一种新型矿用电机车pwm斩波调速控制器的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种新型矿用电机车PWM斩波调速控制器，包括单片机，所述单片机连接有供电电源和电机，所述单片机与所述供电电源之间设有LCD模块和键盘，所述单片机与所述电机之间设有传感器，所述电机连接有转向开关，所述电机与所述转向开关之间设有控制电路和IGBT控制模块，所述控制电路分别与所述转向开关和IGBT控制模块相连，所述控制电路与所述单片机之间设有调速模块，本实用新型采用新型H桥IGBT控制电路设计，既能调节电机转速又能解决电机的换向问题，系统采用单片机控制，配合基于HCPL-316J的IGBT驱动电路，解决电路的各种保护功能，并且加入显示模块，能够更好地保证电机车的安全可靠运行。
【专利说明】
一种新型矿用电机车PWM斩波调速控制器
技术领域
[0001]本实用新型涉及控制器领域，尤其涉及一种新型矿用电机车PffM斩波调速控制器。
【背景技术】
[0002]长期以来，蓄电池式矿用电机车采用的是串电阻调速控制技术，即在电机车启动的过程中，通过在其定子绕组电路中的串联电阻产生的电压降，从而减少定子绕组的电压，达到了减少启动电流的目的。但是这种调速方式的优点是维修、操作都相对比较简单且容易上手，而且对环境的适应能力也比较强，可以在恶劣的区域工作。其缺点是调速过程十分不平滑，启动冲击大、耗电量大，采用机械制动就会反应迟缓、操作笨拙、机械磨损大、维修频繁、维修费用高，并且对电力机车的转轴齿轮与直流电机有较强的机械冲击，并且它有大量的电能消耗在电阻上，进行发热，浪费了宝贵的资源。
[0003]随着电子器件的发展，特别是晶闸管的问世，人们开始研究用脉冲调速的方法来解决直流电机车的调速问题，也就是可控硅斩波器调速方法，即是利用晶闸管控制极触发导通的特性组成直流斩波器来控制电机的启动与调速。我们知道直流电动机可通过改变其端电压实现调速。可控硅脉冲调速就是由直流斩波器改变加与电动机两端的平均电压实现调速的。脉冲调速的控制方式通常有三种:定频调宽，定宽调频和调频调宽。定频调宽是指直流斩波器的工作频率恒定，主晶闸管每次导通的时间是可调的。定宽调频是指直流斩波器主晶闸管每次导通的时间是恒定的，但工作频率是可调的。调频调宽是指直流斩波器的工作频率和主晶闸管的导通时间都是可调的。当直流斩波器的工作频率固定时，直流电动机端电压的平均值随主晶闸管的导通时间的加长与缩短而增、减；同样，当导通时间恒定时，直流电动机端电压的平均值与直流斩波器的工作频率成正比。蓄电池电机车采用可控硅脉冲调速方式调速范围能够达到5%_90%。它和切换启动电阻调速的电机车相比具有调速均匀、启动牵引力大的特点。由于控制电机车的直流斩波器是无触点的，从而减轻了日常维护工作。同时，脉冲调速比串电阻调速的启动效率和调速效率也提高了 20%左右。
【发明内容】
[0004]鉴于目前现有技术存在的上述不足，本实用新型提供一种新型矿用电机车PWM斩波调速控制器，采用新型IGBT控制电路设计，既能调节电机转速又能解决电机的换向问题。
[0005]为达到上述目的，本实用新型的采用如下技术方案:
[0006]—种新型矿用电机车PffM斩波调速控制器，包括单片机，所述单片机连接有供电电源和电机，所述单片机与所述供电电源之间设有LCD模块和键盘，所述单片机与所述电机之间设有传感器，所述电机连接有转向开关，所述电机与所述转向开关之间设有控制电路和IGBT控制模块，所述控制电路分别与所述转向开关和IGBT控制模块相连，所述控制电路与所述单片机之间设有调速模块。
[0007]作为本实用新型的优选技术方案，所述传感器包括霍尔电流传感器和光电传感器，所述霍尔电流传感器、光电传感器分别与所述电机和单片机相连。
[0008]作为本实用新型的优选技术方案，所述控制电路为HCPL-316J控制电路。
[0009]作为本实用新型的优选技术方案，还包括直流电源，所述直流电源与所述转向开关相连。
