CN201733270U - 轨道车励磁控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种轨道车励磁控制系统，其中包括：信号变送器，用于采集轨道车的电压和电流生成电压模拟信号和电流模拟信号；可编程逻辑控制器，包括：与所述信号变送器相连的模拟输入输出模块以及与所述模拟输入输出模块相连的CPU，其中：所述模拟输入输出模块用于将所述电压模拟信号和电流模拟信号分别转换为电压数字信号和电流数字信号；所述CPU用于采集所述轨道车的发动机的转速信号，并根据所述转速信号、电压数字信号和电流数字信号生成驱动信号，以控制所述轨道车的主发电机励磁绕组的励磁电流。本实用新型使系统真正做到模块化，提高了防振性及可靠性，便于维修且能够大幅降低成本。

Description

轨道车励磁控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种轨道车励磁控制系统，属于交-直流电传动重型轨道车技术领域。

背景技术

交-直流电传动重型轨道车是铁路施工和牵引大型养路机械编组时所需的一种牵引设备，为了保证这种轨道车的发动机运行的经济性和机车运行的安全性，需要对发动机的直接负载-主发电机励磁绕组的励磁电流进行控制，以保证主发电机在各个转速下的功率保持恒定，并将电压、电流限制在一定的范围内。现有技术中用于控制上述励磁电流的励磁控制系统主要采用微机型励磁控制系统。

所述微机型励磁控制系统主要由电源控制板、CPU板、输入输出(I/O)板和驱动板等四部分组成。其中，电源控制板的主要功能是将重型轨道车提供的电源转换为微机型励磁控制系统所需的工作电源；I/O板主要用于采集重型轨道车的电压、电流和开关量等输入信号，然后由CPU板根据I/O板采集到的输入信号进行一定的函数运算，再发出指令给I/O板；此后，I/O板再根据来自于CPU板的指令为驱动板输出驱动信号，以使驱动板上作为功率器件的绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，简称：IGBT)进行一定规律的开通与关断，从而使通过该功率器件的励磁电流按照上述规律进行相应的调节和变化，以达到保持功率恒定及限制电压、电流的目的。

现有技术中至少存在如下问题：

(1)现有微机型励磁控制系统中用于采集模拟信号(即：电压和电流)的I/O板通常为电压传感器和电流传感器，这些会在器体积大、成本高；

(2)现有微机型励磁控制系统通过采集重型轨道车司机控制器的开关信号来确定司机控制器的档位，以确定发动机的转速，即主发电机的转速，进而根据转速确定主发电机的功率，电压限制值和电流限制值。但是，这种信号采集方式只有当发动机转速控制正确的情况下才能够实施，当轨道车发动机转速控制偏差较大时，根据开关量确定的档位对应的发动机转速便会与实际的发动机转速不一致，从而使保持恒定的发动机功率过大或过小。如果负载过大，则会导致发动机压转速，冒黑烟，严重时会熄火，最终使重型轨道车无法运行；

(3)现有微机型励磁控制系统的组成部分中的功能板均采用分立电子元器件构成，防振能力差、可靠性低且维修困难。

实用新型内容

本实用新型提供一种轨道车励磁控制系统，用以提高可靠性，降低成本且便于维修。

本实用新型提供一种轨道车励磁控制系统，其中包括：

信号变送器，用于采集轨道车的电压和电流生成电压模拟信号和电流模拟信号；

可编程逻辑控制器，包括：与所述信号变送器相连的模拟输入输出模块以及与所述模拟输入输出模块相连的中央处理单元，其中：所述模拟输入输出模块用于将所述电压模拟信号和电流模拟信号分别转换为电压数字信号和电流数字信号；所述中央处理单元用于采集所述轨道车的发动机的转速信号，并根据所述转速信号、电压数字信号和电流数字信号生成驱动信号，以控制所述轨道车的主发电机励磁绕组的励磁电流。

具体地，所述信号变送器可以包括：第一信号变送器，用于采集所述轨道车的电压生成电压模拟信号；及第二信号变送器，用于采集所述轨道车的电流生成电流模拟信号。

具体地，所述中央处理单元可以包括：转速采集模块，用于采集所述轨道车的发动机的转速信号；计算模块，与所述转速采集模块相连，用于根据预存的功率-转速曲线计算与所述转速信号对应的电压限制值及电流限制值；比较模块，与所述模拟输入输出模块相连，用于将所述电压数字信号与所述电压限制值进行比较得到电压偏差值，并将所述电流数字信号与所述电流限制值进行比较得到电流偏差值；生成模块，与所述比较模块相连，用于根据所述电压偏差值和电流偏差值进行比例积分微分调节运算，并生成脉宽调制信号作为所述驱动信号。

进一步地，所述中央处理单元还可以包括：档位采集模块，用于采集所述轨道车的发动机的档位信号；以及转速控制模块，与所述档位采集模块相连，用于根据所述档位信号确定目标转速并输出转速控制信号，以控制所述发动机达到所述目标转速。

