專利名稱：智能型電永磁吸盤恒流充退磁控制方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電永磁吸盤的充、退磁控制技術(shù)，具體為智能型電永磁吸盤恒流充退 磁控制器。
背景技術(shù)：
電永磁吸盤是傳統(tǒng)電磁吸盤的更新?lián)Q代產(chǎn)品，它的功能特點是只要經(jīng)過充磁后， 就可長期保持磁性吸力，不用時可通過退磁去除磁性吸力。只有在充磁或退磁過程中才需 通電，平時工作狀態(tài)不需通電，這樣既可以減少線圈發(fā)熱而導(dǎo)致工件變形，又可以節(jié)約大量 電能，還可以通過控制充磁電流來調(diào)節(jié)其磁性吸力的大小，避免了工件的拉傷、變形，已經(jīng) 在機械行業(yè)、起重設(shè)備、自動化生產(chǎn)線得到大量應(yīng)用。電永磁吸盤充退磁控制器是電永磁吸 盤必備的核心部件之一，其性能好壞直接影響著電永磁吸盤的整體性能及使用安全。目前 國內(nèi)、外常用的可控硅移相控制技術(shù)與功率管脈寬調(diào)制穩(wěn)壓技術(shù)存在如下問題1、控制器輸出的勵磁能量與電永磁吸盤勵磁線圈的回路電抗成反比，極易造成較 小面積的電永磁吸盤因串聯(lián)勵磁線圈數(shù)較少、電抗較低獲得過大的勵磁能量而發(fā)熱燒毀， 較大面積的電永磁吸盤因串聯(lián)勵磁線圈數(shù)較多、電抗較高獲得較小的勵磁能量而勵磁不 足；2、電永磁吸盤的磁性吸力隨充磁時的電源電壓、環(huán)境溫度的波動變化較大，無法 對電永磁吸盤的磁性吸力進行精確控制；3、可控硅為電流過零型自然關(guān)斷器件，當(dāng)電永磁吸盤勵磁線圈出現(xiàn)短路故障時需 等到輸出電流為零時才能關(guān)斷，無法實施快速保護；功率管脈寬調(diào)制穩(wěn)壓技術(shù)的輸出為恒 壓特性，當(dāng)環(huán)境溫度變化較大時，輸出勵磁電流波動較大，當(dāng)電永磁吸盤勵磁線圈出現(xiàn)絕緣 故障時，輸出電流將急劇增大，極易造成勵磁線圈因過熱而燒毀；4、當(dāng)電源電壓過高時，進行充、退磁操作易造成電永磁吸盤勵磁線圈過熱燒毀，當(dāng) 電源電壓過低時，進行充、退磁操作易造成電永磁吸盤因欠勵磁而磁力不足或無法退磁。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種智能型電永磁吸盤恒流充退磁 控制方法。本發(fā)明技術(shù)方案是以MST32微處理器控制系統(tǒng)執(zhí)行磁場信號、移位信號、溫度信 號和電流信號的采集、控制和運算，并將MST32微處理器控制系統(tǒng)產(chǎn)生的脈寬調(diào)制控制信 號用于控制IGBT恒流功率變換電路對電永磁吸盤勵磁線圈產(chǎn)生恒定的充、退電流與恒定 的充、退磁磁場。本發(fā)明具有以下特點1、對電永磁吸盤勵磁線圈回路進行恒流充、退磁控制，使其充退磁電壓與電永磁 吸盤勵磁線圈回路的電阻正比，電流始終保持恒定不變，這樣就能使對電永磁吸盤勵磁線 圈回路進行充、退磁的能量與電永磁吸盤面積成正比(電永磁吸盤面積越大，其勵磁線圈回路串聯(lián)的勵磁線圈數(shù)越多，勵磁線圈回路的電阻越大)，當(dāng)環(huán)境溫度引起電永磁吸盤勵磁 線圈回路的電磁參數(shù)變化時，充、退磁電流保持恒定，從而使充、退磁磁場強度保持恒定，用 戶設(shè)計電永磁吸盤勵磁線圈回路時，只需簡單地設(shè)計勵磁線圈回路電阻< (1.38*輸入電 源電壓-6)/額定電流，而無需再對勵磁回路的非線性電感分量進行復(fù)雜的計算與仿真試 驗；2、在相同輸入電壓條件下，最高 輸出平均電壓為可控硅移相控制技術(shù)的1倍，可 增大電永磁吸盤的充、退磁勵磁面積50%以上，提高充、退磁效率25% -150% ；3、具有精確的磁力控制功能，提供能滿足各種磁力應(yīng)用要求的16級可調(diào)校磁力 選擇控制；4、當(dāng)電永磁吸盤勵磁線圈發(fā)生嚴(yán)重短路故障時、具有響應(yīng)速度優(yōu)于5uS的快速關(guān) 斷輸出電流的保護性能；當(dāng)電永磁吸盤勵磁線圈出現(xiàn)局部短路故障時，自動降低勵磁電壓， 維持輸出電流恒定不變；當(dāng)電永磁吸盤勵磁線圈出現(xiàn)絕緣故障時，自動終止充、退磁操作；5、提供能在輸入交流電源150VAC-440VAC/45Hz-400Hz (或直流電源 160VDC-600VDC)范圍內(nèi)可靠工作、并具有穩(wěn)定輸出的電永磁吸盤控制裝置。