專利名稱：脈寬調制的機車刮雨器控制系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及機車刮雨器控制的電子技術領域，尤其適用于機車、城軌、地鐵等軌道交通用刮雨器控制。
背景技術：
機車刮雨器分為氣動刮雨器和電動刮雨器兩種類型。機車電動刮雨器具有特殊性機車直流IlOV電源(電動刮雨器供電電源)波動嚴重(士30%)，電網沖激電壓高，運行轉矩負載大，機車頻繁出現兩車交會、進入隧道等刮雨器轉矩負載驟增等特殊情況。電動刮雨器目前有兩種控制方案。一、繼電器控制雙速永磁直流電機方案缺點是繼電器觸點拉弧燒損、電磁干擾嚴重、噪音大、電機使用壽命短等問題，故障率高。二、電力電子開關控制雙速永磁直流電機方案缺點是這種方法不僅沒有從根本上解決電機使用壽命短的問題，而且由于設計不合理，電力電子開關常常損壞。雙速電機由于力矩不對稱造成滑環碳刷快速磨損的缺陷，使用壽命很短。機車電動刮雨器故障率高達30-40%，原有的機車刮雨器成為涉及安全行車的一個障礙，因此急需一種質量可靠、高穩定性的機車刮雨器。
發明內容
本發明的目的在于，克服目前電動刮雨器成本高、使用壽命短，控制電路易損壞， 故障率高的不足，提供一種結構簡單，成本低、性能穩定，可靠性高的機車刮雨器控制系統。本發明的技術方案是一種脈寬調制的機車刮雨器控制系統，包括直流電源延時斷電開關電路，刮雨器直流電機PWM控制驅動電路，電機過流保護電路，刮雨器直流電機停止制動電路，單速直流電機。所述直流電源延時斷電開關電路(2)輸入端連接機車1IOV直流電源過壓、浪涌保護電路(1)，輸出端連接共模信號抑制電路(3 )，控制端連接輸入控制電路(5 )的停止電路， 共模信號抑制電路(3)連接電源隔離轉換電路(4)和雨刮電機(10)的正端。所述刮雨器直流電機PWM控制驅動電路，中央控制單元(6)輸入掃描端口連接輸入控制電路(5)，中央控制單元(6)PWM輸出端口連接PWM運行高頻高速隔離電路(12)輸入端，PWM運行高頻高速隔離電路(12)輸出端連接高速MOS管驅動電路(13)輸入端，高速MOS 管驅動電路(13)輸出端連接運行MOSFET (14)柵極，運行MOSFET (14)漏極連接單速雨刮電機(10)負端，源極連接電機電流檢測電路(15)接電源負極。所述運行MOSFET (14)柵源極連接雙向限壓保護電路，為一對穩壓管反向串聯；運行MOSFET (14)漏源極連接RC尖峰抑制與吸收電路。所述高速MOS管驅動電路(13)輸出端接限流耦合電阻和泄放電阻，限流耦合電阻另一端連接運行MOSFET (14)柵極，泄放電阻另一端接地。所述電機過流保護電路，電機電流檢測電路(15)連接運行MOSFET (14)和電機過流比較電路(16)，電機過流比較電路(16)輸出端連接過流檢測隔離電路(17)輸入端，過流檢測隔離電路(17)輸出端連接中央控制單元(6)的過流檢測端口，電流檢測電路(15)為無感大功率精密電阻，電機過流比較電路(16 )為比較器電路。所述刮雨器直流電機停止制動電路中央控制單元(6) PWM輸出端口連接制動隔離電路(7)輸入端，制動隔離電路(7)輸出端連接制動雙極型MOS管驅動電路(8)輸入端， 制動雙極型MOS管驅動電路(8)輸出端連接制動MOSFET (9)的柵極，制動MOSFET (9)的漏極連接共模信號抑制電路(3)輸出端，源極連接雨刮電機(10)負極。