎn)436、438和440輸送，結(jié)點(diǎn)包括接地的肖特基二極管D2、D3和D4，用于限制負(fù)電壓到達(dá)運(yùn)算放大器442、444和446。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，負(fù)電壓以-0.3V限幅，以便保護(hù)運(yùn)算放大器442-446。各個運(yùn)算放大器442-446的輸出都分別在一個反饋路徑上有一個二極管D9、D11和D12，其倒相輸入或者閉塞或者通過一個信號，由此使輸出最大。這種裝置提供一個線路448上的輸出，這是一個半波整流信號。在任何給定時間，在線路448上的輸出都是來自各相的最大輸出。
然后把輸出信號448輸入到積分電路27(圖4B)，該電路具有一個以不倒相結(jié)構(gòu)連接的運(yùn)算放大器450，用作積分器，帶有一個與積分反饋路徑并聯(lián)的齊納二極管D10。提供齊納二極管D10滾降對正確A/D變換是太大的信號。這種裝置提供輸出中的1∶1上升，直至達(dá)到齊納電壓為止，此后它提供一個非線性的滾降。這就建立一個組合式線性和非線性響應(yīng)，從而額定電動機(jī)電流的105％與120％的UL試驗(yàn)點(diǎn)之間可得到的位數(shù)成為最大。如果沒有齊納二極管D10，則響應(yīng)不會是嚴(yán)格地線性的，并且適用的位數(shù)不會在UL試驗(yàn)點(diǎn)之間提供充分的量化。
來自積分電路27的輸出是供給微控制器12的插針3的電流傳感輸入20(圖4D)。回到參照圖4B，電阻器R14A和R14B是電流限制電阻器，用于保護(hù)運(yùn)算放大器和微控制器。一個24VDC電源452向線圈提供DC電壓，和為電路中各種低電源電壓提供電力。電源452通過二極管D1連接于一個板上插針連接器454。因?yàn)樵谠S多工業(yè)應(yīng)用中，電動機(jī)繼電器和線圈控制器位于比較靠近電動機(jī)處，故能提供一個帶有控制開關(guān)觸排456的遠(yuǎn)程板，以便提供連接于板上插針連接器454的遠(yuǎn)程輸入40，從而提供使能輸入42、正向輸入44、反向輸入46、遠(yuǎn)程復(fù)位輸入38A、和報(bào)警輸出信號56A和56B。應(yīng)當(dāng)注意，來自開關(guān)觸排456的輸入控制信號可以來自離散開關(guān)、固態(tài)開關(guān)、PLC、或任何可以產(chǎn)生所需控制輸入信號的其他器件。使能輸入42在倒置時也可看成是一個停止輸入，用來起動或阻塞線圈控制，從而電動機(jī)，而與其他輸入無關(guān)。正向和反向輸入44、46是供多線圈和接觸器使用的，在此一個控制電動機(jī)的正向運(yùn)動，而另一個控制電動機(jī)的反向運(yùn)動。本發(fā)明的控制器能與多線圈或單線圈一起使用。在與單線圈一起的應(yīng)用中，不連接反向輸入。因此，反相輸入在三者中具有最低的優(yōu)先性。即，使能信號具有最高的優(yōu)先性，其次是正向，最后是反向。然而，在某些只有一個單接觸器的應(yīng)用中，例如在其電動機(jī)具有特定起動和停止控制點(diǎn)的泵/浮子應(yīng)用中，使能和正向可以連接在一起，而反向不連接(即，使它斷開)。
作為來自過載控制電路的輸入，報(bào)警器56接收一個來自在微控制器12的插針5的報(bào)警控制信號460和一個時鐘信號462，這些信號被輸入到一個連接于晶體管Q4的觸發(fā)器464，以驅(qū)動一個光隔離器466。光隔離器466包括一個內(nèi)部紅外發(fā)射二極管，它在激活時把光引向一個內(nèi)部光敏晶體管，以閉合一個輸出路徑。光隔離器用于隔離報(bào)警器和控制電路。一個繼電器能夠選擇地用于取代光隔離器。光隔離器466的輸出被連接于一個晶體管Q3，以形成一個達(dá)林頓對，從而提高遠(yuǎn)程報(bào)警負(fù)載(未示出)的電流流動能力。提供一個齊納二極管Z2，以鉗住電壓，從而保護(hù)光隔離器不受許多報(bào)警引起的感應(yīng)負(fù)載的影響。晶體管Q4還允許在光隔離器上使用24V，以便能夠處理光隔離器的輸出上的較高的電流。當(dāng)報(bào)警控制460高和觸發(fā)器464接收時鐘脈沖462時，Q輸出升高，使光隔離器466中的內(nèi)部紅外二極管發(fā)射，隨后激發(fā)閉合輸出路徑的光隔離器內(nèi)部光敏晶體管，并且接通Q3，以便在會激發(fā)遠(yuǎn)程報(bào)警的報(bào)警-56B電路與報(bào)警+56A電路之間閉合其電流路徑。