[0010]作为本实用新型的优选技术方案，所述IGBT控制模块包括IGBT模块、二极管、直流电机、励磁绕组和直流电源，所述IGBT模块分别与所述二极管、直流电机、励磁绕组和直流电源相连，所述直流电源为19 2 V的直流电源。
[0011]作为本实用新型的优选技术方案，所述IGBT模块具有四组，分别为T1、T2、T3和T4，所述Tl与Τ2相连，Τ3与Τ4相连。
[0012]作为本实用新型的优选技术方案，所述直流电机为串激式直流电机，所述串激式直流电机设有两组分别为Ml和M2，所述Ml与M2相连。
[0013]作为本实用新型的优选技术方案，所述励磁绕组包括LI励磁绕组和L2励磁绕组，所述LI励磁绕组与所述L2励磁绕组并联。
[0014]本实用新型涉及一种新型矿用电机车PffM斩波调速控制器，包括单片机，所述单片机连接有供电电源和电机，所述单片机与所述供电电源之间设有LCD模块和键盘，所述单片机与所述电机之间设有传感器，所述电机连接有转向开关，所述电机与所述转向开关之间设有控制电路和IGBT控制模块，所述控制电路分别与所述转向开关和IGBT控制模块相连，所述控制电路与所述单片机之间设有调速模块，本实用新型采用新型H桥IGBT控制电路设计，既能调节电机转速又能解决电机的换向问题，系统采用单片机控制，配合基于HCPL-316J的IGBT驱动电路，解决电路的各种保护功能，并且加入显示模块，能够更好地保证电机车的安全可靠运行。
【附图说明】
[0015]为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0016]图1为本实用新型的结构示意图。
[0017]图2为本实用新型中IGBT控制模块的结构示意图。
[0018]图3为本实用新型中驱动IGBT控制模块的HCPL-316J控制电路的电路局部示意图。
【具体实施方式】
[0019]下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0020]如图1-图3所示，本实用新型提供一种新型矿用电机车PWM斩波调速控制器，包括单片机I，单片机I连接有供电电源2和电机3，单片机I与供电电源2之间设有LCD模块4和键盘5，单片机I与电机3之间设有传感器，电机3连接有转向开关6，电机3与转向开关6之间设有控制电路和IGBT控制模块7，控制电路分别与转向开关6和IGBT控制模块7相连，控制电路与单片机I之间设有调速模块8，本实用新型采用新型H桥IGBT控制电路设计，既能调节电机转速又能解决电机的换向问题，系统采用单片机控制，配合基于HCPL-316J的IGBT驱动电路，解决电路的各种保护功能，并且加入显示模块，能够更好地保证电机车的安全可靠运行。
[0021]如图1所示，本实用新型采用了闭环控制的调速系统和全控型电压驱动式功率半导体晶体管IGBT为主要功率元件，使用微机电路控制HCPL-316J驱动光耦，从根本上解决了传统的电阻调速和可控硅调速的各种缺陷，具有可靠性高、启动力矩大、调速平稳、模块化设计、结构新颖、操作简单、节能、维修简便、费用低等特点，具体为，采用PWM调速方式，通过改变IGBT的导通与关断的时间比，即可改变电动机两端电压的平均值，从而达到调速的目的，大大减少了电能的损耗;采用斩波调速技术，启动平稳，启动力矩大，采用无极调速方式，从启动到全速均能平稳过渡，有效保护了电机车的机械系统，而且牵引力大，大大提高了工作效率;采用以单片机为核心的控制系统和基于HCPL-316J的IGBT驱动电路，大大简化了IGBT及系统的过压、过流和欠压保护电路。采用H桥电路设计，既能调速又能换向，简化了传统的机械式开关换向机构;采用霍尔电流传感器和光电传感器，将电机3运行时的电流和转速通过单片机I实时显示在LCD屏幕(IXD模块4)上面，从而更好地了解机车的运行状况，在机车出现故障时能及时检修，大大减小了维修量。
[0022]在本实施例中，采用PffM斩波调速技术，在很大程度上解决了电阻调速和可控硅调速的缺陷，且PWM斩波调速与电阻调速相比具有更好的节能效果。IGBT模块采用极低导通压降的IGBT功率元件，再配合具体的优化电路，可比传统的电阻调速节能30%以上。
