CN202997991U

CN202997991U - 一种煤矿用蓄电池电机车开关磁阻电机调速系统

Info

Publication number: CN202997991U
Application number: CN2012206007119U
Authority: CN
Inventors: 凌六一; 黄友锐; 唐超礼; 韩涛; 曲立国; 徐善永; 邢丽坤
Original assignee: Anhui University of Science and Technology
Current assignee: Anhui University of Science and Technology
Priority date: 2012-11-14
Filing date: 2012-11-14
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2022-11-14

Abstract

本实用新型公开了一种煤矿用蓄电池电机车开关磁阻电机调速系统，包括有DSP控制模块和电机功率变换及其驱动模块两大部分组成，DSP控制模块主要由DSP最小系统、蓄电池组电压检测、SR电机位置检测、电流检测、过流保护、欠压保护、键盘/显示和电源变换电路组成；功率变换的拓扑结构为四对主开关器件IGBT组成的四相不对称半桥型电路，每对IGBT由一片IR2113来驱动；这两个模块之间通过端子相连，DSP控制模块输出脉宽调制信号(PWM)控制电机功率变换电路，使开关磁阻电机工作在给定状态。本实用新型用于煤矿蓄电池电机车调速过程中，与传统串联电阻调速方式相比，可节省由于电阻发热而消耗的电能，而且开关磁阻电机结构简单、故障率低、维护量少。

Description

一种煤矿用蓄电池电机车开关磁阻电机调速系统

技术领域

本实用新型涉及电机调速系统，更具体地说是一种用于牵引煤矿蓄电池电机车的开关磁阻电机调速系统。

背景技术

蓄电池电机车是煤矿生产的重要运输工具之一，其调速性能影响煤矿企业的安全生产。目前，矿井使用的绝大多数蓄电池电机车，其牵引动力大都采用的是直流串激电机。由于蓄电池电机车要经常运行在变速状态，为了抑制起动时候的电流和改变运行速度，以往蓄电池电机车经常使用的控制策略是采用改变串联在电机电枢回路电阻的方法，进行电机车的起动和调速。这种调速方式存在很多弊端，如调速是有级的，起动不够平稳；有大量的电能浪费在电阻上；蓄电池充电频繁，不仅浪费电能和时间，而且电池容易损坏，缩短了电池使用寿命。而且煤矿工作条件恶劣，加上直流电动机结构本身的特点，导致蓄电池电机车要经常进行维护，不能保障煤矿的连续安全生产。

发明内容

本实用新型是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种基于开关磁阻电机的煤矿蓄电池电机车调速系统，该调速系统结构简单、效率高、功耗低，能够实现蓄电池电机车平稳起动，适用于蓄电池电机车频繁起停和正反向转换应用场合。

本实用新型解决技术问题采用如下技术方案：

一种煤矿用蓄电池电机车开关磁阻电机调速系统，包括有DSP控制模块、功率变换模块及其驱动模块，电机车通过SR电机驱动，SR电机的电源端连接功率变换模块的输出端，功率变换模块的输入端连接蓄电池组，其特征在于：所述DSP控制模块包括有DSP最小系统，DSP最小系统的信号输入端连接有电压检测电路、欠压保护电路、键盘电路、电源变换电路、位置检测电路、电流检测电路、过流保护电路的信号输出端，所述的电压检测电路的信号输入端与蓄电池组连接，欠压保护的信号输入端与电压检测电路的信号输出端连接，所述的位置检测电路、电流检测电路的信号输入端与SR电机连接，过流保护电路的信号输入端与电流检测电路的信号输出端连接，DSP最小系统的信号输出端与功率变换模块之间连接有功率变换模块的驱动模块，DSP最小系统的信号输出端还连接有显示电路。

所述的一种煤矿用蓄电池电机车开关磁阻电机调速系统，其特征在于：所述功率变换模块的拓扑结构为四对主开关器件IGBT组成的四相不对称半桥型电路，功率变换模块的驱动模块主要包括有IR2113芯片，每对主开关器件IGBT由一片IR2113芯片来驱动，来自DSP控制模块的PWM信号经光耦器件6N137光电隔离后控制IR2113芯片，四对主开关器件IGBT分别且独立控制开关磁阻电机的四相电流。

