CN114006285A - 插屉式水冷电控柜组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种插屉式水冷电控柜组件，包括：箱体，箱体具有容纳空间和开关门；驱动单元，驱动单元安装在容纳空间内；控制单元，控制单元安装在容纳空间内并与驱动单元相隔离，水冷单元，水冷单元设置在容纳空间内，驱动单元与水冷单元相邻设置以对驱动单元进行换热。箱体的容纳空间中有隔板，隔板竖直固定连接在容纳空间内，将容纳空间分隔为前容纳空间和后容纳空间，驱动单位位于后容纳空间，控制单元位于前容纳空间水冷单元。隔板和箱体通过铸造一体成型。本发明的技术方案有效地解决了现有技术中电控柜组件的电磁兼容性、维护性和抗振动力差的问题。

Description

插屉式水冷电控柜组件

技术领域

本发明涉及电控柜的技术领域，具体而言，涉及一种插屉式水冷电控柜组件。

背景技术

在大功率伺服机构上，电机运行过程中存在逆变过程，将会产生严重的电磁干扰，直接影响伺服设备可靠性。在大功率电机运行过程中主要产生的问题如下：1、使用电压高达640V，本身的电压波动就会比较大；2、负载电流可达100安培甚至几百安培，向空间辐射的能量也非常大；3、逆变过程的频率范围宽，几十KHZ到几百KHZ的干扰难消除，导致自身功率线路的传导干扰大，同时对控制电路部分的电源及周边设备产生强烈的干扰。4、控制电路以及功率电路振动量级放大明显，在振动试验中容易造成元器件损坏。

现有技术控制部分和驱动部分在一起，通过柜内连接器把不同控制信号连接在一块转接板上。内部线缆比较复杂，电磁兼容性、维护性、抗振动能力较差。

发明内容

本发明提供了一种插屉式水冷电控柜组件，解决了现有技术中电控柜组件的电磁兼容性、维护性和抗振动能力差的问题。

根据本发明提供了一种插屉式水冷电控柜组件，包括：箱体，箱体具有容纳空间和开关门；驱动单元，驱动单元安装在容纳空间内；控制单元，控制单元安装在容纳空间内并与驱动单元相隔离，水冷单元，水冷单元设置在容纳空间内，驱动单元与水冷单元相邻设置以对驱动单元进行换热。箱体的容纳空间中有隔板，隔板竖直固定连接在容纳空间内，将容纳空间分隔为前容纳空间和后容纳空间，驱动单位位于后容纳空间，控制单元位于前容纳空间水冷单元。隔板和箱体通过铸造一体成型。

进一步地，控制单元包括CAN总线接口电路、MCU处理器电路、功率驱动电路、电源变换电路、旋转变压器解码电路、信号处理电路、CPLD 电流保护电路、电磁阀控制电路、模拟控制输入电路，驱动器工作时，接收控制指令，驱动伺服电机泵，采集静音油源各传感器信号及数据，运行闭环控制算法，控制油源按控制系统指令及运行模式工作。

进一步地，控制单元内置于密闭箱体内，同时配置本地控制功能及显示单元，形成模块化的控制单元，方便调试与试验。

进一步地，MCU处理电路包括：与中控台通信；与控制柜显示仪表通信；通过片上AD采集电机相电流信号、母线电压、油面、油温或电机温度、低压压力、压差信号、模拟指令信号、IGBT温度和24V供电电压；同时采集电机旋转变压器、机电作动器位移传感器信号对作动器做出精确控制。

进一步地，控制单元采用三余度CAN总线操控，CAN总线通讯接口电路实现外扩CAN总线功能，负责控制单元和操控台的遥测数据传输。

进一步地，控制单元根据采集的压力信号实时调节电机转速以实现压力的闭环控制，提高了压力控制精度，并减少了压力脉动，由于流量与负载实时匹配，在系统流量小时，电机泵转速减小，大大降低了泵源噪声。

进一步地，驱动单元接收640V的供电，并接收控制单元传来的PWM 波，对IGBT进行控制；驱动电机负载转到预定的转速；生成电机状态信息(电流、电压)，反馈给控制单元；驱动单元通过螺栓安装在电控柜内的水冷板上，驱动单元与水冷板之间须装有导热垫以减少热阻。

