CN211296615U - 铲装设备电机堵转驱动电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种铲装设备电机堵转驱动电路，包括第一功率模块、第二功率模块、永磁电动机、控制装置、直流电源系统；所述直流电源系统与第一功率模块连接，所述第一功率模块与永磁电动机连接，所述第一功率模块与第二功率模块并联，所述控制装置分别连接直流电源系统、永磁电动机、第一功率模块、第二功率模块的控制端；所述第一功率模块与第二功率模块的结构相同，所述第一功率模块由多个并联的功率半导体器件模块组成，每个功率半导体器件模块的两端分别连接直流电源系统的正负极，2个串联的功率半导体器件的串联端与永磁电动机连接。本实用新型能够有效解决堵转时的电机峰值转矩的问题，并且成本低、能够避免烧毁元器件。

Description

铲装设备电机堵转驱动电路

技术领域

本实用新型涉及铲装设备电机技术领域，特别涉及一种铲装设备电机堵转驱动电路。

背景技术

目前，新能源移动设备如电动车辆普遍采用永磁同步电机作为主动力驱动电机，电机使用时会出现堵转。堵转工况对于永磁同步电机来说，因为电机无法转动，此时三相电流有效值偏差较大，某一相电流可能处于最大值，导致这相电流急剧增大发热很严重，直至到达驱动电路中IGBT模块承载上限。常见的解决办法是：(1)将模块增大，变相提高模块容量，其缺陷在于浪费模块资源，增加了成本；(2)设定电流上限值，到达之后为保护模块而自动跳转为保护模式，其缺陷在于：限定值难以确定，设置过高会浪费模块资源，过低则IGBT模块或者电机易受损，并且，常规的保护模式是直接让电机断电，但是这样操作会使动力突然中断，设备使用存在安全隐患。

公开号为CN201510192217的中国发明专利，公开了一种用于新能源汽车永磁同步驱动电机的堵转延时方法，通过改变在堵转工况下的堵转控制角，延长电机的最大堵转时间。

公开号为CN201710649351的中国发明专利，公开了一种电机堵转保护控制方法。通过在主控制程序中设置堵转监测模块和堵转处理模块实现了堵转的监测和处理，对堵转发热实现了有效控制。发现堵转后，堵转处理模块通过阶梯式降低电机电流的方式降低电机的发热风险。

但现有技术中无论采取何种方式都会降低堵转时的电机的峰值转矩。对于采用电机驱动的新能源工程机械中，尤其是铲装作业的设备如，装载机、地下铲运机来说，在铲装工况时，电机会出现频繁堵转的工况，稍有不慎，就容易烧毁元器件。且堵转时仍需要提供最大扭矩，确保铲装作业的效率，这样会增加成本。

实用新型内容

本实用新型的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。

为此，本实用新型的目的在于提出一种铲装设备电机堵转驱动电路，能够有效解决堵转时的电机峰值转矩的问题，并且成本低、能够避免烧毁元器件。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种铲装设备电机堵转驱动电路，包括：第一功率模块、第二功率模块、永磁电动机、控制装置、直流电源系统；所述直流电源系统与第一功率模块连接，所述第一功率模块与永磁电动机连接，所述第一功率模块与第二功率模块并联，所述控制装置分别连接直流电源系统、永磁电动机、第一功率模块、第二功率模块的控制端；所述第一功率模块与第二功率模块的结构相同，所述第一功率模块由多个并联的功率半导体器件模块组成，每个功率半导体器件模块的两端分别连接直流电源系统的正负极，每个功率半导体器件模块由2个串联的功率半导体器件组成，2个串联的功率半导体器件的串联端与永磁电动机连接。

在上述任一方案中优选的是，所述控制装置包括主控模块、供电模块、转速测量电路、温度测量电路、电压电流测量电路、第一IGBT驱动模块、第二IGBT驱动模块、CAN通讯模块，所述主控模块与供电模块、转速测量电路、温度测量电路、电压电流测量电路、第一IGBT驱动模块、第二IGBT驱动模块、CAN通讯模块连接。

