一种串励电机直流调速器的制造方法

文档序号:7419693阅读:331来源:国知局
一种串励电机直流调速器的制造方法
【专利摘要】一种串励电机直流调速器,涉及电机的调速控制【技术领域】。包括在刹车或减速时,保持电机励磁绕组与电枢绕组串联方式不变、补偿串励电机励磁绕组中减少的电流、使电机的励磁绕组中的磁通保持不变的励磁模块。本发明减速和刹车利用他励特性,他励时并没有使电枢绕组和励磁绕组分开,而是通过励磁模块保证励磁绕组磁通不变,单独通过电枢模块控制电枢绕组实现。电机减速或制动过程中,能量流过励磁绕组回馈到电池,使得励磁绕组额外得到一部分磁通,补充了励磁模块本应该输出的电流在励磁绕组上产生的磁通,使得励磁模块输出的电流减小,不用满负荷输出,降低了励磁模块输出功耗,使串励电机还可以工作在第二象限和第四象限,使串励电机具有他励特性。
【专利说明】一种串励电机直流调速器

【技术领域】
[0001]本发明涉及电机的调速控制【技术领域】,特别涉及一种串励电机直流调速器。

【背景技术】
[0002]目前,井下机车驱动电机主要采用的是直流串励电机,该类型电机具有起动转矩大,起动平滑等优点被广泛的应用于井下直流电机车中,但是与其配套机车控制器还是采用旧式的可控硅斩波器,刹车采用硬触点切换式刹车,该切换方式启动过程中不可靠,易出现故障,一旦发生故障则需整机进行维修,使直流调速器的使用寿命降低。由于直流串励电机的固有特性,在不改变其固有机械特性的前提下,很难对其进行较好的控制。


【发明内容】

[0003]本发明提出一种串励电机直流调速器,解决了现有直流电机无法在串励方式下工作在第二及第四象限的弊端,用电子开关的方式实现了对电机的转向进行控制,直流调速器结构简单、稳定,使串励电机具有他励特性。
[0004]本发明的技术方案是这样实现的:该串励电机直流调速器,包括设置于壳体上表面的向控制模块传递信号的调速手柄和换向手柄以及设置于壳体内部的电源模块,其中,
电源模块:用于为控制模块、励磁模块和电枢模块供电;
其技术要点是:还包括:
主电路模块:利用IGBT的导通或关闭,控制电机正转或者反转;
控制模块:给励磁模块是发送使能信号,控制励磁模块的开通或关断;给电枢模块发送使能信号、控制电机速度及方向信号,控制电枢模块的开通或关断;
IGBT驱动电路:根据接收到的电枢模块发送的PWM波信号,驱动主电路模块中的IGBT开通或关断;
励磁模块:在刹车或减速过程中,保持电机中励磁绕组与电枢绕组串联方式不变,用于补偿串励电机的励磁绕组中减少的电流,使电机的励磁绕组中的磁通保持不变;
电枢模块:输出占空比可调的PWM波,作为IGBT驱动电路的控制信号,同时为IGBT驱动电路供电;
电池:用于为主电路模块供电。
[0005]本发明的一种优选方案,所述电源模块、控制模块、IGBT驱动模块、励磁模块、电枢模块均独立封装在各自的壳体内。
[0006]本发明的另一种优选方案,所述主电路模块具有配合使用的用来控制电机转向的IGBT和二极管,第一二极管的负极连接第二二极管的负极,第一二极管与第二二极管的连接点再连接电机励磁绕组的一端,第三二极管的正极连接第四二极管的正极,第三二极管与第四二极管的连接点再与电机励磁绕组的另一端连接;第二二极管的正极与第三二极管的负极连接,第二二极管与第三二极管的连接点再连接第一 IGBT的集电极、第二 IGBT的集电极,第一 IGBT的发射极连接第三IGBT的集电极,第一 IGBT与第三IGBT的连接点再连接电机电枢绕组的一端,第二 IGBT的发射极连接第四IGBT的集电极,第二 IGBT与第四IGBT的连接点连接电枢绕组的另一端,第三IGBT的发射极与第四IGBT的发射极连接在一起,所述第一 IGBT反并联第五二极管,所述第二 IGBT反并联第六二极管,所述第三IGBT的反并联第七二极管,所述第四IGBT反并联第八二极管。