所述的一种煤矿用蓄电池电机车开关磁阻电机调速系统，其特征在于：所述DSP控制模块中的过流保护和欠压保护电路是在比较电路、与门逻辑电路和DSP中断的共同作用下完成保护功能的，当系统出现过流或电池欠压情况时，对应的比较电路输出低电平信号，此低电平信号通过与门逻辑电路向DSP申请中断，DSP利用中断程序及时禁止所有IR2113芯片驱动主开关器件IGBT，从而起到保护SR电机和蓄电池组的作用。

所述的一种煤矿用蓄电池电机车开关磁阻电机调速系统，其特征在于：所述DSP控制模块中的键盘电路由4个独立按键K2~K5组成，通过DSP的GPIO口来识别按键是否按下；所述DSP控制模块中的显示电路由液晶点阵SO12864-13A组成，通过DSP的GPIO口实现对SO12864-13A显示编程；通过K2~K5并结合SO12864-13A显示，完成系统参数设置以及故障查询功能。

所述的一种煤矿用蓄电池电机车开关磁阻电机调速系统，其特征在于：所述功率变换模块及其驱动模块和DSP控制模块是两块独立的电路板，两者之间通过插拔式接线端子相连。

与已有技术相比，本实用新型的优点与有益效果在于：

（1）本实用新型采用开关磁阻电机调速系统实现煤矿蓄电池电机车动力牵引，而开关磁阻电机的转子上没有任何型式的绕组，电机转子就不存在绕组损耗，因此效率高、功耗低；而定子只有几个集中绕组，因此电机结构简单，易维护。

（2）本实用新型采用开关磁阻电机调速系统实现煤矿蓄电池电机车动力牵引，而开关磁阻电机的转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方向绕组电流，只要控制功率变换电路中的主开关器件IGBT的开通、关断角度，即可改变电机的工作状态，因此控制方式简单、可靠。同时在功率变换上采用四对IGBT分别控制电机四相电流，四相电流控制电路之间相互独立，互不干扰，因此系统具有较高的运行可靠性和容错能力。

（3）本实用新型采用主频150MHz的DSP控制芯片TMS320F28335作为控制核心，能够实现电机电流和速度的快速采集与反馈控制，控制过程快、精度高。系统一旦出现电机过流或蓄电池欠压等现象，DSP能够迅速反应，并进行相应的保护措施。同时，DSP内部集成有丰富的硬件资源，如PWM功能模块、ADC功能模块等，这也大大简化了煤矿蓄电池电机车调速系统的硬件设计，增加了调速系统的工作可靠性。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2（a）为本实用新型的DSP控制模块电路原理图的DSP最小系统、键盘电路、显示电路、电源变换电路的电路结构示意图。

图2（b）为蓄电池组电压检测电路、欠压保护电路的示意图。

图2（c）为位置检测电路的示意图。

图2（d）为电流检测电路、过流保护电路的示意图。

图3为本实用新型的电机功率变换及其驱动模块电路原理图。

以下通过具体实施方式，结合附图对本实用新型作进一步说明。

具体实施方式

参见图1，一种煤矿用蓄电池电机车开关磁阻电机调速系统，包括DSP控制模块4、功率变换模块5及其驱动模块6，电机车1通过SR电机2驱动，SR电机2的电源端连接蓄电池组3，功率变换模块5还连接于蓄电池组3与SR电机2之间，所述DSP控制模块4包括有DSP最小系统7，DSP最小系统7的信号输入端连接有电压检测电路8、欠压保护电路9、键盘电路10、电源变换电路11、位置检测电路12、电流检测电路13、过流保护电路14的信号输出端，所述的电压检测电路8的信号输入端与蓄电池组3连接，欠压保护电路9的信号输入端与电压检测电路8的信号输出端连接，所述的位置检测电路12、电流检测电路13的信号输入端与SR电机2连接，过流保护电路14的信号输入端与电流检测电路13的信号输出端连接，DSP最小系统7的信号输出端与功率变换模块5之间连接有功率变换模块的驱动模块6，DSP最小系统7的信号输出端还连接有显示电路15。

