一種新型礦用電機車pwm斬波調(diào)速控制器的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種新型礦用電機車PWM斬波調(diào)速控制器，包括單片機，所述單片機連接有供電電源和電機，所述單片機與所述供電電源之間設(shè)有LCD模塊和鍵盤，所述單片機與所述電機之間設(shè)有傳感器，所述電機連接有轉(zhuǎn)向開關(guān)，所述電機與所述轉(zhuǎn)向開關(guān)之間設(shè)有控制電路和IGBT控制模塊，所述控制電路分別與所述轉(zhuǎn)向開關(guān)和IGBT控制模塊相連，所述控制電路與所述單片機之間設(shè)有調(diào)速模塊，本實用新型采用新型H橋IGBT控制電路設(shè)計，既能調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速又能解決電機的換向問題，系統(tǒng)采用單片機控制，配合基于HCPL-316J的IGBT驅(qū)動電路，解決電路的各種保護功能，并且加入顯示模塊，能夠更好地保證電機車的安全可靠運行。
【專利說明】
一種新型礦用電機車PWM斬波調(diào)速控制器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及控制器領(lǐng)域，尤其涉及一種新型礦用電機車PffM斬波調(diào)速控制器。
【背景技術(shù)】
[0002]長期以來，蓄電池式礦用電機車采用的是串電阻調(diào)速控制技術(shù)，即在電機車啟動的過程中，通過在其定子繞組電路中的串聯(lián)電阻產(chǎn)生的電壓降，從而減少定子繞組的電壓，達到了減少啟動電流的目的。但是這種調(diào)速方式的優(yōu)點是維修、操作都相對比較簡單且容易上手，而且對環(huán)境的適應(yīng)能力也比較強，可以在惡劣的區(qū)域工作。其缺點是調(diào)速過程十分不平滑，啟動沖擊大、耗電量大，采用機械制動就會反應(yīng)遲緩、操作笨拙、機械磨損大、維修頻繁、維修費用高，并且對電力機車的轉(zhuǎn)軸齒輪與直流電機有較強的機械沖擊，并且它有大量的電能消耗在電阻上，進行發(fā)熱，浪費了寶貴的資源。
[0003]隨著電子器件的發(fā)展，特別是晶閘管的問世，人們開始研究用脈沖調(diào)速的方法來解決直流電機車的調(diào)速問題，也就是可控硅斬波器調(diào)速方法，即是利用晶閘管控制極觸發(fā)導(dǎo)通的特性組成直流斬波器來控制電機的啟動與調(diào)速。我們知道直流電動機可通過改變其端電壓實現(xiàn)調(diào)速。可控硅脈沖調(diào)速就是由直流斬波器改變加與電動機兩端的平均電壓實現(xiàn)調(diào)速的。脈沖調(diào)速的控制方式通常有三種:定頻調(diào)寬，定寬調(diào)頻和調(diào)頻調(diào)寬。定頻調(diào)寬是指直流斬波器的工作頻率恒定，主晶閘管每次導(dǎo)通的時間是可調(diào)的。定寬調(diào)頻是指直流斬波器主晶閘管每次導(dǎo)通的時間是恒定的，但工作頻率是可調(diào)的。調(diào)頻調(diào)寬是指直流斬波器的工作頻率和主晶閘管的導(dǎo)通時間都是可調(diào)的。當直流斬波器的工作頻率固定時，直流電動機端電壓的平均值隨主晶閘管的導(dǎo)通時間的加長與縮短而增、減；同樣，當導(dǎo)通時間恒定時，直流電動機端電壓的平均值與直流斬波器的工作頻率成正比。蓄電池電機車采用可控硅脈沖調(diào)速方式調(diào)速范圍能夠達到5%_90%。它和切換啟動電阻調(diào)速的電機車相比具有調(diào)速均勻、啟動牽引力大的特點。由于控制電機車的直流斬波器是無觸點的，從而減輕了日常維護工作。同時，脈沖調(diào)速比串電阻調(diào)速的啟動效率和調(diào)速效率也提高了 20%左右。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]鑒于目前現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本實用新型提供一種新型礦用電機車PWM斬波調(diào)速控制器，采用新型IGBT控制電路設(shè)計，既能調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速又能解決電機的換向問題。
[0005]為達到上述目的，本實用新型的采用如下技術(shù)方案:
