CN104092385A - 纺织设备的电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种纺织设备的电源系统，包括：依次连接的整流电路、直流/直流转换电路以及直流/交流转换电路；整流电路用于输入交流供电电压，输出第一直流电，直流/直流转换电路的工作频率大于20kHz，将第一直流电转换为第二直流电，直流/交流转换电路将第二直流电转换为至少两路交流输出；至少两路交流输出中的至少一路用于为纺织设备的第一电机供电，至少另外一路用于为纺织设备的第二电机供电。本发明所公开的技术方案能够在市电电网波动范围较宽或发生暂态跌落时，为电机驱动提供稳定的电压，同时减小整个系统的重量。

Description

纺织设备的电源系统

技术领域

本发明涉及纺织技术领域，特别是一种纺织设备的电源系统。

背景技术

纺织设备如针织机等是用于编织布料的设备，其主要包括电源电路、操作盒、主控电路板、机头、针板、电机以及安装上述元件的机床。

电源电路为操作盒、主控电路板、机头、针板、电机提供合适的电源。主控电路板包括底板、安装在底板上的核心板和副主机芯片。机头包括用于编织的机头板和执行元件。操作盒包括显示屏和人机交互电路。操作盒和主控电路板上均设有显示转换模块，主控电路板上还设有显示数据线的插槽。操作盒上的显示转换模块和主控电路板上的插槽通过传输差分信号的显示数据线连接。操作盒上的显示转换模块还连接显示屏，主控电路板上的显示转换模块分别连接主控电路板上的插槽和核心板。操作盒上的人机交互电路通过数据线连接至主控电路板上的插槽，再通过插槽连接至核心板。核心板通过接插或焊接方式固定在底板上，一般通过并口方式与底板连接，而副主机芯片则焊接在底板上。

主控电路板的底板还包括数据接口，用于独立输入编织数据等信息到核心板，然后解析编织数据，将解析编织数据后获得的数据经过副主机芯片发给机头中的机头板，机头板驱动执行元件进行编织操作。同时，主控电路板还控制针板等元件的各种操作，采集各种工况数据后输出给外部设备比如操作盒上的显示屏。

具体地，主控电路板核心板则将各种工况数据等相关信息通过显示数据线传输到操作盒的显示屏上显示，而人机交互电路则输入用户的指令，并将指令通过数据线传到核心板进行相应处理。

电机包括驱动机头运动的机头电机，驱动器包括驱动机头电机的伺服驱动器。机头通过滑轨设置在机床上，核心板经由副主机芯片将指令发至伺服驱动器，伺服驱动器则驱动机头电机运转，进而驱动机头在滑轨上平直往返运动。为确保机头上用来对线料进行编织的执行元件如机针位置准确无误，纺织设备上一般还包括针零位检测系统，包括设置于机床上的机头行程端的传感器和设置于机头上的感应件。机头上的感应件无需和其他元件进行信号连接，而机床上的传感器则需要通过较长的一根信号线连接至副主机芯片。副主机芯片接收到传感信号后，根据传感信号将控制信号发送到机头电机的伺服驱动器。

至于机头上机针的操作，则通过机头上的机头板来驱动，而由于众所周知的原因，纺织设备的纺织操作必须可靠稳定、精确、实时，否则极易造成纺织品不良率增加，因此现有技术副主机芯片与机头板的连接方式是采用控制器局域网络(Controller Area Network,CAN)协议连接。

在横机系统中，交流电机是一种基本的执行元件单元。由于控制功能和容量的差异，不同交流电机的输入电压也存在差异，如110Vac、42Vac等，因此需要工频变压器提供多种交流电压。但是工厂电网电压波动范围较宽，工频变压器不能为交流电机提供稳定的交流电压，对交流电机的性能及控制效果会产生较大的影响。同时，工频变压器存在体积重量大的缺点也为使用带来诸多不便。

现有的纺织设备的电源采用集中供电方式，包括依次连接的变压器/整流器、UPS、电源总成以及各种类型的输电线。所述变压器是个较大、较重的绕组，比如4.2公斤，工作频率在50Hz。其接220v的交流输入，输出110v、42v两路交流输出。其中110v交流输出为一些步进电机供电，42v交流输出则经UPS输出至电源总成。电源总成经过AC/DC转换，输出四路直流电，分别是24v、12v、3.3v以及5v。此四路直流电分别给各个部件供电，每个部件可能需要两种或以上的电压输入，则需要非常多、复杂的输电线从电源总成连接至各个部件。

