铁路轴端发电机电压控制器电路的制作方法

本发明涉及机车供电技术领域，具体的，涉及一种铁路轴端发电机电压控制器电路。

背景技术：

随着中国电子商务的迅猛发展，人们对物流运输时效性要求越来越高，铁路货车为了扩大运输能力，提高运输时效，会在现有的基础上进行全面提速，现在的铁路货车只有火车头有电，后面的拼装车厢是没有电的，配有储气罐，采用压缩空气制动。不易调节，容易造成抱死，火车车轮与铁轨之间干摩擦，车轮的损耗特别大，也不适应于高速运行。铁路货车提速后需要采用abs防抱死制动系统，这就需要每节车厢有电源提供，由于货车车厢经常需要编组拼装，从火车头引线出来提供电源就不安全也不方便。所以每节车厢装上蓄电池来提供电源，用于abs防抱死制动系统，以及轴承监测系统和照明。但蓄电池存储的电量有限，无法满足长途运输的需求，若满足运输需求而增加蓄电池的容量，则会极大增加成本，且占地面积大，影响每节车厢的载货量。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种铁路轴端发电机电压控制电路，将车轮轴端发电机发出的三相交流电，经发电机电压控制器整流，稳压，然后给蓄电池充电，发电机电压控制器具有输入限流功能，可更好的保护发电机。输出带过流保护，欠压保护，过压保护，短路保护，短路保护带间歇性自恢复，提供了更好的电池保护与输出保护。

本发明的技术方案是：一种铁路轴端发电机电压控制器电路，包括连接发电机输出的整流滤波电路、与整流滤波电路相连的稳压充电电路、与稳压充电电路连接的蓄电池接口、与蓄电流接口相连的放电电路以及与放电电路连接的负载接口。

进一步地，整流滤波电路为不可控整流电路，稳压充电电路为buck电路。

更进一步地，整流滤波电路与稳压充电电路之间还设有与整流滤波电路输出相连的输入电流采样电路，所述输入电流采样电路的输出与稳压充电电路连接。

再进一步地，稳压充电电路与蓄电池之间串联充电电流采样电路。

还进一步地，放电电路与负载之间串联放电电流采样电路。

进一步地，整流滤波电路与稳压充电电路中还设有输入电压检测电路与充电电压检测电路；稳压充电电路与蓄电池中还设有温度采样电路。

更进一步地，电压检测单元电路、电流采样电路以及温度采样单元电路的输出还与mcu芯片相连。

再进一步地，mcu芯片还与显示电路以及外部通讯电路相连。

还进一步地，蓄电池充放电电路的开关器件由mcu芯片进行控制。

进一步地，mcu芯片为单片机，单片机周边电路为最小系统。

本发明与现有技术相比具有如下特点：

1)使用ac->dc->dc的buck结构，工作稳定可靠。

2)电流、电压算法若使用自主设计的硬件运算方式，可纳秒级别响应，远远高于单片机的ad采样微秒级别响应。输出电压纹波最低可低至50mv，电流纹波最低可低至100ma。反馈误差低至1mv，使用进口电压基准，极低的温漂与极高的精度（5ppm），远远高于单片机ad的精度和稳定性。

3)硬件加软件补偿功率器件恒温控制算法，可有效保护功率器件。可稳定工作于更高的温度范围。

4)更低的启动电压要求，最低输入直流电压可低至24vdc，更高的dc电压承受范围，可承受高至200v的直流脉冲。

5)mos和二极管采用全新进口器件，并预留2倍的余量，使用隔离型mos驱动，智能化mos驱动管理，即时采集mos管状况，可保障更稳定的工况。电感使用定制的高频电感，可保障更好的emi和功率保障。

6)主控使用st的32位mcu，主频运算高达72mhz，可更加快速计算电池充电模式，通信解析等。严格按照电池充电管理曲线进行温度补偿，并智能化管理电池，根据电池状态即时调整充电电流与电压，可最大限度提高电池寿命，更快充电速度。

