一种用于控制直流电机的固态功率控制器及方法与流程

本技术涉及固态功率控制器，特别是涉及一种用于控制直流电机的固态功率控制器及方法。

背景技术：

1、随着智能化、多/全电技术的发展，电机作为核心动作执行单元的作用日趋重大。传统的采用继电器等机械开关器件来实现电机控制的方式因体积、重量、寿命和可靠性等因素的限制，已经不适合电机智能化、集成化、高可靠性控制的要求。

2、在直流电机正反转控制及保护领域，典型的有两种控制保护方案：

3、1)继电器互锁方式；采用这种方式，由于继电器有寿命次数限制和机械触点易造成瞬间拉弧，其可靠性低且故障率高；

4、2)plc+驱动模块方式：采用梯形图编程语言模拟继电器、接触器结合驱动模块，虽然解决了寿命低、拉弧的问题，但由于plc的体系结构是封闭的，各plc厂家的硬件体系互不兼容，编程语言及指令系统也各异，研发成本较高，并存在体积大、功耗大等缺陷。

5、而且，以上两种方案，无状态信息、故障信息检测和短路保护功能，不便于电机运行状态的有效上报和监控，无法满足电机运行的智能化、集成化、模块化和低功耗的发展需求。

技术实现思路

1、基于此，针对上述技术问题，提供一种用于控制直流电机的固态功率控制器及方法，以便于电机运行状态的有效上报和监控，能够满足电机运行的智能化、集成化、模块化和低功耗的发展需求。

2、第一方面，一种用于控制直流电机的固态功率控制器，所述控制器包括：

3、控制模块、第一驱动模块、第二驱动模块、第三驱动模块和第四驱动模块；

4、所述第一驱动模块的输入端和所述第二驱动模块的输入端分别与外部电源连接，所述第一驱动模块的输出端与直流电机的正极连接，所述第二驱动模块的输出端与所述直流电机的负极连接；所述第三驱动模块的输入端与所述直流电机的正极连接，所述第四驱动模块的输入端与所述直流电机的负极连接，所述第三驱动模块的输出端和所述第四驱动模块的输出端分别接地；

5、所述第一驱动模块的控制端、所述第二驱动模块的控制端、所述第三驱动模块的控制端和所述第四驱动模块的控制端分别与所述的控制端连接；

6、其中，通过所述控制模块分别控制所述第一驱动模块、所述第二驱动模块、所述第三驱动模块和所述第四驱动模块，以对所述直流电机进行驱动、对所述直流电机的工作电流进行检测、对所述直流电机进行短路保护、对所述直流电机进行差动保护、对所述直流电机进行过载保护，或者对所述直流电机的转速进行调节。

7、上述方案中，可选地，所述第一驱动模块和所述第二驱动模块的结构相同；

8、所述第一驱动模块包括第一功率开关、第一驱动单元、第一电流检测单元、第一短路保护单元和第一电流变送器；

9、所述第一功率开关的第一端与所述外部电源连接，所述第一功率开关的第二端与所述第一电流变送器的第一端连接，所述第一功率开关的控制端与所述第一驱动单元的第一端连接；

10、所述第一驱动单元的第二端与所述控制模块连接；

11、所述第一电流检测单元的第一端与所述控制模块连接，所述第一电流检测单元的第二端与所述第一电流变送器的第一端连接，所述第一电流检测单元的第三端与所述第一电流变送器的第二端连接，

12、所述第一短路保护单元的第一端与所述控制模块连接，所述第一短路保护单元的第二端与所述第一电流变送器的第一端连接，所述第一短路保护单元的第三端与所述第一电流变送器的第二端连接，所述第一短路保护单元的第四端与所述第一驱动单元的第二端连接；

13、所述第一电流变送器的第二端与所述直流电机的正极连接；

14、所述第二驱动模块包括第二功率开关、第二驱动单元、第二电流检测单元、第二短路保护单元和第二电流变送器；

15、所述第二功率开关的第一端与所述外部电源连接，所述第二功率开关的第二端与所述第二电流变送器的第一端连接，所述第二功率开关的控制端与所述第二驱动单元的第一端连接；

16、所述第二驱动单元的第二端与所述控制模块连接；

17、所述第二电流检测单元的第一端与所述控制模块连接，所述第二电流检测单元的第二端与所述第二电流变送器的第一端连接，所述第二电流检测单元的第三端与所述第二电流变送器的第二端连接，