現(xiàn)在參照圖4C，上述的遠(yuǎn)程輸入被連接成電動機(jī)過載I/O簡化電路14的一部分。使能輸入42，和正向輸入44與反向輸入46一起，被整理成一個連接于微控制器12的單獨(dú)遠(yuǎn)程輸入470(圖4D)。聚縮的遠(yuǎn)程輸入470，通過一個對微控制器和簡化電路系統(tǒng)提供電流限制的電阻器R14E，連接于微控制器。使能輸入42、正向輸入44和反向輸入46都分別通過分壓器472，474和476，連接于晶體管Q10、Q8和Q6的基極。分壓器保護(hù)晶體管的基極，并且要求其輸入大于5V才能使晶體管導(dǎo)通，從而提高其抗擾性。晶體管Q6、Q8和Q10同電阻器R14D、R14F、R14G和R25一起，被安排成建立一個輸入信號分配器網(wǎng)絡(luò)，它可區(qū)別和優(yōu)先分配在單個聚縮遠(yuǎn)程輸入線路470，例如單個多路復(fù)用器上的三個輸入信號，并且聚縮這三個輸入信號。即，如果使能42、正向44或反向46都不接通，即都不高，則晶體管Q10、Q8或Q6都不接通，并且在結(jié)點(diǎn)478處和在到微控制器的輸入線路470上的電壓都處于5V，從而向微控制器指示該系統(tǒng)處于停止模式。如果使能42高，且正向44和反向46是斷開或低，則只有晶體管Q10接通，使電阻器R14F和R14G兩端的電壓接近3.5V。在結(jié)點(diǎn)478處電壓為3.5V的情況下，微控制器識別該系統(tǒng)處于一種空載模式；或者如果業(yè)已閉鎖，則業(yè)已處于反向或正向模式。如果使能42高和正向44高，則晶體管Q10和Q8都導(dǎo)通，使結(jié)點(diǎn)478處的電壓下降到接地電平，即0V，從而向微控制器指示現(xiàn)在應(yīng)當(dāng)激勵正向線圈。如果使能42和反向46都高，且正向46低，則晶體管Q10和Q6會導(dǎo)通，而晶體管Q8會斷開。在只有晶體管Q10和Q6接通的情況下，則在電阻器R25兩端的電壓降會使結(jié)點(diǎn)478處的電壓約為2.0V，從而向微控制器指示起動該系統(tǒng)，且應(yīng)當(dāng)激勵反向線圈。如果全部三個輸入都接通，即使能42信號呈現(xiàn)，正向44信號呈現(xiàn)，和反向46呈現(xiàn)，則起動42和正向44會優(yōu)先，使結(jié)點(diǎn)478處的電壓變?yōu)榻拥仉娢?，和啟動微控制器去觸發(fā)正向線圈，并且反向輸入變成一種“并不關(guān)心”(don’t care)。
通過分壓器480饋入遠(yuǎn)程復(fù)位輸入38A，以保護(hù)作為固態(tài)遠(yuǎn)程復(fù)位器34工作的晶體管Q9的控制極。固態(tài)遠(yuǎn)程復(fù)位器34和由按鈕開關(guān)482組成的本地復(fù)位器32是并聯(lián)連接的，并且連接于獨(dú)立但等效的電阻器R27和R28。本地和遠(yuǎn)程復(fù)位器32、34被分別連接于線路484和486的微控制器插針5與6之間，下面描述其操作。選擇電阻器R27和R28，使它們具有相等的電阻，從而微控制器能夠進(jìn)入復(fù)位，而與抑制哪一個無關(guān)；然而，如果二者同時復(fù)位，則組合電阻器R27和R28兩端的電壓降會提供一個增大的電壓降，從而向控制器指示操作過程比電動機(jī)重要；并且會甚至在電動機(jī)超過熱閾值時也保持電動機(jī)運(yùn)動，但要激發(fā)報(bào)警器和狀態(tài)指示器。提供二極管D6，使本地復(fù)位同線路486上的插針6的其他功能隔離。
微控制器12的插針6(圖4D)還連接于輸入線路46上的狀態(tài)指示器60(圖4C)，和連接于24VDC傳感器52和試驗(yàn)開關(guān)48。試驗(yàn)開關(guān)48由按鈕開關(guān)490組成，且當(dāng)被激勵時，把線路46拉到接地電位，以啟動試驗(yàn)?zāi)Ｊ?。?dāng)按鈕490斷開時，24VDC傳感器52提供一個線路486上的0-5V模擬信號，以跟蹤用于激發(fā)線圈的有效電壓。24VDC傳感器52包括分壓器R17和R19，其尺寸定成可向微控制器提供一個0-5V的擺幅。提供電阻器R14H，以限制到微控制器的電流。狀態(tài)指示器60包括LED D5和電阻器R23。當(dāng)插針6(線路486)充當(dāng)來自微控制器12的輸出以便指示控制狀態(tài)和電動機(jī)溫度時，就向狀態(tài)指示器60供電。
現(xiàn)在參照圖4D，微控制器或微處理器12最好是一個8位8插針微片PIC 12CE674。微控制器12排列模擬信號抽樣的序列，且激勵或去激勵輸入和輸出。為了使功能最大和外部硬件最少，大多數(shù)的微控制器插針都用作輸入和輸出。因?yàn)椴遽?、8和4分別指定專用于電源、接地和接通復(fù)位器，故只有5個插針依然用于13個可能的輸入和輸出。此外，插針2已專用于把線路502上的PWM信號輸出到線圈選擇和驅(qū)動電路。
電動機(jī)過載I/O簡化電路14的另一個部分是線圈選擇和驅(qū)動電路的一部分。I/O簡化電路14包括一個觸發(fā)器504，它被連接成從微控制器12的插針3接收時鐘信號；和一個來自微控制器12的插針7的在線路506上的線圈選擇器信號。觸發(fā)器504的輸出Q和Q′都分別連接于一對“與”門U10A和U10B，U10C和U10D，以驅(qū)動晶體管Q7和Q11的門電路，和驅(qū)動HL1和HL2之間的反向線圈，或HL3與HL2之間的正向線圈。
