CN104617635A - 一种高可靠大功率的机电伺服电源 - Google Patents

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朱成林
徐祯祥
闫丽媛
王春明
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Abstract

本发明提供一种高可靠大功率的机电伺服电源，以满足伺服系统对电源的高电压、大功率、小体积、小重量、宽温工作等的要求，本发明提供的机电伺服电源包括：高压热电池，为当前机电伺服系统提供发电机状态所需的直流电源，并在当前机电伺服电源受到的反灌电压低于门限电压的上限值时，利用高压热电池内阻特性吸收部分反灌能量；电源管理单元，与所述高压热电池连接，用于通过预置软件监测母线电压，在母线电压达到所述门限电压的上限值时，接通自身内部的泄放电路泄放反灌能量，并在母线电压降低至所述门限电压的下限值时，断开对反灌能量的泄放电路。该机电伺服电源结构简单、体积小、重量轻，可实现双余度的再生电能制动泄放，可靠性高。

Description

一种高可靠大功率的机电伺服电源
技术领域
本发明涉及机电领域，特别是指一种高可靠大功率的机电伺服电源。
背景技术
机电伺服系统又称为电动伺服系统，它将偏差信号(指令信号和当前位置信号之差)最终变换为电压和电流表示的电功率，以伺服电机或其它电磁机构作为输出动力机构，其能量传递介质为电能。
机电伺服系统存在“电动机”、“发电机”两种工作状态，电动机状态机电作动器吸收电能拖动喷管负载做功，将电能转化为机械能；发电机状态机电作动器及负载减速、制动，将系统机械能转换为电能，并叠加在伺服电源输出端形成能量反灌；同时，由于机电伺服系统是一种随动控制系统，工作状态变化大，要求响应快，动态指标高，使得在工作过程中会频繁出现换向，频繁加减速的现象，使得电源频繁承受高电压的反灌电流的冲击。
机电伺服系统的工作特点决定了其用电情况不同于弹上其他用电设备，导致其系统用电具有随机性、大脉冲放电、存在再生电能等特点。这些特点使得机电伺服电源设计较为复杂，现有的XX弹头伺服电源存在工作电压高、伺服系统负载平均功率大、伺服系统工况变化多等特点，还存在伺服系统的安装空间狭小、重量要求苛刻、宽温工作等应用限制。因此需要一种能够解决上述技术问题的机电伺服电源。
图1所示为一种现有的硬件控制的机电伺服电源的电源管理单元电路结构图，该电源管理单元主要由母线电压检测模块1、实时滞回比较模块2、光电隔离模块3和功率智能制动模块4共同组成，工作时，当母线电压升高至比较器的门限电压上限时，泄放电路接通，开始泄放；当母线电压降至门限电压下限时，泄放电路断开。虽然具有这种电源管理单元的机电伺服电源能够满足上述机电伺服系统对电源的部分要求，但是该种电源电路结构复杂、可靠性不够高。
综上所述，需要一种能够在高电压、大功率、工况变化多的工作情况下，解决机电伺服系统的安装空间狭小、重量要求苛刻、宽温工作等应用限制条件且可靠性高的机电伺服电源。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高可靠大功率的机电伺服电源，以满足伺服系统对电源的高电压、大功率、工况变化多、安装空间狭小、重量要求苛刻、宽温工作等应用限制条件，且可靠性不高的问题。
本发明提供的一种高可靠大功率的机电伺服电源，包括：
高压热电池，为当前机电伺服系统提供发电机状态所需的直流电源，并在当前机电伺服电源受到的反灌电压低于门限电压的上限值时，利用高压热电池内阻特性吸收部分反灌能量；
电源管理单元，与所述高压热电池连接，用于通过预置软件监测母线电压，在母线电压达到所述门限电压的上限值时，接通自身内部的泄放电路泄放反灌能量，并在母线电压降低至所述门限电压的下限值时，断开对反灌能量的泄放电路。
优选地，所述高可靠大功率的机电伺服电源包括两个分别与所述高压热电池单独连接的所述电源管理单元。
优选地，所述电源管理单元包括DSP控制检测模块、泄放控制模块和制动电阻；所述DSP控制检测模块通过内部预置软件检测母线电压并将其与预先设定的门限电压比较，在检测到母线电压达到所述门限电压的上限值时，向与自身连接的所述泄放控制模块发送泄放指令，并在检测到母线电压降低至所述门限电压的下限值时，向所述泄放控制模块发送关断指令；所述泄放控制模块包括驱动芯片和制动功率管，所述驱动芯片分别和所述DSP控制检测模块的输出端、所述制动功率管的驱动端连接；所述驱动芯片根据所述DSP控制检测模块发来的泄放指令驱动所述制动功率管导通，并根据所述DSP控制检测模块发来的关断指令关断所述制动功率管；所述制动功率管的输出端串联所述制动电阻，所述制动功率管在导通状态下将当前的机电伺服电源受到的反灌能量通过所述制动电阻泄放。