而且由于变压器/整流器的50Hz的低频工作频率和电路设计的原因，其输出电压随市电的波动而波动，在市电波动较大或发生暂态跌落的情况下导致负载不能工作或影响负载寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种纺织设备的电源系统，能够在市电电网波动范围较宽或发生暂态跌落时，为电机驱动提供稳定的电压，同时减小整个系统的重量。

本发明提供一种纺织设备的电源系统，包括：依次连接的整流电路、直流/直流转换电路以及直流/交流转换电路；整流电路用于输入交流供电电压，输出第一直流电，直流/直流转换电路的工作频率大于20kHz，将第一直流电转换为第二直流电，直流/交流转换电路将第二直流电转换为至少两路交流输出；至少两路交流输出中的至少一路用于为纺织设备的第一电机供电，至少另外一路用于为纺织设备的第二电机供电。

其中，直流/交流转换电路包括第一直流/交流转换电路和第二直流/交流转换电路，第一直流/交流转换电路输出110v交流电为第一电机供电，第二直流/交流转换电路输出42v交流电为第二电机供电。

其中，整流电路输入的交流供电电压范围是150～300v，输出212～424v的第一直流电，直流/直流转换电路的工作频率大于20kHz，将212～424v的第一直流电转换为190v、75v的两路第二直流电，190v第二直流电输入第一直流/交流转换电路，75v第二直流电输入第二直流/交流转换电路。

其中，该系统还包括第一控制电路和第二控制电路，第一控制电路连接直流/直流转换电路、第二控制电路以及第一直流/交流转换电路，第二控制电路连接第二直流/交流转换电路，第一控制电路将第一直流/交流转换电路输出交流电压的过零信号发给第二控制电路，第二控制电路通过调节第二直流/交流转换电路输出交流电压的相位，使第一直流/交流转换电路和第二直流/交流转换电路的输出交流电压保持预定相位差关系。

其中，预定相位差关系是90度相位差关系。

其中，该系统包括第一电容和第二电容，第一电容一端接于整流电路、直流/直流转换电路之间，另一端接地，第二电容一端接于直流/直流转换电路、直流/交流转换电路之间，另一端也接地。

其中，直流/直流转换电路还将212～424v的第一直流电转换为另外一路24v的第二直流电，以分别输出至纺织设备的各个用电部件中，用电部件设有相应的直流/直流转换电路，以将24v的第二直流电转变为相应电压的直流电为用电部件供电。

其中，该系统还包括：用于设置于纺织设备的动作元件或其动作对象行程至少一端的感应元件，感应元件由经直流/直流转换电路转变第二直流电而得到的5v或3.3v直流电供电；感应单元在动作元件或其动作对象超出行程之前，由动作元件或其动作对象所触发而产生至少一路信号输出，至少一路信号输出中的其中一路信号输出经过或不经过纺织设备的第三控制电路而作用于纺织设备的电机的驱动电路的使能端，使驱动电路关闭。

其中，该系统还包括用于连接于第三控制电路和驱动电路使能端之间的电平转换电路；其中，电平转换电路包括第一输入端、第二输入端以及输出端，电平转换电路的第一输入端用于连接控制电路，感应单元连接电平转换电路的第二输入端；电平转换电路将控制电路在正常工作中输出的第一电平信号传输至驱动电路使能端时，驱动电路使能端的电压满足驱动电路使能端的使能电压要求；电平转换电路将控制电路在判断需要停机时输出的第二电平信号传输至驱动电路使能端时、或感应元件由动作元件或其动作对象所触发而产生一路信号在经过电平转换电路传输至驱动电路使能端时，均使得驱动电路使能端的电压不能满足驱动电路使能端的使能电压要求。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明设置整流电路，将输入的交流供电电压转换为第一直流电压，并将直流/直流转换电路的工作频率设置为大于20kHz，直流/交流转换电路将第二直流电转换为至少两路交流输出，可以在市电电网波动范围较宽或发生暂态跌落时，为电机驱动提供稳定的电压，并且由于无需使用质量较大的绕组进行变压，可同时减小整个系统的重量。

