一种矿用自卸车智能集成功率模块的制作方法

1.本发明涉及一种矿用自卸车智能集成功率模块，属于工程机械技术领域。


背景技术：

2.矿用自卸车是露天矿山开采和大规模土方建设中的重要关键设备之一，主要用于各种松散物料的运输。重型矿卡运载能力强、机动性高、工作效率高，在全球各大露天矿山中广泛使用。大功率变频驱动技术作为重型矿卡关键核心技术之一，而智能集成功率模块又是变频驱动技术里的重中之重，是世界各大矿山设备生产厂商提升产品核心竞争力的重要保证。
3.当前矿用自卸车使用的进口变频变流设备以每一个igbt为控制单元，所有igbt相关的控制、驱动、通讯和信号采集皆相对分散孤立，无模块化设计思路，整个设备因分立器件组装带来了体积较大、维护困难、线束繁杂、紧固点异常多的缺点。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明提供一种矿用自卸车智能集成功率模块，实现了矿用自卸车智能集成功率模块的设计与控制策略的应用目的。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种矿用自卸车智能集成功率模块，由igbt开关器件、母线电容、igbt驱动电路和控制电路构成；igbt开关器件分别组成三相全桥逆变电路、成斩波电路，母线电容、三相全桥逆变电路、成斩波电路构成并联电路；控制电路接收上位控制器下发的输入指令，并向驱动电路输出驱动信号，由驱动电路控制三相全桥逆变电路、成斩波电路。
7.进一步的，所述三相全桥逆变电路由igbt开关器件sa、sb、sc、构成，sa、sb、sc、两两串联为一组，并相互并联构成三相全桥逆变电成路，所述sa、sb、sc的发射极分别输出异步电机的三相电压ua、ub、uc。
8.进一步的，所述sd、串联构成斩波电路，所述sd发射极通过电阻与负极连接。
9.进一步的，所述igbt驱动电路配有dc/dc电源、动态v
ce
检测电路、动态高级有源钳位功能、门极监控功能、igbt驱动功能。
10.进一步的，所述igbt驱动电路的输出引脚c、g、e分别与igbt的集电极、门极和发射极连接。
11.进一步的，所述igbt驱动电路具备短路故障保护、门极故障保护和驱动器电源欠压故障保护功能，并同时对外发送故障状态信号。
12.进一步的，所述控制电路以变流模块控制电路构成核心控制单元，接收上位控制器下发的输入指令，根据工况运行异步电机矢量控制算法和/或异步电机直接转矩控制算法，从驱动信号输出端口输出指令给驱动电路。
13.进一步的，所述上位控制器下发的输入指令包括车辆车速、驱动功率、电机转矩中
其一或任意组合。
14.进一步的，所述异步电机矢量控制算法：矢量控制在转子磁场定向的前提下，将定子电流分解成励磁分量和转矩分量，然后采用比例积分调节器在同步旋转坐标系上对其进行分别调节，最后利用空间矢量脉宽调制策略合成参考电压矢量。
15.进一步的，所述异步电机直接转矩控制算法：直接转矩控制在定子磁场定向的前提下，利用空间矢量分析方法，直接在定子坐标系下计算控制电机的转矩，借助于离散的两点式调节产生pwm控制信号，直接对逆变器的开关器件进行控制。
16.进一步的，所述控制电路具备驱动信号输出、驱动故障保护、模拟信号的采集处理以及与上位处理系统的通信交互功能。
17.进一步的，所述控制电路还集成有模拟量采集电路。
18.进一步的，所述模拟量采集电路包括电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路。
19.进一步的，所述集成功率模块还包括光纤通信电路，通过can通信总线完成传输。
20.进一步的，所述光纤通信电路实现控制电路、igbt驱动电路、模拟量采集电路之间的命令下发、状态反馈和数据交互。
21.进一步的，所述能集成功率模块的igbt和母线电容，可根据需求配置不同的规格。
22.进一步的，所述集成功率模块采用风冷散热或水冷散热散热封装模式。
23.本发明公开了一种矿用自卸车智能集成功率模块，以三相全桥逆变电路为封装控制单元，具有安装体积小、控制线路少、集成度更高、拆装更便捷、使用更简单、散热方式可选的优点，在矿用自卸车高粉尘、强震动的恶劣工况下，可以有效减少分立器件组装带来的大体积、难维护、多线束、紧固点异常多的缺点，可以有效提升产品的维护便捷性及使用可靠性。