所述制動MOSFET (9)柵源極連接雙向限壓保護電路，為一對穩壓管反向串聯，漏源極連接RC尖峰抑制與吸收電路，雨刮電機(10)兩端連接續流保護電路。所述刮臂位置檢測電路(18)檢測直流電機(10)輸出刮臂機構(11)的指定停止位置，刮臂位置檢測電路(18)連接位置檢測隔離電路(19)輸入端，位置檢測隔離電路(19)輸出端連接中央控制單元(6 )位置檢測端口。所述噴淋電機控制驅動電路，中央控制單元(6) PWM噴淋端口連接噴淋隔離電路 (20)輸入端，噴淋隔離電路(20)輸出端連接雙極型MOS管驅動電路(21)，雙極型MOS管驅動電路(21)連接噴淋MOSFET (22)柵極，漏極連接噴淋電機(23)負極，源極連接電源負極。所述脈寬調制的機車刮雨器控制系統，由中央控制單元(6)掃描輸入控制電路 (5)的慢速、快速、間歇或停止信號，通過刮雨器直流電機PWM控制驅動電路輸出脈寬調制信號，控制單速直流雨刮電機(10)帶動刮臂機構(11)對鐵路機車玻璃進行慢速、快速、間歇刮刷運行或停止。所述刮雨器直流電機停止制動電路，由刮臂位置檢測電路(18)檢測刮臂機構 (11)處于指定停止位置，通過位置檢測隔離電路(11)輸出至中央控制單元(6)，中央控制單元(6)處理后，停止PWM運行信號輸出后，由制動隔離電路(7)，制動雙極型MOS管驅動電路(8)，制動MOSFET (9)輸出制動信號，實現雨刮電機能耗制動。所述直流電源延時斷電開關電路(2)實現，當輸入控制電路(5)輸入停止信號時， 保證刮臂機構(11)能夠回到初始位置停止后，直流電源延時斷電開關電路(2)才延時斷開雨刮器系統電源。刮雨器停止后，系統除開延時斷電開關電路(2)外，其他所有電路完全斷 H1^ ο所述電機過流保護電路，通過運行MOSFET (14)串聯的電機電流檢測電路(15)檢測電機電流，電機過流比較電路(16)與過流檢測隔離電路(17)輸出至中央控制單元(6)， 通過中央控制單元數字濾波等處理后，智能檢測如果處于正常運行過程中發生過流現象， 立刻停止刮雨器雨刮電機(10)運行，并自動停止。電機電流檢測電路(15)為無感大功率電阻。電機過流比較電路(16)為運算放大器電路。所述噴淋電機控制驅動電路，噴淋電機(23)處于間斷式工作，按下輸入控制電路 (5)噴淋按鈕后，單次噴淋時間大于10秒后，自動停止噴淋。直至下一次按下噴淋按鈕。本發明的優點
針對刮雨器雙速電機由于力矩不對稱造成滑環碳刷快速磨損，使用壽命很短的缺陷。 提出刮雨器單速直流電機的脈寬調制方法，進行刮雨器慢速、快速、間歇、停止運行的調節， 單速直流電機刮雨器控制系統比雙速電機刮雨器控制系統壽命延長約10倍以上。設計控制信號隔離轉換電路，實現控制驅動與電機主電路有效的電氣隔離；設計了 MOSFET的柵源極雙向限壓保護電路，漏源極RC尖峰抑制與吸收電路，有效的抑制了控制驅動模塊與功率器件MOSFET峰值功率，降低功率器件的發熱量和溫升，并抑制了開關噪聲，延長了控制系統電路壽命。設計了直流電源延時斷電開關電路，刮雨器停止后，延時斷開除延時電路外其他刮雨器系統電源。降低機車刮雨器控制系統帶電工作時間為原來的10-20%，延長控制系統和電機壽命5-10倍。