FLA調(diào)節(jié)器128包括一個電位計(jì)R20，它的一側(cè)連接于5V電源，且另一側(cè)具有一個電流限制電阻器R14C，連接于用作到微控制器12的輸入的插針7。
現(xiàn)在描述微控制器插針I(yè)/O選擇器。如前所述，插針1專用于微控制器的電源，和插針8專用于微控制器12的接地。插針4通過電阻器R8D連接于接通復(fù)位信號的電源，以便如果功率下降到最小值以下，則微控制器12復(fù)位。這種復(fù)位包括三態(tài)化全部輸出，和下拉PWM，以切斷線圈。因?yàn)榫€圈的控制和電動機(jī)的操作被認(rèn)為是關(guān)鍵性的，故插針2只專用于PWM輸出。因此，插針3、5、6和7是唯一可用于其余12個I/O的插針，現(xiàn)在詳細(xì)描述其操作。
插針3可作為一個輸入和一個輸出來操作。作為輸入，編制插針3的程序，以便從電流傳感輸入線路20上的三相電流傳感器接收累加電流。插針3還具有輸出功能，因?yàn)樗鹣到y(tǒng)時鐘輸出的作用，用于報(bào)警控制和線圈選擇電路。為了微控制器能按輸入操作插針3以檢測累加電流，首先必須插入第一插針6，然后報(bào)警控制插針5和線圈選擇器插針7必須設(shè)置為其正確狀態(tài)，以免線路3上的輸入信號看起來像一個時鐘脈沖。若果真如此，即，報(bào)警控制插針5和線圈選擇器插針7被正確設(shè)置，則觸發(fā)器504和464只會重復(fù)其正確的輸出。然后按照插針3上的模擬輸入來讀出電流傳感信號。微控制器使用一個內(nèi)部查找表，且給定一個適當(dāng)?shù)碾娏髦?。根?jù)來自FLA調(diào)節(jié)器28的輸入，標(biāo)定I2t值；并且使用另一個查找表，獲取要在電動機(jī)熱分析中使用的I2t的最終值。為了用插針3作系統(tǒng)時鐘的輸出，首先，微控制器12插入插針6，以便把結(jié)點(diǎn)510引向接地電位，然后把報(bào)警控制插針5和線圈選擇器插針7設(shè)置成其固有的希望狀態(tài)，并把插針3上的時鐘信號輸出到用于線圈選擇和驅(qū)動的觸發(fā)器504和報(bào)警的觸發(fā)器464。
插針5還起一個多I/O的作用。作為一個輸入，插針5從來自遠(yuǎn)程輸入的輸入線路470中接收一個信號，指示適當(dāng)?shù)南Ｍ麪顟B(tài)。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，線路470上的輸入會指示4種可能電壓和狀態(tài)之一。即，5V信號指示一個停止或阻塞命令。一個具有約3.5V電壓的信號指示一個使能命令，而沒有正向或反向命令，從而微控制器被置于一種空載模式或允許繼續(xù)運(yùn)行模式工作。約2.0V的輸入電壓指示一個起動逆向線圈的命令，而按近0V的輸入電壓指示一個起動正向線圈的要求。為了讀出用作輸入的插針5，微控制器12先插入插針6，以避免狀態(tài)指示器60上的虛假指示，且避免來自復(fù)位器32和34的虛假讀出。
插針5還用作一個用于報(bào)警控制器460的輸出。為了如此作，就在發(fā)送報(bào)警控制信號以控制報(bào)警器56的觸發(fā)器464之前，又拉低插針6。觸發(fā)器464用于鎖定來自鎖5的輸出，從而微處理器能夠繼續(xù)進(jìn)一步處理。
插針6用于兩個輸入和一個輸出。在插針6上讀出的輸入之一是24VDC傳感器52。為了這樣作，插針7被送電，以反向偏置LED D5，使LED斷開；并且插針5被設(shè)置成高，以反向偏置二極管D6，從而避免來自復(fù)位的干擾。然后能夠讀出24VDC傳感器52，以便準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)PWM速率，從而適應(yīng)系統(tǒng)中電壓的變化。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，系統(tǒng)能夠用源自18V至30V范圍的電位的PWM信號，準(zhǔn)確地控制24VDC線圈。
插針6還檢測來自試驗(yàn)開關(guān)48的輸入，因?yàn)槿绻粹o開關(guān)490被閉合，則結(jié)點(diǎn)510會下降到約0V，從而向微控制器12指示試驗(yàn)開關(guān)已經(jīng)激勵，和系統(tǒng)將進(jìn)入試驗(yàn)?zāi)Ｊ健Ｔ谧畛踅邮找粋€插針6上的約0V的輸入時，微控制器12會立即把PWM速率增加到它的最大值，并且對試驗(yàn)開關(guān)去抖動約1秒鐘。如果該開關(guān)仍然按下，則會設(shè)置報(bào)警，且系統(tǒng)會進(jìn)入空載模式或復(fù)位模式，如上面參照圖2A-2E所述。