7)输出带过流保护，欠压保护，过压保护，短路保护，短路保护带间歇性自恢复，提供了更好的电池保护与输出保护。

8）使用工业标准的modbus通信协议，使用ad公司的隔离型485通信芯片，更广的适应性，更高的抗干扰与稳定性。

以下结合附图和具体实施方式对本发明的详细结构作进一步描述。

附图说明

图1为实施例1的铁路轴端发电机电压控制器的电路框图；

图2为实施例1中整流滤波与输入电流采样电路；

图3为实施例1中稳压充电及其驱动电路；

图4为实施例1中的充电电流采样电路；

图5为实施例1中蓄电池放电电路；

图6为实施例1的mcu最小系统；

图7为实施例1的测温电路；

图8为实施例1的rs485通讯电路；

图9为实施例1的人机交互电路；

图10为实施例1的对外控制接口；

图11为实施例1的控制电源电路；

图12为实施例1的驱动电源电路。

具体实施方式

实施例1

提供一种铁路轴端发电机电压控制器电路功能多，原理图复杂，便于阅读与理解，本实施例以功能结构为单位进行说明，各功能单位的连接示意图如图1所示。主要包括主电路、控制电路以及电源电路三部分，主电路是电能从发电机至蓄电池最后至负载流通的路径，控制电路控制主电路的工作进程与状态以及相关的人机交互，电源电路为主电路与控制电路的有源器件提供电源，保证整个系统能够正常运行；

主电路包括与发电机输出端相连的整流滤波电路、与整流滤波电路相连的输入电流采样电路、与输入电流采样电路相连的输入电压检测电路、与输入电压检测电路相连的稳压充电电路、与稳压充电电路相连的输出电流采样电路、与输出电流采样电路相连的充电电压检测电路、与充电电压检测电路相连的充电电流采样电路、与充电电流采样电路相连的蓄电池接口，与蓄电池接口相连的放电电路、与放电电路相连的放电电流采样电路，以及与放电电流相连的负载接口；此外分别与稳压充电电路与蓄电池相连接的测温电路，以及与稳压充电电路相连的驱动电路。

控制电路包括对各电压、电流以及温度采样信号进行采样测量的mcu及其最小系统，与mcu相连的外部通讯电路，与mcu相连的显示电路，与mcu相连的测温电路，以及与mcu相连的对外控制接口。

电源电路包括由各类dc/dc电源芯片、ldo组成的各级电源电压电路，包括为主电路与控制电路中各类芯片提供合适的控制电源电路，以及为稳压充电电路功率管驱动器供电的驱动电源电路。

整流滤波及输入电流采样、输入电压检测电路如图2所示，其中整流桥输入与轴端发电机的输出接口相连，通过整流桥之后，轴端发电机的交流电转换成直流电，再通过熔体f1进行过流保护，熔体之后连接输入电流采样芯片u1，之后再经过滤波电容c1、c2、c3平滑整流后的脉动波形，滤完之后的直流电压通过电阻分压的方式检测其电压值。

具体地，整流桥采用不可控整流桥，输入电流采样芯片u1输出的电流信号通过电阻转换成电压信号，经rc滤波之后的输入电流采样信号tin送至mcu，输入电压采样在小电阻入并联可电容滤除电压尖峰及其它干扰之后，经rc滤波之后的输入采样信号adc_in7送至mcu。

更具体地，不可控整流桥采用microsemi型号为3gbj3508的玻璃钝化三相不可控桥式整流器，其正向压降低、通流能力强、浪涌电流能力高，可靠性高；不可控整流桥输出滤波之后的电压为400v直流电；熔体采用20a/600v的规格；电流采样芯片采用allegro型号为acs758的电流放大芯片。滤波电容c2、c3、c4采用高频高温长寿命的进口电容，保障更好的纹波和emi，滤波电容c2、c3、c4之后还接有电阻r7及tvs管d3，可有效避免整流电路空载时输出电压抬升，以及断电时充当电容的放电电阻，避免可能的接触触电风险。

稳压充电及其驱动电路如图3所示，稳压充电电路采用buck结构，将前级整流之后的400v直流电压降为稳定的28v直流电压，供蓄电池充电；buck电路之后连接输出电流采样芯片u2，输出电流采样信号经电容c11滤波之后送至mcu进行处理。

具体地，buck电路的功率器件采用mos管并联的方式，提升电路的通流能力。mos管q1与q2门极信号直接并联，进一步降低驱动信号的差异性；buck电路的续流二极管采用两个双端口二极管d4、d13并联，提升电路的通流能力；驱动电路采用智能型驱动芯片；mos管与续流二极管两端均并联的rc吸收电路，有效吸收电压尖峰，保护半导体器件。输出端并联电阻r9、r10、电容c7以及tvs管d10与d11,电阻与tvs管可有效避免整流电路空载时输出电压抬升，以及断电时充当电容的放电电阻，避免可能的接触触电风险，电容c7可吸收buck电路输出电压中的高频纹波，控制电路根据采样到输出电流可实现过流及短路保护功能，防止buck电路中功率管的误导通而损坏电路。