[0006]—種新型礦用電機車PffM斬波調(diào)速控制器，包括單片機，所述單片機連接有供電電源和電機，所述單片機與所述供電電源之間設(shè)有LCD模塊和鍵盤，所述單片機與所述電機之間設(shè)有傳感器，所述電機連接有轉(zhuǎn)向開關(guān)，所述電機與所述轉(zhuǎn)向開關(guān)之間設(shè)有控制電路和IGBT控制模塊，所述控制電路分別與所述轉(zhuǎn)向開關(guān)和IGBT控制模塊相連，所述控制電路與所述單片機之間設(shè)有調(diào)速模塊。
[0007]作為本實用新型的優(yōu)選技術(shù)方案，所述傳感器包括霍爾電流傳感器和光電傳感器，所述霍爾電流傳感器、光電傳感器分別與所述電機和單片機相連。
[0008]作為本實用新型的優(yōu)選技術(shù)方案，所述控制電路為HCPL-316J控制電路。
[0009]作為本實用新型的優(yōu)選技術(shù)方案，還包括直流電源，所述直流電源與所述轉(zhuǎn)向開關(guān)相連。
[0010]作為本實用新型的優(yōu)選技術(shù)方案，所述IGBT控制模塊包括IGBT模塊、二極管、直流電機、勵磁繞組和直流電源，所述IGBT模塊分別與所述二極管、直流電機、勵磁繞組和直流電源相連，所述直流電源為19 2 V的直流電源。
[0011]作為本實用新型的優(yōu)選技術(shù)方案，所述IGBT模塊具有四組，分別為T1、T2、T3和T4，所述Tl與Τ2相連，Τ3與Τ4相連。
[0012]作為本實用新型的優(yōu)選技術(shù)方案，所述直流電機為串激式直流電機，所述串激式直流電機設(shè)有兩組分別為Ml和M2，所述Ml與M2相連。
[0013]作為本實用新型的優(yōu)選技術(shù)方案，所述勵磁繞組包括LI勵磁繞組和L2勵磁繞組，所述LI勵磁繞組與所述L2勵磁繞組并聯(lián)。
[0014]本實用新型涉及一種新型礦用電機車PffM斬波調(diào)速控制器，包括單片機，所述單片機連接有供電電源和電機，所述單片機與所述供電電源之間設(shè)有LCD模塊和鍵盤，所述單片機與所述電機之間設(shè)有傳感器，所述電機連接有轉(zhuǎn)向開關(guān)，所述電機與所述轉(zhuǎn)向開關(guān)之間設(shè)有控制電路和IGBT控制模塊，所述控制電路分別與所述轉(zhuǎn)向開關(guān)和IGBT控制模塊相連，所述控制電路與所述單片機之間設(shè)有調(diào)速模塊，本實用新型采用新型H橋IGBT控制電路設(shè)計，既能調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速又能解決電機的換向問題，系統(tǒng)采用單片機控制，配合基于HCPL-316J的IGBT驅(qū)動電路，解決電路的各種保護功能，并且加入顯示模塊，能夠更好地保證電機車的安全可靠運行。
【附圖說明】
[0015]為了更清楚地說明本實用新型實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0016]圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2為本實用新型中IGBT控制模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖3為本實用新型中驅(qū)動IGBT控制模塊的HCPL-316J控制電路的電路局部示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面將結(jié)合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├绢I(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0020]如圖1-圖3所示，本實用新型提供一種新型礦用電機車PWM斬波調(diào)速控制器，包括單片機I，單片機I連接有供電電源2和電機3，單片機I與供電電源2之間設(shè)有LCD模塊4和鍵盤5，單片機I與電機3之間設(shè)有傳感器，電機3連接有轉(zhuǎn)向開關(guān)6，電機3與轉(zhuǎn)向開關(guān)6之間設(shè)有控制電路和IGBT控制模塊7，控制電路分別與轉(zhuǎn)向開關(guān)6和IGBT控制模塊7相連，控制電路與單片機I之間設(shè)有調(diào)速模塊8，本實用新型采用新型H橋IGBT控制電路設(shè)計，既能調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速又能解決電機的換向問題，系統(tǒng)采用單片機控制，配合基于HCPL-316J的IGBT驅(qū)動電路，解決電路的各種保護功能，并且加入顯示模塊，能夠更好地保證電機車的安全可靠運行。