插針6還期待來自本地復(fù)位器32或遠(yuǎn)程復(fù)位器34的復(fù)位。為了這樣作，插針5保持低，且插針6供電，以便在插針5與6之間形成一個完整的電路。然后讀出插針6用作模擬輸入。如果復(fù)位都無效，則插針6會處于約5V，且不需要動作。然而，因?yàn)镽27和R28具有相同的值，故如果啟動本地復(fù)位器32或遠(yuǎn)程復(fù)位器34，則插針6會經(jīng)歷一個約4.2V的電壓降。在采取任何行動之前，通過等待約1秒鐘，使輸入去抖動。該系統(tǒng)并不關(guān)心哪一個是有效的，只要二者之一是有效的，它就會進(jìn)入跳閘模式。如果二者都是有效的，則插針6會經(jīng)歷一個增加的電壓降，并且在其上具有約3.8V；在此情況下系統(tǒng)處于跳閘模式，但設(shè)置成報(bào)警而并不跳閘的模式，在此是犧牲電動機(jī)發(fā)熱來維持過程的工作。
插針6還充當(dāng)用于狀態(tài)指示器60的輸出。為了充當(dāng)線路486上的輸出，插針5保持高，以反向偏置二極管D6；并且插針7被設(shè)置成低，以插入狀態(tài)指示器60中的LED D5的陰極。然后插針6的輸出能夠根據(jù)上述的算法來控制LED D5。狀態(tài)指示器60能夠輸出報(bào)警條件的指示，即，在圖3的時序圖中陳述的電動機(jī)的熱條件指示；在復(fù)位時快速閃亮LED 1秒鐘；并且如果鎖下試驗(yàn)鈕，則能輸出圖3時序圖的70％-80％TCP的反量。
插針7還起一個多I/O的作用。對于充當(dāng)一個輸入的插針7，首先插針6保持低，并且插針5供電，以反向偏置二極管D6，和使LED D5斷開。然后插針7能夠作為一個輸入，即作為模擬信號的來自FLA調(diào)節(jié)器28的輸出而讀出。為了在插針7上輸出，和產(chǎn)生到線圈選擇和驅(qū)動的觸發(fā)器504的在線路506上的線圈選擇器信號，插針6保持低，使LED D5斷開，然后能用高和低信號來控制觸發(fā)器。為了操作狀態(tài)指示器60，插針7必須保持低；或者為了在檢測24VDC期間，或檢驗(yàn)試驗(yàn)開關(guān)或復(fù)位器期間，阻塞狀態(tài)指示器60的LED D5，則插針7必須保持高。
較早敘述的中斷程序是一個50μs的“heartbeart”，它生成一個用于線圈的20kHz PWM，從而實(shí)際上變更PWM輸出。計(jì)時器生成一個用于主線計(jì)時的2ms標(biāo)志。該中斷程序可控制PWM的接通電壓占空因數(shù)。PWM值基于24VDC值，且能變化10％-20％，以保持線圈的位置，同時使由線圈和接觸器消耗的電力最小。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，50μs心搏器可用于每50μs執(zhí)行一次的約17個主線指令，使1μs用于一個指令。因?yàn)閿?shù)學(xué)程序是時間比較緊的，故A/D采樣必須交替于兩組輸入之間，如圖2A中108處的主線分支所示。
雖然根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)看出，除了明確地陳述的這些描述之外，等效、替換和修正的描述都是可能的，并且屬于所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電動機(jī)過載線圈控制器(10)，包括多個接到和來自有j個輸入和k個輸出的電動機(jī)過載線圈控制器(10)的輸入(16)和輸出(18)(I/O)，其中至少有一個復(fù)位輸入(36，38)，一個電流傳感輸入(20)，一個滿載電流(FLA)輸入(30)，一個線圈控制輸入(42，44，46)，一個線圈控制輸出(68，70)，和一個狀態(tài)輸出(62)；一個具有n個輸入/輸出(I/O)線路的微控制器(12)，在此n＜(j+k)；一個按照一種把多個I/O(16，18)優(yōu)先排序和合并成x個I/O從而n＜x＜(j+k)的方式，把j個輸入和k個輸出連接到微控制器(12)上的電動機(jī)過載電路(14)，借此減少多個I/O(16，18)的數(shù)目，但在此連接于微控制器(12)的多個I/O的數(shù)目仍超過微控制器(12)的n個I/O線路的數(shù)目；和其中微控制器(12)被編程成能使用n個I/O線路中的至少2個線路起輸入和輸出作用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電動機(jī)過載線圈控制器(10)，還包括一個24VDC電源(452)，連接于線圈控制器(10)，且具有24VDC和5VDC的輸出；和一個第一線圈(64)，被連接成接收線圈控制輸出(68，70)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的電動機(jī)過載線圈控制器(10)，其中第一線圈(64)起正向線圈的作用，用于控制電動機(jī)的正向運(yùn)動；還包括一個第二線圈(66)，它起反向線圈的作用，用于控制電動機(jī)的反向運(yùn)動。