18、所述第二短路保护单元的第一端与所述控制模块连接，所述第二短路保护单元的第二端与所述第二电流变送器的第一端连接，所述第二短路保护单元的第三端与所述第二电流变送器的第二端连接，所述第二短路保护单元的第四端与所述第二驱动单元的第二端连接；

19、所述第二电流变送器的第二端与所述直流电机的负极连接。

20、上述方案中，进一步可选地，所述第三驱动模块和所述第四驱动模块的结构与所述第一驱动模块的结构相同；

21、所述第三驱动模块包括第三功率开关、第三驱动单元、第三电流检测单元、第三短路保护单元和第三电流变送器；

22、所述第三功率开关的第一端与所述直流电机的正极连接，所述第三功率开关的第二端与所述第三电流变送器的第一端连接，所述第三功率开关的控制端与所述第三驱动单元的第一端连接；

23、所述第三驱动单元的第二端与所述控制模块连接；

24、所述第三电流检测单元的第一端与所述控制模块连接，所述第三电流检测单元的第二端与所述第三电流变送器的第一端连接，所述第三电流检测单元的第三端与所述第三电流变送器的第二端连接，

25、所述第三短路保护单元的第一端与所述控制模块连接，所述第三短路保护单元的第二端与所述第三电流变送器的第一端连接，所述第三短路保护单元的第三端与所述第三电流变送器的第二端连接，所述第三短路保护单元的第四端与所述第三驱动单元的第二端连接；

26、所述第三电流变送器的第二端接地；

27、所述第四驱动模块包括第四功率开关、第四驱动单元、第四电流检测单元、第四短路保护单元和第四电流变送器；

28、所述第四功率开关的第一端与所述直流电机的负极连接，所述第四功率开关的第二端与所述第四电流变送器的第一端连接，所述第四功率开关的控制端与所述第四驱动单元的第一端连接；

29、所述第四驱动单元的第二端与所述控制模块连接；

30、所述第四电流检测单元的第一端与所述控制模块连接，所述第四电流检测单元的第二端与所述第四电流变送器的第一端连接，所述第四电流检测单元的第三端与所述第四电流变送器的第二端连接，

31、所述第四短路保护单元的第一端与所述控制模块连接，所述第四短路保护单元的第二端与所述第四电流变送器的第一端连接，所述第四短路保护单元的第三端与所述第四电流变送器的第二端连接，所述第四短路保护单元的第四端与所述第四驱动单元的第二端连接；

32、所述第四电流变送器的第二端接地。

33、上述方案中，进一步可选地，所述第三驱动模块和所述第四驱动模块的结构相同；

34、所述第三驱动模块包括第三功率开关和第三驱动单元；

35、所述第三功率开关的第一端与所述直流电机的正极连接，所述第三功率开关的第二端接地，所述第三功率开关的控制端与所述第三驱动单元的第一端连接，所述第三驱动单元的第二端与所述控制模块连接；

36、所述第四驱动模块包括第四功率开关和第四驱动单元；

37、所述第四功率开关的第一端与所述直流电机的负极连接，所述第四功率开关的第二端接地，所述第四功率开关的控制端与所述第四驱动单元的第一端连接，所述第四驱动单元的第二端与所述控制模块连接。