[0023]在本实施例中，传感器包括霍尔电流传感器9和光电传感器10，霍尔电流传感器9、光电传感器10分别与电机3和单片机I相连;采用霍尔电流传感器和光电传感器检测电机电流和转速经单片机显示在IXD上面，并通过PffM信号经HCPL-316J对IGBT模块进行控制，能对各IGBT功率元件的导通比进行有效控制，可将导通比控制在5%至95%，有效提高机车运行速度及其工作效率。另外，该种结构采用霍尔电流传感器控制驱动电路电源的接通和机车转速，提高了机车的安全性与稳定性;采用单片机中的定时器产生可控的HVM波，通过按键改变PffM占空比，控制直流电动机的转速。
[0024]在本实施例中，控制电路为!《^-316对空制电路11。
[0025]在本实施例中，还包括直流电源，所述直流电源与转向开关6相连，直流电源，用于控制电机车换向的换向开关、用于驱动IGBT的HCPL-316 J控制电路、用于控制矿用电机车的电机换向和调速的IGBT模块、用于检测所述电机电流大小的霍尔电流传感器、用于测量所述电机转速的光电传感器、用于控制系统调速和显示模块的单片机、显示模块、单片机的控制输入键盘模块，模块供电电源。
[0026]在本实施例中，IGBT控制模块7包括IGBT模块、二极管、直流电机、励磁绕组和直流电源(192V)，所述IGBT模块分别与所述二极管、直流电机、励磁绕组和直流电源相连，进一步，IGBT模块具有四组，分别为Tl、T2、T3和T4，所述Tl与Τ2相连，Τ3与Τ4相连，直流电机为串激式直流电机，所述串激式直流电机设有两组分别为Ml和M2，所述Ml与M2相连;采用H桥控制电路(包括4个IGBT和两个“串激式”直流电机)解决电机车的换向问题，通过控制相应对角线上IGBT的导通，进而实现电机车的前进与后退，与传统的手拉式开关相比，采用IGBT换向在很大程度上简化了换向模块，减少了机械开关带来的损耗。图2所示为所述电机的1681'控制模块，1'1、了2、了3、了4为1681'，￥01、￥02、￥03、￥04、01为续流二极管，]\11、]\12为串激式直流电机，L1、L2为对应电机的励磁绕组，U为直流电源(192V)。当控制TI和T3导通时，电机车正传；当控制T2和T4导通时，电机车反转。
[0027]在本实施例中，励磁绕组包括LI励磁绕组和L2励磁绕组，所述LI励磁绕组与所述L2励磁绕组并联。
[0028]在本实施例中，图3所示为驱动IGBT的HCPL-316J控制电路(此图只画出其中一条对角线上的IGBT驱动电路，另外两个驱动电路跟此图一样)，换向开关为左上角S，接通电源后，驱动相应IGBT的光耦开始工作，电机开始转动。HCPL-316J是一款简单易用的智能型IGBT驱动光耦，集成了 VCE饱和压降检测，欠压锁定，软关断以及隔离故障反馈，并且此光耦与单片机相连接构成反馈电路，进一步保证电路的正常运行，所以此驱动光耦的应用大大简化了所需的保护电路。
[0029]本实用新型的电机车调速控制器的工作原理如下:
[0030](I)合上开关，主电源接通，电路开始工作。
[0031](2)操作换向开关(图3左上角开关S) “向前”或“向后”，电路接通;换向手柄有三个档位切换，“O”位为断开状态；“向前”时，驱动Tl和T3的光耦接通电源；“向后”时，驱动T2和T4的光耦接通电源;从而改变电机的旋转方向，实现电机车前进、后退和停车。
[0032](3)手动控制电机车的加速和减速。在控制单片机的外接键盘上设置两个按键——直流电动机加速和直流电动机减速键。在手动状态下，每按一次键，电动机的转速按照约定的速率改变。本调速系统采用IGBT高压大功率开关器件，其开关频率高；当栅极施加+ 15V电压时器件导通，导通时压降为2V左右，当栅极施加-15至OV电压时器件关断；由于IGBT工作在开关状态，导通关断时损耗很小，所以调速状态下节能效果显著，可以保证99%以下的电能用于电机；当IGBT导通时，电机电流线性上升；当IGBT关断时，电流线性下降；由于开关频率高(2KHz )，实际机车的电流等效为直流电流，通过IGBT的导通、关断时间比值(即调节占空比a = Ton/T)，即可改变电机两端的电压平均值，从而改变电机的转速、实现机车调速目的；电路的各种保护功能如软启动、欠压、过压、恒流、短路保护等亦能通过调节IGBT的导通、关断时间的比值来实现。