在上述任一方案中优选的是，所述供电模块与所述直流电源系统连接。

在上述任一方案中优选的是，所述第一功率模块中的功率半导体器件与第二功率模块中的功率半导体器件一一对应。

在上述任一方案中优选的是，所述转速测量电路与旋转变压器连接，所述旋转变压器设置于永磁电动机内。

在上述任一方案中优选的是，所述温度测量电路的输入端连接永磁电动机的温度检测端。

在上述任一方案中优选的是，所述第一IGBT驱动模块的输出端连接第一功率模块的控制端，即所述第一IGBT驱动模块的输出端分别与第一功率模块内的每个功率半导体器件的控制端连接。

在上述任一方案中优选的是，所述第二IGBT驱动模块的输出端连接第二功率模块的控制端，即所述第二IGBT驱动模块的输出端分别与第二功率模块内的每个功率半导体器件的控制端连接。

在上述任一方案中优选的是，当永磁电动机堵转时，所述第一功率模块与第二功率模块中的对应的功率半导体器件交替导通，且对应的功率半导体器件有一定的导通重合区域。

在上述任一方案中优选的是，堵转保护时，每个功率半导体器件的开启占空比的取值范围为50％-100％。

本实用新型的铲装设备电机堵转驱动电路具有以下有益效果：

1、本实用新型的第一功率模块与第二功率模块结构相同且并联，能够将直流电源系统的直流电转化为驱动永磁电动机的三相交流电，进而驱动设备运转，其电路稳定性能好。

2、本实用新型将驱动电路设计为两个相同的小功率模块并联(即第一功率模块与第二功率模块结构相同且并联)，与一个大功率模块驱动电路相比，每个小功率模块(第一功率模块或第二功率模块)的功率可为传统大功率模块的1/2，能够使得流经的大电流分流，使功率半导体器件不会长时间通过大电流，有足够的冷却时间，避免了器件发热烧毁，从而提高整个电路的安全性。

3、当永磁电动机发生堵转时，使第一功率模块与第二功率模块中的对应的功率半导体器件交替导通，并且有一定的导通重合区域，使永磁电动机堵转时也有脉动的电流通过，这样能够使第一功率模块与第二功率模块中的功率半导体器件不会长时间通过大电流，有足够的冷却时间，避免了器件发热烧毁。同时对于永磁电动机产生脉动的转矩，该转矩的最大值与堵转峰值转矩相同，保证了瞬时最大驱动力。对于铲装设备，脉动转矩的作用效果类似于振动冲击，更有利于铲装插入工作。

4、本实用新型供电模块还向直流电源系统输出启动信号，使得控制装置还可以通过供电模块控制整个电路的是否供电，从而提高整个电路的安全性。

5、本实用新型采用两个相同的小功率模块并联，比采用一个大功率模块有较好的经济性，能够节约成本。

6、本实用新型的结构简单，各元器件相对较少，并且比较常见，便于更换维修，从而降低成本，还可以大范围推广使用。

7、本实用新型的控制装置采用模块化的结构，将整个电路结构分成多个小的独立、互相作用的模块；一方面可以缩短产品研发与制造周期，增加产品系列，提高产品质量，快速应对市场变化；另一方面，可以减少或消除对环境的不利影响，方便重用、升级、维修和产品废弃后的拆卸、回收和处理。

本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本实用新型的原理图；

图2是本实用新型的控制装置的结构图；

图3是本实用新型的永磁电动机堵转相保护时波形示意图；

图中，1、第一功率模块；2、第二功率模块；3、永磁电动机；4、控制装置；5、直流电源系统；6、功率半导体器件模块；41、主控模块；42、供电模块；43、转速测量电路；44、温度测量电路；45、电压电流测量电路；46、第一IGBT驱动模块；47、第二IGBT 驱动模块；48、CAN通讯模块；

