专利名称：脉宽调制的机车刮雨器控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及机车刮雨器控制的电子技术领域，尤其适用于机车、城轨、地铁等轨道交通用刮雨器控制。
背景技术：
机车刮雨器分为气动刮雨器和电动刮雨器两种类型。机车电动刮雨器具有特殊性机车直流IlOV电源(电动刮雨器供电电源)波动严重(士30%)，电网冲激电压高，运行转矩负载大，机车频繁出现两车交会、进入隧道等刮雨器转矩负载骤增等特殊情况。电动刮雨器目前有两种控制方案。一、继电器控制双速永磁直流电机方案缺点是继电器触点拉弧烧损、电磁干扰严重、噪音大、电机使用寿命短等问题，故障率高。二、电力电子开关控制双速永磁直流电机方案缺点是这种方法不仅没有从根本上解决电机使用寿命短的问题，而且由于设计不合理，电力电子开关常常损坏。双速电机由于力矩不对称造成滑环碳刷快速磨损的缺陷，使用寿命很短。机车电动刮雨器故障率高达30-40%，原有的机车刮雨器成为涉及安全行车的一个障碍，因此急需一种质量可靠、高稳定性的机车刮雨器。
发明内容
本发明的目的在于，克服目前电动刮雨器成本高、使用寿命短，控制电路易损坏， 故障率高的不足，提供一种结构简单，成本低、性能稳定，可靠性高的机车刮雨器控制系统。本发明的技术方案是一种脉宽调制的机车刮雨器控制系统，包括直流电源延时断电开关电路，刮雨器直流电机PWM控制驱动电路，电机过流保护电路，刮雨器直流电机停止制动电路，单速直流电机。所述直流电源延时断电开关电路(2)输入端连接机车1IOV直流电源过压、浪涌保护电路(1)，输出端连接共模信号抑制电路(3 )，控制端连接输入控制电路(5 )的停止电路， 共模信号抑制电路(3)连接电源隔离转换电路(4)和雨刮电机(10)的正端。所述刮雨器直流电机PWM控制驱动电路，中央控制单元(6)输入扫描端口连接输入控制电路(5)，中央控制单元(6)PWM输出端口连接PWM运行高频高速隔离电路(12)输入端，PWM运行高频高速隔离电路(12)输出端连接高速MOS管驱动电路(13)输入端，高速MOS 管驱动电路(13)输出端连接运行MOSFET (14)栅极，运行MOSFET (14)漏极连接单速雨刮电机(10)负端，源极连接电机电流检测电路(15)接电源负极。所述运行MOSFET (14)栅源极连接双向限压保护电路，为一对稳压管反向串联；运行MOSFET (14)漏源极连接RC尖峰抑制与吸收电路。所述高速MOS管驱动电路(13)输出端接限流耦合电阻和泄放电阻，限流耦合电阻另一端连接运行MOSFET (14)栅极，泄放电阻另一端接地。所述电机过流保护电路，电机电流检测电路(15)连接运行MOSFET (14)和电机过流比较电路(16)，电机过流比较电路(16)输出端连接过流检测隔离电路(17)输入端，过流检测隔离电路(17)输出端连接中央控制单元(6)的过流检测端口，电流检测电路(15)为无感大功率精密电阻，电机过流比较电路(16 )为比较器电路。所述刮雨器直流电机停止制动电路中央控制单元(6) PWM输出端口连接制动隔离电路(7)输入端，制动隔离电路(7)输出端连接制动双极型MOS管驱动电路(8)输入端， 制动双极型MOS管驱动电路(8)输出端连接制动MOSFET (9)的栅极，制动MOSFET (9)的漏极连接共模信号抑制电路(3)输出端，源极连接雨刮电机(10)负极。所述制动MOSFET (9)栅源极连接双向限压保护电路，为一对稳压管反向串联，漏源极连接RC尖峰抑制与吸收电路，雨刮电机(10)两端连接续流保护电路。所述刮臂位置检测电路(18)检测直流电机(10)输出刮臂机构(11)的指定停止位置，刮臂位置检测电路(18)连接位置检测隔离电路(19)输入端，位置检测隔离电路(19)输出端连接中央控制单元(6 )位置检测端口。所述喷淋电机控制驱动电路，中央控制单元(6) PWM喷淋端口连接喷淋隔离电路 (20)输入端，喷淋隔离电路(20)输出端连接双极型MOS管驱动电路(21)，双极型MOS管驱动电路(21)连接喷淋MOSFET (22)栅极，漏极连接喷淋电机(23)负极，源极连接电源负极。