其中，所述转速控制模块还可以进一步与所述转速采集模块相连，用于根据所述转速采集模块采集到的转速信号与所述目标转速之间的差异，输出转速控制信号，以控制所述发动机达到所述目标转速。

可选地，所述轨道车励磁控制系统还可以包括：发动机控制模块，与所述转速控制模块相连，用于根据转速控制信号，以控制所述发动机达到所述目标转速。

可选地，所述轨道车励磁控制系统还可以包括：功率器件，与所述中央处理单元相连，用于根据所述驱动信号控制所述轨道车的主发电机励磁绕组的励磁电流。其中，所述功率器件可以具体为智能功率模块。

可选地，所述模拟输入输出模块可以通过扩展电缆与所述中央处理单元相连。

本实用新型采用模块化的可编程逻辑控制器(Programmable LogicController，简称：PLC)完成了对电压、电流等模拟信号的处理以及限压限流的控制，消除了对现有系统进行检修维护时由印刷电路板上的分立电子元器件(如电容、电阻)引起的易断、易掉等不安全因素，使系统真正做到模块化，提高了防振性及可靠性，便于维修且能够大幅降低成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型所述轨道车励磁控制系统实施例的结构示意图；

图2为图1所示CPU的一种可选结构示意图；

图3为图1所示CPU的另一种可选结构示意图；

图4为图1所示轨道车励磁控制系统的实际电路参考图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1为本实用新型所述轨道车励磁控制系统实施例的结构示意图，如图所示，该系统至少包括：信号变送器10、PLC20及功率器件30，其工作原理如下：

信号变送器10采集轨道车的电压和电流，具体地，可以由第一信号变送器VBS1采集所述轨道车的电压生成电压模拟信号；由第二信号变送器VBS2采集所述轨道车的电流生成电流模拟信号。信号变送器10与现有的传感器相比，体积更小，成本更低，并且能够适用于采集微弱信号。

PLC20中包括与所述信号变送器相连的模拟输入输出(AnalogicalInput/Analogical Output，简称：AI/AO)模块21以及与所述模拟输入输出模块21相连的中央处理单元(Central Processing Unit，简称：CPU)22，其中，所述模拟输入输出模块21将所述电压模拟信号和电流模拟信号分别转换为电压数字信号和电流数字信号，例如：可以转换为CPU22能够处理的二进制数字信号，并通过CPU22与模拟输入输出模块21之间相连的扩展电缆(如图4所示)传输给CPU22；所述CPU22采集所述轨道车的发动机的转速信号，并根据所述转速信号、电压数字信号和电流数字信号生成驱动信号，以控制所述轨道车的主发电机励磁绕组的励磁电流。

具体地，如图2所示，该CPU22至少包括：转速采集模块2201、计算模块2202、比较模块2203及生成模块2204，其工作原理如下：

转速采集模块2201采集所述轨道车的发动机的转速信号。具体地，该转速信号可以从发动机的转速传感器采集获得。与现有技术中通过采集开关信号来确定司机控制器的档位进而确定发动机的转速的方案相比，本实施例通过直接从发动机采集转速信号而获知发动机的转速，从而克服了现有技术中由转速控制偏差大而造成的缺陷。

与所述转速采集模块2201相连计算模块2202根据预存的功率-转速曲线计算与所述转速信号对应的电压限制值(即：电压最大值)及电流限制值(即：电流最大值)。

与所述模拟输入输出模块21相连的比较模块2203将来自于所述模拟输入输出模块21的电压数字信号与所述电压限制值进行比较得到电压偏差值ΔU，并将来自于所述模拟输入输出模块21的电流数字信号与所述电流限制值进行比较得到电流偏差值ΔI；

与所述比较模块2203相连的生成模块2204根据由比较模块2203进行比较后得到的电压偏差值和电流偏差值进行比例积分微分(ProportionIntegration Differentiation，简称：PID)调节运算，并生成一定周期和占空比的脉宽调制脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，简称：PWM)信号作为所述驱动信号。

具体地，该轨道车励磁控制系统中可以进一步包括功率器件30，与所述CPU22相连，根据来自于CPU22的所述驱动信号控制所述轨道车的主发电机励磁绕组的励磁电流。其中，该功率器件30是最终的执行元件，具体可以选用智能功率模块(Intelligent Power Module，简称：IPM)，其中，IPM是一种以IGBT为内核的先进混合集成功率部件，它通过对DC24V电源的斩波而使主发电机励磁绕组两端的电压产生变化，从而控制励磁电流，最终达到恒功率和限压、限流的目的。IPM与现有技术中的IGBT相比，它本身含有驱动组件，因此无需再增加驱动板，并且IPM本身具有短路、过流、过压等各种保护，因此也可以省略现有系统的保护电路，从而简化系统结构。