圖1是脈寬調制的機車刮雨器控制系統結構方框圖。圖2是直流電源延時斷電開關電路原理圖。圖3是刮雨器電機PWM控制驅動與停止制動驅動原理圖。圖4是刮雨器刮臂停止位置檢測電路。圖5是刮雨器電機過流檢測電路。圖6是噴淋電機控制驅動原理圖。
具體實施例方式結合附圖和實例對本發明進一步說明如下
如圖1-6所示，一種脈寬調制的機車刮雨器控制系統，由中央控制單元(6)掃描輸入控制電路(5)輸入的慢速、快速、間歇或停止信號，通過PWM運行高頻高速隔離電路(12)，高速 MOS管驅動電路(13)，運行MOSFET (14)，輸出脈寬調制信號，控制單速雨刮電機(10)帶動刮臂機構(11)對鐵路機車玻璃進行慢速、快速、間歇刮刷運行或停止。如圖2所示，脈寬調制的機車刮雨器控制系統的直流電源延時斷電開關電路，通過旋鈕開關把0點與GND接通，通過電容C2的放電，三極管Ql的延時關斷，從而控制主電路大功率管Ql的延時關斷。延時時間由R3、R4、C2可調，設計延時約10秒，保證刮雨器刮臂回復到指定位置停止后，除延時斷電開關電路外的其他電路都斷電，降低系統通電時間， 延長系統壽命。大功率PNP管Ql為2SA1943，最大工作電流15A。如圖3所示，中央控制單元(6)掃描輸入控制電路(5)輸入的慢速、快速、間歇信號后，中央控制單元輸出PWM信號至高頻高速隔離芯片G7，G7輸出PWM信號至高速MOS管驅動芯片U5，驅動MOSFET管Q8工作。MOSFET選用IRFP460，極限工作電壓500V，電流20A， RDS小于0. 27歐姆。MOSFET管Q8柵源極的雙向限壓保護電路，雙向限壓保護電路為D18、 D19 一對穩壓管1N4744反向串聯，防止MOSFET柵源極高壓損壞。Q8漏源極接R41、C41組成的尖峰抑制與吸收電路，抑制MOSFET的峰值功率。為降低MOSFET管Q8過渡時間發熱量，高頻高速隔離芯片G7，高速MOS管驅動芯片U5的上升沿、下降沿的過渡時間均為納秒級別。為保證MOSFET管Q8可靠快速導通，高速MOS管驅動芯片U5采用12V電源，電源取自電源隔離轉換電路4。為保證MOSFET管Q8 快速導通，限流耦合電阻R39選擇較小值為10歐姆。Q8泄放電阻R40作為MOSFET管Q8截止時的柵極放電回路，R40電阻值不能過大，會影響MOSFET關斷時間。如圖4所示，刮雨器電機停止制動時，中央控制單元(6)掃描輸入控制電路(5)輸入的停止信號后，進入停止制動模式。中央控制單元(6)通過R44，C43，隔離光耦G8，R47組成的刮臂復位位置檢測電路，檢測刮臂復位信號。R44為功率金屬膜電阻。當檢測到刮臂運行至復位位置時，停止刮雨器電機PWM控制信號輸出，Q8截止，雨刮電機的感應電流由續流二極管D16續流釋放能量。延時極短的時間后，中央控制單元(6)輸出高電平制動信號， 通過光電耦合芯片G6輸出，導通NMOS驅動三極管Q6，最后導通制動MOSFET管Q7，雨刮電機快速能耗制動。MOSFET管Q7選用IRFP460，極限工作電壓500V，電流20A，RDS小于0. 27 歐姆。制動MOSFET管Q7柵源極接雙向限壓保護電路，雙向限壓保護電路為D13、D14 一對穩壓管1N4744反向串聯，防止MOSFET柵源極高壓損壞。Q7漏源極接R35、C38組成的尖峰抑制與吸收電路，抑制MOSFET的峰值功率。為防止干擾尖峰信號意外觸發驅動三極管Q6 導通，光耦G6兩端并聯濾波電容。高頻二極管D15、D17保證Q7、Q8單向導通。