CN107968618A - 一种大功率控制驱动器的保护装置及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于控制驱动器应用技术领域，具体涉及一种大功率控制驱动器的保护装置及控制系统。本发明中，柜体内部顶层安装有安装板，驱动模块安装在安装板左侧，驱动模块右侧安装有控制模块和继电器，继电器位于控制模块下端，控制模块外安装有金属屏蔽罩；安装板下安装有泄放电阻和断路器，泄放电阻和断路器通过横梁结构固定在柜体上；柜体外壁上安装有风扇组件和控制信号连接器，控制信号连接器通过线缆与控制模块相连。本发明有效地对母线电流和母线电压进行控制，减少母线电压波动对控制驱动器带来的影响，进一步提高控制驱动器运行的可靠性。

Description

一种大功率控制驱动器的保护装置及控制系统

技术领域

本发明属于控制驱动器应用技术领域，具体涉及一种大功率控制驱动器的保护装置及控制系统。

背景技术

控制驱动器长时运行于大功率场合，其可靠性的保护措施尤为重要。在控制驱动器中，一般会考虑母线过压与相电流过流、驱动故障等保护措施，当检测到此类故障信号后，比较常用的方法是关闭功率管、停止输出或者通过泄放回路泄放一部分能量以保证控制驱动器的安全，其泄放电路一般由一个大功率IGBT和泄放电阻组成。当电压检测电路检测到泵升电压后，接通IGBT，使得泄放电阻与直流电压直接相连，利用电阻将多余能量消耗掉，从而阻止直流母线电压升高，保护控制驱动器的安全。这种方式原理简单易于实现，但由于泄放电阻阻值固定，泄放能力随着阻值的确定而确定，泄放能力不能根据系统需求进行灵活变化，通常都是一拉到底，泄放方式单一，在某些工况频繁随机变化且不同的工作状况有着不同制动要求的场合，单一的泄放能力很难满足系统的需求。而且传统的这种泄放电路由于缺乏相应的保护机制，常常会因为某些突发因素出现开关管击穿和电阻熔断的情况，造成泄放电路可靠性不高，从而影响控制器的系统性能。

除上述问题外，母线电压的短时间波动会造成母线电流的突然变化，影响大功率控制驱动器长期运行，现有技术中的控制驱动器很少关注这一点。

发明内容

本发明解决的技术问题：提供一种大功率控制驱动器的保护装置及控制系统，通过控制场效应管的门极电压可以有效地对母线电流和母线电压进行控制，减少母线电压波动对控制驱动器带来的影响，进一步提高控制驱动器运行的可靠性。

本发明采用的技术方案：

一种大功率控制驱动器的保护装置，包括驱动模块、继电器、泄放电阻、金属屏蔽罩、控制模块、安装板、断路器、风扇组件、柜体、控制信号连接器；柜体内部顶层安装有安装板，驱动模块安装在安装板左侧，驱动模块右侧安装有控制模块和继电器，继电器位于控制模块下端，控制模块外安装有金属屏蔽罩；安装板下安装有泄放电阻和断路器，泄放电阻和断路器通过横梁结构固定在柜体上；柜体外壁上安装有风扇组件和控制信号连接器，控制信号连接器通过线缆与控制模块相连。

通过控制信号连接器不仅可以将控制驱动器的运行状态传输给保护装置，也可以将保护装置的控制状态传输给控制驱动器，同时控制驱动器可以通过该接口对保护装置进行控制。

一种大功率控制驱动器的控制系统，包括检测单元、逻辑状态控制单元、故障保持单元、控制驱动器状态检测单元及功率处理单元；检测单元由检测电路构成，逻辑比较单元由比较电路构成，逻辑控制单元主要由逻辑电路组成，功率处理单元包括隔离驱动电路及MOSFET功率实现回路。