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的電動機(jī)過載線圈控制器(10)，其中微控制器(12)被進(jìn)一步編程，以向線圈(64)提供滿DC功率，從而初始地激勵線圈(64)；然后在線圈控制輸出(68)上提供一個DC PWM信號，借此提供較低的電力，以把線圈(64)保持于一種拉入狀態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的電動機(jī)過載線圈控制器(10)，其中線圈控制輸出(68)來自微控制器的一個專用輸出線路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的電動機(jī)過載線圈控制器(10)，其中多個I/O(16，18)被進(jìn)一步限定，使復(fù)位輸入包括一個本地復(fù)位輸入(36)和一個遠(yuǎn)程復(fù)位輸入(38)；線圈控制輸入包括一個使能輸入(42)，一個正向輸入(44)和一個反向輸入(46)；線圈控制輸出包括一個正向線圈輸出(68)和一個反向線圈輸出(70)；狀態(tài)輸出包括一個狀態(tài)指示器輸出(62)和報(bào)警輸出(58)；電流傳感輸入包括一個三相電流傳感輸入(20)；控制器(10)還包含一個試驗(yàn)輸入(50)，一個線圈控制電路電壓傳感輸入(54)；并且其中各個I/O(16，18)都通過幾個I/O線路由微控制器(12)來處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的電動機(jī)過載線圈控制器(10)，其中微控制器(12)具有5個有效的I/O線路，其中1個線路專用于線圈控制輸出(68，70)，和其中4個線路是多功能I/O；并且其中電動機(jī)過載電路(14)和微控制器(12)至少處理13個I/O。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的電動機(jī)過載線圈控制器(10)，還包括一個可由線圈控制輸出(68)控制的正向線圈(64)，和一個可由線圈控制輸出(70)控制的反向線圈(66)；線圈控制輸出(68，70)包括一個正向線圈輸出(68)，和一個反向線圈輸出(70)；并且其中微控制器(12)生成一個時鐘輸出(462)；和其中電動機(jī)過載電路(14)包括一個具有一個定時觸發(fā)器(504)的線圈選擇和驅(qū)動電路(圖4D)，它被連接成根據(jù)正向和反向線圈輸出(68，70)和時鐘輸出(Q，Q′)，接收正向和反向線圈輸出(68，70)和激勵第一和第二線圈(64，66)之一。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的電動機(jī)過載線圈控制器(10)，其中電動機(jī)過載電路(14)還包括一個遠(yuǎn)程輸入多路復(fù)用器(圖4C)，用于接收三個性質(zhì)不同的外部控制信號一個外部反向控制信號(46)，一個外部正向控制信號(44)和一個外部使能控制信號(42)；其中每個信號皆可處于有效和無效這兩種狀態(tài)之一；遠(yuǎn)程輸入多路復(fù)用器可區(qū)分這三個性質(zhì)不同的外部控制信號，并且向微控制器(12)提供一個線圈控制輸入信號(470)，以指三個性質(zhì)不同的外部控制信號中哪一個是有效的。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的電動機(jī)過載線圈控制器(10)，其中；電動機(jī)過載電路(14)還包括一個機(jī)械本地復(fù)位器(32)和一個固態(tài)遠(yuǎn)程復(fù)位器(34)，每個復(fù)位器皆連接于微控制器(12)的同一個I/O線路；并且微控制器(12)還被編程，使微控制器(12)能夠區(qū)分是否已經(jīng)啟動機(jī)械本地復(fù)位器(32)和固態(tài)遠(yuǎn)程復(fù)位器(34)之一，或是否已經(jīng)啟動二者(32和34)。
11.根據(jù)權(quán)利要求2的電動機(jī)過載線圈控制器(10)，其中電動機(jī)過載電路(14)還包括一個試驗(yàn)開關(guān)(48)、一個24VDC傳感器(52)和一個狀態(tài)指示器(60)，每個皆連接于微控制器(12)的同一個I/O線路；并且微控制器(12)還被編程，以便對同一I/O線路上的試驗(yàn)開關(guān)(48)、24VDC傳感器(52)和狀態(tài)指示器(60)中的每一個，區(qū)分其接收和發(fā)送。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的電動機(jī)過載線圈控制器(10)，其中狀態(tài)輸出(62)包括一個報(bào)警輸出(460)；并且電動機(jī)過載電路(14)還包括一個從微控制器(12)接收報(bào)警輸出(460)的報(bào)警電路(56)，報(bào)警電路(56)具有一個定時觸發(fā)器(464)，用于使報(bào)警輸出(460)與來自微控制器(12)的時鐘信號(462)同步，從而報(bào)警輸出(460)是來自一個與線圈控制輸入(470)相同的I/O(5)的。