[0007]本发明的进一步优选方案,采用双极性PWM调制方式控制电机,在调速器启动或加速时,第一 IGBT与第四IGBT同时导通或关断,第二 IGBT与第三IGBT同时导通或关断,控制电机正转或反转;在调速器刹车或减速时,与第一 IGBT反并联的第五二极管、与第四IGBT反并联的第八二极管同时导通。
[0008]本发明的进一步优选方案,在电机减速或刹车时,电枢绕组的电流增大,则与第一IGBT反并联的第五二极管导通,与第五第二极管串联的第二二极管、电机励磁绕组、第四二极管、电池、第八二极管、电枢绕组形成导通回路,与电机励磁绕组串联连接的励磁模块补充电流给电机励磁绕组,使串励电机具有他励特性。
[0009]本发明的再一种优选方案,所述的串励电机直流调速器并联连接多个电机。
[0010]一种串励电机控制方法,采用上述装置实现,在直流调速器减速和刹车过程中,利用与电机励磁绕组串联的励磁模块补充电流给电机励磁绕组,保持电机励磁绕组磁通不变,使串励电机在第二象限和第四象限工作,具有它励特性。
[0011]本发明的有益效果:本发明的串励电机直流调速器,采用了 IGBT来代替传统的硬开关控制方式,利用电枢模块控制IGBT驱动模块,采用双极性调制,通过改变PWM占空比实现电机的电子换向,大大提高了调速器的效率。启动和加速采用串励方式,减速和刹车采用他励方式,他励时并没有使电枢线圈和励磁线圈分开,而是通过励磁模块保证励磁线圈磁通不变,单独通过电枢模块控制电枢线圈实现。电机减速或制动过程中,能量流过励磁线圈回馈到电池,使得励磁线圈额外得到一部分磁通,补充了励磁模块本应该输出的电流在励磁线圈上产生的磁通,使得励磁模块输出的电流减小,不用满负荷输出,降低了励磁模块输出的功耗,同时还能够将减速和刹车时的能量回馈到电池中,从而提高电池的使用时间,提高整车行驶里程。这种连接结构,使串励电机可以工作在第二象限和第四象限,使串励电机具有他励特性。所述电源模块、控制模块、IGBT驱动模块、励磁模块、电枢模块均独立封装在各自的壳体内,十分便于用户的维修与维护,显著地降低产品的维护和维修成本。

【专利附图】

【附图说明】
[0012]下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0013]图1为本发明直流调速器电路连接框图;
图2为本发明直流调速器内部封装结构示意图;
图3为本发明直流调速器的IGBT驱动模块封装示意图;
图4为本发明控制模块示意图;
图5为本发明电枢模块示意图;
图6为本发明IGBT驱动模块示意图;
图7为本发明电枢模块频伏转换电路的电路原理图;
图8为本发明电枢模块接口电路的电路原理图;
图9为本发明电机驱动控制电路的电路原理图; 图10为故障检测电路原理图;
图11为本发明主电路模块示意图;
图12为本发明励磁模块示意图。

【具体实施方式】
[0014]根据图1?图12说明本发明的具体结构。本实施例的串励电机直流调速器,其结构如图1所示,包括位于壳体外侧的调速手柄、换向手柄,以及封装在直流调速器内部的电源模块10、主电路模块2、控制模块1、IGBT驱动电路3、励磁模块、电枢模块和电池11。
[0015]对各模块描述如下:
电源模块10,用于为主电路模块2中的控制模块1、励磁模块(如,励磁模块4、励磁模块6)、电枢模块(如,电枢模块5、电枢模块7)供电。
[0016]主电路模块2,利用主电路模块中的8个IGBT的导通或关闭,控制直流调速器电机正转或者反转。
