CN104242784A - 一种伺服电机的驱动与控制电路 - Google Patents

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王光辉
杨建欣
张亚宁
周莲
陈日明
王文涛
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Abstract

本发明涉及一种伺服电机的驱动与控制电路，所述电路包括控制器、分别与所述控制器连接的超级电容模组、电源、用于反馈电机电流及其位置信息的反馈元件和用于驱动电机的功率模块；所述超级电容模组并联所述电源和所述功率模块连接。本发明的控制器根据控制目标的实际要求，计算电机需要的电流大小，控制功率模块中功率器件的开关以输出交变电流，从而驱动电机达到指定的扭矩、转速和位置。功率模块在稳态低功耗时由直流稳压电源供电，在短时高功耗时由直流稳压电源和超级电容模组同时供电，从而降低了对直流稳压电源的功率要求，所述电路具有稳态输出功率低，短时驱动能力强、输出功率大、加速性能好等优点。

Description

一种伺服电机的驱动与控制电路
技术领域：
本发明涉及一种电机的驱动控制电路，更具体涉及一种伺服电机的驱动与控制电路。
背景技术：
伺服电机是在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，作为一种执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出，其最大特点是可控性好。伺服电机的驱动与控制系统是一个典型的闭环反馈系统，电机的输出端带动一个线性的速度或位置检测装置，把转速或位置转换成一比例电压信号反馈给控制器，控制器将其与输入的目标信号进行比较，产生纠正电机输出的信号，从而渐近达到伺服电机精确定位的目的。
控制电路对伺服电动机的基本要求为宽广的调速范围、机械特性和调节特性均为线性、无“自转”现象快速响应、控制功率小、重量轻、体积小等。
目前，对于稳态低功耗功率与短时高功耗功率相差非常大的伺服电机控制电路中，为满足短时高功耗需求而要采用大功率稳压电源，采用单一的电源，如高压蓄电池、AC/DC模块，电源质量较大，且增加了控制电路的成本。
本发明提供一种伺服电机的驱动与控制电路以克服上述问题，对于稳态低功耗功率-短时高功耗功率控制电路系统具有重要意义。
发明内容：
本发明的目的是提供一种伺服电机的驱动与控制电路，该电路既能在稳态时输出低功率，又能在短时输出高功率，同时兼顾系统的经济性，并降低该电路的质量。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种伺服电机的驱动与控制电路，所述电路包括控制器、分别与所述控制器连接的超级电容模组、电源、用于反馈电机电流及其位置信息的反馈元件和用于驱动电机的功率模块；所述超级电容模组并联所述电源和所述功率模块连接。
本发明提供的一种伺服电机的驱动与控制电路，所述控制器读取所述电源和超级电容模组的状态信息并根据电路的使用需求和控制目标，设定电源和超级电容模组的工作状态。
本发明提供的一种伺服电机的驱动与控制电路，所述根据电路的使用需求和控制目标计算电机需要的电流大小，并控制所述功率模块中功率器件的开关，从而控制功率模块输出交变电流，驱动电机达到指定的扭矩、转速或位置。
本发明提供的另一优选的一种伺服电机的驱动与控制电路，所述电源为直流稳压电源；所述反馈元件为用于反馈电机电流信息的电流传感器和用于反馈电机位置信息的位置传感器。
本发明提供的再一优选的一种伺服电机的驱动与控制电路，所述直流稳压电源为所述控制器控制的电压稳定、功率可控的DC/DC电源或AC/DC电源；所述直流稳压电源对超级电容模组的充电状态根据电路的需要通过所述控制器进行控制。
本发明提供的又一优选的一种伺服电机的驱动与控制电路，所述超级电容模组的放电状态由所述控制器根据电路的需要进行控制，同时为电机提供必要的无功功率，能抑制所述功率模块中功率器件开关导致的过压，同时在制动过程中吸收能量回馈。