优选地，所述驱动芯片为1ED020I12-FA型芯片。
优选地，所述制动功率管为FZ300R12KE3G型功率管。
优选地，所述高压热电池额定电压为400V；所述门限电压的下限值为500V，所述门限电压的上限值为650V。
优选地，所述电源管理单元设置于当前机电伺服系统的伺服驱动器内部。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
1)400V热电池为伺服系统提供直流电源，并完成了部分再生能量的安全吸收，实现了高压热电池承受反灌能量的目的；
2)电源管理单元由功率智能制动模块和制动电阻两部分组成，母线电压检测和滞回比较部分由软件控制，与现有技术中的电源管理单元设计相比，采用软件控制，简化了系统电路设计，实现了软硬件控制，固有可靠性提高；
3)通过接入两组电源管理单元实现双余度的再生电能制动泄放电路，实现了伺服电源再生能量的可靠管理；
4)电源管理单元可有效集成到伺服驱动器内部，实现了伺服电源的轻小型化设计；此设计简单巧妙、产品可靠性高，不仅降低了热电池技术指标、减轻热电池重量、同时还保证热电池和伺服功率电路的工作可靠性目的。
附图说明
图1为一种现有的硬件控制的机电伺服电源的电源管理单元电路结构图；
图2为本发明提供的一种高可靠大功率的机电伺服电源的简要结构示意图；
图3为图2中电源管理单元6的优选实施电路结构图。
[主要附图标记说明]
1、母线电压检测模块；
2、实时滞回比较模块；
3、光电隔离模块；
4、功率智能制动模块；
5、高压热电池；
6、电源管理单元；
61、DSP控制检测模块；
62、泄放控制模块；
621、驱动芯片；
622、制动功率管；
R、制动电阻。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
图2为本发明提供的一种高可靠大功率的机电伺服电源的简要结构示意图，该机电伺服电源由高压热电池5和电源管理单元6组成。其中，高压热电池5为当前机电伺服系统提供发电机状态所需的直流电源，并在当前机电伺服电源受到的反灌电压低于门限电压的上限值时，利用高压热电池内阻特性吸收部分反灌能量。电源管理单元6与高压热电池5连接，用于通过预置软件监测母线电压，在母线电压达到门限电压的上限值时，接通自身内部的泄放电路泄放反灌能量，并在母线电压降低至门限电压的下限值时，断开对反灌能量的泄放电路。
优选地，上述高压热电池5的额定电压为400V；预先设定的门限电压的下限值为500V，门限电压的上限值为650V。
优选地，如图2所示，本发明提供的高可靠大功率的机电伺服电源包括两个分别与高压热电池5单独连接的电源管理单元6。
当机电伺服系统处于发电机状态时，高压热电池5为机电伺服系统提供直流功率电，并满足系统工况中峰值电流的需求；当机电伺服系统处于电动机状态时，通过优化机电伺服系统“加速-减速-制动-反向”驱动控制算法，电源管理单元6将大功率级别的机电伺服系统在高动态响应过程中因频繁制动所产生的再生电能限制在200焦耳以内，其反灌电压限制在650V以内，利用高压热电池5的内阻特性吸收反灌能量；当反灌电压超过高压热电池5的650V安全电压时，由两个电源管理单元6实现双余度安全泄放，确保热电池和机电伺服大功率驱动电路安全可靠工作。
图3为图2中电源管理单元6的优选实施电路结构图，如图3中所示，电源管理单元6包括DSP控制检测模块61、泄放控制模块62和制动电阻R。其中，DSP控制检测模块61通过内部预置软件检测母线电压并将其与预先设定的门限电压比较，在检测到母线电压达到门限电压的上限值时，向与自身连接的泄放控制模块62发送泄放指令，并在检测到母线电压降低至门限电压的下限值时，向泄放控制模块62发送关断指令；泄放控制模块62包括驱动芯片621和制动功率管622，驱动芯片621分别和DSP控制检测模块61的输出端、制动功率管622的驱动端连接；驱动芯片621根据DSP控制检测模块61发来的泄放指令驱动制动功率管622导通，并根据DSP控制检测模块61发来的关断指令关断制动功率管622；制动功率管622的输出端串联制动电阻R，制动功率管622在导通状态下将当前的机电伺服电源受到的反灌能量通过制动电阻R泄放。
优选地，如图3所示，驱动芯片为1ED020I12-FA型芯片。