附图说明

图1是根据本发明实施例的纺织设备的电源系统的系统结构示意图；

图2是根据本发明实施例的纺织设备的电源系统的电路结构示意图；

图3是在第一状态下第一直流/交流转换电路、第二直流/交流转换电路以及直流/直流转换电路输出的瞬时功率波形图；

图4是在第二状态下第一直流/交流转换电路、第二直流/交流转换电路以及直流/直流转换电路输出的瞬时功率波形图；

图5是根据本发明实施例的纺织设备的电源系统的另一系统结构示意图；

图6是根据本发明实施例的纺织设备的电源系统中的部分电路示意图。

具体实施方式

首先请参见图1，图1是根据本发明实施例的纺织设备的电源系统的系统结构示意图，如图1所示，本发明提供一种纺织设备的电源系统，包括：依次连接的整流电路101、直流/直流转换电路102以及直流/交流转换电路103，整流电路101用于输入交流供电电压，输出第一直流电，其中直流/直流转换电路102的工作频率设置为大于20kHz，直流/直流转换电路102将第一直流电转换为第二直流电，直流/交流转换电路103将第二直流电转换为至少两路交流输出，该至少两路交流输出中的至少一路用于为纺织设备的第一电机供电，至少另外一路用于为纺织设备的第二电机供电。

在本发明中，直流/直流转换电路102的工作频率设置为大于20kHz，由于采用高频变压器可使得其具有隔离作用，可防止触电或输出之间短路而烧坏电路。

如图1所示，直流/交流转换电路103具体包括第一直流/交流转换电路1031和第二直流/交流转换电路1032，第一直流/交流转换电路1031输出例如为110v的第一交流电为第一电机供电，第二直流/交流转换电路1032输出例如为42v的第二交流电为第二电机供电。

整流电路101输入的交流供电电压范围是150～300v，输出212～424v的第一直流电，直流/直流转换电路102的工作频率大于20kHz，将212～424v的第一直流电转换为190v、75v的两路第二直流电，190v第二直流电输入第一直流/交流转换电路1031，75v第二直流电输入第二直流/交流转换电路1032。

并请进一步参见图1，该供电系统还包括第一控制电路104和第二控制电路105，第一控制电路104连接直流/直流转换电路102、第二控制电路105以及第一直流/交流转换电路1031，第二控制电路105连接第二直流/交流转换电路1032，第一控制电路104将第一直流/交流转换电路1031输出交流电压的过零信号发给第二控制电路105，第二控制电路105通过调节第二直流/交流转换电路1032输出交流电压的相位，使第一直流/交流转换电路1031和第二直流/交流转换电路1032的输出交流电压保持预定相位差关系。

其中，预定相位差关系优选为90度相位差关系。

值得注意的是，若采用模拟电路的实现方式，第一控制电路104和第二控制电路105可以彼此分开的两个独立电路实现，若采用dsp(digitalsignal processor，数字信号处理器)芯片的实现方式，第一控制电路104和第二控制电路105的功能可采用一个dsp芯片实现。

可选地，该系统包括第一电容和第二电容，第一电容一端接于整流电路101、直流/直流转换电路102之间，另一端接地，第二电容一端接于直流/直流转换电路102、直流/交流转换电路103之间，另一端也接地，第一电容和第二电容于此作为滤波电容使用。

其中，直流/直流转换电路102还将212～424v的第一直流电转换为另外一路24v的第二直流电，以分别输出至纺织设备的各个用电部件中，用电部件设有相应的直流/直流转换电路102，以将24v的第二直流电转变为相应电压的直流电为用电部件供电。

为了作出进一步清楚说明，请参见图2，其中图2是根据本发明实施例的纺织设备的电源系统的电路结构示意图。图2示出图1中除第一控制电路104和第二控制电路105外该电源系统的具体电路结构。

如图2所示，整流电路101由整流桥BRD1和电容C11构成，该电路将输入的150Vac～300Vac交流供电电压变成212V～424V的第一直流电。

直流/直流转换电路102包括：半桥形开关变换器，由开关管Q21和Q22构成；LLC谐振变换器，由电容C21、电感L21和变压器T2原边绕组的激磁电感L22构成；高频变压器，由一个原边绕组和两个副边绕组构成；整流滤波电路1，由整流桥BRD21和电容C22构成；整流滤波电路2，由整流桥BRD22和电容C23构成。

直流/直流转换电路102将输入的第一直流电压变换成两路隔离输出的直流电压DC1和DC2。

第一直流/交流转换电路1031为全桥逆变电路，其由开关管Q31～Q34、电感L31和电容C31构成，第二直流/交流转换电路1032亦为全桥逆变电路，其由开关管Q41～Q44、电感L41和电容C41构成(DC2/AC2)。