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

本实用新型提供本实用新型提供一种铲装设备电机堵转驱动电路，如图1-3所示，包括：第一功率模块1、第二功率模块2、永磁电动机3、控制装置4、直流电源系统5；直流电源系统5与第一功率模块1连接，第一功率模块1与永磁电动机3连接，第一功率模块1与第二功率模块2并联，控制装置4分别连接直流电源系统5、永磁电动机3、第一功率模块1、第二功率模块2的控制端；第一功率模块1与第二功率模块2的结构相同，第一功率模块1由多个并联的功率半导体器件模块6组成，每个功率半导体器件模块6的两端分别连接直流电源系统5的正负极，每个功率半导体器件模块6由2个串联的功率半导体器件组成，2个串联的功率半导体器件的串联端与永磁电动机3连接。

本实用新型的第一功率模块1与第二功率模块2结构相同且并联，能够将直流电源系统5的直流电转化为驱动永磁电动机3的三相交流电。本实用新型将驱动电路设计为两个相同的小功率模块并联(即第一功率模块1与第二功率模块2结构相同且并联)，与一个大功率模块驱动电路相比，每个小功率模块(第一功率模块1或第二功率模块2)的功率可为传统大功率模块的1/2，能够使得流经的大电流分流，使功率半导体器件不会长时间通过大电流，有足够的冷却时间，避免了器件发热烧毁。

本实用新型的另一个实施例中，根据不同的电机功率等级，驱动电路中的功率半导体器件可以是不同的元器件，如IGBT、Power MOSFET、GTO等。对于目前的工程机械及车辆驱动，功率半导体器件多采用IGBT管器件，IGBT管中文名绝缘栅双极型场效应晶体管，是MOS管与晶体三极管的组合。

本实用新型的另一个实施例中，第一功率模块1与第二功率模块2的结构相同且并联。优选，第一功率模块由3个并联的功率半导体器件模块6组成，每个功率半导体器件模块6由2个串联的功率半导体器件组成，即第一功率模块1由6个功率半导体器件组成。且第一功率模块1中的功率半导体器件与第二功率模块2中的功率半导体器件一一对应。如图1所示，第一功率模块1由功率半导体器件1-1至功率半导体器件1-6组成，第二功率模块1由功率半导体器件2-1至功率半导体器件2-6组成，其中功率半导体器件1-x与功率半导体器件2-x对应，x＝1,2,3,4,5,6。

工作原理：直流电源系统5为整个电路提供电能，永磁电动机3接收第一功率模块1与第二功率模块2产生的三相交流电，进而旋转工作，驱动设备运转。

控制装置4检测直流电源系统5与永磁电动机3的工作状态，并根据系统状态，控制第一功率模块1与第二功率模块2工作。控制装置4具体控制的对象为第一功率模块1与第二功率模块2中的功率半导体器件的通断状态。

当永磁电动机3正常工作时，可采用常用的永磁同步电机控制方法。动作时第一功率模块1与第二功率模块2中对应的功率半导体器件1-x与功率半导体器件2-x同时开通，如功率半导体器件1-1与功率半导体器件2-1同时开通或功率半导体器件1-5与功率半导体器件2-5同时开通。

当永磁电动机3发生堵转时，控制装置4检测到永磁电动机3出现堵转后，控制装置4向第一功率模块1与第二功率模块2发出控制信号，使第一功率模块1与第二功率模块2 中的对应的功率半导体器件1-x与功率半导体器件2-x交替导通，并且有一定的导通重合区域，使永磁电动机3堵转时也有脉动的电流通过。如图3为永磁电动机堵转相保护时波形示意图。

这样能够使第一功率模块1与第二功率模块2中的功率半导体器件不会长时间通过大电流，有足够的冷却时间，避免了器件发热烧毁。同时对于永磁电动机产生脉动的转矩，该转矩的最大值与堵转峰值转矩相同，保证了瞬时最大驱动力。对于铲装设备，脉动转矩的作用效果类似于振动冲击，更有利于铲装插入工作，铲装设备可以为装载机、地下铲运机等。