本实施例的功率变换模块5的拓扑结构为四对主开关器件IGBT组成的四相不对称半桥型电路，每对IGBT由一片IR2113来驱动，来自DSP控制模块4的PWM信号经光耦器件6N137光电隔离后控制IR2113，四对IGBT分别且独立控制开关磁阻电机的四相电流。DSP控制模块4主要由DSP最小系统7、蓄电池组电压检测8、SR电机位置检测12、电流检测13、过流保护14、欠压保护9、键盘/显示10、15和电源变换11电路组成，其中：

DSP最小系统7是整个调速系统的控制核心，完成系统所有的控制功能。

蓄电池组电压检测电路8实现将来自于外部的、与蓄电池组电压成比例的电压信号变换成DSP A/D采样通道允许的电压信号，然后供DSP最小系统采样，为系统的电池欠压保护提供依据。被转换的外部输入电压由安装在电池引线腔位置上的霍尔传感器提供。

SR电机位置检测电路12用于确定SR电机定子和转子的相对位置，通过DSP的捕获单元采集相对位置信号，来确定转子运行时的位置和电机速度，SR电机位置检测使用了两路光电传感器S和P，分别固定在定子极中心线的左右两侧，两路光电传感器成75度夹角。

电流检测电路13实现将来自于外部的、与SR电机相电流成比例的电压信号变换成DSP A/D采样通道允许的电压信号，然后供DSP最小系统采样。被转换的外部输入电压由安装在电机定子各相绕组引线腔位置上的霍尔传感器提供。

过流保护14和欠压保护9实现将电机过流信号或蓄电池欠压信号转换成低电平信号，供DSP的外部中断输入引脚采集。一旦出现故障，DSP中断服务程序便能及时发出保护动作指令。

键盘电路10用于连接系统的4个操作按键，以供DSP识别；显示电路15用于显示系统参数，显示内容包括蓄电池电压、SR电机各相电流、电机转速、故障状态等。

电源变换电路11实现将外部输入的+5V电源转换成DSP内核所需用的+1.8V和+3.3V电源，其中+3.3V电源还为显示电路、6N137光耦电路、与门逻辑电路和整形电路供电。

具体实施中的DSP控制模块的电路结构如图2所示，包括：图2（a）为DSP最小系统、键盘电路、显示电路、电源变换电路的电路结构示意图：

DSP最小系统7由DSP控制器U1、复位电路、时钟电路以及A/D转换参考电压生成电路组成。电阻R1、电容C1、电阻R2以及按键K1组成上电复位和手动复位电路，电路产生的复位信号连接到U1的

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引脚；时钟电路由电容C2、C3和晶体振荡器OS1组成，OS1的两端分别连接U1的X1和X2引脚；A/D转换参考电压生成电路由电容C10和U3组成，U3的OUT引脚连接U1的ADCREFIN引脚。

键盘电路由电阻R5~R8、按键K2~K5组成。未按键时，连接相应按键连线的电平状态为高电平，当有按键按下时，连接相应按键连线的电平状态为低电平，这些高或低电平信号输入到U1的GPIO59~GPIO62引脚，供U1读取。

显示电路由电阻R9~R13、LCD显示屏U4组成。U1采用串行数据传输方式对U4进行操作，U1的GPIO54引脚用于选中U4，GPIO55引脚用于复位U4，GPIO56引脚用于产生时钟，GPIO57引脚用于产生数据，GPIO58引脚用于产生数据/命令选择信号。

电源变换电路由电阻R3、R4、电容C4~C9和电源管理芯片U2组成。外部输入的5V电源（连接接线端子J1的1脚）经U2变换后，从U2的1OUT引脚输出+1.8V电压，从U2的2OUT引脚输出+3.3V电压。