本发明提供的又一优选的一种伺服电机的驱动与控制电路，所述功率模块包括三个并联的开关管支路；每个所述开关管支路包括两个串联的上管和下管；所述上管和下管均包括三极管和与所述三极管反向并联的二极管；在每个开关管支路的上管和下管间均与电机连接。
本发明提供的又一优选的一种伺服电机的驱动与控制电路，所述电路的短时高功耗工作模式为：所述控制器延长所述功率模块中功率器件的开通时间，输出100～1500安培的大电流驱动电机20～400千瓦的大功率工作，以满足高功耗需求；此时功率模块由直流稳压电源和超级电容模组同时供电，直流稳压电源电压保持恒定，超级电容模组大功率能量释放电压降低。
本发明提供的又一优选的一种伺服电机的驱动与控制电路，当一次短时高功耗工作后，所述电路进入稳态低功耗工作模式，所述直流稳压电源为功率模块供电以满足稳态低功耗需求，同时对超级电容模组进行恒压恒流充电；超级电容模组的充电功率和稳态低功耗时功率模块的输入功率之和小于直流稳压电源的最大输出功率，充电时间小于短时高功耗工作间隔；当超级电容模组电压达到直流稳压电源电压时，所述控制器控制直流稳压电源停止对其充电。
本发明提供的又一优选的一种伺服电机的驱动与控制电路，所述电机包括旋转电机或直线电机；所述位置传感器或光栅尺或光电编码器用于读取所述电机的角度位置或直线位置。
和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果
1、本发明利用超级电容模组具有极高的大功率释放能力，为短时高功耗模式提供大功率需求，降低了对直流稳压电源的需求；
2、本发明在稳态低功耗模式下直接从直流稳压电源获取能量，降低了对超级电容模组的充放次数，提高了超级电容模组的寿命；
3、本发明中的电路既能在稳态时输出低功率，又能在短时输出高功率，同时兼顾系统的经济性；
4、本发明以提供稳态低功耗-短时高功耗的伺服电机驱动与控制电路，并降低该电路的质量；
5、本发明具有短时驱动能力强、输出功率大、加速性能好等优点，对于稳态低功耗功率-短时高功耗功率电路具有重要意义。
附图说明
图1为发明的电路图；
图2为本发明实施例一中的电路图；
图3为本发明实施例二中的电路图。
具体实施方式
下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。
实施例1：
如图1-3所示，本例的发明伺服电机的驱动与控制电路，所述电路包括控制器、分别与所述控制器连接的超级电容模组、电源、用于反馈电机电流及其位置信息的反馈元件和用于驱动电机的功率模块；所述超级电容模组并联所述电源和所述功率模块连接。
所述控制器读取所述电源和超级电容模组的状态信息并根据电路的使用需求和控制目标，设定电源和超级电容模组的工作状态。
所述根据电路的使用需求和控制目标计算电机需要的电流大小，并控制所述功率模块中功率器件的开关，从而控制功率模块输出交变电流，驱动电机达到指定的扭矩、转速或位置。
所述电源为直流稳压电源；所述反馈元件为用于反馈电机电流信息的电流传感器和用于反馈电机位置信息的位置传感器，如光栅尺。
所述直流稳压电源为所述控制器控制的电压稳定、功率可控的DC/DC电源，控制器读取并控制DC/DC将低压的直流电源的输出电压调整到系统需要的工作电压；所述直流稳压电源对超级电容模组的充电状态根据电路的需要通过所述控制器进行控制。
所述超级电容模组的放电状态由所述控制器根据电路的需要进行控制，同时为电机提供必要的无功功率，能抑制所述功率模块中功率器件开关导致的过压，同时在制动过程中吸收能量回馈。
所述功率模块包括三个并联的开关管支路；每个所述开关管支路包括两个串联的上管和下管；所述上管和下管均包括三极管和与所述三极管反向并联的二极管；在每个开关管支路的上管和下管间均与电机连接。
所述电路的短时高功耗工作模式为：所述控制器延长所述功率模块中功率器件的开通时间，输出100～1500安培的大电流驱动电机20～400千瓦的大功率工作，以满足高功耗需求；此时功率模块由直流稳压电源和超级电容模组同时供电，直流稳压电源电压保持恒定，超级电容模组大功率能量释放电压降低。