优选地，如图3所示，制动功率管为FZ300R12KE3G型功率管。
图3中，本发明提供的电源管理单元将滞回比较和母线电压检测统一在软件中控制，当DSP控制检测模块61中预置的软件监测到母线电压升高至门限电压上限(如650V)时，由DSP控制检测模块61向驱动芯片1ED020I12-FA的I/O端口13发出泄放指令，即DSP控制检测模块61向驱动芯片1ED020I12-FA的端口I/O 13输出高电平，从而驱动芯片可驱动制动功率管622导通，通过制动电阻R实现泄放，使母线电压下降；当母线电压降至门限电压下限(如500V)时，DSP控制检测模块61发出关断指令，即DSP控制检测模块61向驱动芯片1ED020I12-FA的端口I/O 13输出低电平，此时制动功率管622断开，制动电阻R停止泄放，确保大功率机电伺服系统正常需求的热电池高电压和大电流。
优选地，本发明提供的机电伺服电源中的电源管理单元设置于当前机电伺服系统的伺服驱动器内部，能够实现伺服电源的轻小型化设计
本发明实施例提供的上述机电伺服电源由高压热电池和电源管理单元组成，根据机电伺服特有的用电特性，通过反灌及耐压鉴定性试验最终采用400V高压大功率热电池，同时，根据从热电池电解质分析、热电池单体(组)抗反灌能力试验、热电池组系统点火热试分析验证，完成了双余度再生电能管理的解决方案。本发明提供的上述高可靠大功率的机电伺服电源能够带来以下有益效果：
1)400V热电池为伺服系统提供直流电源，并完成了部分再生能量的安全吸收，实现了高压热电池承受反灌能量的目的；
2)电源管理单元由功率智能制动模块和制动电阻两部分组成，母线电压检测和滞回比较部分由软件控制，与现有技术中的电源管理单元设计相比，采用软件控制，简化了系统电路设计，实现了软硬件控制，固有可靠性提高；
3)通过接入两组电源管理单元实现双余度的再生电能制动泄放电路，实现了伺服电源再生能量的可靠管理；
4)电源管理单元可有效集成到伺服驱动器内部，实现了伺服电源的轻小型化设计；此设计简单巧妙、产品可靠性高，不仅降低了热电池技术指标、减轻热电池重量、同时还保证热电池和伺服功率电路的工作可靠性目的。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高可靠大功率的机电伺服电源，其特征在于，包括：
高压热电池，为当前机电伺服系统提供电动机状态所需的直流电源，并在当前机电伺服电源受到的反灌电压低于门限电压的上限值时，利用高压热电池内阻特性吸收部分反灌能量；
电源管理单元，与所述高压热电池连接，用于监测母线电压，在母线电压达到所述门限电压的上限值时，接通自身内部的泄放电路泄放反灌能量，并在母线电压降低至所述门限电压的下限值时，断开对反灌能量的泄放电路。
2.如权利要求1所述的高可靠大功率的机电伺服电源，其特征在于，所述高可靠大功率的机电伺服电源包括两个分别与所述高压热电池单独连接的所述电源管理单元。
3.如权利要求2所述的高可靠大功率的机电伺服电源，其特征在于，所述电源管理单元包括DSP控制检测模块、泄放控制模块和制动电阻；
所述DSP控制检测模块通过内部预置软件检测母线电压并将其与预先设定的门限电压比较，在检测到母线电压达到所述门限电压的上限值时，向与自身连接的所述泄放控制模块发送泄放指令，并在检测到母线电压降低至所述门限电压的下限值时，向所述泄放控制模块发送关断指令；
所述泄放控制模块包括驱动芯片和制动功率管，所述驱动芯片分别和所述DSP控制检测模块的输出端、所述制动功率管的驱动端连接；所述驱动芯片根据所述DSP控制检测模块发来的泄放指令驱动所述制动功率管导通，并根据所述DSP控制检测模块发来的关断指令关断所述制动功率管；
所述制动功率管的输出端串联所述制动电阻，所述制动功率管在导通状态下将当前的机电伺服电源受到的反灌能量通过所述制动电阻泄放。
4.如权利要求3所述的高可靠大功率的机电伺服电源，其特征在于，所述驱动芯片为1ED020I12-FA型芯片。
5.如权利要求3所述的高可靠大功率的机电伺服电源，其特征在于，所述制动功率管为FZ300R12KE3G型功率管。
6.如权利要求1至5任一项所述的高可靠大功率的机电伺服电源，其特征在于，所述高压热电池额定电压为400V；所述门限电压的下限值为500V，所述门限电压的上限值为650V。
7.如权利要求1至5任一项所述的高可靠大功率的机电伺服电源，其特征在于，所述电源管理单元设置于当前机电伺服系统的伺服驱动器内部。
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