[0017]控制模块1,给励磁模块4、励磁模块6发送使能信号,控制励磁模块4、励磁模块6的开通或关断。给电枢模块5发送使能信号、控制电机(如,电机8、电机9)速度及方向信号,控制电枢模块的开通或关断。同时控制模块I还接收来自励磁模块和电枢模块的报警信号。
[0018]IGBT驱动电路3,根据接收到的电枢模块(如,电枢模块5和电枢模块7)发送的PWM波信号,驱动主电路模块2中的IGBT开通或关断。
[0019]励磁模块(如,励磁模块4、励磁模块6),在刹车或减速过程中,保持电机中励磁绕组与电枢绕组串联方式不变(如,电机8中的励磁绕组12与电枢绕组13串联,电机9中的励磁绕组14与电枢绕组15串联),用于补偿串励电机的励磁绕组(如励磁绕组12,励磁绕组14)中减少的电流,使电机的励磁绕组中的磁通保持不变。
[0020]电枢模块(如,电枢模块5、电枢模块7),输出占空比可调的PWM波,作为IGBT驱动电路3的控制信号,同时为IGBT驱动电路3供电。
[0021]电池11:用于为主电路模块2供电。
[0022]本实施例中直流调速器整个机身中又包含五个子模块,即控制模块1、IGBT驱动模块3、励磁模块、电枢模块、电源模块10均独立封装在各自的壳体内,再一起封装在直流调速器的壳体内部,其中,IGBT驱动模块安装在控制模块1、电枢模块底部,如图2和图3所示,这种结构设计,即使某个部件发生故障,直接更换或修理该部件即可,无需对整机进行维修,使直流调速器的维修更加方便,不影响用户的使用。
[0023]结合各部件的电路连接对直流调速器的工作过程进行说明:
本实施例中,采用直流调速器进行调速和换向过程为:换向:将档位手柄先调到空档再调到前进或者后退,并在调到空档时将调速手柄调到O速。调速:首先将档位手柄从空档掰到前进或者后退,代表已经上电,供电电压最大为DC200V,然后将调速手柄从O速向最大速调节。
[0024]本实施例中调速手柄17的输出端连接控制模块I的D07管脚的P+、P-和PO端,换向手柄18的前进档连接控制模块I的D07管脚的棕1、蓝1、黑I端,换向手柄18的后退端档连接控制模块I的D07的管脚棕2、蓝2、黑2端,如图4所示。本实施例中的控制模块采用(混合信号)微控制器,型号为MSP430F169。下面结合具体的电路原理图,对电机直流调速器在启动、加/减速、刹车过程进行说明,具体如下:
电机直流调速器启动阶段:电机直流调速器启动时,当换向手柄18档位信号有效时(如,前进挡有效),直流调速机上电,进行初始化自检工作,无启动故障即可对电机进行控制。控制器I接收来换向手柄13的换向信号后,发送指令给电枢模块。电机直流调速器可同时对多台电机进行调控,当对一台电机进行调控时,控制模块的D13端子连接电枢模块D13端子。当对两台电机进行调控时,控制模块的D13端子连接电枢模块5的D13端子,控制模块的D15端子连接电枢驱动模块7的端子D15,如图5所示。电枢模块5通过D19端口、D20端口连接IGBT驱动模块的D19、D20端子,电枢模块7通过D23端子、D24端子连接IGBT驱动模块的D23端子、D24端子,分别输出两路占空比可调的PWM波给IGBT驱动模块,如图6所示。PWM波由图9所示的电枢模块中的电机驱动控制电路产生,若图9中,V_REF_IN信号为O,则双PWM控制芯片UC3637 (如,U4)的4脚和7脚A_out、B_out分别输出50%的占空比PWM波,A_out输出的PWM波给Qll、Q14的门极G及发射极E,B_out输出的PWM波给主电路模块中的Q12、Q13的门极G和发射极E,这样电枢绕组实际得到的电流为0,直流调速器启动。