如圖3所示過流檢測電路，通過與運行MOSFET管Q8源極串聯連接的高精度無感功率電阻R42、R43，把電機運行電流轉化為電壓信號。R42、R43為精度的金屬膜功率電阻。如圖5所示，檢測的電機電流轉換的電壓信號，通過運算放大器U3組成的比較器與基準電壓比較后，通過光耦芯片G3輸出至中央控制單元(6 )進行過流檢測。基準電壓由精密電阻R12、R13組成的分壓電路提供。濾波電容C33進行硬件濾波，防止干擾信號誤觸發產生過流信號。中央控制單元(6)檢測過流信號，進行軟件濾波，確認電機確實過流后， 立刻停止PWM信號輸出，電機停止運行。如圖6所示，掃描輸入控制電路(5)輸出信號至中央控制單元(6)，中央控制單元 (6)輸出低電平噴淋信號通過光電耦合G5，控制三極管Q4導通，驅動MOSFET管Q5帶動噴淋電機工作。MOSFET管Q5選用IRF740，極限工作電壓400V，電流10A，RDS小于0. 55歐姆。 Q5柵源極接限壓保護電路，限壓保護電路為D12為1N4744，防止MOSFET柵源極高壓損壞。 Q5漏源極接R37、a9組成的尖峰抑制與吸收電路。噴淋電路由中央控制單元(6)控制為間斷工作制，單次工作時間小于10秒，以保護噴淋電機不因長時間運行高溫損壞。本發明主要采用脈寬調制方式控制雨刮電機進行低速、高速、間歇與停止的工作狀態。主要應用高頻高速光電耦合器件，高速MOS管驅動電路，尖峰吸收技術，減少場效應管動態響應時間，降低尖峰功率，極大地降低直流電機驅動MOSFET發熱量與溫升，提高電路驅動電流，延長場效應管使用壽命。直流電源延時斷電開關電路(2)延時斷開刮雨器系統電源，提供足夠的時間使刮臂能夠回到初始位置。刮雨器停止后，系統除開輸入延時斷電電路外，其他所有電路完全斷電。本系統具有寬電源電壓輸入，結構簡單，性能穩定，可靠性高的優點。應當指出，對于經過充分說明的本發明來說，還可以具有多種變換及改性的實施方案，并不局限于上述實施方式的具體實例。上述實例僅僅作為本發明的說明，而不是限制。總之，本發明的保護范圍包括哪些對于本領域普通技術人員來說顯而易見的變換或替代以及改型。
權利要求
1.一種脈寬調制的機車刮雨器控制系統，其特征在于包括直流電源延時斷電開關電路，刮雨器直流電機PWM控制驅動電路，電機過流保護電路，刮雨器直流電機停止制動電路，噴淋電機控制驅動電路，單速直流雨刮電機，噴淋電機。
2.根據權利要求1所述的脈寬調制的機車刮雨器控制系統，其特征在于直流電源延時斷電開關電路(2 )輸入端連接機車1IOV直流電源過壓、浪涌保護電路(1)，輸出端連接共模信號抑制電路(3)，控制端連接輸入控制電路(5)的停止電路，共模信號抑制電路(3)連接電源隔離轉換電路(4)和雨刮電機(10)的正端。
3.根據權利要求1所述的脈寬調制的機車刮雨器控制系統，其特征在于刮雨器直流電機PWM控制驅動電路，中央控制單元(6 )輸入掃描端口連接輸入控制電路(5 )，中央控制單元(6 ) PWM輸出端口連接PWM運行高頻高速隔離電路(12 )輸入端，PWM運行高頻高速隔離電路(12 )輸出端連接高速MOS管驅動電路(13 )輸入端，高速MOS管驅動電路(13 )輸出端連接運行MOSFET (14)柵極，運行MOSFET (14)漏極連接單速雨刮電機(10)負端，源極連接電機電流檢測電路(15 )接電源負極。