进一步地，通过三个单相桥IGBT实现三相桥电机驱动，每个IGBT 上有一块驱动电路板用于开关IGBT，驱动电路板通过外扩柔性板的方式和驱动单元内部的转接板相连接，转接板上有滤波器来实现把控制部分和驱动部分的24V供电隔离开，转接板直接安装在驱动单元壳体上。

进一步地，驱动单元中选用800uF的薄膜电容直接并联到三个IGBT 的供电端，大容量薄膜电容加上直连这种无串联电感的连接方法，吸收电路的主要作用为抑制负载波动时母线电压的剧烈波动，驱动单元选取高比容聚丙烯薄膜电容，按照最大功率时，母线电压波动5％，计算母线电容最小值应为：

Cmin为最小电容值，P为电机最大功率，f为PWM的控制频率， U为母线电压值

Cmin＝P/(8fU²*2.5％)

三个IGBT贴着驱动单元的底部壳体连接，同时壳体底部通过导热垫直接连接到水冷板。

进一步地，电控柜组件控制电机泵为液压用户及负载提供压力油源，同时对油液的温度，液位，压力等状态进行检测，主要包括：电控柜体、 2个驱动单元、2个控制单元、1个阀制单元、3个电源转换模块、三合一模块、延时软启模块、二极管、水冷板以及显示单元。

进一步地，箱体的容纳空间中有隔板，隔板竖直固定连接在容纳空间内，将容纳空间分隔为前容纳空间和后容纳空间，驱动单位位于后容纳空间，控制单元位于前容纳空间水冷单元。隔板和箱体通过铸造一体成型。控制单元用的24V供电与功率单元的640V供电电气上进行隔离。

进一步地，控制单元，驱动单元以及柜体都做了专门的减振以及防止振动量级放大的设计。

应用本发明的技术方案，控制单元和驱动单元在容纳空间内空间上隔离并且电气上隔离，这样会大大的减小控制单元和驱动单元之间的互相影响，提高了电控柜组件的电磁兼容性，水冷单元对驱动单元进行换热这样提高了驱动单元的换热效率。本发明的技术方案有效地解决了现有技术中电控柜组件的电磁兼容性、维护性和保障性差的问题。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：

图1示出了本实施例的电控柜组件的正面的内部结构示意图；

图2示出了图1的电控柜组件的背面的内部结构示意图；

图3示出了图1的电控柜组件的电动伺服泵控单元的电路原理示意图；

图4示出了图1的控制单元的结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位旋转90度或处于其他方位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

现在，将参照附图更详细地描述根据本公开的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。

如图1至图4所示，本实施例的插屉式水冷电控柜组件包括：箱体、驱动单元、控制单元和水冷单元。箱体具有容纳空间和开关门。驱动单元安装在容纳空间内。控制单元安装在容纳空间内并与驱动单元从空间到电气上完全相互隔离。水冷单元设置在容纳空间内，驱动单元与水冷单元相邻设置以对驱动单元进行换热。

应用本实施例的技术方案，控制单元安装在容纳空间内并与驱动单元从空间到电气上完全相互隔离，这样会大大的减小控制单元和驱动单元之间的互相影响，提高了电控柜组件的电磁兼容性，水冷单元6对驱动单元进行换热这样提高了驱动单元的换热效率。本实施例的技术方案有效地解决了现有技术中电控柜组件的电磁兼容性、维护性和抗振动能力差的问题。

如图2所示，驱动部分腔体由驱动单元5和水冷板(水冷单元)组成。本例中IGBT安装在驱动模块内，采用水冷散热模式可以确保设备连续、稳定的长期工作。驱动单元通过硅脂导热垫紧贴水冷板上降低热阻提高散热效率。驱动器采用金属壳体密封，有效抑制对外电噪声泄漏，并抑制外部噪声干扰；在设计控制驱动器外壳时，上盖与底座之间留有沟槽以便放置导电气密胶条，各对外连接器与壳体接触面间均安装有导电橡胶垫，从而保证电磁屏蔽性能。

如图1所示，控制腔体主要组成部分为控制箱和各种外部电缆。控制部分腔体和驱动部分腔体相互独立，通过电控柜的柜体进行屏蔽。控制箱插屉式设计，根据不同的控制需求可以插接不同的控制模块。本例中控制单元有三个控制模块，分别为第一控制模块1、第二控制模块2、阀控模块3。三个控制模块插接在控制箱4底部的母板上。控制箱底部有两个连接器与驱动单元对插，把控制信号传递到驱动单元中并采集驱动单元的电流、电压数据。