本發(fā)明另一目的是為以上方法提供一種具體可行的裝置本發(fā)明包括電源、MST32微處理器控制系統(tǒng)，所述電源經(jīng)整流、啟動和濾波電路 后分為兩路，一路為電源變換電路提供電源，另一路與IGBT恒流功率變換電路連接，所述 IGBT恒流功率變換電路的一個輸出端經(jīng)電流檢測電路與通道切換電路連接，所述通道切換 電路設(shè)有與電永磁吸盤直接相連的恒流輸出端；所述MST32微處理器控制系統(tǒng)分別與電流 檢測電路、通道切換電路、IGBT驅(qū)動與保護電路、數(shù)碼顯示及驅(qū)動電路、按鍵輸入電路、PLC 控制接口電路、RS485通信接口電路、傳感器信號變換電路連接。本發(fā)明具有穩(wěn)定性高與控制精度好的優(yōu)勢，具有多種安全保護措施，有寬廣的 輸入電源使用范圍，實現(xiàn)了磁性吸力的16級精確控制，在相同輸入電壓條件下，最高輸 出平均電壓為可控硅移相控制技術(shù)的1倍，可增大勵磁面積50%以上，提高充、退磁效率 25% -150%，大大地提高了系統(tǒng)的通用性與可靠性。電源變換電路用于提供系統(tǒng)所需的穩(wěn)定工作的多種隔離電壓，電源變換電路包括 集成電路U7和與所述集成電路U7的漏極串聯(lián)的耐壓> 800V的功率場效應(yīng)管Q7，使U7的 轉(zhuǎn)換反激電壓由700V提升到1200V伏以上，從而實現(xiàn)電源變換電路在輸入電壓160V-600V 范圍內(nèi)能安全可靠地工作，電阻附4、1 21、1 32、017、021為07提供動態(tài)的偏置電壓。


圖1為本發(fā)明的原理示意圖。圖2為本發(fā)明中MST32微處理器控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖。圖3為本發(fā)明中電源變換電路與恒流功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖。圖中1、LED數(shù)碼顯示與驅(qū)動電路；2、按鍵輸入電路；3、繼電器驅(qū)動電路；4、CPU 與傳感器電源電路；5、PLC控制接口電路；6、MST32微處理器電路；7、傳感器信號調(diào)理電路； 8、充、退磁運行狀態(tài)反饋電路；9、RS485數(shù)據(jù)通信電路；10、三相橋式整流、啟動、濾波與浪 涌抑制電路；11、恒流功率變換電路；12、電流檢測電路；13、電源變換電路；14、IGBT驅(qū)動與 保護電路；15、通道切換電路。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明包括電源、MST32微處理器控制系統(tǒng)，交流或直流電源經(jīng)整流、 啟動和濾波電路處理后分為兩路，一路為電源變換電路提供電源，另一路與IGBT恒流功率 變換電路連接。IGBT恒流功率變換電路的一個輸出端經(jīng)電流檢測電路與通道切換電路連 接，通道切換電路設(shè)有與電永磁吸盤直接相連的恒流輸出端；MST32微處理器控制系統(tǒng)分 別與電流檢測電路、通道切換電路、IGBT驅(qū)動與保護電路、數(shù)碼顯示及驅(qū)動電路、按鍵輸入 電路、PLC控制接口電路、RS485通信接口電路、傳感器信號變換電路連接。