所述MOSFET功率实现回路原理为：CTR1与CTR4两个控制信号控制着大功率场效应管Q1的导通情况；利用MOSFET的输出特性，通过门极电压控制MOSFET的输出电流，抑制母线电流，达到泄放能量控制的目的；通过改变CTR4的电压调节场效应管Q1的输出电流从而达到可以调整泄放速度与泄放能量的作用；场效应管Q2与CTR2组成的支路与Q1功能完全一致，起到分流的作用，通过调节CTR5的电压调节Q2的泄放能力；为保证泄放的高可靠性，加入大功率泄放电阻组成第三条泄放回路，通过三条支路的泄放回路，增强了电路的泄放能力，也提高了系统的可靠性。

控制过程包括如下步骤：

一、保护装置与控制驱动器进行连接，其主要有控制信号和动力信号连接，控制信号中主要包含CAN总线信号和控制器I/O状态输出信号；

二、启动保护装置，待其自检成功后，运行保护装置，首先检测控制驱动器状态，其状态正常时，闭合CTR6启动控制驱动器，运行控制驱动器程序驱动电机，否则传输故障字，运行状态自检；

三、在控制驱动器运行过程中，若由于电机减速制动引起短时能量回灌使得母线电压达到电压阈值，则闭合CTR1，保护装置通过调节CTR4的电压幅值调节场效应管Q1的输出电流，从而达到调整泄放速度与泄放能量的作用；若反灌能量太大，母线电流达到设定阈值1，闭合CTR1、2，通过调节CTR4和CTR5大幅度调整保护装置泄放能量，若母线电流达到设定阈值2或温度达到设计阈值，断开CTR6，闭合CTR3快速泄放母线电容上能量；

四、若在控制驱动器运行过程中母线电压出现波动，母线电流突然变大，可以通过打开CTR1，调节CTR4通过Q1进行母线电流限流，若母线电流过大，使得Q1温度达到温度阈值则打开CTR2，调节CTR4和CTR5通过Q1和Q2对母线电流进行限制；在运行过程中若Q1、Q2温度已达到温度阈值，断开CTR6，闭合CTR3快速泄放母线电容上能量，对保护装置起到保护作用；

五、控制驱动器驱动电机完成试验后，控制CTR6关闭保护装置，闭合CTR3快速泄放母线电容上能量，关闭控制驱动器。

本发明的有益效果：

(1)本发明提供一种大功率控制驱动器的保护装置及控制系统，通过控制场效应管的门极电压可以有效地对母线电流和母线电压进行控制，提高控制驱动器的可靠性；

(2)本发明提供一种大功率控制驱动器的保护装置及控制系统，能够控制系统的泄放能量与泄放速度，可以应用于复杂工况对泄放速度有特殊要求的场合；

(3)本发明提供一种大功率控制驱动器的保护装置及控制系统，能够同时对多个控制驱动器进行保护，在提高整体系统可靠性的同时，节约硬件成本；

(4)本发明提供一种大功率控制驱动器的保护装置及控制系统，采用冗余设计，同时采用两个相互独立的泄放回路进行母线电流控制，并用三条泄放回路以提高系统的可靠性；

(5)本发明提供一种大功率控制驱动器的保护装置及控制系统，通过控制信号连接器，可以将控制驱动器的运行状态传输给保护装置，进行控制驱动器的逻辑保护，进一步提高控制驱动器的可靠性。

附图说明

图1为本发明提供一种大功率控制驱动器的保护装置内部结构图；

图2为保护装置外部结构图；

图3为保护装置原理框图；

图4为MOSFET功率回路实现框图；

图5为保护装置同时对多台控制驱动器保护连接框图；

图6为保护装置工作流程图；

图中：1-驱动模块、2-继电器、3-泄放电阻、4-金属屏蔽罩、5-控制模块、6-安装板、7-断路器、8-风扇组件、9-柜体、10-控制信号连接器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种大功率控制驱动器的保护装置及控制系统作进一步详细说明。

本发明提供的一种大功率控制驱动器的保护装置，包括驱动模块1、继电器2、泄放电阻3、金属屏蔽罩4、控制模块5、安装板6、断路器7、风扇组件8、柜体9、控制信号连接器10；

如图1所示，柜体9内部顶层安装有安装板6，驱动模块1安装在安装板6左侧，驱动模块1右侧安装有控制模块5和继电器2，继电器2位于控制模块5下端，控制模块5外安装有金属屏蔽罩4；各个零件均通过螺栓连接；