[0021]如圖1所示，本實用新型采用了閉環(huán)控制的調(diào)速系統(tǒng)和全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體晶體管IGBT為主要功率元件，使用微機電路控制HCPL-316J驅(qū)動光耦，從根本上解決了傳統(tǒng)的電阻調(diào)速和可控硅調(diào)速的各種缺陷，具有可靠性高、啟動力矩大、調(diào)速平穩(wěn)、模塊化設(shè)計、結(jié)構(gòu)新穎、操作簡單、節(jié)能、維修簡便、費用低等特點，具體為，采用PWM調(diào)速方式，通過改變IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷的時間比，即可改變電動機兩端電壓的平均值，從而達到調(diào)速的目的，大大減少了電能的損耗;采用斬波調(diào)速技術(shù)，啟動平穩(wěn)，啟動力矩大，采用無極調(diào)速方式，從啟動到全速均能平穩(wěn)過渡，有效保護了電機車的機械系統(tǒng)，而且牽引力大，大大提高了工作效率;采用以單片機為核心的控制系統(tǒng)和基于HCPL-316J的IGBT驅(qū)動電路，大大簡化了IGBT及系統(tǒng)的過壓、過流和欠壓保護電路。采用H橋電路設(shè)計，既能調(diào)速又能換向，簡化了傳統(tǒng)的機械式開關(guān)換向機構(gòu);采用霍爾電流傳感器和光電傳感器，將電機3運行時的電流和轉(zhuǎn)速通過單片機I實時顯示在LCD屏幕(IXD模塊4)上面，從而更好地了解機車的運行狀況，在機車出現(xiàn)故障時能及時檢修，大大減小了維修量。
[0022]在本實施例中，采用PffM斬波調(diào)速技術(shù)，在很大程度上解決了電阻調(diào)速和可控硅調(diào)速的缺陷，且PWM斬波調(diào)速與電阻調(diào)速相比具有更好的節(jié)能效果。IGBT模塊采用極低導(dǎo)通壓降的IGBT功率元件，再配合具體的優(yōu)化電路，可比傳統(tǒng)的電阻調(diào)速節(jié)能30%以上。
[0023]在本實施例中，傳感器包括霍爾電流傳感器9和光電傳感器10，霍爾電流傳感器9、光電傳感器10分別與電機3和單片機I相連;采用霍爾電流傳感器和光電傳感器檢測電機電流和轉(zhuǎn)速經(jīng)單片機顯示在IXD上面，并通過PffM信號經(jīng)HCPL-316J對IGBT模塊進行控制，能對各IGBT功率元件的導(dǎo)通比進行有效控制，可將導(dǎo)通比控制在5%至95%，有效提高機車運行速度及其工作效率。另外，該種結(jié)構(gòu)采用霍爾電流傳感器控制驅(qū)動電路電源的接通和機車轉(zhuǎn)速，提高了機車的安全性與穩(wěn)定性;采用單片機中的定時器產(chǎn)生可控的HVM波，通過按鍵改變PffM占空比，控制直流電動機的轉(zhuǎn)速。
[0024]在本實施例中，控制電路為!《^-316對空制電路11。
[0025]在本實施例中，還包括直流電源，所述直流電源與轉(zhuǎn)向開關(guān)6相連，直流電源，用于控制電機車換向的換向開關(guān)、用于驅(qū)動IGBT的HCPL-316 J控制電路、用于控制礦用電機車的電機換向和調(diào)速的IGBT模塊、用于檢測所述電機電流大小的霍爾電流傳感器、用于測量所述電機轉(zhuǎn)速的光電傳感器、用于控制系統(tǒng)調(diào)速和顯示模塊的單片機、顯示模塊、單片機的控制輸入鍵盤模塊，模塊供電電源。
[0026]在本實施例中，IGBT控制模塊7包括IGBT模塊、二極管、直流電機、勵磁繞組和直流電源(192V)，所述IGBT模塊分別與所述二極管、直流電機、勵磁繞組和直流電源相連，進一步，IGBT模塊具有四組，分別為Tl、T2、T3和T4，所述Tl與Τ2相連，Τ3與Τ4相連，直流電機為串激式直流電機，所述串激式直流電機設(shè)有兩組分別為Ml和M2，所述Ml與M2相連;采用H橋控制電路(包括4個IGBT和兩個“串激式”直流電機)解決電機車的換向問題，通過控制相應(yīng)對角線上IGBT的導(dǎo)通，進而實現(xiàn)電機車的前進與后退，與傳統(tǒng)的手拉式開關(guān)相比，采用IGBT換向在很大程度上簡化了換向模塊，減少了機械開關(guān)帶來的損耗。圖2所示為所述電機的1681'控制模塊，1'1、了2、了3、了4為1681'，￥01、￥02、￥03、￥04、01為續(xù)流二極管，]\11、]\12為串激式直流電機，L1、L2為對應(yīng)電機的勵磁繞組，U為直流電源(192V)。當控制TI和T3導(dǎo)通時，電機車正傳；當控制T2和T4導(dǎo)通時，電機車反轉(zhuǎn)。