图2（b）为蓄电池组电压检测电路、欠压保护电路的示意图：

蓄电池组电压检测电路由电容C19、电阻R42~R46、电位器W5和运算放大器U9A、U9B组成。来自电压霍尔传感器的输出信号U_b(连接接线端子J3的5脚)首先经过电容C19和电阻R43滤波，经电阻R42、R44分压后输入到U9A的3脚，经U9A电压跟随后，再输入到U9B的5脚进行放大，信号放大后从U9B的7脚输出，并连接到U1的ADCINA0引脚进行A/D采样处理。

欠压保护电路由电阻R47、R48、电容C20、运算放大器U9D和稳压二极管D5组成。正常情况下，U9D的14脚输出高电平并被D5嵌位在3.3V，而当蓄电池出现欠压时，U9D的14脚输出低电平，此低电平被输入到与门逻辑电路U10的B₃脚，并通过U10的Y₃引脚向U1的GPIO48/ECAP5/XD31引脚申请中断。

图2（c）为位置检测电路的示意图：

SR电机位置检测电路由两组光电传感器信号检测电路组成。其中，S光电传感器信号检测电路由电阻R49~R51、电容C21~C23、光耦U11和施密特触发器U21A组成。来自光电传感器S的信号U_S+、U_S-(分别连接接线端子J3的6脚和7脚)首先经过电阻R49、R50和电容C21滤波后，输入到U11的IN+和IN-脚，信号从U11的V_O脚输出后，再输入到U21A的1脚进行整形处理，然后从U21A的2脚输出并连接到U1的GPIO24/ECAP1脚，供U1捕获单元进行处理；P光电传感器信号检测电路由电阻R52~R54、电容C24~C26、光耦U12和施密特触发器U21B组成。来自光电传感器P的信号U_P+、U_P-(分别连接接线端子J3的8脚和9脚)首先经过电阻R52、R53和电容C24滤波后，输入到U12的IN+和IN-脚，信号从U12的V_O脚输出后，再输入到U21B的3脚进行整形处理，然后从U21B的4脚输出并连接到U1的GPIO25/ECAP2脚，供U1捕获单元进行处理。

图2（d）为电流检测电路、过流保护电路的示意图：

电流检测电路共有四组，分别用于检测SR电机的A、B、C、D四相电流。其中，A相电流检测电路由电阻R14~R18、电容C11、电位器W1和运算放大器U5A、U5B组成。来自A相电流霍尔传感器的输出信号I_A(连接接线端子J3的1脚)首先经过电容C11和电阻R15滤波，经电阻R14、R16分压后输入到U5A的3脚，经U5A电压跟随后，再输入到U5B的5脚进行放大，信号放大后从U5B的7脚输出，并连接到U1的ADCINA1引脚进行A/D采样处理；B相电流检测电路由电阻R21~R25、电容C13、电位器W2和运算放大器U6A、U6B组成。来自B相电流霍尔传感器的输出信号I_B(连接接线端子J3的2脚)首先经过电容C13和电阻R22滤波，经电阻R21、R23分压后输入到U6A的3脚，经U6A电压跟随后，再输入到U6B的5脚进行放大，信号放大后从U6B的7脚输出，并连接到U1的ADCINA2引脚进行A/D采样处理；C相电流检测电路由电阻R28~R32、电容C15、电位器W3和运算放大器U7A、U7B组成。来自C相电流霍尔传感器的输出信号I_C(连接接线端子J3的3脚)首先经过电容C15和电阻R29滤波，经电阻R28、R30分压后输入到U7A的3脚，经U7A电压跟随后，再输入到U7B的5脚进行放大，信号放大后从U7B的7脚输出，并连接到U1的ADCINA3引脚进行A/D采样处理；D相电流检测电路由电阻R35~R39、电容C17、电位器W4和运算放大器U8A、U8B组成。来自D相电流霍尔传感器的输出信号I_D(连接接线端子J3的4脚)首先经过电容C17和电阻R36滤波，经电阻R35、R37分压后输入到U8A的3脚，经U8A电压跟随后，再输入到U8B的5脚进行放大，信号放大后从U8B的7脚输出，并连接到U1的ADCINA4引脚进行A/D采样处理。