第一直流/交流转换电路1031和第二直流/交流转换电路1032分别将输入的第二直流电压分别变换成具体值可例如为110Vac的交流电压和具体值可例如为42Vac的交流电压。

第一控制电路104将第一直流/交流转换电路1031输出的交流电压的过零信号发给第二控制电路105，第二控制电路105根据该过零信号调节第二直流/交流转换电路1032输出交流电压的相位，使第一直流/交流转换电路1031和第二直流/交流转换电路1032二者所输出的交流电压保持一定相位差关系。

具体而言，对于第一直流/交流转换电路1031和第二直流/交流转换电路1032二者所输出的交流电压的相位关系，如果它们之间的相位差为0°或180°，则直流/直流转换电路102的总输出功率的瞬时值的波动范围会比较宽，如图3所示：Pac1为第一直流/交流转换电路1031输出的瞬时功率波形，功率有效值为150W，Pac2为第二直流/交流转换电路1032输出的瞬时功率波形，功率有效值为150W，Pdc为直流/直流转换电路102输出的瞬时总功率波形。

从图3中可以看出当110Vac和42Vac两路输出交流电压之间的相位差为0°或180°时，直流/直流转换电路102输出的瞬时总功率会从0W波动到600W，如此宽范围的功率波动，使得直流/直流转换电路102的设计容量要超过600W。

并请参见图4，其为对于第一直流/交流转换电路1031和第二直流/交流转换电路1032二者所输出的交流电压的相位差为90°或-90°时的情况，从图中看出直流/直流转换电路102输出的瞬时总功率保持不变。因此，使第一直流/交流转换电路1031和第二直流/交流转换电路1032的输出交流电压保持90度相位差关系，可大大降低电路的设计容量，从而在降低电路中开关器件电压、电流应力的同时，减小电路中无源器件(电容C21、电感L21、高频变压器T2)的体积。

可选地，请参见图5，本发明的供电系统还包括：用于设置于纺织设备的动作元件130或其动作对象150行程至少一端的感应元件140，感应元件140由经直流/直流转换电路102转变第二直流电而得到的5v或3.3v直流电供电；感应元件140在动作元件130或其动作对象150超出行程之前，由动作元件130或其动作对象150所触发而产生至少一路信号输出，至少一路信号输出中的其中一路信号输出经过或不经过纺织设备的第三控制电路110而作用于纺织设备的电机的驱动电路120的使能端121，使驱动电路120关闭。

请进一步参见图6，该供电系统还包括用于连接于感应元件140和驱动电路120使能端之间的电平转换电路160；其中，电平转换电路160包括第一输入端165、第二输入端166以及输出端167，电平转换电路160的第一输入端165用于连接第三控制电路110，感应元件140连接电平转换电路160的第二输入端166；电平转换电路160将第三控制电路110在正常工作中输出的第一电平信号传输至驱动电路120的使能端121时，驱动电路110的使能端121的电压满足驱动电路110的使能端121的使能电压要求；电平转换电路160将第三控制电路110在判断需要停机时输出的第二电平信号传输至驱动电路110的使能端121时、或感应元件140由动作元件130或其动作对象150所触发而产生一路信号在经过电平转换电路160传输至驱动电路110的使能端121时，均使得驱动电路110的使能端121的电压不能满足驱动电路120的使能端121的使能电压要求。从而使得驱动电路120停止工作，从而令动作元件130或其动作对象150停止工作，因此达到了限位保护之功能。

可选地，在本发明中，在整流滤波电路101中可以加入功率因数校正(PFC)电路，以减少对电网的谐波影响。

并且，直流/直流转换电路102可以采用除发明实施例(LLC谐振变换器)之外的，反激、正激、半桥、全桥、推挽等多种PWM电路拓扑。

另外，直流/交流转换电路1031以及直流/交流转换电路1032可以采用除发明实施例(全桥逆变电路)之外的半桥逆变电路。

本发明通过采用电子电路和高频变压器代替现有的工频变压器，采用错相控制方式实现直流/直流转换电路输出瞬时功率的稳定，因此可使该级电路元器件的体积减小。

因此，本发明通过设置整流电路，将输入的交流供电电压转换为第一直流电压，并将直流/直流转换电路的工作频率设置为大于20kHz，直流/交流转换电路将第二直流电转换为至少两路交流输出，可以在市电电网波动范围较宽或发生暂态跌落时，为电机驱动提供稳定的电压，并且由于无需使用质量较大的绕组进行变压，可同时减小整个系统的重量。