[0025]电机直流调速器加速或减速阶段:用户将调速手柄17慢慢加速,控制模块I收到换向手柄信号及调速手柄信号,将调速手柄17的电压信号经控制模块I转换为频率信号,在传递使能信号、方向信号及频率信号给电枢模块,电枢模块将接收的频率信号转换为电压信号,即控制器I的V_REF_A管脚连接电枢模块接口电路的V_REF_IN管脚,频率信号经频伏转换电路的光耦隔离芯片OP1、频伏转换芯片LM331、放算放大器U2A后,由频率信号转换为正负可变的电压信号,如图7?9所示,再将该电压信号输出给电机驱动电路中的V_REF_IN管脚。控制模块I输出的EN_IN信号经光耦隔离芯片0P4连接到PWM控制器驱动电路中的EN管脚,该信号用来控制PWM控制器第4管脚、第16管脚的通断,用于PWM控制器的终止或启停控制。控制模块I输出Dirct1n_IN经光耦隔离芯片OP3输出为Dirct1n,再经光MOSFET进入运算放大器U2B,来调节电压信号V_REF_IN的正负,前进档时V_REF_IN电压值为正值,后退档时V_REF_IN电压值为负值。电压信号及使能信号经图9中的逻辑及运放电路后给PWM控制器U4,经U4内部运算后输出占空比可调的两路PWM波。加速时,A_out输出的占空一点一点地比B_out输出的大,减速时,A_out输出的占空一点一点地逼近B_out输出的占空比,实现对电机加速或减速的控制。
[0026]电机直流调速器刹车阶段:当调速手柄置于刹车档位,此时刹车给定转矩为最小刹车转矩,之后用户可以逐渐调整调速手柄,增加刹车转矩直至电机车停止。图9输出的PWM控制器以50%占空比输出(A_out = 50% B_out = 50%),逐渐增加刹车转矩(增加输出占空比,即增大B_out的占空比,减小A_out占空比,使他们之间的差值增大),至电机车停下来时,保持当前刹车给定转矩即可。同时,电枢绕组的电流经IGBT反并联的二极管回到电池,既节省能源,又提高效率。
[0027]本实施例中的主电路模块2如图11所示。主电路模块2具有配合使用的用来控制电机转向的IGBT和二极管,二极管Dll的负极连接二极管D12的负极,二极管Dll与二极管D12的连接点再连接电机励磁绕组的El+端,二极管D14的正极连接二极管D13的正极,二极管D14与二极管D13的连接点再与电机励磁绕组的E-端连接;二极管D12的正极与二极管D13的负极连接,二极管D12与二极管D13的连接点再连接Qll的集电极、Q12的集电极,Qll的发射极连接Q13的集电极,Qll与Q13的连接点再连接电机电枢绕组的Al+端,Q12发射极连接Q14的集电极,Q12与Q14的连接点连接电枢绕组的Al-端,Q13的发射极与Q14的发射极连接在一起,Qll反并联二极管D15,Q12反并联二极管D16,Q13的反并联二极管D17,Q14反并联二极管D18。
[0028]本实施例中的采用双极性PWM调制方式控制电机运行,在电机直流调速器启动或加速时,同一时间段,Qll与Q13同时导通或关断,另一时间段,Q12与Q14同时导通或关断。其中Qll和Q12互补输出,Q13和Q14同理。
[0029]在电机直流调速器刹车或减速时,与Qll反并联的二极管D15、与Q14反并联的二极管D18同时导通。只是在控制信号即加到G (门极)、E (集电极)两端压差为正压,且大于开启电压才,主电路模块中某个IGBT才会导通,同一桥臂上的两个IGBT (如Qll与Q13、Q12与Q14)不能同时导通,这样会造成IGBT模块过流炸毁。