如圖2所示，MST32微處理器控制系統(tǒng)包括MST32微處理器電路13、LED數(shù)碼顯 示與驅(qū)動電路1、按鍵輸入電路2、繼電器驅(qū)動電路3、PLC控制接口電路5、RS485數(shù)據(jù)通信 電路9、CPU與 傳感器電源電路4、磁場傳感器、移位傳感器、溫度傳感器、電流傳感器信號調(diào) 理電路7和充、退磁運行狀態(tài)反饋電路8。集成電路U1、U3將MST32微處理器發(fā)送的串行信號轉(zhuǎn)換成數(shù)碼掃描顯示信號， 送至數(shù)碼顯示驅(qū)動集成電路U2、U4，驅(qū)動四位數(shù)碼管DS1、系統(tǒng)運行狀態(tài)指示發(fā)光二極管 D4-D6 ；按鍵S1-S6用于人機參數(shù)的設(shè)置與控制命令的輸入；集成電路U7、U8接受MST32單 片機的信號，用于驅(qū)動通道切換的磁保持繼電器、啟動繼電器、運行狀態(tài)反饋繼電器；集成 電路U18、U11分別為傳感器電源變換電路與CPU電源電路；PLC控制接口電路5中，集成電 路TO、U6、U9、U10、U12、U14、U15為PLC輸入接口光隔離集成電路，分別為充磁指令、退磁指 令、解鎖信號、8421補碼16級磁性吸力選擇信號；集成電路U13為MST32微處理器，集成電 路 U16 為 FRAM 存貯器；電阻 R36-R44、R47、R48、R49、R51、R52、R53、R55-R60、電容 C22-C26、 C28、C29、C30、C34-C36組成傳感器信號變換電路，用于將傳感器輸出信號轉(zhuǎn)換成MST32微 處理器A/D所能檢測的信號；開關(guān)K1-K3為運行狀態(tài)反饋繼電器；集成電路U17為RS485數(shù) 據(jù)通信集成電路，用于實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)控制。以MST32微處理器為核心完成(1)磁場信號、移位信號、溫度信號、電流信號的數(shù) 據(jù)采集；(2)根據(jù)用戶指令執(zhí)行充、退磁控制算法，產(chǎn)生脈寬調(diào)制控制信號及通道切換控制 信號；(3)執(zhí)行人機操作及數(shù)據(jù)存貯；(4)執(zhí)行PLC控制指令及數(shù)據(jù)通信；(5)執(zhí)行故障保護 與報警功能。MST32微處理器控制系統(tǒng)可根據(jù)用戶設(shè)定數(shù)據(jù)，產(chǎn)生最優(yōu)的充、退磁控制信號。如圖3所示，三相橋式整流、啟動、濾波與浪涌抑制電路10 由連接至電源的二極 管D1-D6組成三相橋式整電路，電阻R6與開關(guān)Kl、K2組成啟動電路，RV3-RV5組成浪涌抑 制電路10 ;由電容(1-04、08-(11、電阻1 7、1 8、1 10、1 11組成濾波電路；由Q1-Q4IGBT功率 管組成的恒流變換電路11 ；由集成電路U2與U3等組成的電流檢測電路12 ；開關(guān)K1、K2磁 保持繼電器等組成通道切換電路15 ；集成電路U4、U5、U8、U11、RT1等組成IGBT驅(qū)動與保護 電路，其中 RTl 用于超溫保護，二極管 D9、D16、D23、D25、電容 C16-C18、C27-C29、C39-C41、 C49-C51、電阻 R17、R18、R27、R28、R38、R39、R43、R44 用于 IGBT 的 VCE 飽和電壓檢測，電阻 R23、R30、R41、R46為IGBT控制極驅(qū)動電阻；T1、Q7、U7、U6、U10等組成電源變換電路13，其 中Q7用于提升集成電路U7的工作電壓，電阻R14、R21、R32、二極管D17、D21為Q7提供動 態(tài)的偏置電壓，電阻R15、R22、R25、R31、R35、二極管D22為U7提供保護偏置，集成電路UlO 為電壓基準(zhǔn)，集成電路TO為線性反饋光電耦合器，D8、D11、R24為反激電壓尖峰保護，二極管 D7、D10、D13、D14、D15、D18、D19 為整流快恢復(fù)二極管，電容 C14、C19、C23、C26、C30、C31、 C35、C36 為濾波電容，電阻 R16、R26、R37、二極管 D12、D20、D24、電容 C15、C22、C24、C34、 C38、C47分別用于產(chǎn)生集成電路U4、U5、U8和Ull的虛擬正負(fù)電源，集成電路U9為12V穩(wěn) 壓集成電路。功能特點