安装板6下安装有泄放电阻3和断路器7，泄放电阻3和断路器7通过横梁结构固定在柜体9上；

如图2所示，柜体9外壁上安装有风扇组件8和控制信号连接器10，控制信号连接器10通过线缆与控制模块5相连，通过控制信号连接器10不仅可以将控制驱动器的运行状态传输给保护装置，也可以将保护装置的控制状态传输给控制驱动器，同时控制驱动器可以通过该接口对保护装置进行控制。

如图3所示，一种大功率控制驱动器的保护装置及控制系统主要由检测单元、逻辑状态控制单元、故障保持单元、控制驱动器状态检测单元及功率处理单元组成。检测单元由检测电路构成，逻辑比较单元由比较电路构成，逻辑控制单元主要由逻辑电路组成，功率处理单元由隔离驱动电路及MOSFET功率实现回路组成。本发明的工作原理为：通过检测单元对母线的电压电流以及功率回路的温度进行检测，检测后的信号通过逻辑比较单元进行比较，比较后的信号输入到逻辑控制单元中进行判断，最终通过控制功率处理单元来起到对控制驱动器的保护作用。

MOSFET功率实现回路为本专利的创新点，原理如图4所示，CTR1与CTR4两个控制信号控制着大功率场效应管Q1的导通情况。利用MOSFET的输出特性，通过门极电压控制MOSFET的输出电流，抑制母线电流，达到泄放能量控制的目的。通过改变CTR4的电压调节场效应管Q1的输出电流从而达到可以调整泄放速度与泄放能量的作用。场效应管Q2与CTR2组成的支路与Q1功能完全一致，起到分流的作用，通过调节CTR5的电压调节Q2的泄放能力。为保证泄放的高可靠性，加入大功率泄放电阻组成第三条泄放回路，通过三条支路的泄放回路，增强了电路的泄放能力，也提高了系统的可靠性。

由于保护对象为直流母线，本发明装置还可以进行结构变形，可以同时对n台控制驱动器进行保护，保护的连接关系如图5所示，保护装置的动力电输入端与电源相连，输出端与控制驱动器相连，除动力线外，保护装置与控制驱动器之间还有通讯线缆连接，通过控制信号连接器10进行连接。

如图6所示，本发明提供的一种大功率控制驱动器工作过程，包括如下步骤：

1.将保护装置按照图3所示与控制驱动器进行连接，其主要有控制信号和动力信号连接，控制信号中主要包含CAN总线信号和控制器I/O状态输出信号；

2.启动保护装置，待其自检成功后，运行保护装置，其保护装置保护算法流程图如图5所示，首先检测控制驱动器状态，其状态正常时，闭合CTR6启动控制驱动器，运行控制驱动器程序驱动电机，否则传输故障字，运行状态自检。

3.在控制驱动器运行过程中，若由于电机减速制动引起短时能量回灌使得母线电压达到电压阈值，则闭合CTR1，保护装置通过调节CTR4的电压幅值调节场效应管Q1的输出电流，从而达到调整泄放速度与泄放能量的作用。若反灌能量太大，母线电流达到设定阈值1，闭合CTR1、2，通过调节CTR4和CTR5大幅度调整保护装置泄放能量，若母线电流达到设定阈值2或温度达到设计阈值，断开CTR6，闭合CTR3快速泄放母线电容上能量。

4.若在控制驱动器运行过程中母线电压出现波动，母线电流突然变大，可以通过打开CTR1，调节CTR4通过Q1进行母线电流限流，若母线电流过大，使得Q1温度达到温度阈值则打开CTR2，调节CTR4和CTR5通过Q1和Q2对母线电流进行限制。在运行过程中若Q1、Q2温度已达到温度阈值，断开CTR6，闭合CTR3快速泄放母线电容上能量，对保护装置起到保护作用。

5.控制驱动器驱动电机完成试验后，控制CTR6关闭保护装置，闭合CTR3快速泄放母线电容上能量，关闭控制驱动器。

Claims (5)