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的電動機(jī)過載線圈控制器(10)，其中狀態(tài)輸出(62)包括一個狀態(tài)指示器輸出(480)；并且電動機(jī)過載電路(14)還包括一個狀態(tài)指示器(60)，其中具有一個LED(D5)，并且它在一個與至少另一個I/O相同的I/O的線路(6)上從微控制器(12)接收狀態(tài)指示器輸出(486)；并且其中微控制器(12)被進(jìn)一步編程，以便計(jì)算一個用于電動機(jī)的熱堆(94)，在狀態(tài)指示器的輸出(486)上輸出一個熱堆計(jì)算的熱堆結(jié)果(96)，和在狀態(tài)指示器(60)的LED(D5)上顯示一個熱堆結(jié)果的表示。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的電動機(jī)過載線圈控制器(10)，其中熱堆結(jié)果(96)是按照熱堆容量的百分率來顯示的；并且如果熱堆結(jié)果(96)接近100％的熱堆容量，則轉(zhuǎn)接LED(D5)，以呈現(xiàn)為連續(xù)接通(342)；和如果熱堆結(jié)果(96)小于100％的熱堆容量，則以表示熱堆結(jié)果(94)的頻率(344，346，348，350，352)接通和斷開LED(D5)。
15.一種電動機(jī)過載線圈控制器(10)，包括一個三相傳感電路(22，24)，可產(chǎn)生一個電流傳感信號I(20)；一個滿載電流(FLA)電路(28)，帶有一個用戶可調(diào)FLA裝置，設(shè)置和可產(chǎn)生一個FLA信號(30)；一個8位微控制器(12)，可接收來自三相傳感電路(22，24)的電流傳感信號(20)和來自FLA電路(28)的FLA信號(30)，其中帶有一個包含給定模型參數(shù)的查找表；對微控制器(12)編程，以便根據(jù)由下式給出的微分方程計(jì)算熱堆dV(n)(94)的變化，基于電流傳感信號(20)、FLA信號(30)和查找表來模擬電動機(jī)的加熱dV(n)=(I2t(n)-VR(n-1))1Cdt]]>式中I2t(n)是用電流傳感信號I(20)、FLA信號(30)和模型分析間隔時間t，選自查找表的；C是電動機(jī)模型電容；R是電動機(jī)模型熱阻，表示離開電動機(jī)的熱輸送；和V(n-1)是最后的熱堆結(jié)果(94)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的電動機(jī)過載線圈控制器，其中微控制器(12)被進(jìn)一步編程，以便通過把最后熱堆結(jié)果加到改變后的熱堆dV(n)上(160)，計(jì)算一個實(shí)時熱堆V(n)。
17.一種計(jì)算一個工作電動機(jī)溫度的方法，包括下列步驟確定用于電動機(jī)的FLA值(110)；傳感到電動機(jī)的電流路徑中的電流(112)；限定一個分析間隔時間，要在該時間范圍內(nèi)確定電動機(jī)的溫度(84，86)；繼續(xù)定期地傳感電流至少一段分析間隔時間(120)；和限定一個多步驟計(jì)算子程序(94)，以便定期地確定一個電動機(jī)的熱堆，和執(zhí)行一個多步驟計(jì)算子程序的步驟，這樣的時期按分析間隔時間隔開。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中確定FLA值的步驟(110)包括讀出一個用戶可調(diào)裝置(28)，和根據(jù)用戶的選擇，使所選裝置與存儲裝置中查找表發(fā)生連系。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，還包括下述步驟初始化一個定序器(132)，然后用每個周期電流傳感來增大定序器；和根據(jù)定序器值，執(zhí)行多步驟計(jì)算子程序(94)的一個步驟(134)。
20.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中多步驟計(jì)算子程序(94)包括下述步驟獲取I2t值(136)，其中I是到電動機(jī)的電流值，t是分析間隔時間；把I2t值乘以FLA值(140)；計(jì)算從電動機(jī)消散的熱量(144)；計(jì)算沒有從電動機(jī)消散熱量的I2t(152)；從前一個計(jì)算來計(jì)算熱堆的變化(156)；和計(jì)算一個新的熱堆(160)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，還包括下述步驟如果新熱堆等于或大于預(yù)定的跳閘值，則顯示新熱堆(96)的一個表示(164)。