[0027]在本實施例中，勵磁繞組包括LI勵磁繞組和L2勵磁繞組，所述LI勵磁繞組與所述L2勵磁繞組并聯(lián)。
[0028]在本實施例中，圖3所示為驅(qū)動IGBT的HCPL-316J控制電路(此圖只畫出其中一條對角線上的IGBT驅(qū)動電路，另外兩個驅(qū)動電路跟此圖一樣)，換向開關(guān)為左上角S，接通電源后，驅(qū)動相應(yīng)IGBT的光耦開始工作，電機開始轉(zhuǎn)動。HCPL-316J是一款簡單易用的智能型IGBT驅(qū)動光耦，集成了 VCE飽和壓降檢測，欠壓鎖定，軟關(guān)斷以及隔離故障反饋，并且此光耦與單片機相連接構(gòu)成反饋電路，進一步保證電路的正常運行，所以此驅(qū)動光耦的應(yīng)用大大簡化了所需的保護電路。
[0029]本實用新型的電機車調(diào)速控制器的工作原理如下:
[0030](I)合上開關(guān)，主電源接通，電路開始工作。
[0031](2)操作換向開關(guān)(圖3左上角開關(guān)S) “向前”或“向后”，電路接通;換向手柄有三個檔位切換，“O”位為斷開狀態(tài)；“向前”時，驅(qū)動Tl和T3的光耦接通電源；“向后”時，驅(qū)動T2和T4的光耦接通電源;從而改變電機的旋轉(zhuǎn)方向，實現(xiàn)電機車前進、后退和停車。
[0032](3)手動控制電機車的加速和減速。在控制單片機的外接鍵盤上設(shè)置兩個按鍵——直流電動機加速和直流電動機減速鍵。在手動狀態(tài)下，每按一次鍵，電動機的轉(zhuǎn)速按照約定的速率改變。本調(diào)速系統(tǒng)采用IGBT高壓大功率開關(guān)器件，其開關(guān)頻率高；當柵極施加+ 15V電壓時器件導(dǎo)通，導(dǎo)通時壓降為2V左右，當柵極施加-15至OV電壓時器件關(guān)斷；由于IGBT工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通關(guān)斷時損耗很小，所以調(diào)速狀態(tài)下節(jié)能效果顯著，可以保證99%以下的電能用于電機；當IGBT導(dǎo)通時，電機電流線性上升；當IGBT關(guān)斷時，電流線性下降；由于開關(guān)頻率高(2KHz )，實際機車的電流等效為直流電流，通過IGBT的導(dǎo)通、關(guān)斷時間比值(即調(diào)節(jié)占空比a = Ton/T)，即可改變電機兩端的電壓平均值，從而改變電機的轉(zhuǎn)速、實現(xiàn)機車調(diào)速目的；電路的各種保護功能如軟啟動、欠壓、過壓、恒流、短路保護等亦能通過調(diào)節(jié)IGBT的導(dǎo)通、關(guān)斷時間的比值來實現(xiàn)。
[0033](4)在電機車運行過程中，通過霍爾電流傳感器和光電傳感器經(jīng)單片機把電機運行時的電流和轉(zhuǎn)速實時顯示出來，并且能有效控制電機車的速度，LCD顯示系統(tǒng)使用1602液晶屏幕，這個系統(tǒng)是在以高精度和實時性相協(xié)調(diào)為原則的基礎(chǔ)上設(shè)計的。電機轉(zhuǎn)速是通過光電傳感器檢測產(chǎn)生觸發(fā)脈沖經(jīng)過觸發(fā)器分頻觸發(fā)單片機中斷計數(shù)，經(jīng)定時計數(shù)得到標準計數(shù)值，由單片機對數(shù)據(jù)的計算、處理，建立了時間和脈沖的關(guān)系式，得到每分中電機的轉(zhuǎn)速。將轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速作差得到偏差量，再由PID進行調(diào)節(jié)，使轉(zhuǎn)速趨近給定轉(zhuǎn)速實現(xiàn)控制。