如图2所示，控制装置4包括主控模块41、供电模块42、转速测量电路43、温度测量电路44、电压电流测量电路45、第一IGBT驱动模块46、第二IGBT驱动模块47、CAN 通讯模块48，主控模块41与供电模块42、转速测量电路43、温度测量电路44、电压电流测量电路45、第一IGBT驱动模块46、第二IGBT驱动模块47、CAN通讯模块48连接。转速测量电路43与旋转变压器连接，旋转变压器设置于永磁电动机3内，永磁电动机3转动时，旋转变压器会根据永磁电动机3的转速产生相对应的电压信号传递给转速测量电路43，由转速测量电路43将采集到的电压信号传递给控制装置。温度测量电路44的输入端连接永磁电动机3的温度检测端，由温度测量电路44检测永磁电动机3的温度信号。电压电流测量电路45的输入端连接永磁电动机3的电源端，由电压电流测量电路45检测永磁电动机3的电压电流。

此外，第一IGBT驱动模块46的输出端连接第一功率模块1的控制端，即第一IGBT驱动模块46的输出端分别与第一功率模块1内的每个功率半导体器件的控制端连接。第二IGBT驱动模块47的输出端连接第二功率模块2的控制端，即第二IGBT驱动模块47的输出端分别与第二功率模块2内的每个功率半导体器件的控制端连接。当功率半导体器件优选IGBT管时，第一IGBT驱动模块46或第二IGBT驱动模块47的输出端与IGBT管的G端连接。

转速测量电路43测量永磁电动机3的转速，并将转速输出给控制装置4，温度测量电路44测量电路中的永磁电动机3的温度，并将温度输出给控制装置4，电压电流测量电路45测量电路永磁电动机3电源端电压电流，并将电压电流输出给控制装置4，控制装置4 根据转速、温度、电压的情况判断直流电源系统5与永磁电动机3的工作状态，并通过第一IGBT驱动模块46向第一功率模块1输出控制信号，即向第一功率模块1中的功率半导体器件输出控制电压信号；控制装置4还通过第二IGBT驱动模块47向第二功率模块2输出控制信号，即向第二功率模块2中的功率半导体器件输出控制电压信号，通过电压信号来控制功率半导体器件通断状态；当永磁电动机3堵转时，转速、温度、电压的情况发生异常，控制装置4控制第一功率模块1与第二功率模块2中对应的功率半导体器件1-x与功率半导体器件2-x交替通断。

本实用新型的另一个实施例中，供电模块42与直流电源系统5连接。供电模块42还向直流电源系统5输出启动信号。当转速测量电路43、温度测量电路44、电压电流测量电路45所检测值超过某一设定值时，控制装置4还可以通过供电模块42控制整个电路的断开供电，从而避免整个电路器件烧毁。

本实用新型的另一个实施例中,直流电源系统5可采用多种形式，如动力电池、柴电机组、超级电容、电网供电等。其特征为电压及功率要与驱动电路及电机匹配。第一功率模块、第二功率模块所需的滤波及冷却等功能均包含在直流电源系统5之中。

本实用新型的另一个实施例中，CAN通讯模块48输出双绞线信号。控制装置4可以通过CAN通讯模块48向外界通讯，采用双绞线信号能够大大提高信号传输的抗干扰能力，保证信号的传输的稳定性。

需要说明的是，本实用新型中的主控模块41、供电模块42、转速测量电路43、温度测量电路44、电压电流测量电路45、第一IGBT驱动模块46、第二IGBT驱动模块47、CAN 通讯模块48等器件，选用的都是本领域的常规部件，其自身内部的电路结构、电路原理等都是本领域已公开的，并且这些器件比较常见，便于更换维修，从而降低成本。