过流保护电路中共有四组过流信号检测电路，分别用于检测SR电机的A、B、C、D四相电流是否出现过流情况。其中，A相过流信号检测电路由电阻R19、R20、电容C12、运算放大器U5D和稳压二极管D1组成。正常情况下，U5D的14脚输出高电平并被D1嵌位在3.3V，而当A相出现过流时，U5D的14脚输出低电平，此低电平被输入到与门逻辑电路U10的A₀脚，并通过U10的Y₃引脚向U1的GPIO48/ECAP5/XD31引脚申请中断；B相过流信号检测电路由电阻R26、R27、电容C14、运算放大器U6D和稳压二极管D2组成。正常情况下，U6D的14脚输出高电平并被D2嵌位在3.3V，而当B相出现过流时，U6D的14脚输出低电平，此低电平被输入到与门逻辑电路U10的B₀脚，并通过U10的Y₃引脚向U1的GPIO48/ECAP5/XD31引脚申请中断；C相过流信号检测电路由电阻R33、R34、电容C16、运算放大器U7D和稳压二极管D3组成。正常情况下，U7D的14脚输出高电平并被D3嵌位在3.3V，而当C相出现过流时，U7D的14脚输出低电平，此低电平被输入到与门逻辑电路U10的A₁脚，并通过U10的Y₃引脚向U1的GPIO48/ECAP5/XD31引脚申请中断；D相过流信号检测电路由电阻R40、R40、电容C18、运算放大器U5D和稳压二极管D1组成。正常情况下，U8D的14脚输出高电平并被D4嵌位在3.3V，而当D相出现过流时，U8D的14脚输出低电平，此低电平被输入到与门逻辑电路U10的B₁脚，并通过U10的Y₃引脚向U1的GPIO48/ECAP5/XD31引脚申请中断。

具体实施中的功率变换及其驱动模块的电路结构如图3所示，包括：

功率变换及其驱动电路共有四组，分别控制SR电机的A、B、C、D四相电流。其中，A相电流由IGBT Q1、Q2和二极管D6、D8控制，Q1和Q2的驱动电路由电阻R55~R58、电容C27~C29、二极管D7、光耦U13和IGBT驱动芯片U14组成。来自DSP控制模块的PWM1信号(从端子J5的1脚引入)首先经过电阻R55输入到U13的IN+引脚，经光电隔离后从U13的V_O引脚输出，连接U14的HIN和LIN引脚，从而控制U14的HO和LO引脚输出PWM信号，去控制Q1和Q2的导通和截止，最终实现SR电机A相所需工作电流。B相电流由IGBT Q3、Q4和二极管D9、D11控制，Q3和Q4的驱动电路由电阻R59~R62、电容C30~C32、二极管D10、光耦U15和IGBT驱动芯片U16组成。来自DSP控制模块的PWM2信号(从端子J5的2脚引入)首先经过电阻R59输入到U15的IN+引脚，经光电隔离后从U15的V_O引脚输出，连接U16的HIN和LIN引脚，从而控制U16的HO和LO引脚输出PWM信号，去控制Q3和Q4的导通和截止，最终实现SR电机B相所需工作电流。C相电流由IGBT Q5、Q6和二极管D12、D14控制，Q5和Q6的驱动电路由电阻R63~R66、电容C33~C35、二极管D13、光耦U17和IGBT驱动芯片U18组成。来自DSP控制模块的PWM3信号(从端子J5的3脚引入)首先经过电阻R63输入到U17的IN+引脚，经光电隔离后从U17的V_O引脚输出，连接U18的HIN和LIN引脚，从而控制U18的HO和LO引脚输出PWM信号，去控制Q5和Q6的导通和截止，最终实现SR电机C相所需工作电流。D相电流由IGBT Q7、Q8和二极管D15、D17控制，Q1和Q2的驱动电路由电阻R67~R70、电容C36~C38、二极管D16、光耦U19和IGBT驱动芯片U20组成。来自DSP控制模块的PWM4信号(从端子J5的4脚引入)首先经过电阻R67输入到U19的IN+引脚，经光电隔离后从U19的V_O引脚输出，连接U20的HIN和LIN引脚，从而控制U20的HO和LO引脚输出PWM信号，去控制Q7和Q8的导通和截止，最终实现SR电机D相所需工作电流。