当一次短时高功耗工作后，所述电路进入稳态低功耗工作模式，所述直流稳压电源为功率模块供电以满足稳态低功耗需求，同时对超级电容模组进行恒压恒流充电；超级电容模组的充电功率和稳态低功耗时功率模块的输入功率之和小于直流稳压电源的最大输出功率，充电时间小于短时高功耗工作间隔；当超级电容模组电压达到直流稳压电源电压时，所述控制器控制直流稳压电源停止对其充电。
所述电机包括直线电机；所述位置传感器或光栅尺或光电编码器用于读取所述电机的角度位置或直线位置。
实施例2：其电路结构与实施例1整体相同，不同之处仅是所述电源为AC-DC电源，三相交流电源输出交流电，经AC-DC变换后作为直流稳压电源，所述电机为旋转电机，电机位置信息反馈元件为光电编码器的位置传感器；控制器读取并控制DC/DC将低压的直流电源的输出电压调整到系统需要的工作电压。此外，所述位置传感器还可以为其他任意位置传感器，如磁尺、旋转变压器、球删等等。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种伺服电机的驱动与控制电路，其特征在于：所述电路包括控制器、分别与所述控制器连接的超级电容模组、电源、用于反馈电机电流及其位置信息的反馈元件和用于驱动电机的功率模块；所述超级电容模组并联所述电源和所述功率模块连接。
2.如权利要求1所述的一种伺服电机的驱动与控制电路，其特征在于：所述控制器读取所述电源和超级电容模组的状态信息并根据电路的使用需求和控制目标，设定电源和超级电容模组的工作状态。
3.如权利要求2所述的一种伺服电机的驱动与控制电路，其特征在于：所述根据电路的使用需求和控制目标计算电机需要的电流大小，并控制所述功率模块中功率器件的开关，从而控制功率模块输出交变电流，驱动电机达到指定的扭矩、转速或位置。
4.如权利要求1所述的一种伺服电机的驱动与控制电路，其特征在于：所述电源为直流稳压电源；所述反馈元件为用于反馈电机电流信息的电流传感器和用于反馈电机位置信息的位置传感器。
5.如权利要求4所述的一种伺服电机的驱动与控制电路，其特征在于：所述直流稳压电源为所述控制器控制的电压稳定、功率可控的DC/DC电源或AC/DC电源；所述直流稳压电源对超级电容模组的充电状态根据电路的需要通过所述控制器进行控制。
6.如权利要求5所述的一种伺服电机的驱动与控制电路，其特征在于：所述超级电容模组的放电状态由所述控制器根据电路的需要进行控制，同时为电机提供必要的无功功率，能抑制所述功率模块中功率器件开关导致的过压，同时在制动过程中吸收能量回馈。
7.如权利要求1所述的一种伺服电机的驱动与控制电路，其特征在于：所述功率模块包括三个并联的开关管支路；每个所述开关管支路包括两个串联的上管和下管；所述上管和下管均包括三极管和与所述三极管反向并联的二极管；在每个开关管支路的上管和下管间均与电机连接。
8.如权利要求1所述的一种伺服电机的驱动与控制电路，其特征在于：所述电路的短时高功耗工作模式为：所述控制器延长所述功率模块中功率器件的开通时间，输出100～1500安培的大电流驱动电机20～400千瓦的大功率工作，以满足高功耗需求；此时功率模块由直流稳压电源和超级电容模组同时供电，直流稳压电源电压保持恒定，超级电容模组大功率能量释放电压降低。
9.如权利要求8所述的一种伺服电机的驱动与控制电路，其特征在于：当一次短时高功耗工作后，所述电路进入稳态低功耗工作模式，所述直流稳压电源为功率模块供电以满足稳态低功耗需求，同时对超级电容模组进行恒压恒流充电；超级电容模组的充电功率和稳态低功耗时功率模块的输入功率之和小于直流稳压电源的最大输出功率，充电时间小于短时高功耗工作间隔；当超级电容模组电压达到直流稳压电源电压时，所述控制器控制直流稳压电源停止对其充电。
10.如权利要求4所述的一种伺服电机的驱动与控制电路，其特征在于：所述电机包括旋转电机或直线电机；所述位置传感器或光栅尺或光电编码器用于读取所述电机的角度位置或直线位置。
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