整个电控柜控制部分和驱动部分(驱动单元)分别通过金属壳体密封、并且分布在两个不同的腔体中，通过电控柜的柜体进行屏蔽。极大的提高了电磁兼容性。

如图3所示，电动伺服泵控单元工作原理图，控制设备通过CAN通信与电控柜进行通信，给电控柜供给350V～640V功率电压。把功率电压通过电压变换模块变出24V控制电压供给控制单元和阀控模块3。控制单元采集电机电流、旋变、电动伺服泵压力等信号进行闭环运算，把电机控制信号发给驱动单元。驱动单元接到控制单元发送的电机控制信号对直流功率电压进行逆变，驱动电机从而维持电动伺服泵的运转给整个泵控单元提供能源。控制设备通过CAN通信采集负载位移情况，通过阀控模块控制阀块从而控制三路负载的位移。

控制单元具有以下功能：CAN总线接口电路、MCU处理器电路、功率驱动电路、电源变换电路、旋转变压器解码电路、信号处理电路、CPLD 电流保护电路、电磁阀控制电路、模拟控制输入电路等。驱动器工作时，接收控制指令，驱动伺服电机泵，采集静音油源各传感器信号及数据，运行闭环控制算法，控制油源按控制系统指令及运行模式工作。控制单元内置于密闭箱体内，同时配置本地控制功能及显示单元，形成模块化的控制单元，方便调试与试验。

MCU处理电路为整个控制驱动器的组成核心，其主要功能有：与中控台通信；与控制柜显示仪表通信；通过片上AD采集电机相电流信号(4 路)、母线电压(1路)、油面(2路)、油温/电机温度(1路)、低压压力(2路)、压差信号(1路)、模拟指令信号(2路)、IGBT温度(1路)、24V供电电压(2路)共16路；同时采集电机旋转变压器、机电作动器位移传感器信号对作动器做出精确控制。

控制单元采用三余度CAN总线操控，CAN总线通讯接口电路实现外扩CAN总线功能，负责控制单元和操控台的遥测数据传输。共有三路CAN 总线接口电路。

控制单元根据采集的压力信号实时调节电机转速以实现压力的闭环控制，提高了压力控制精度，并减少了压力脉动，由于流量与负载实时匹配，在系统流量小时，电机泵转速减小，大大降低了泵源噪声。

1)控制板置于上盖板71和下盖板72之间，并由盖板四面侧边夹紧。通过金属面夹紧抑制印制板四边的振动量级放大

2)下盖板底面设置三个支撑柱，对印制板重量集中区域做支撑，减少大质量元器件的振动响应。

3)上盖板底面设置凸起结构，与控制板73上的电源模块、滤波器等发热器件通过导热绝缘垫紧贴，一方面便于器件散热，另一方面进一步抑制器件的振动响应。

4)控制单元两侧设置可调节式锁紧条74。当控制单元7插入箱体后，通过调节锁紧条，将控制单元外壳与箱体夹紧。再通过螺钉将控制单元前侧与箱体锁紧，进一步加固连接。通过上述方式，增强了控制单元与箱体的刚性连接，进一步抑制控制单元的振动量级放大。同时，控制单元壳体两侧边沿与箱体夹紧，为控制单元内的发热器件提供了良好的散热路径，将热量传导至整个箱体，降低了发热器件温升。

驱动单元：接收640V的供电；接收控制单元传来的PWM波，对IGBT 进行控制；驱动电机负载转到预定的转速；生成电机状态信息(电流、电压)，反馈给控制单元；驱动单元通过螺栓安装在电控柜内的水冷板上，驱动单元与水冷板之间须装有导热垫以减少热阻；

通过三个单相桥IGBT实现三相桥电机驱动。每个IGBT上有一块驱动电路板用于开关IGBT。选用单相桥IGBT比起三相桥IGBT能够减小单块驱动电路板的面积以及重量。这可以减小电路板上的振动量级放大以及减小IGBT管腿的受力。驱动电路板通过外扩柔性板的方式和驱动单元内部的转接板相连接，转接板上有滤波器来实现把控制部分和驱动部分的24V供电隔离开。转接板直接安装在驱动单元壳体上。这种设计在保障了电磁兼容性的同时进一步减小了驱动板的重量。驱动单元中选用800uF的薄膜电容直接并联到三个IGBT的供电端，大容量薄膜电容加上直连这种无串联电感的连接方法。实现了减小母线电压波动的作用。吸收电路的主要作用为抑制负载波动时母线电压的剧烈波动，驱动单元选取高比容聚丙烯薄膜电容。按照最大功率时，母线电压波动5％，计算母线电容最小值应为：