22.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中傳感電流的步驟(112)還被限定成，在有三個霍爾效應(yīng)傳感器(22)的三相系統(tǒng)的每個相中傳感電流，一個霍爾效應(yīng)傳感器是與三相系統(tǒng)的每個相可操作地結(jié)合的，從而提供三個電流信號。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，還包括下述步驟相加三個電流信號(26)，并且建立一個組合的線性和非線性響應(yīng)，其中非線性響應(yīng)發(fā)生于電動機(jī)電流容量的上端。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，還包括下述步驟對相加后的電流信號(27，104)進(jìn)行A/D變換，使數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的量化是在安排于電動機(jī)電流容量上端的預(yù)定試驗(yàn)點(diǎn)處成為最大的。
25.一種監(jiān)測電動機(jī)溫度的控制器(10)，包括一個FLA調(diào)節(jié)器(28)，用于校準(zhǔn)對所期望電動機(jī)的控制，和產(chǎn)生FLA信號(30)；至少一個電流傳感器(404)，可操作地連系于一個到電動機(jī)的電流路徑，和產(chǎn)生一個電流傳感信號(20)；一個處理器(12)，連接于FLA調(diào)節(jié)器(28)以接收FLA信號(30)，和連接于至少一個電流傳感器(404)以接收電流傳感信號(30)，且被編程成限定一個分析間隔時間，要在該間隔時間范圍內(nèi)確定電動機(jī)的溫度(100)；在分析間隔時間(100)期間從至少一個電流傳感器(404)周期地接收(109)電流傳感信號(30)；和執(zhí)行一個多步驟計(jì)算子程序(94)，以便在一個分析間隔時間范圍內(nèi)確定電動機(jī)的溫度。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的控制器(10)，其中處理器(12)被進(jìn)一步編程，以增大一個間隔順序符，和對每個順序符增量都執(zhí)行多步驟計(jì)算子程序(94)的不多于一個的步驟。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的控制器(10)，其中處理器還被編程成獲取一個I2t值(136)，其中I是到電動機(jī)的電流的值，和t是分析間隔時間；把I2t值乘以FLA值(140)；計(jì)算從電動機(jī)消散的熱量(144)；計(jì)算沒有從電動機(jī)消散熱量的I2t值(152)；根據(jù)前一計(jì)算來計(jì)算熱堆的變化(156)；和計(jì)算一個新的熱堆(160)。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的控制器，其中處理器(12)被進(jìn)一步編程，以便如果新熱堆等于或大于一個預(yù)定的跳閘值，則顯示一個新熱堆(96)的表示。
29.根據(jù)權(quán)利要求25的控制器，其中處理器(12)被進(jìn)一步編程，以便通過讀出一個用戶可調(diào)裝置(28)來確定一個FLA值；并且根據(jù)用戶作的選擇，使所選裝置與存儲裝置中查找表連系起來。
30.根據(jù)權(quán)利要求25的控制器，其中該至少一個電流傳感器包括三個霍爾效應(yīng)傳感器(404，406，408)，每個霍爾效應(yīng)傳感器皆可操作地連系于三相系統(tǒng)中的一個相，借此提供三個電流信號。
31.根據(jù)權(quán)利要求30的控制器，還包括一個電流加法器(26)，它連接于三個霍爾效應(yīng)傳感器(404，406，408)，用于相加三個電流信號和建立一個組合的線性和非線性響應(yīng)，其中非線性響應(yīng)發(fā)生于電動機(jī)電流容量的上端。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的控制器，其中處理器(12)被進(jìn)一步編程，以變換相加后的電流信號，從而在數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的量化是在安排于電動機(jī)電流容量的上端的預(yù)定試驗(yàn)點(diǎn)處成為最高的。
33.一種三相電流傳感電路，包括三個霍爾效應(yīng)電流傳感器(404，406，408)，每個霍爾效應(yīng)電流傳感器可連接于三相電源的一個相；三個放大器(416，418，420)，每個放大器可連接于一個霍爾效應(yīng)電流傳感器(404，406，408)；三個半波整流器，每個半波整流器都包含一個單獨(dú)的非倒相運(yùn)算放大器(442，444，446)，該放大器具有一個可連接于正電源的正電源終端和一個連接于接地電位的負(fù)電源終端，和具有一個連接于一個負(fù)反饋路徑中的二極管(D9，D11，D12)；并且每個都具有一個輸入和一個輸出，每個輸入連接于一個相應(yīng)的放大器(416，418，420)和霍爾效應(yīng)電流傳感器(404，406，408)，和每個輸出連接于一個公用結(jié)點(diǎn)(448)，以產(chǎn)生一個在任何給定時間表示所有三個獨(dú)立輸出當(dāng)中最高輸出的單獨(dú)輸出信號。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的三相電流傳感器電路，還包括一個連接于半波整流器公用結(jié)點(diǎn)(448)的電流加法電路(26)，和包括一個積分非倒相運(yùn)算放大器(450)，它具有一個在負(fù)反饋路徑中并聯(lián)于一個電路器(R35)和一個電容器(C8)的齊納二極管(D10)，以便在輸出電壓高于齊納二極管(D10)的齊納電壓的情況下建立一個非線性響應(yīng)。