所述脉宽调制的机车刮雨器控制系统，由中央控制单元(6)扫描输入控制电路 (5)的慢速、快速、间歇或停止信号，通过刮雨器直流电机PWM控制驱动电路输出脉宽调制信号，控制单速直流雨刮电机(10)带动刮臂机构(11)对铁路机车玻璃进行慢速、快速、间歇刮刷运行或停止。所述刮雨器直流电机停止制动电路，由刮臂位置检测电路(18)检测刮臂机构 (11)处于指定停止位置，通过位置检测隔离电路(11)输出至中央控制单元(6)，中央控制单元(6)处理后，停止PWM运行信号输出后，由制动隔离电路(7)，制动双极型MOS管驱动电路(8)，制动MOSFET (9)输出制动信号，实现雨刮电机能耗制动。所述直流电源延时断电开关电路(2)实现，当输入控制电路(5)输入停止信号时， 保证刮臂机构(11)能够回到初始位置停止后，直流电源延时断电开关电路(2)才延时断开雨刮器系统电源。刮雨器停止后，系统除开延时断电开关电路(2)外，其他所有电路完全断 H1^ ο所述电机过流保护电路，通过运行MOSFET (14)串联的电机电流检测电路(15)检测电机电流，电机过流比较电路(16)与过流检测隔离电路(17)输出至中央控制单元(6)， 通过中央控制单元数字滤波等处理后，智能检测如果处于正常运行过程中发生过流现象， 立刻停止刮雨器雨刮电机(10)运行，并自动停止。电机电流检测电路(15)为无感大功率电阻。电机过流比较电路(16)为运算放大器电路。所述喷淋电机控制驱动电路，喷淋电机(23)处于间断式工作，按下输入控制电路 (5)喷淋按钮后，单次喷淋时间大于10秒后，自动停止喷淋。直至下一次按下喷淋按钮。本发明的优点
针对刮雨器双速电机由于力矩不对称造成滑环碳刷快速磨损，使用寿命很短的缺陷。 提出刮雨器单速直流电机的脉宽调制方法，进行刮雨器慢速、快速、间歇、停止运行的调节， 单速直流电机刮雨器控制系统比双速电机刮雨器控制系统寿命延长约10倍以上。设计控制信号隔离转换电路，实现控制驱动与电机主电路有效的电气隔离；设计了 MOSFET的栅源极双向限压保护电路，漏源极RC尖峰抑制与吸收电路，有效的抑制了控制驱动模块与功率器件MOSFET峰值功率，降低功率器件的发热量和温升，并抑制了开关噪声，延长了控制系统电路寿命。设计了直流电源延时断电开关电路，刮雨器停止后，延时断开除延时电路外其他刮雨器系统电源。降低机车刮雨器控制系统带电工作时间为原来的10-20%，延长控制系统和电机寿命5-10倍。
图1是脉宽调制的机车刮雨器控制系统结构方框图。图2是直流电源延时断电开关电路原理图。图3是刮雨器电机PWM控制驱动与停止制动驱动原理图。图4是刮雨器刮臂停止位置检测电路。图5是刮雨器电机过流检测电路。图6是喷淋电机控制驱动原理图。
具体实施例方式结合附图和实例对本发明进一步说明如下
如图1-6所示，一种脉宽调制的机车刮雨器控制系统，由中央控制单元(6)扫描输入控制电路(5)输入的慢速、快速、间歇或停止信号，通过PWM运行高频高速隔离电路(12)，高速 MOS管驱动电路(13)，运行MOSFET (14)，输出脉宽调制信号，控制单速雨刮电机(10)带动刮臂机构(11)对铁路机车玻璃进行慢速、快速、间歇刮刷运行或停止。如图2所示，脉宽调制的机车刮雨器控制系统的直流电源延时断电开关电路，通过旋钮开关把0点与GND接通，通过电容C2的放电，三极管Ql的延时关断，从而控制主电路大功率管Ql的延时关断。延时时间由R3、R4、C2可调，设计延时约10秒，保证刮雨器刮臂回复到指定位置停止后，除延时断电开关电路外的其他电路都断电，降低系统通电时间， 延长系统寿命。大功率PNP管Ql为2SA1943，最大工作电流15A。如图3所示，中央控制单元(6)扫描输入控制电路(5)输入的慢速、快速、间歇信号后，中央控制单元输出PWM信号至高频高速隔离芯片G7，G7输出PWM信号至高速MOS管驱动芯片U5，驱动MOSFET管Q8工作。MOSFET选用IRFP460，极限工作电压500V，电流20A， RDS小于0. 27欧姆。MOSFET管Q8栅源极的双向限压保护电路，双向限压保护电路为D18、 D19 一对稳压管1N4744反向串联，防止MOSFET栅源极高压损坏。Q8漏源极接R41、C41组成的尖峰抑制与吸收电路，抑制MOSFET的峰值功率。