本实施例采用模块化的PLC完成了对电压、电流等模拟信号的处理以及限压限流的控制，消除了对现有系统进行检修维护时由印刷电路板上的分立电子元器件(如电容、电阻)引起的易断、易掉等不安全因素，使系统真正做到模块化，提高了防振性及可靠性，便于维修且能够大幅降低成本。

图3为图1所示CPU22的另一种可选结构示意图，该CPU22在图2所示结构的基础上进一步包括：档位采集模块2205及转速控制模块2206，其工作原理如下：

档位采集模块2205采集所述轨道车的发动机的档位信号，具体地，可以从所述轨道车的司机控制器采集档位信号；此后，由与所述档位采集模块2205相连的转速控制模块2206所述档位信号确定此时发动机应有的目标转速，然后输出转速控制信号(如DC0.5～4.5V的电压信号或4～20mA的电流信号)，以控制所述发动机到所述目标转速。

具体地，如图1所示，该系统中还可以进一步包括发动机控制模块(Engine Control Module，简称：ECM)40，与所述转速控制模块2206相连，以根据来自于转速控制模块2206的转速控制信号控制所述发动机达到相应的目标转速。其中，该ECM40是发动机的控制核心，它能够通过调节发动机油门的大小以达到调节发动机转速的目的。

通过图3所示结构，使得本实施例所述系统既具有对主发电机进行限流限压的功能，又具有根据档位控制发动机转速的功能，因此提高了系统的多功能性，扩展了其应用范围，并且也有利于进一步简化系统规模。

另外，如图3所示，所述转速控制模块2206还可以进一步与所述转速采集模块2201相连，根据所述转速采集模块2201采集到的转速信号与所述目标转速之间的差异，输出转速控制信号，以控制所述发动机达到所述目标转速。

由于转速采集模块2201采集到的转速信号可以体现所述发动机当前的实际转速，因此，当发动机的当前实际转速与目标转速存在差异时，可以通过本实施例所述的转速控制模块2206对发动机的转速进行及时调整，使其回到目标转速，以满足设计要求。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种轨道车励磁控制系统，其特征在于包括：

信号变送器，用于采集轨道车的电压和电流生成电压模拟信号和电流模拟信号；

可编程逻辑控制器，包括：与所述信号变送器相连的模拟输入输出模块以及与所述模拟输入输出模块相连的中央处理单元，其中：

所述模拟输入输出模块用于将所述电压模拟信号和电流模拟信号分

别转换为电压数字信号和电流数字信号；

所述中央处理单元用于采集所述轨道车的发动机的转速信号，并根

据所述转速信号、电压数字信号和电流数字信号生成驱动信号，以控制

所述轨道车的主发电机励磁绕组的励磁电流。

2.根据权利要求1所述的轨道车励磁控制系统，其特征在于所述信号变送器包括：

第一信号变送器，用于采集所述轨道车的电压生成电压模拟信号；

第二信号变送器，用于采集所述轨道车的电流生成电流模拟信号。

3.根据权利要求1所述的轨道车励磁控制系统，其特征在于所述中央处理单元包括：

转速采集模块，用于采集所述轨道车的发动机的转速信号；

计算模块，与所述转速采集模块相连，用于根据预存的功率-转速曲线计算与所述转速信号对应的电压限制值及电流限制值；

比较模块，与所述模拟输入输出模块相连，用于将所述电压数字信号与所述电压限制值进行比较得到电压偏差值，并将所述电流数字信号与所述电流限制值进行比较得到电流偏差值；

生成模块，与所述比较模块相连，用于根据所述电压偏差值和电流偏差值进行比例积分微分调节运算，并生成脉宽调制信号作为所述驱动信号。

4.根据权利要求3所述的轨道车励磁控制系统，其特征在于所述中央处理单元还包括：

档位采集模块，用于采集所述轨道车的发动机的档位信号；

转速控制模块，与所述档位采集模块相连，用于根据所述档位信号确定目标转速并输出转速控制信号，以控制所述发动机达到所述目标转速。

5.根据权利要求4所述的轨道车励磁控制系统，其特征在于所述转速控制模块还进一步与所述转速采集模块相连，用于根据所述转速采集模块采集到的转速信号与所述目标转速之间的差异，输出转速控制信号，以控制所述发动机达到所述目标转速。

6.根据权利要求4所述的轨道车励磁控制系统，其特征在于还包括：发动机控制模块，与所述转速控制模块相连，用于根据转速控制信号，以控制所述发动机达到所述目标转速。

7.根据权利要求1所述的轨道车励磁控制系统，其特征在于还包括：功率器件，与所述中央处理单元相连，用于根据所述驱动信号控制所述轨道车的主发电机励磁绕组的励磁电流。

8.根据权利要求7所述的轨道车励磁控制系统，其特征在于所述功率器件为智能功率模块。

9.根据权利要求1～8中任一所述的轨道车励磁控制系统，其特征在于所述模拟输入输出模块通过扩展电缆与所述中央处理单元相连。

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