Cmin为最小电容值，P为电机最大功率，f为PWM的控制频率，U 为母线电压值

Cmin＝P/(8fU²*2.5％)

三个IGBT贴着驱动单元的底部壳体连接，同时壳体底部通过导热垫直接连接到水冷板。散热设计保障了对30KW的电机长时间工作的散热需求。

水冷板：用于对驱动单元工作过程中产生的热量进行冷却。水冷接口位于柜体背部、有一个进水口、一个出水口。散热方式采用淡水冷却方式。

控制箱：用于实现各个控制模块的插拔替换、提供插屉式的接口并且通过连接器和驱动单元进行插接。主要由箱体、2个控制模块、1个阀控模块、母板组成。

电控柜：电控柜是伺服系统的重要组成部分，控制电机泵为液压用户及负载提供压力油源，同时对油液的温度，液位，压力等状态进行检测。主要包括：电控柜体、2个驱动模块、2个控制模块、1个阀制模块、3个电源转换模块(DC 350～640V转24V，10A)、三合一模块(软启、滤波、抗浪涌)、延时软启模块、二极管、水冷板、以及显示单元(含参数显示及报警功能)。

柜门的电磁屏蔽：

柜门安装1个数码管显示表及5个指示灯。正面由屏蔽玻璃遮挡，后方罩屏蔽罩。

屏蔽玻璃内部夹层含金属丝网，金属丝网向玻璃外四周延伸10mm，在金属丝网上涂抹导电胶，由金属压框压紧屏蔽玻璃和金属丝网，形成第一层屏蔽。同时在柜门外测屏蔽玻璃与柜门的搭接处，会有缝隙，装配时使用橡胶垫填充，保证密封。

显示设备安装在屏蔽罩内，屏蔽罩与柜门之间夹装导电密封垫，形成第二层屏蔽。

柜门与柜体翻口通过压紧导电橡胶条达到密封和屏蔽的效果。在柜门与柜体翻边之间通过压紧梳形弹簧片第二层屏蔽。

1)采用屏蔽方法降低对外辐射，抑制外部干扰。伺服控制驱动器采用金属壳体密封，有效抑制对外电噪声泄漏，并抑制外部噪声干扰；

伺服控制驱动器与系统采用CAN总线通讯，接口芯片具有隔离功能，抑制相互干扰。

2)伺服控制驱动器信号线和电源线采用双绞线，如旋转变压器的信号线、压差反馈信号等。采用屏蔽电缆抑制共模辐射。电路的输入电缆被屏蔽起来，屏蔽层按照规范进行连接，可以起到屏蔽电磁场的作用。保证电缆屏蔽性能的关键是保持屏蔽的连续性，进行360°端接，以保证高频的屏蔽效能。

3)对于报警灯、液晶触摸屏和数码显示管，采用屏蔽玻璃罩进行屏蔽。

电控柜柜体的减振设计：

机柜(箱体)采用铝合金铸造成型技术，机柜主体一体成型。对机柜侧壁四边进行了加厚处理，机柜六个面内腔都设计有加强筋进行结构增强。柜内布局将电源调理模块、电源模块等质量较大的模块，参照电流走向，分别布置在机柜左右两侧，将控制器、水冷板布局在机柜背部，电容组件等布置在机柜顶部。尽量平均分配机柜各个侧面的承重。避免重量过于集中。

控制驱动器的驱动单元用八根M6螺钉钢性固定在了电控柜的侧壁上。控制单元印制板摒弃传统的螺纹柱的固定方式，采用双边夹紧的方法，并在质量密集处额外添加固定螺纹柱，大大提高结构强度，有效的避免了印制板支撑刚度过低造成的振动量级放大问题。采用了控制和驱动分布式设计，降低了单个单元的重量，避免了叠层式结构中，控制板的振动量级放大问题。