35.一種用于電動機(jī)過載控制的控制方法(84)，包括下述步驟在系統(tǒng)復(fù)位(82)時，包含起始上電(170)，進(jìn)入包括上電狀態(tài)的狀態(tài)指示的上電狀態(tài)(182)，和阻塞線圈輸出(194)；在一段預(yù)定的時期(196)以后，進(jìn)入一種空載模式(200)和監(jiān)測系統(tǒng)的輸入(206)，包含第一次檢驗(yàn)一個起動輸入(208)，和如果不存在一個使能輸入命令(213)，則進(jìn)入一種停止模式(212)，否則，作檢驗(yàn)以看是否存在一個有效的電動機(jī)控制命令(214)，和如果存在(218)，則進(jìn)入一個PWM模式(220)；在進(jìn)入一個PWM模式(220)時，開始觸發(fā)一個線圈，以便用滿線圈功率觸發(fā)電動機(jī)運(yùn)動(234)，然后通過生成一個PWM信號來降低到線圈的功率(242)，以維持線圈的觸發(fā)；定期檢驗(yàn)使能輸入信號，以繼續(xù)維持使能輸入命令的存在(224)，如果不存在(226)，就進(jìn)入停止模式(228)；和在進(jìn)入停止模式(178，190)時，阻塞線圈輸出(298)。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的控制方法(84)，還包括下述步驟提供一個報(bào)警但并不跳閘的模式(248，250)，其中雖然觸發(fā)報(bào)警(252)，但電動機(jī)繼續(xù)起動(254)。
37.根據(jù)權(quán)利要求35的控制方法(84)，還包括下述步驟監(jiān)測電動機(jī)的溫度(236)，并且當(dāng)所監(jiān)測電動機(jī)溫度超過預(yù)定的數(shù)值(246)時，觸發(fā)一個輸出信號(252，274)。
38.根據(jù)權(quán)利要求35的控制方法(84)，還包括下述步驟定期檢驗(yàn)系統(tǒng)的復(fù)位命令(258)；并且如果存在，就進(jìn)入跳閘模式；和在進(jìn)入跳閘模式(188)時，阻塞線圈的輸出(298)。
39.一種微控制器I/O插針結(jié)構(gòu)和電動機(jī)控制器，包括一個微控制器(12)的第一I/O插針(5)，它被連接成接收一個使能信號(42)、一個正向信號(44)和一個反向信號(46)，用作輸入，它還被連接成提供一個報(bào)警信號(460)用作輸出；和一個微控制器(12)的第二I/O插針(6)，它被連接成傳感一個復(fù)位器件(32，34)用作輸入，并且觸發(fā)一個狀態(tài)指示器(60)用作輸出。
40.根據(jù)權(quán)利要求39的設(shè)備，其中第一I/O插針(5)還連接于復(fù)位器件(32，34)，充當(dāng)用于復(fù)位器件(32，34)的轉(zhuǎn)發(fā)器；并且其中第二I/O插針(6)被連接于電壓傳感器(52)和試驗(yàn)開關(guān)(48)，以接收用作輸入的電壓傳感信號和用作輸入的試驗(yàn)信號。
41.根據(jù)權(quán)利要求39的設(shè)備，還包括一個微控制器(12)的第三插針(7)，它被連接于一個線圈選擇和驅(qū)動電路(14)，充當(dāng)來自微控制器(12)的輸出；第三插針(7)還連接于一個FLA調(diào)節(jié)器件(28)，以便把諸信號從FLA調(diào)節(jié)器件(28)輸入到微控制器(12)。
42.根據(jù)權(quán)利要求42的設(shè)備，還包括一個微控制器(12)的第四插針(3)，它被連接成接收來自電流傳感器(22)的信號，第四插針(3)還產(chǎn)生一個時鐘信號(462)，用作到報(bào)警器(56)和線圈選擇和驅(qū)動電路(14)的輸出。
全文摘要
一種用于電動機(jī)起動器/繼電器接觸器的電動機(jī)過載線圈控制器?？刂破靼ㄒ粋€微控制器,三相電流測量器。系統(tǒng)包括一個電流積分器、一個滿載電流(FLA)調(diào)節(jié)器。微控制器使用FLA調(diào)節(jié)器和電流信號去為電動機(jī)工作溫度的實(shí)時監(jiān)測而找出適當(dāng)?shù)腎
文檔編號H02H7/085GK1267113SQ00103878
公開日2000年9月20日 申請日期2000年3月10日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月12日
發(fā)明者帕特瑞克·詹姆斯·格理斯默, 克理斯托?！ぜs翰·威勒徹, 克特·宛·艾克羅斯 申請人:尹頓公司