1.一种大功率控制驱动器的保护装置，其特征在于：包括驱动模块(1)、继电器(2)、泄放电阻(3)、金属屏蔽罩(4)、控制模块(5)、安装板(6)、断路器(7)、风扇组件(8)、柜体(9)、控制信号连接器(10)；柜体(9)内部顶层安装有安装板(6)，驱动模块(1)安装在安装板(6)左侧，驱动模块(1)右侧安装有控制模块(5)和继电器(2)，继电器(2)位于控制模块(5)下端，控制模块(5)外安装有金属屏蔽罩(4)；安装板(6)下安装有泄放电阻(3)和断路器(7)，泄放电阻(3)和断路器(7)通过横梁结构固定在柜体(9)上；柜体(9)外壁上安装有风扇组件(8)和控制信号连接器(10)，控制信号连接器(10)通过线缆与控制模块(5)相连。

2.根据权利要求1所述的一种大功率控制驱动器的保护装置，其特征在于：通过控制信号连接器(10)不仅可以将控制驱动器的运行状态传输给保护装置，也可以将保护装置的控制状态传输给控制驱动器，同时控制驱动器可以通过该接口对保护装置进行控制。

3.一种大功率控制驱动器的控制系统，其特征在于：包括检测单元、逻辑状态控制单元、故障保持单元、控制驱动器状态检测单元及功率处理单元；检测单元由检测电路构成，逻辑比较单元由比较电路构成，逻辑控制单元主要由逻辑电路组成，功率处理单元包括隔离驱动电路及MOSFET功率实现回路。

4.根据权利要求3所述的一种大功率控制驱动器的控制系统，其特征在于：所述MOSFET功率实现回路原理为：CTR1与CTR4两个控制信号控制着大功率场效应管Q1的导通情况；利用MOSFET的输出特性，通过门极电压控制MOSFET的输出电流，抑制母线电流，达到泄放能量控制的目的；通过改变CTR4的电压调节场效应管Q1的输出电流从而达到可以调整泄放速度与泄放能量的作用；场效应管Q2与CTR2组成的支路与Q1功能完全一致，起到分流的作用，通过调节CTR5的电压调节Q2的泄放能力；为保证泄放的高可靠性，加入大功率泄放电阻组成第三条泄放回路，通过三条支路的泄放回路，增强了电路的泄放能力，也提高了系统的可靠性。

5.根据权利要求3所述的一种大功率控制驱动器的控制系统，其特征在于：控制过程包括如下步骤：

一、保护装置与控制驱动器进行连接，其主要有控制信号和动力信号连接，控制信号中主要包含CAN总线信号和控制器I/O状态输出信号；

二、启动保护装置，待其自检成功后，运行保护装置，首先检测控制驱动器状态，其状态正常时，闭合CTR6启动控制驱动器，运行控制驱动器程序驱动电机，否则传输故障字，运行状态自检；

三、在控制驱动器运行过程中，若由于电机减速制动引起短时能量回灌使得母线电压达到电压阈值，则闭合CTR1，保护装置通过调节CTR4的电压幅值调节场效应管Q1的输出电流，从而达到调整泄放速度与泄放能量的作用；若反灌能量太大，母线电流达到设定阈值1，闭合CTR1、2，通过调节CTR4和CTR5大幅度调整保护装置泄放能量，若母线电流达到设定阈值2或温度达到设计阈值，断开CTR6，闭合CTR3快速泄放母线电容上能量；

四、若在控制驱动器运行过程中母线电压出现波动，母线电流突然变大，可以通过打开CTR1，调节CTR4通过Q1进行母线电流限流，若母线电流过大，使得Q1温度达到温度阈值则打开CTR2，调节CTR4和CTR5通过Q1和Q2对母线电流进行限制；在运行过程中若Q1、Q2温度已达到温度阈值，断开CTR6，闭合CTR3快速泄放母线电容上能量，对保护装置起到保护作用；

五、控制驱动器驱动电机完成试验后，控制CTR6关闭保护装置，闭合CTR3快速泄放母线电容上能量，关闭控制驱动器。