38、上述方案中，进一步可选地，所述控制模块包括第一通信接口和第二通信接口，所述第一通信接口和所述第二通信接口互为冗余；

39、其中，所述第一通信接口和所述第二通信接口均用于连接外部设备，以实现所述控制模块与所述外部设备之间的数据传输。

40、第二方面，一种用于控制直流电机的固态功率控制器控制方法，所述方法包括：

41、所述的固态功率控制器对直流电机进行控制的方法，其特征在于，该方法包括：

42、接收用户的第一输入；

43、响应于所述第一输入，控制第一驱动模块和第四驱动模分别导通，同时，控制第二驱动模块和第三驱动模分别断开，以控制直流电机正转；

44、接收用户的第二输入；

45、响应于所述第二输入，控制所述第一驱动模块和所述第四驱动模分别断开，同时，控制所述第二驱动模块和所述第三驱动模分别导通，以控制直流电机反转。

46、上述方案中，可选的，所述方法还包括：

47、在所述直流电机正转的情况下，按照第一预设方式对所述直流电机进行过载保护；

48、在所述直流电机反转的情况下，按照第二预设方式对所述直流电机进行过载保护；

49、其中，所述按照第一预设方式对所述直流电机进行过载保护，包括：

50、控制所述第一驱动模块对所述直流电机进行过载保护；或者，

51、控制所述第四驱动模块对所述直流电机进行过载保护；或者；

52、控制所述第一驱动模块和所述第四驱动模块同时对所述直流电机进行过载保护；

53、所述按照第二预设方式对所述直流电机进行过载保护，包括

54、控制所述第二驱动模块对所述直流电机进行过载保护；或者，

55、控制所述第三驱动模块对所述直流电机进行过载保护；或者；

56、控制所述第二驱动模块和所述第三驱动模块同时对所述直流电机进行过载保护。

57、上述方案中，进一步可选的，所述方法还包括：

58、在所述直流电机正转的情况下，按照第三预设方式对所述直流电机进行短路保护；

59、在所述直流电机反转的情况下，按照第四预设方式对所述直流电机进行短路保护；

60、其中，所述按照第三预设方式对所述直流电机进行短路保护，包括：

61、控制所述第一驱动模块对所述直流电机进行短路保护；或者，

62、控制所述第四驱动模块对所述直流电机进行短路保护；或者；

63、控制所述第一驱动模块和所述第四驱动模块同时对所述直流电机进行短路保护；

64、所述按照第四预设方式对所述直流电机进行短路保护，包括

65、控制所述第二驱动模块对所述直流电机进行短路保护；或者，

66、控制所述第三驱动模块对所述直流电机进行短路保护；或者；

67、控制所述第二驱动模块和所述第三驱动模块同时对所述直流电机进行短路保护。

68、上述方案中，进一步可选的，所述方法还包括：

69、接收用户的第三输入；

70、在所述直流电机正转的情况下，响应于所述第三输入，按照第五预设方式对所述直流电机的转速进行调节；

71、在所述直流电机反转的情况下，响应于所述第三输入，按照第六预设方式对所述直流电机的转速进行调节；

72、其中，所述按照第五预设方式对所述直流电机的转速进行调节，包括：

73、控制所述第一驱动模块对所述直流电机的转速进行调节；或者，

74、控制所述第四驱动模块对所述直流电机的转速进行调节；或者；

75、控制所述第一驱动模块和所述第四驱动模块同时对所述直流电机的转速进行调节；

76、所述按照第六预设方式对所述直流电机的转速进行调节，包括

77、控制所述第二驱动模块对所述直流电机的转速进行调节；或者，

78、控制所述第三驱动模块对所述直流电机的转速进行调节；或者；

79、控制所述第二驱动模块和所述第三驱动模块同时对所述直流电机的转速进行调节。

80、上述方案中，进一步可选的，所述方法还包括：

81、在所述直流电机正转的情况下，控制所述第一驱动模块和所述第四驱动模块检测所述直流电机的第一电流流入值和第一电流流出值；

82、根据所述第一电流流入值和所述第一电流流出值，确定所述第一电流差值；

83、根据所述第一电流差值，对所述直流电机进行差动保护；

84、在所述直流电机反转的情况下，控制所述第二驱动模块和所述第三驱动模块检测所述直流电机的第二电流流入值和第二电流流出值；

85、根据所述第二电流流入值和所述第二电流流出值，确定所述第二电流差值；

86、根据所述第二电流差值，对所述直流电机进行差动保护。

87、本发明至少具有以下有益效果：

88、本发明基于对现有技术问题的进一步分析和研究，认识到现有控制保护方案无状态信息、故障信息检测和短路保护功能，不便于电机运行状态的有效上报和监控，无法满足电机运行的智能化、集成化、模块化和低功耗的发展需求。本发明提供了一种可靠性高、体积小、功耗低、控制精确的数字化直流电机正反转控制、差动保护、转速调节，过载保护、短路保护的固态功率控制器。一种可用于直流电机综合控制的固态功率控制器及方法，集成了控制器模块数字总线控制技术及半导体技术，其采用功率管作为控制开关，由光耦、电阻等分立元器件搭建驱动电路，控制器模块内置特定算法完成反时限特性曲线可实现直流电机的过载保护、短路保护。通过双余度总线实现数据传输，具有可靠性高、安全性强。本发明还通过采用全数字的电路及控制策略，标准化的固态功率控制器组件，实现对电机的正反转控制，借用固态功率控制器独有的特性，实现电机正反转控制的同时，能够对电机的运行工况进行实时监控，其智能化、集成化、模块化程度更高，而且具有较好的维护性。