柜体底部设置隔振器，隔振器在规定的振动量级下无共振放大，并可在冲击、碰撞、摇摆、恒加速度、声振等中综合学环境下对电控系统进行有效的保护。背部隔振器为非承载型隔振器，其主要功能是在载体转弯、摇摆、或急剧变速的情况下，提供隔振和缓冲保护。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种插屉式水冷电控柜组件，其特征在于，包括：

箱体，所述箱体具有容纳空间和开关门；

驱动单元，所述驱动单元安装在所述容纳空间内；

控制单元，所述控制单元安装在所述容纳空间内并与所述驱动单元至少部分地相隔离；

水冷单元，所述水冷单元设置在所述容纳空间内，所述驱动单元与所述水冷单元相邻设置以对所述驱动单元进行换热。

2.根据权利要求1所述的插屉式水冷电控柜组件，其特征在于，所述控制单元包括CAN总线接口电路、MCU处理器电路、功率驱动电路、电源变换电路、旋转变压器解码电路、信号处理电路、CPLD电流保护电路、电磁阀控制电路、模拟控制输入电路，驱动器工作时，接收控制指令，驱动伺服电机泵，采集静音油源各传感器信号及数据，运行闭环控制算法，控制油源按控制系统指令及运行模式工作。

3.根据权利要求2所述的插屉式水冷电控柜组件，其特征在于，控制单元内置于密闭箱体内，同时配置本地控制功能及显示单元，形成模块化的控制单元，方便调试与试验。

4.根据权利要求2所述的插屉式水冷电控柜组件，其特征在于，MCU处理电路包括：与中控台通信；与控制柜显示仪表通信；通过片上AD采集电机相电流信号、母线电压、油面、油温或电机温度、低压压力、压差信号、模拟指令信号、IGBT温度和24V供电电压；同时采集电机旋转变压器、机电作动器位移传感器信号对作动器做出精确控制。

5.根据权利要求4所述的插屉式水冷电控柜组件，其特征在于，所述控制单元采用三余度CAN总线操控，CAN总线通讯接口电路实现外扩CAN总线功能，负责控制单元和操控台的遥测数据传输。

6.根据权利要求5所述的插屉式水冷电控柜组件，其特征在于，控制单元根据采集的压力信号实时调节电机转速以实现压力的闭环控制，提高了压力控制精度，并减少了压力脉动，由于流量与负载实时匹配，在系统流量小时，电机泵转速减小，大大降低了泵源噪声。

7.根据权利要求1所述的插屉式水冷电控柜组件，其特征在于，所述驱动单元接收640V的供电，并接收控制单元传来的PWM波，对IGBT进行控制；驱动电机负载转到预定的转速；生成电机状态信息(电流、电压)，反馈给控制单元；驱动单元通过螺栓安装在电控柜内的水冷板上，驱动单元与水冷板之间须装有导热垫以减少热阻。

8.根据权利要求7所述的插屉式水冷电控柜组件，其特征在于，通过三个单相桥IGBT实现三相桥电机驱动，每个IGBT上有一块驱动电路板用于开关IGBT，驱动电路板通过外扩柔性板的方式和驱动单元内部的转接板相连接，转接板上有滤波器来实现把控制部分和驱动部分的24V供电隔离开，转接板直接安装在驱动单元壳体上。

9.根据权利要求8所述的插屉式水冷电控柜组件，其特征在于，驱动单元中选用800uF的薄膜电容直接并联到三个IGBT的供电端，大容量薄膜电容加上直连这种无串联电感的连接方法，吸收电路的主要作用为抑制负载波动时母线电压的剧烈波动，驱动单元选取高比容聚丙烯薄膜电容，按照最大功率时，母线电压波动5％，计算母线电容最小值应为：

Cmin为最小电容值，P为电机最大功率，f为PWM的控制频率，U为母线电压值

Cmin＝P/(8fU²*2.5％)

三个IGBT贴着驱动单元的底部壳体连接，同时壳体底部通过导热垫直接连接到水冷板。

10.根据权利要求1所述的插屉式水冷电控柜组件，其特征在于，电控柜组件控制电机泵为液压用户及负载提供压力油源，同时对油液的温度，液位，压力等状态进行检测，主要包括：电控柜体、2个驱动单元、2个控制单元、1个阀制单元、3个电源转换模块、三合一模块、延时软启模块、二极管、水冷板以及显示单元。

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