本实用新型的另一个实施例中，当永磁电动机堵转时，第一功率模块1与第二功率模块2中的对应的功率半导体器件交替导通，且对应的功率半导体器件有一定的导通重合区域。

本实用新型的另一个实施例中，堵转保护时，为保证功率半导体器件(1-x)与功率半导体器件(2-x)有一定的开启重叠区域，每个功率半导体器件的开启占空比的取值范围为 50％-100％。

本实用新型通过调整占空比与相位差可调整电机堵转相的波形，进而产生不同的脉动效果，还可依据应用设备进行调整，使得堵转时仍需要提供最大扭矩，从而确保铲装作业的效率。

本实用新型通过并联小功率模块的驱动电路，配合电机堵转时功率半导体器件交替通断。对电机堵转时的电流进行分配，分配后的电流使每个功率半导体器件不会过热。对于铲装设备来说，可保证在铲装过程中，电机堵转时，仍具有足够的驱动力，进而保证铲装效果。同时，对于大功率牵引电机驱动电路，采用两个小功率的模块并联，比采用一个大功率模块有较好的经济性。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本实用新型的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (10)

1.一种铲装设备电机堵转驱动电路，其特征在于，包括：第一功率模块、第二功率模块、永磁电动机、控制装置、直流电源系统；所述直流电源系统与第一功率模块连接，所述第一功率模块与永磁电动机连接，所述第一功率模块与第二功率模块并联，所述控制装置分别连接直流电源系统、永磁电动机、第一功率模块、第二功率模块的控制端；所述第一功率模块与第二功率模块的结构相同，所述第一功率模块由多个并联的功率半导体器件模块组成，每个功率半导体器件模块的两端分别连接直流电源系统的正负极，每个功率半导体器件模块由2个串联的功率半导体器件组成，2个串联的功率半导体器件的串联端与永磁电动机连接。

2.如权利要求1所述的铲装设备电机堵转驱动电路，其特征在于，所述控制装置包括主控模块、供电模块、转速测量电路、温度测量电路、电压电流测量电路、第一IGBT驱动模块、第二IGBT驱动模块、CAN通讯模块，所述主控模块与供电模块、转速测量电路、温度测量电路、电压电流测量电路、第一IGBT驱动模块、第二IGBT驱动模块、CAN通讯模块连接。

3.如权利要求2所述的铲装设备电机堵转驱动电路，其特征在于，所述供电模块与所述直流电源系统连接。

4.如权利要求1所述的铲装设备电机堵转驱动电路，其特征在于，所述第一功率模块中的功率半导体器件与第二功率模块中的功率半导体器件一一对应。

5.如权利要求2所述的铲装设备电机堵转驱动电路，其特征在于，所述转速测量电路与旋转变压器连接，所述旋转变压器设置于永磁电动机内。

6.如权利要求2所述的铲装设备电机堵转驱动电路，其特征在于，所述温度测量电路的输入端连接永磁电动机的温度检测端。

7.如权利要求2所述的铲装设备电机堵转驱动电路，其特征在于，所述第一IGBT驱动模块的输出端连接第一功率模块的控制端，即所述第一IGBT驱动模块的输出端分别与第一功率模块内的每个功率半导体器件的控制端连接。

8.如权利要求2所述的铲装设备电机堵转驱动电路，其特征在于，所述第二IGBT驱动模块的输出端连接第二功率模块的控制端，即所述第二IGBT驱动模块的输出端分别与第二功率模块内的每个功率半导体器件的控制端连接。

9.如权利要求1或2所述的铲装设备电机堵转驱动电路，其特征在于，当永磁电动机堵转时，所述第一功率模块与第二功率模块中的对应的功率半导体器件交替导通，且对应的功率半导体器件有一定的导通重合区域。

10.如权利要求9所述的铲装设备电机堵转驱动电路，其特征在于，堵转保护时，每个功率半导体器件的开启占空比的取值范围为50％-100％。

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