附图说明
24.图1是本发明的智能集成功率模块igbt电路图；
25.图2是本发明的智能集成功率模块驱动电路框图；
26.图3是本发明的智能集成功率模块控制电路框图；
具体实施方式
27.下面结合附图对本发明作进一步说明。
28.本发明涉及的一种矿用自卸车智能集成功率模块由igbt开关器件、母线电容、igbt驱动电路和控制电路构成。
29.如图1所示，igbt开关器件sa、sb、sc、构成三相全桥逆变电路，sd、构成斩波电路，根据驱动模块给出的控制信号，按照指令执行开通或关断动作。
30.其中sa、sb、sc、两两串联为一组，并相互并联构成三相全桥逆变电路，sd、串联构成斩波电路，sa、sb、sc的发射极分别输出异步电机的三相电压ua、ub、uc,sd发射极通过电阻与负极连接。母线电容c与三相全桥逆变电路、斩波电路并联，控制sd的开通
或关断，即可按照需求控制母线电容c的电压大小，为备用且处于关断状态。
31.另在智能集成功率模块电源输出端加设电流传感器和电压传感器，对输出电压、电流进行监控。
32.如图2所示，驱动电路配有：
33.dc/dc电源，可实现电源和门极驱动电路的电气隔离；驱动器副方配有欠压监测电路，发生欠压时igbt将在负门极电压的驱动下保持关断状态，实现欠压故障保护；
34.动态v
ce
检测电路，该igbt的集电极-发射极电压通过电阻网络测得，实现短路保护功能；
35.动态高级有源钳位功能，可以限制igbt在关断瞬间产生的过高电压，实现过压保护功能；
36.门极监控功能，所有门极电压的平均值经过滤波后与开通和关断时的参考值进行比较，如果超过规定值驱动模块将关断所有并联的igbt，并将故障传送到状态输出端。
37.该驱动电路具备电源监控、驱动信号输入与故障反馈、短路保护、过压保护和门极监控功能，同时还能实现最多三个驱动电路并联使用。驱动电路的输出引脚c、g、e分别与igbt的集电极、门极和发射极连接，控制igbt的开通或关断。
38.在驱动电路发生故障时，向控制电路发送故障状态信号。
39.如图3所示，控制电路以变流模块控制电路(dsp fpga)构成核心控制单元，通过光纤通信电路的can通信接口接收上位控制器下发的输入指令(如车辆车速、驱动功率、电机转矩中其一或任意组合)，根据工况运行异步电机矢量控制算法和/或异步电机直接转矩控制算法，从驱动信号输出端口输出指令给驱动电路，驱动电路再对三相全桥逆变电路、成斩波电路的igbt开关器件进行开通或关断控制，从而实现对牵引电机的驱动控制和制动控制。其中异步电机矢量控制算法：矢量控制在转子磁场定向的前提下，将定子电流分解成励磁分量和转矩分量，然后采用比例积分调节器在同步旋转坐标系上对其进行分别调节，最后利用空间矢量脉宽调制策略合成参考电压矢量；异步电机直接转矩控制算法：直接转矩控制在定子磁场定向的前提下，利用空间矢量分析方法，直接在定子坐标系下计算控制电机的转矩，借助于离散的两点式调节(band-band)产生pwm控制信号，直接对逆变器的开关器件进行控制。
40.该控制电路集成有模拟量采集电路，包括电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路，可以提供三相逆变电路电流采样信号、整流电路电流采样信号、直流母线电压采样信号和igbt的参考结温温度，便于系统控制和故障报警使用。igbt发生故障时，驱动电路率先执行动作保护，并将故障状态发送给控制电路；控制电路收到故障信息后，再进行次级的指令封锁及相应的保护程序，并将故障状态发送给上位控制器，从而实现逐级保护，避免故障扩大化。其中控制电路、驱动电路、模拟量采集电路之间的命令下发、状态反馈和数据交互均通过光纤通信电路can通信总线完成传输。
41.该控制电路具备驱动信号输出、驱动故障保护、模拟信号的采集处理以及与上位处理系统的通信交互功能。
42.该矿用自卸车智能集成功率模块的组成架构可以允许通过配置不同电压等级的igbt和不同耐压容量的母线电容c，即可应用在各种吨位的矿用自卸车上。不仅如此，根据不同功率等级及应用场景，还可以选择风冷散热或者水冷散热两种散热封装模式。