[0033](4)在电机车运行过程中，通过霍尔电流传感器和光电传感器经单片机把电机运行时的电流和转速实时显示出来，并且能有效控制电机车的速度，LCD显示系统使用1602液晶屏幕，这个系统是在以高精度和实时性相协调为原则的基础上设计的。电机转速是通过光电传感器检测产生触发脉冲经过触发器分频触发单片机中断计数，经定时计数得到标准计数值，由单片机对数据的计算、处理，建立了时间和脉冲的关系式，得到每分中电机的转速。将转速与给定转速作差得到偏差量，再由PID进行调节，使转速趋近给定转速实现控制。
[0034]综上所述，本实用新型涉及一种新型矿用电机车PWM斩波调速控制器，包括单片机，所述单片机连接有供电电源和电机，所述单片机与所述供电电源之间设有LCD模块和键盘，所述单片机与所述电机之间设有传感器，所述电机连接有转向开关，所述电机与所述转向开关之间设有控制电路和IGBT控制模块，所述控制电路分别与所述转向开关和IGBT控制模块相连，所述控制电路与所述单片机之间设有调速模块，本实用新型采用新型H桥IGBT控制电路设计，既能调节电机转速又能解决电机的换向问题，系统采用单片机控制，配合基于HCPL-316J的IGBT驱动电路，解决电路的各种保护功能，并且加入显示模块，能够更好地保证电机车的安全可靠运行。
[0035]以上所述，仅为本实用新型的【具体实施方式】，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的技术人员在本实用新型公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
【主权项】
1.一种新型矿用电机车PWM斩波调速控制器，其特征在于，包括单片机，所述单片机连接有供电电源和电机，所述单片机与所述供电电源之间设有LCD模块和键盘，所述单片机与所述电机之间设有传感器，所述电机连接有转向开关，所述电机与所述转向开关之间设有控制电路和IGBT控制模块，所述控制电路分别与所述转向开关和IGBT控制模块相连，所述控制电路与所述单片机之间设有调速模块。2.根据权利要求1所述的一种新型矿用电机车HVM斩波调速控制器，其特征在于:所述传感器包括霍尔电流传感器和光电传感器，所述霍尔电流传感器、光电传感器分别与所述电机和单片机相连。3.根据权利要求1所述的一种新型矿用电机车HVM斩波调速控制器，其特征在于:所述控制电路为HCPL-316 J控制电路。4.根据权利要求1所述的一种新型矿用电机车HVM斩波调速控制器，其特征在于:还包括直流电源，所述直流电源与所述转向开关相连。5.根据权利要求1-4任一所述的一种新型矿用电机车PWM斩波调速控制器，其特征在于:所述IGBT控制模块包括IGBT模块、二极管、直流电机、励磁绕组和直流电源，所述IGBT模块分别与所述二极管、直流电机、励磁绕组和直流电源相连，所述直流电源为192V的直流电源。6.根据权利要求5所述的一种新型矿用电机车HVM斩波调速控制器，其特征在于:所述IGBT模块具有四组，分别为Tl、T2、T3和T4，所述Tl与T2相连，T3与T4相连。7.根据权利要求5所述的一种新型矿用电机车HVM斩波调速控制器，其特征在于:所述直流电机为串激式直流电机，所述串激式直流电机设有两组分别为Ml和M2，所述Ml与M2相连。8.根据权利要求5所述的一种新型矿用电机车HVM斩波调速控制器，其特征在于:所述励磁绕组包括LI励磁绕组和L2励磁绕组，所述LI励磁绕组与所述L2励磁绕组并联。
【文档编号】H02P7/29GK205545039SQ201620097575
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年2月1日
【发明人】蔡华, 高军伟, 赵正伟, 李彦鑫, 蔡中, 王丹东, 高伟伟, 谷摧摧, 夏文静
【申请人】河南理工大学