更具体地，型号为auirfp4409的mos管，以及型号为mur3060ptg的二极管均为全新进口器件，并预留2倍的余量。选用隔离型mos驱动，智能化mos驱动管理，即时采集mos管状况，可保障更稳定的工况；电感l1使用定制的高频电感，可保障更好的emi和功率保障。

蓄电池的充电电流采样电路如图4所示，buck电路的输出电压通过二极管d1、d2之后进行滤波稳压，然后通过充电电流采样电路对蓄电池的充电电流进行采样，同时采用电阻分压的方式检测充电电压，再通过电容c5滤波之后直接接至电池进行充电。

具体地，二极管d1、d2为防逆流二极管，避免前级电压较低时，电流反向放电，r6为放电电阻。

蓄电池的放电电路如图5所示，与电池正极相连的mos管q8可控制电池的放电深度，与mos管相连的电流采样芯片u15采样电池放电电流，经rc滤波之后送至mcu，电流采样芯片u15的输出直接连接负载接口。

具体的，mos管q8的驱动通过三极管q10、q9进行两级放大。负载接口侧还接有发光二极管，作为电池放电的状态显示。控制电路根据电池电压、放电电流进行计算及逻辑判断并控制放电电路的工作状态，实现对电池的过流、过放及欠压保护；

控制电路中的核心为mcu及其最小系统，具体如图6所示；mcu通过对主电路中的各电压、电流及温度采样信号进行分析、计算，实现对主电路的控制及各类逻辑保护；

具体地，mcu使用st的型号为stm320f100c4的32位cpu，主频运算高达72mhz，可更加快速计算电池充电模式，通信解析等；

稳压充电电路中mos管及蓄电池的测温电路如图7所示；

具体地，mcu根据蓄电池的温度，严格按照电池充电管理曲线进行温度补偿，并智能化管理电池，根据电池状态即时调整充电电流与电压，可最大限度提高电池寿命，更快充电速度。硬件加软件补偿功率器件恒温控制算法，可有效保护功率器件，可稳定工作于更高的温度范围。

对外通信电路如图8所示；对外通信采用rs485将电路的各项实时数据及逻辑状态发送给上位机，并接收上位机的相关指令对电路进行控制。

具体地，对外通信使用工业标准的modbus通信协议，使用ad公司的隔离型485通信芯片，更广的适应性，更高的抗干扰与稳定性。

人机交互电路如图9所示，包括对外指示接口电路以及状态显示电路；

具体地，对外指示接口电路不仅通过四个发光二极管显示mcu的逻辑处理结果，还通过接口插座将该状态传输给外界电路；状态显示电路通过三个发光二极管显示电路自身的运行状态；

对外控制接口如图10所示，它连接着上一级核心计算模块；

具体地，buck电路mos管的脉冲计算通过上一级的核心计算模块进行控制，通过采样电池充电电压、buck电路输出电流、功率板温度以及输入电流信号，计算mos管q1、q2的脉冲信号，并将其发送到驱动芯片u4。

控制电源电路如图11所示，控制电源电路有两处取电点，(1)从整流滤波电路的整流桥输出处取电，通过电源芯片u5之后，将前级高电降至15v，并通过滤波、稳压二极管将vcc电压稳定在15v。（2）从蓄电池处取电，通过ldo芯片将24v转为15v电压；两处15v电源通过二极管d26与d35并联在一起，构成整个系统的15v电源vcd；3.3v电源vdd通过ldo芯片u8由15v电源转成；3.0v模拟电源vdda由vdd通过高精度基准电压芯片u11电源产生；

驱动电源电路如图12所示，驱动电源从buck电路的输出处vcd取电，通过ldo芯片u6转成15v电源vcc，经滤波与熔体过流保护之后，再通过15v隔离电源芯片u7产生15v的隔离驱动电源vbb与vee，其中vee为驱动电源负极；隔离电源芯片u9为其冗余备份芯片。

本发明不局限于上述的具体结构或连接方式，只要是具有与本发明思路基本相同或结构、连接方式基本相同就落在本发明的保护范围之内。