(1)使用磁保持繼電器替代普通電磁繼電器，應(yīng)用于電永磁吸盤充退磁線圈繞組 的通道切換，使觸點容量由原來的最大25A/250VAC增加到80A/400VAC，且體積減少一半以 上，MST32微處理器控制系統(tǒng)只有在關(guān)閉主回路所有IGBT功率管，且測得輸出電流為零時， 才發(fā)出通道切換指令，使磁保持繼電器的觸點電蝕降到最低；(2)當(dāng)執(zhí)行充磁操作時，Ull接受MST32微處理器控制系統(tǒng)命令，驅(qū)動IGBT功率管 Q3導(dǎo)通，同時MST32微處理器控制系統(tǒng)通過對U2與U3的電流檢測信號值進行分析計算， 當(dāng)確認(rèn)絕緣正常時對U4發(fā)出脈寬調(diào)制信號，U4驅(qū)動IGBT功率管Q2開始對電永磁吸盤勵 磁線圈進行小電流充磁，此后，MST32微處理器控制系統(tǒng)將不斷對U2與U3的輸出電流檢測 信號值與設(shè)定的充磁電流值進行比較，按特定的控制算法控制Q2的對電永磁吸盤勵磁線 圈進行恒流充磁；當(dāng)執(zhí)行退磁操作時，U5接受MST32微處理器控制系統(tǒng)命令，驅(qū)動IGBT功 率管Ql導(dǎo)通，同時MST32微處理器控制系統(tǒng)通過對U2與U3的電流檢測信號值進行分析計 算，當(dāng)確認(rèn)絕緣正常時對U8發(fā)出脈寬調(diào)制信號，U8驅(qū)動IGBT功率管Q4開始對電永磁吸盤 勵磁線圈進行小電流退磁，此后，MST32微處理器控制系統(tǒng)將不斷對U2與U3的輸出電流檢 測信號值與設(shè)定的充磁電流值進行比較，按特定的控制算法控制Q4的對電永磁吸盤勵磁 線圈進行恒流退磁；(3)若在充(退)磁操在過程中電永磁吸盤勵磁線圈發(fā)生局部短路故障，導(dǎo)致輸出 電流瞬時增大，MST32微處理器控制系統(tǒng)將自動縮短Q2(Q4)導(dǎo)通時間，減小充(退)磁能 量，使輸出電流保持恒定；(4)若在充、退磁操在過程中電永磁吸盤勵磁線圈發(fā)生嚴(yán)重短路故障，導(dǎo)致輸出電 流瞬時過大，當(dāng)其值超過設(shè)定過流值時，MST32微處理器控制系統(tǒng)將在5uS內(nèi)關(guān)斷所有IGBT 功率管并發(fā)出報警信號；(5)U4、U5、U8、U11分別對其驅(qū)動的IGBT功率管Q2、Ql、Q4、Q3的VCE飽和電壓進 行檢測比較，當(dāng)發(fā)生過流故障使IGBT功率管的VCE飽和電壓超過設(shè)計安全值時，其將立即 關(guān)斷所驅(qū)動的IGBT功率管并發(fā)出故障中斷信號給MST32微處理器控制系統(tǒng)，MST32微處理 器控制系統(tǒng)將關(guān)斷所有IGBT功率管并發(fā)出報警信號。本發(fā)明以MST32微處理器及其系統(tǒng)控制軟件為核心可實現(xiàn)以下目的1、通過與MST32微處理器控制系統(tǒng)中傳感器信號調(diào)理電路7的連接實現(xiàn)磁場信 號、移位信號、溫度信號、電流信號的數(shù)據(jù)采集；2、根據(jù)用戶指令執(zhí)行充、退磁控制算法、產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號及通道切換指令，通過 與圖3中IGBT驅(qū)動與保護電路14的連接，實現(xiàn)對IGBT功率管的恒流脈寬控制與故障反饋 功能，通過與圖2中繼電器驅(qū)動電路3的連接，實現(xiàn)通道切換功能；3、通過與圖2中LED數(shù)碼顯示與驅(qū)動電路1和按鍵輸入電路2的連接，執(zhí)行人機 操作及數(shù)據(jù)存貯功能；4、通過與圖2中PLC控制接口電路5、充、退磁運行狀態(tài)反饋電路8、RS485數(shù)據(jù)通信電路9的連接，執(zhí)行PLC控制及數(shù)據(jù)通信功能；5、通過與圖2中傳感器信號調(diào)理電路7、充、退磁運行狀態(tài)反饋電路8和圖3中 IGBT驅(qū)動與保護電路14的連接，執(zhí)行故障保護與報警功能。