[0030]直流串励电机的励磁绕组和电枢绕组在工作时采用串联方式,这种方式下,电机只能工作在第一和第三象限(可以去掉),电机在制动时运行第二象限和第四象限下,则需将电机中的串联的励磁绕组、电枢绕组断开,利用直流电源单独对励磁绕组供电,才能使电机在他励方式下工作,使直流调速器的应用受到限制,本实施例使串励电机实现他励方式的过程为:
在电机直流调速器启动和加速时,电流由电池流向电枢,电池正极B+、电池负极B-给主电路模块2供电,电池的电流从正极B+开始经二极管Dll到励磁绕组的正极E1+、励磁绕组的负极E1-,再经二极管D13到母线18DC+,gQll到电枢绕组的正极Al+、电枢绕组的负极Al-,再经二极管Q14回到电池的负极B-,同时母线DC+也经Q12的发射极、电枢绕组负极Al-、电枢绕组正极Al+,Q13到电池的负极B-。这时,电枢绕组中的电流就是这两个电流的叠加值,利用电枢绕组中的双极性调制的PWM波对电机进行控制:
控制电机正转:即换向手柄为前进挡时,保持励磁电流不变,由于电枢模块输出的PWM波采用双极性调制,通过控制A_out、B_out的占空比,只要使输出A_out比B_out占空比大,就可使电流为正,即可实现电机正转。
[0031]控制电机反转:即换向手柄为后退挡时,保持励磁电流不变,只要使输出A_out比B_out占空比小,就可使电流为负,即可使电机反转。
[0032]串励电机在减速和刹车时,应工作在第二、第四象限,本实施例中,无需切断励磁绕组与电枢绕组的连接,即可实现对电机的减速和刹车控制。由于在刹车或者减速过程中,励磁绕组的磁通减少,为了使串励电机可以工作在二、四象限,即有制动和反制动功能,只需保持励磁绕组的磁通不变即可,本实施例的励磁模块的作用就是补偿励磁绕组减少的电流,因为电流和磁通成正比,补偿励磁绕组的电流,即使励磁绕组的磁通不变。
[0033]具体为:
由于在直流调速器减速和刹车过程中,电枢绕组中的电流迅速变大,则与Qll反并联的二极管D15导通,与第二极管D15串联的二极管D12、电机励磁绕组(输入端为E1+,输出端为E1-)、二极管D14、电池(输入端为B+、输出端为B-)、二极管D18、电枢绕组(输入端为Al-,输出端为A+)形成导通回路,利用励磁模块与电机励磁绕组串联连接的励磁模块补充电流给电机励磁绕组,即可使串励电机具有他励特性。
[0034]本实施例中的励磁模块如图12所示。控制模块I接收到调速手柄发送来的减速或刹车信号时,控制模块I通过D14端子与励磁模块4的D14端子连接,控制模块I通过D16端子与励磁模块5的D16端子连接,向励磁模块发送指令,控制励磁模块导通,使励磁模块为电机中的励磁绕组供电。本实施例中的励磁模块由母线供电。
[0035]本实施例中的直流调速器,无论是启动加速、还是减速刹车,励磁电流都是从电机的励磁绕组的El+到E1-,这就是说,即使在刹车或减速过程中,励磁绕组的磁通在减小,但也没变为负值或者0,这使得励磁模块只需补充一部分电流到励磁线圈而不用满负荷输出,降低了励磁模块的功耗,而这个优点正是串励直流电机既有串励特性又有他励特性而产生的。
[0036]本实施例中的电枢模块中还设置有故障检测电路,本实施例中的互感器组采集的电流传递给电枢模块和励磁模块如图10所示,电枢模块接收电流信号后进行故障检测,OCR端、OTF端和OVF端分别连接PWM控制器驱动电路的OCR端、OTF端和OVF端,用于过流、过温、过压检测,一旦检测到的电流、温度和电压超过设定值,则向控制器输出报警信号,并停止直流调速器的运行。