[0034]綜上所述，本實用新型涉及一種新型礦用電機車PWM斬波調(diào)速控制器，包括單片機，所述單片機連接有供電電源和電機，所述單片機與所述供電電源之間設(shè)有LCD模塊和鍵盤，所述單片機與所述電機之間設(shè)有傳感器，所述電機連接有轉(zhuǎn)向開關(guān)，所述電機與所述轉(zhuǎn)向開關(guān)之間設(shè)有控制電路和IGBT控制模塊，所述控制電路分別與所述轉(zhuǎn)向開關(guān)和IGBT控制模塊相連，所述控制電路與所述單片機之間設(shè)有調(diào)速模塊，本實用新型采用新型H橋IGBT控制電路設(shè)計，既能調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速又能解決電機的換向問題，系統(tǒng)采用單片機控制，配合基于HCPL-316J的IGBT驅(qū)動電路，解決電路的各種保護功能，并且加入顯示模塊，能夠更好地保證電機車的安全可靠運行。
[0035]以上所述，僅為本實用新型的【具體實施方式】，但本實用新型的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的技術(shù)人員在本實用新型公開的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。因此，本實用新型的保護范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護范圍為準。
【主權(quán)項】
1.一種新型礦用電機車PWM斬波調(diào)速控制器，其特征在于，包括單片機，所述單片機連接有供電電源和電機，所述單片機與所述供電電源之間設(shè)有LCD模塊和鍵盤，所述單片機與所述電機之間設(shè)有傳感器，所述電機連接有轉(zhuǎn)向開關(guān)，所述電機與所述轉(zhuǎn)向開關(guān)之間設(shè)有控制電路和IGBT控制模塊，所述控制電路分別與所述轉(zhuǎn)向開關(guān)和IGBT控制模塊相連，所述控制電路與所述單片機之間設(shè)有調(diào)速模塊。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型礦用電機車HVM斬波調(diào)速控制器，其特征在于:所述傳感器包括霍爾電流傳感器和光電傳感器，所述霍爾電流傳感器、光電傳感器分別與所述電機和單片機相連。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型礦用電機車HVM斬波調(diào)速控制器，其特征在于:所述控制電路為HCPL-316 J控制電路。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型礦用電機車HVM斬波調(diào)速控制器，其特征在于:還包括直流電源，所述直流電源與所述轉(zhuǎn)向開關(guān)相連。5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一所述的一種新型礦用電機車PWM斬波調(diào)速控制器，其特征在于:所述IGBT控制模塊包括IGBT模塊、二極管、直流電機、勵磁繞組和直流電源，所述IGBT模塊分別與所述二極管、直流電機、勵磁繞組和直流電源相連，所述直流電源為192V的直流電源。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種新型礦用電機車HVM斬波調(diào)速控制器，其特征在于:所述IGBT模塊具有四組，分別為Tl、T2、T3和T4，所述Tl與T2相連，T3與T4相連。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種新型礦用電機車HVM斬波調(diào)速控制器，其特征在于:所述直流電機為串激式直流電機，所述串激式直流電機設(shè)有兩組分別為Ml和M2，所述Ml與M2相連。8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種新型礦用電機車HVM斬波調(diào)速控制器，其特征在于:所述勵磁繞組包括LI勵磁繞組和L2勵磁繞組，所述LI勵磁繞組與所述L2勵磁繞組并聯(lián)。
【文檔編號】H02P7/29GK205545039SQ201620097575
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年2月1日
【發(fā)明人】蔡華, 高軍偉, 趙正偉, 李彥鑫, 蔡中, 王丹東, 高偉偉, 谷摧摧, 夏文靜
【申請人】河南理工大學(xué)