4.根據權利要求3所述的脈寬調制的機車刮雨器控制系統，其特征在于運行MOSFET (14)柵源極連接雙向限壓保護電路，為一對穩壓管反向串聯；運行MOSFET (14)漏源極連接RC尖峰抑制與吸收電路。
5.根據權利要求3所述的脈寬調制的機車刮雨器控制系統，其特征在于高速MOS管驅動電路(13)輸出端接限流耦合電阻和泄放電阻，限流耦合電阻另一端連接運行MOSFET (14)柵極，泄放電阻另一端接地。
6.根據權利要求1所述的脈寬調制的機車刮雨器控制系統，其特征在于電機過流保護電路，電機電流檢測電路(15)連接運行MOSFET (14)和電機過流比較電路(16)，電機過流比較電路(16)輸出端連接過流檢測隔離電路(17)輸入端，過流檢測隔離電路(17)輸出端連接中央控制單元(6)的過流檢測端口，電流檢測電路(15)為無感大功率精密電阻，電機過流比較電路(16 )為比較器電路。
7.根據權利要求1所述的脈寬調制的機車刮雨器控制系統，其特征在于刮雨器直流電機停止制動電路中央控制單元(6)制動輸出端口連接制動隔離電路(7)輸入端，制動隔離電路(7)輸出端連接制動雙極型MOS管驅動電路(8)輸入端，制動雙極型MOS管驅動電路(8)輸出端連接制動MOSFET(9)的柵極，制動MOSFET (9)的漏極連接共模信號抑制電路 (3 )輸出端，源極連接雨刮電機(10 )負極。
8.根據權利要求7所述的脈寬調制的機車刮雨器控制系統，其特征在于制動MOSFET(9)柵源極連接雙向限壓保護電路，為一對穩壓管反向串聯，漏源極連接RC尖峰抑制與吸收電路，雨刮電機(10)兩端連接續流保護電路。
9.根據權利要求7所述的脈寬調制的機車刮雨器控制系統，其特征在于刮臂位置檢測電路(18)檢測直流電機(10)輸出刮臂機構(11)的指定停止位置，刮臂位置檢測電路 (18)連接位置檢測隔離電路(19)輸入端，位置檢測隔離電路(19)輸出端連接中央控制單元(6)位置檢測端口。
10.根據權利要求1所述的脈寬調制的機車刮雨器控制系統，其特征在于噴淋電機控制驅動電路，中央控制單元(6)PWM噴淋端口連接噴淋隔離電路(20)輸入端，噴淋隔離電路 (20 )輸出端連接雙極型MOS管驅動電路(21)，雙極型MOS管驅動電路(21)連接噴淋MOSFET(22)柵極，漏極連接噴淋電機(23)負極，源極連接電源負極。
全文摘要
本發明公開一種脈寬調制的機車刮雨器控制系統，包括直流電源延時斷電開關電路，刮雨器直流電機PWM控制驅動電路，電機過流保護電路，刮雨器直流電機停止制動電路，單速直流電機。中央控制單元通過PWM運行高頻高速隔離電路、高速MOS管驅動電路連接運行MOSFET，控制單速雨刮電機慢速、快速、間歇刮刷運行。中央控制單元制動輸出端口通過制動隔離電路、制動雙極型MOS管驅動電路連接制動MOSFET，控制單速雨刮電機能耗制動與停止。單速電機消除雙速電機由于力矩不對稱造成滑環碳刷快速磨損的缺陷，PWM控制驅動電路降低直流電機驅動電路發熱量與溫升，系統延長電機與系統壽命，降低成本。
文檔編號B60S1/08GK102490690SQ20111042171
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月16日 優先權日2011年12月16日
發明者劉小衛, 周葵申, 易吉良, 賀理, 高望力, 黃昌劍, 黃曉峰, 龍曉薇, 龍永紅 申請人:湖南工業大學