[0037]以上所述,仅为本发明的【具体实施方式】,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种串励电机直流调速器,包括设置于壳体上表面的向控制模块传递信号的调速手柄和换向手柄以及设置于壳体内部的电源模块,其中, 电源模块:用于为控制模块、励磁模块、电枢模块供电; 其特征在于:所述壳体内部还设置有: 主电路模块:利用IGBT的导通或关闭,控制电机正转或者反转; 控制模块:给励磁模块发送使能信号,控制励磁模块的开通或关断;给电枢模块发送使能信号、控制电机速度及方向信号,控制电枢模块的开通或关断; IGBT驱动电路:根据接收到的电枢模块发送的PWM波信号,驱动主电路模块中的IGBT开通或关断; 励磁模块:在刹车或减速过程中,保持电机中励磁绕组与电枢绕组串联方式不变,用于补偿串励电机的励磁绕组中减少的电流,使电机励磁绕组中的磁通保持不变; 电枢模块:输出占空比可调的PWM波,作为IGBT驱动电路的控制信号,同时为IGBT驱动电路供电; 电池:用于为主电路模块供电。
2.如权利要求1所述的串励电机直流调速器,其特征在于:所述的控制模块、IGBT驱动模块、励磁模块、电枢模块、电源模块均独立封装在各自的壳体内。
3.如权利要求1所述的串励电机直流调速器,其特征在于:所述的主电路模块具有配合使用的用来控制电机转向的IGBT和二极管,第一二极管的负极连接第二二极管的负极,第一二极管与第二二极管的连接点再连接电机励磁绕组的一端,第三二极管的正极连接第四二极管的正极,第三二极管与第四二极管的连接点再与电机励磁绕组的另一端连接;第二二极管的正极与第三二极管的负极连接,第二二极管与第三二极管的连接点再连接第一IGBT的集电极、第二 IGBT的集电极,第一 IGBT的发射极连接第三IGBT的集电极,第一 IGBT与第三IGBT的连接点再连接电机电枢绕组的一端,第二 IGBT的发射极连接第四IGBT的集电极,第二 IGBT与第四IGBT的连接点连接电枢绕组的另一端,第三IGBT的发射极与第四IGBT的发射极连接在一起,所述第一 IGBT反并联第五二极管,所述第二 IGBT反并联第六二极管,所述第三IGBT的反并联第七二极管,所述第四IGBT反并联第八二极管。
4.如权利要求3所述的串励电机直流调速器,其特征在于:采用双极性PWM调制方式控制电机运行,在调速器启动或加速时,第一 IGBT与第四IGBT同时导通或关断,第二 IGBT与第三IGBT同时导通或关断,控制电机正转或反转;在调速器刹车或减速时,与第一 IGBT反并联的第五二极管、与第四IGBT反并联的第八二极管同时导通。
5.如权利要求3所述的串励电机直流调速器,其特征在于:在电机减速或刹车时,电枢绕组的电流增大,则与第一 IGBT反并联的第五二极管导通,与第五第二极管串联的第二二极管、电机励磁绕组、第四二极管、电池、第八二极管、电枢绕组形成导通回路,与电机励磁绕组串联连接的励磁模块补充电流给电机励磁绕组,使串励电机具有他励特性。
6.如权利要求1所述的串励电机直流调速器,其特征在于:所述的串励电机直流调速器同时控制多台电机。
7.一种串励电机控制方法,采用如权利要求1所述的串励电机直流调速器实现,其特征在于:在直流调速器减速和刹车过程中,利用与电机励磁绕组串联的励磁模块补充电流给电机励磁绕组,保持电机励磁绕组磁通不变,使串励电机在第二象限和第四象限工作,具有它励特性。
【文档编号】H02P7/298GK104518717SQ201510004165
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2015年1月6日 优先权日:2015年1月6日
【发明者】范久斌, 徐 明, 毕鑫, 潘朝阳, 周光远, 徐景海, 王德政 申请人:沈阳辽通电气有限公司
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