本發(fā)明的智能型電永磁吸盤恒流充退磁控制器經(jīng)過測試后，各項性能指標(biāo)均優(yōu)于 現(xiàn)有技術(shù)。如對電永磁吸盤的充、退磁能效大幅提高(最高可達1倍以上)；具有現(xiàn)有技術(shù) 無法 實現(xiàn)的16級可調(diào)校的精確的磁力選擇控制；具有極寬(各國市電通用)的電源輸入范 圍，并具有極高的輸出穩(wěn)定性；具有多種安全保護措施，能確保電永磁吸盤勵磁線圈發(fā)生絕 緣、短路等故障時得可靠的保護(有效地防止故障進一步擴大與設(shè)備損壞)；具有數(shù)據(jù)通信 功能，控制中心可通過兩芯雙絞線電纜連接多至128臺控制器協(xié)同工作，組成大規(guī)模的、復(fù) 雜的電永磁吸盤應(yīng)用系統(tǒng)(如流水線上工件傳送與加工)。本發(fā)明提高了電永磁吸盤的充 退磁能效、磁力控制精度、通用性、可靠性、簡化了電永磁吸盤的電氣設(shè)計，對電永磁吸盤的 推廣應(yīng)用具有積極意義。
權(quán)利要求
智能型電永磁吸盤恒流充退磁控制方法，其特征在于以MST32微處理器控制系統(tǒng)執(zhí)行磁場信號、移位信號、溫度信號和電流信號的采集、控制和運算，并將MST32微處理器控制系統(tǒng)產(chǎn)生的脈寬調(diào)制控制信號用于控制IGBT恒流功率變換電路對電永磁吸盤勵磁線圈產(chǎn)生恒定的充、退電流與恒定的充、退磁磁場。
2.如權(quán)利要求1所述智能型電永磁吸盤恒流充退磁控制裝置，其特征在于包括電源、 MST32微處理器控制系統(tǒng)，所述電源經(jīng)整流、啟動和濾波電路后分為兩路，一路為電源變換 電路提供電源，另一路與IGBT恒流功率變換電路連接，所述IGBT恒流功率變換電路的一個 輸出端經(jīng)電流檢測電路與通道切換電路連接，所述通道切換電路設(shè)有與電永磁吸盤直接相 連的恒流輸出端；所述MST32微處理器控制系統(tǒng)分別與電流檢測電路、通道切換電路、IGBT 驅(qū)動與保護電路、數(shù)碼顯示及驅(qū)動電路、按鍵輸入電路、PLC控制接口電路、RS485通信接口 電路、傳感器信號變換電路連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述智能型電永磁吸盤恒流充退磁控制裝置，其特征在于所述電源 變換電路包括集成電路U7和與所述集成電路U7的漏極串聯(lián)的耐壓> 800V的功率場效應(yīng) 管Q7。
全文摘要
智能型電永磁吸盤恒流充退磁控制方法及其裝置，涉及電永磁吸盤的充、退磁控制技術(shù)，以MST32微處理器控制系統(tǒng)及其控制程序為核心完成各種運行數(shù)據(jù)的采集、控制算法的運算、并產(chǎn)生相應(yīng)的脈寬調(diào)制控制信號，控制IGBT恒流功率變換電路對電永磁吸盤勵磁線圈產(chǎn)生恒定的充、退磁電流與恒定的充、退磁磁場。本發(fā)明具有很高的穩(wěn)定性與控制控制精度，具有多種安全保護措施，具有寬廣的輸入電源使用范圍，實現(xiàn)了磁性吸力的16級精確控制，并將電永磁吸盤的充退磁效率提升25％-150％，大大地提高了系統(tǒng)可靠性與通用性。
文檔編號H01F13/00GK101968984SQ201010259380
公開日2011年2月9日 申請日期2010年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月17日
發(fā)明者王國榮 申請人:南通茂業(yè)電子科技有限公司