综上，本发明所揭示的电源系统需具备宽范围交流市电输入、多路交流隔离输出、输出电压静态精度高、动态响应快、重量小等优良的性能指标。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种纺织设备的电源系统，其特征在于，包括：

依次连接的整流电路、直流/直流转换电路以及直流/交流转换电路；

所述整流电路用于输入交流供电电压，输出第一直流电，所述直流/直流转换电路的工作频率大于20kHz，将所述第一直流电转换为第二直流电，所述直流/交流转换电路将所述第二直流电转换为至少两路交流输出；

所述至少两路交流输出中的至少一路用于为所述纺织设备的第一电机供电，至少另外一路用于为所述纺织设备的第二电机供电。

2.根据权利要求1所述的电源系统，其特征在于，

所述直流/交流转换电路包括第一直流/交流转换电路和第二直流/交流转换电路，所述第一直流/交流转换电路输出110v交流电为所述第一电机供电，所述第二直流/交流转换电路输出42v交流电为所述第二电机供电。

3.根据权利要求2所述的电源系统，其特征在于，

所述整流电路输入的交流供电电压范围是150～300v，输出212～424v的所述第一直流电，所述直流/直流转换电路的工作频率大于20kHz，将所述212～424v的所述第一直流电转换为190v、75v的两路所述第二直流电，所述190v第二直流电输入所述第一直流/交流转换电路，所述75v第二直流电输入所述第二直流/交流转换电路。

4.根据权利要求2或3所述的电源系统，其特征在于，

包括第一控制电路和第二控制电路，所述第一控制电路连接所述直流/直流转换电路、所述第二控制电路以及所述第一直流/交流转换电路，所述第二控制电路连接所述第二直流/交流转换电路，所述第一控制电路将所述第一直流/交流转换电路输出交流电压的过零信号发给所述第二控制电路，所述第二控制电路通过调节所述第二直流/交流转换电路输出交流电压的相位，使所述第一直流/交流转换电路和第二直流/交流转换电路的输出交流电压保持预定相位差关系。

5.根据权利要求4所述的电源系统，其特征在于，

所述预定相位差关系是90度相位差关系。

6.根据权利要求1至3任一项所述的电源系统，其特征在于，

包括第一电容和第二电容，所述第一电容一端接于所述整流电路、直流/直流转换电路之间，另一端接地，所述第二电容一端接于所述直流/直流转换电路、直流/交流转换电路之间，另一端也接地。

7.根据权利要求3所述的电源系统，其特征在于，

所述直流/直流转换电路还将所述212～424v的所述第一直流电转换为另外一路24v的所述第二直流电，以分别输出至所述纺织设备的各个用电部件中，所述用电部件设有相应的直流/直流转换电路，以将所述24v的所述第二直流电转变为相应电压的直流电为所述用电部件供电。

8.根据权利要求7所述的电源系统，其特征在于，包括：

用于设置于所述纺织设备的动作元件或其动作对象行程至少一端的感应元件，所述感应元件由经所述直流/直流转换电路转变所述第二直流电而得到的5v或3.3v直流电供电；

所述感应单元在所述动作元件或其动作对象超出所述行程之前，由所述动作元件或其动作对象所触发而产生至少一路信号输出，所述至少一路信号输出中的其中一路信号输出经过或不经过所述纺织设备的第三控制电路而作用于所述纺织设备的电机的驱动电路的使能端，使所述驱动电路关闭。

9.根据权利要求8所述的电源系统，其特征在于，

包括用于连接于所述第三控制电路和驱动电路使能端之间的电平转换电路；

其中，所述电平转换电路包括第一输入端、第二输入端以及输出端，所述电平转换电路的第一输入端用于连接所述第三控制电路，所述感应单元连接所述电平转换电路的第二输入端；

所述电平转换电路将所述第三控制电路在正常工作中输出的第一电平信号传输至所述驱动电路使能端时，所述驱动电路使能端的电压满足所述驱动电路使能端的使能电压要求；

所述电平转换电路将所述第三控制电路在判断需要停机时输出的第二电平信号传输至所述驱动电路使能端时、或所述感应元件由所述动作元件或其动作对象所触发而产生所述一路信号在经过所述电平转换电路传输至所述驱动电路使能端时，均使得所述驱动电路使能端的电压不能满足所述驱动电路使能端的使能电压要求。