一种简单的电机过热保护方法及改进版的初步设计

2014-02-17

　　本文介绍一种通过温度开关设计的简单的电机过热报警装置。


　　电机是机器人中造价最高的设备之一，由于绝缘技术的不断发展，在电机的设计上既要求增加出力，又要求减小体积，使新型电机的热容量越来越小，过负荷能力越来越弱；再由于机器人运行过程中，有时候要求电机经常运行在频繁的起动、制动、正反转以及变负荷等多种方式，对电机本身要求十分苛刻，造成了电机比较容易堵转、短路而损坏。这些故障，通常通过电机表面发烫而表现出来，通常可以通过手初步测量。

没什么感觉 30度
有暖意 40度以下
明显知道发热 45度以下
能长久触摸并无困难 50度
能长久触摸极限或只能触摸10秒 55度
触摸3秒 60度
触摸至感觉热后必须马上缩手 70度
不敢再次触摸 70度以上

　　一般电机的最高温度都不能高于75度到80度，但判断电机是否正常运转主要通过温升，即电机与室温的温度差，当温升超过35度到40度时，说明电机不正常运行。

　　下面介绍一种通过温度开关设计的简单的电机过热报警装置。

初级版1.0


　　设计思路就是，当温度超过一定值，温度开关动作，触发蜂鸣器报警。

　　选用贴片型温度开关，触点温度70℃，常开型。

图1

　　原理图及说明如下

图2


　　1、采用5V供电，电源开关接通时，电源指示灯亮

　　2、选用NPN型三极管8050作为蜂鸣器的开关，三极管导通时，蜂鸣器响。蜂鸣器电阻Rf=150Ω。

　　3、温度开关贴在电机表面，XH2.54处接温度开关，当电机温度超过70℃时，温度开关导通。三极管导通，基极电流条件为IB>IB(饱和)

图3


　　IB(饱和)=5/(150*150) =0.2mA 而此时，忽略开关和二极管导通压降，IB=5/1100=4.5mA

　　负荷导通条件，也在发光二极管正常工作电流范围。

　　4、有三个接口，可以同时监测三台电机。拨码开关可任意选择某一电机温度监测工作与否。当其中一台电机过热时，相应LED也会亮起，用于分辨哪一台电机出问题。

　　采用装有热水的玻璃杯进行实测可行。

　　1、开关由正常状态贴在装有70~80摄氏度热水杯杯壁，经过约1min闭合，蜂鸣器响（考虑到不像实际电机有升温过程，所以时间花费较多）。

　　2、温度开关由闭合到正常温度状态下回复断开状态花费时间月30s。

升级版2.0


　　考虑到单纯用温度开关，功能较单一也比较简单，构思一种通过温度传感器实时返回电机表面温度，通过液晶显示。即一个电子测温计。也可以用于其他需要测量温度的地方。

　　整体思路是通过温度传感器将温度变化转化为电量变化，通过AD转换得到数字量，传输至单片机控制模块进行处理，最后处理后的温度数据通过显示模块显示。

　　温度传感器采用铂电阻pt100来测量温度。铂电阻是利用其电阻与温度成一定函数关系而制成的。由于铂电阻特性曲线是非线性的，所以电阻与温度关系由分度表形式给出

表1 Pt100热电阻分度表


温度/℃ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
电阻值/Ω
0
10
20
30
40 		100.00
103.90
107.79
111.67
115.54 		100.39
104.29
108.18
112.06
115.93 		100.78
104.68
108.57
112.45
116.31 		101.17
105.07
108.96
112.83
116.70 		101.56
105.46
109.35
113.22
117.08 		101.95
105.85
109.73
113.61
117.47 		102.34
106.24
110.12
114.00
117.86 		102.73
106.63
110.51
114.38
118.24 		103.12
107.02
110.90
114.77
118.63 		103.51
107.40
111.29
115.15
119.01
50
60
70
80
90 		119.40
123.24
127.08
130.90
134.71 		119.78
123.63
127.46
131.28
135.09 		120.17
124.01
127.84
131.66
135.47 		120.55
124.39
128.22
132.04
135.85 		120.94
124.78
128.61
132.42
136.23 		121.32
125.16
128.99
132.80
136.61 		121.71
125.54
129.37
133.18
136.99 		122.09
125.93
129.75
133.57
137.37 		122.47
126.31
130.13
133.95
137.75 		122.86
126.69
130.52
134.33
138.13

　　在以上温度范围内，电阻和温度的关系近似满足：

　　R=100+0.4T

　　带入电路图求得温度传感器两端电压与温度之间的关系方程式（也可以通过运放放大传感器两端电压值，将放大后的电压值作为ADC转换的输入，该方法可增加测量精度。），由pt100热敏电阻和AD转换芯片ADC0809组成信号采集电路，将变化的电压信号通过ADC转换成数字信号。将ADC采集到的电压值输入单片机STM8,单片机根据上面求得的电压-温度的对应关系进行转换处理，计算出相应的温度值。最后将温度值通过LED数码管显示出来。

　　该方案的硬件流程图如下

图4

　　由于条件和时间关系，该方案未能付诸实践。希望在日后的工作中可以做出实物。该方案不仅可以用于电机温度检测，在许多温控场合都可以应用。