系统按键操作举例如下：

1、硬件复位

按下按键K1，此时DSP U1重新启动，即从初始状态重新运行程序，当系统出现死机情况或运行不正常时，可以使用按键K1。

2、调速系统工作参数设定

利用按键K2、K3、K4、K5和LCD显示菜单相结合，实现调速系统工作参数的设定。

(1)电机转速设定

按下参数设置键K2直到光标在电机转速设定处闪烁，然后通过参数增加键K3或参数减少键K4来进行转速设定值的增加或减少，设定好后再按参数设置键K2，使光标移至选择本次参数设定的确认或取消位置，并按K5键进行确认或取消。K5按下之后LCD返回到工作画面，这时光标消失，电机就以新的转速开始工作。

(2)电机过流保护参数设定

按下参数设置键K2直到光标在电机过流保护值设定处闪烁，然后通过参数增加键K3或参数减少键K4来进行电机过流保护值的增加或减少，设定好后再按参数设置键K2，使光标移至选择本次参数设定的确认或取消位置，并按K5键进行确认或取消。K5按下之后LCD返回到工作画面，这时光标消失，调速系统以新的电机过流保护值进行过流保护判断。

Claims

1.一种煤矿用蓄电池电机车开关磁阻电机调速系统，包括有DSP控制模块、功率变换模块及其驱动模块，电机车通过SR电机驱动，SR电机的电源端连接功率变换模块的输出端，功率变换模块的输入端连接蓄电池组，其特征在于：所述DSP控制模块包括有DSP最小系统，DSP最小系统的信号输入端连接有电压检测电路、欠压保护电路、键盘电路、电源变换电路、位置检测电路、电流检测电路、过流保护电路的信号输出端，所述的电压检测电路的信号输入端与蓄电池组连接，欠压保护的信号输入端与电压检测电路的信号输出端连接，所述的位置检测电路、电流检测电路的信号输入端与SR电机连接，过流保护电路的信号输入端与电流检测电路的信号输出端连接，DSP最小系统的信号输出端与功率变换模块之间连接有功率变换模块的驱动模块，DSP最小系统的信号输出端还连接有显示电路。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿用蓄电池电机车开关磁阻电机调速系统，其特征在于：所述功率变换模块的拓扑结构为四对主开关器件IGBT组成的四相不对称半桥型电路，功率变换模块的驱动模块主要包括有IR2113芯片，每对主开关器件IGBT由一片IR2113芯片来驱动，来自DSP控制模块的PWM信号经光耦器件6N137光电隔离后控制IR2113芯片，四对主开关器件IGBT分别且独立控制开关磁阻电机的四相电流。

3.根据权利要求1或2所述的一种煤矿用蓄电池电机车开关磁阻电机调速系统，其特征在于：所述DSP控制模块中的过流保护和欠压保护电路是在比较电路、与门逻辑电路和DSP中断的共同作用下完成保护功能的，当系统出现过流或电池欠压情况时，对应的比较电路输出低电平信号，此低电平信号通过与门逻辑电路向DSP申请中断，DSP利用中断程序及时禁止所有IR2113芯片驱动主开关器件IGBT，从而起到保护SR电机和蓄电池组的作用。

4.根据权利要求1所述的一种煤矿用蓄电池电机车开关磁阻电机调速系统，其特征在于：所述DSP控制模块中的键盘电路由4个独立按键K2~K5组成，通过DSP的GPIO口来识别按键是否按下；所述DSP控制模块中的显示电路由液晶点阵SO12864-13A组成，通过DSP的GPIO口实现对SO12864-13A显示编程；通过K2~K5并结合SO12864-13A显示，完成系统参数设置以及故障查询功能。

5.根据权利要求1所述的一种煤矿用蓄电池电机车开关磁阻电机调速系统，其特征在于：所述功率变换模块及其驱动模块和DSP控制模块是两块独立的电路板，两者之间通过插拔式接线端子相连。