为降低MOSFET管Q8过渡时间发热量，高频高速隔离芯片G7，高速MOS管驱动芯片U5的上升沿、下降沿的过渡时间均为纳秒级别。为保证MOSFET管Q8可靠快速导通，高速MOS管驱动芯片U5采用12V电源，电源取自电源隔离转换电路4。为保证MOSFET管Q8 快速导通，限流耦合电阻R39选择较小值为10欧姆。Q8泄放电阻R40作为MOSFET管Q8截止时的栅极放电回路，R40电阻值不能过大，会影响MOSFET关断时间。如图4所示，刮雨器电机停止制动时，中央控制单元(6)扫描输入控制电路(5)输入的停止信号后，进入停止制动模式。中央控制单元(6)通过R44，C43，隔离光耦G8，R47组成的刮臂复位位置检测电路，检测刮臂复位信号。R44为功率金属膜电阻。当检测到刮臂运行至复位位置时，停止刮雨器电机PWM控制信号输出，Q8截止，雨刮电机的感应电流由续流二极管D16续流释放能量。延时极短的时间后，中央控制单元(6)输出高电平制动信号， 通过光电耦合芯片G6输出，导通NMOS驱动三极管Q6，最后导通制动MOSFET管Q7，雨刮电机快速能耗制动。MOSFET管Q7选用IRFP460，极限工作电压500V，电流20A，RDS小于0. 27 欧姆。制动MOSFET管Q7栅源极接双向限压保护电路，双向限压保护电路为D13、D14 一对稳压管1N4744反向串联，防止MOSFET栅源极高压损坏。Q7漏源极接R35、C38组成的尖峰抑制与吸收电路，抑制MOSFET的峰值功率。为防止干扰尖峰信号意外触发驱动三极管Q6 导通，光耦G6两端并联滤波电容。高频二极管D15、D17保证Q7、Q8单向导通。如图3所示过流检测电路，通过与运行MOSFET管Q8源极串联连接的高精度无感功率电阻R42、R43，把电机运行电流转化为电压信号。R42、R43为精度的金属膜功率电阻。如图5所示，检测的电机电流转换的电压信号，通过运算放大器U3组成的比较器与基准电压比较后，通过光耦芯片G3输出至中央控制单元(6 )进行过流检测。基准电压由精密电阻R12、R13组成的分压电路提供。滤波电容C33进行硬件滤波，防止干扰信号误触发产生过流信号。中央控制单元(6)检测过流信号，进行软件滤波，确认电机确实过流后， 立刻停止PWM信号输出，电机停止运行。如图6所示，扫描输入控制电路(5)输出信号至中央控制单元(6)，中央控制单元 (6)输出低电平喷淋信号通过光电耦合G5，控制三极管Q4导通，驱动MOSFET管Q5带动喷淋电机工作。MOSFET管Q5选用IRF740，极限工作电压400V，电流10A，RDS小于0. 55欧姆。 Q5栅源极接限压保护电路，限压保护电路为D12为1N4744，防止MOSFET栅源极高压损坏。 Q5漏源极接R37、a9组成的尖峰抑制与吸收电路。喷淋电路由中央控制单元(6)控制为间断工作制，单次工作时间小于10秒，以保护喷淋电机不因长时间运行高温损坏。本发明主要采用脉宽调制方式控制雨刮电机进行低速、高速、间歇与停止的工作状态。主要应用高频高速光电耦合器件，高速MOS管驱动电路，尖峰吸收技术，减少场效应管动态响应时间，降低尖峰功率，极大地降低直流电机驱动MOSFET发热量与温升，提高电路驱动电流，延长场效应管使用寿命。直流电源延时断电开关电路(2)延时断开刮雨器系统电源，提供足够的时间使刮臂能够回到初始位置。刮雨器停止后，系统除开输入延时断电电路外，其他所有电路完全断电。本系统具有宽电源电压输入，结构简单，性能稳定，可靠性高的优点。应当指出，对于经过充分说明的本发明来说，还可以具有多种变换及改性的实施方案，并不局限于上述实施方式的具体实例。上述实例仅仅作为本发明的说明，而不是限制。总之，本发明的保护范围包括哪些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。
权利要求
1.一种脉宽调制的机车刮雨器控制系统，其特征在于包括直流电源延时断电开关电路，刮雨器直流电机PWM控制驱动电路，电机过流保护电路，刮雨器直流电机停止制动电路，喷淋电机控制驱动电路，单速直流雨刮电机，喷淋电机。
2.根据权利要求1所述的脉宽调制的机车刮雨器控制系统，其特征在于直流电源延时断电开关电路(2 )输入端连接机车1IOV直流电源过压、浪涌保护电路(1)，输出端连接共模信号抑制电路(3)，控制端连接输入控制电路(5)的停止电路，共模信号抑制电路(3)连接电源隔离转换电路(4)和雨刮电机(10)的正端。
3.根据权利要求1所述的脉宽调制的机车刮雨器控制系统，其特征在于刮雨器直流电机PWM控制驱动电路，中央控制单元(6 )输入扫描端口连接输入控制电路(5 )，中央控制单元(6 ) PWM输出端口连接PWM运行高频高速隔离电路(12 )输入端，PWM运行高频高速隔离电路(12 )输出端连接高速MOS管驱动电路(13 )输入端，高速MOS管驱动电路(13 )输出端连接运行MOSFET (14)栅极，运行MOSFET (14)漏极连接单速雨刮电机(10)负端，源极连接电机电流检测电路(15 )接电源负极。
4.根据权利要求3所述的脉宽调制的机车刮雨器控制系统，其特征在于运行MOSFET (14)栅源极连接双向限压保护电路，为一对稳压管反向串联；运行MOSFET (14)漏源极连接RC尖峰抑制与吸收电路。
5.根据权利要求3所述的脉宽调制的机车刮雨器控制系统，其特征在于高速MOS管驱动电路(13)输出端接限流耦合电阻和泄放电阻，限流耦合电阻另一端连接运行MOSFET (14)栅极，泄放电阻另一端接地。
6.根据权利要求1所述的脉宽调制的机车刮雨器控制系统，其特征在于电机过流保护电路，电机电流检测电路(15)连接运行MOSFET (14)和电机过流比较电路(16)，电机过流比较电路(16)输出端连接过流检测隔离电路(17)输入端，过流检测隔离电路(17)输出端连接中央控制单元(6)的过流检测端口，电流检测电路(15)为无感大功率精密电阻，电机过流比较电路(16 )为比较器电路。
7.根据权利要求1所述的脉宽调制的机车刮雨器控制系统，其特征在于刮雨器直流电机停止制动电路中央控制单元(6)制动输出端口连接制动隔离电路(7)输入端，制动隔离电路(7)输出端连接制动双极型MOS管驱动电路(8)输入端，制动双极型MOS管驱动电路(8)输出端连接制动MOSFET(9)的栅极，制动MOSFET (9)的漏极连接共模信号抑制电路 (3 )输出端，源极连接雨刮电机(10 )负极。
8.根据权利要求7所述的脉宽调制的机车刮雨器控制系统，其特征在于制动MOSFET(9)栅源极连接双向限压保护电路，为一对稳压管反向串联，漏源极连接RC尖峰抑制与吸收电路，雨刮电机(10)两端连接续流保护电路。
9.根据权利要求7所述的脉宽调制的机车刮雨器控制系统，其特征在于刮臂位置检测电路(18)检测直流电机(10)输出刮臂机构(11)的指定停止位置，刮臂位置检测电路 (18)连接位置检测隔离电路(19)输入端，位置检测隔离电路(19)输出端连接中央控制单元(6)位置检测端口。
10.根据权利要求1所述的脉宽调制的机车刮雨器控制系统，其特征在于喷淋电机控制驱动电路，中央控制单元(6)PWM喷淋端口连接喷淋隔离电路(20)输入端，喷淋隔离电路 (20 )输出端连接双极型MOS管驱动电路(21)，双极型MOS管驱动电路(21)连接喷淋MOSFET(22)栅极，漏极连接喷淋电机(23)负极，源极连接电源负极。
全文摘要
本发明公开一种脉宽调制的机车刮雨器控制系统，包括直流电源延时断电开关电路，刮雨器直流电机PWM控制驱动电路，电机过流保护电路，刮雨器直流电机停止制动电路，单速直流电机。中央控制单元通过PWM运行高频高速隔离电路、高速MOS管驱动电路连接运行MOSFET，控制单速雨刮电机慢速、快速、间歇刮刷运行。中央控制单元制动输出端口通过制动隔离电路、制动双极型MOS管驱动电路连接制动MOSFET，控制单速雨刮电机能耗制动与停止。单速电机消除双速电机由于力矩不对称造成滑环碳刷快速磨损的缺陷，PWM控制驱动电路降低直流电机驱动电路发热量与温升，系统延长电机与系统寿命，降低成本。
文档编号B60S1/08GK102490690SQ20111042171
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月16日 优先权日2011年12月16日
发明者刘小卫, 周葵申, 易吉良, 贺理, 高望力, 黄昌剑, 黄晓峰, 龙晓薇, 龙永红 申请人:湖南工业大学