CN106655857A - 智能化机器人系统供电电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能化机器人系统供电电源，包括：上、中、下三个平面六角形三相变压器，上、中、下变压器的初次级匝比依次为1:1、正相1:0.742和反相1:0.395、正相1:0.742和反相1:0.395；相位关系设置单元，将三半桥逆变电路设置为两两形成三相变压器的初级交流供电，互差120°，按照上、中、下变压器总相位角差20°设置开关角度；输出电压设置单元，计算初级电压数值及最终相位角度上的电压值；输出频率设置单元，通过控制驱动信号确定连续实现一个数量脉冲串，实现桥臂转换；确立每个脉冲的开通时间。本发明提高了对谐波的处理能力、能够实现三相绝对平衡及可以达到对输出频率的精度要求。

Description

智能化机器人系统供电电源

技术领域

本发明涉及一种智能化供电电源，特别是涉及一种涉及机器人系统的智能化机器人系统供电电源。

背景技术

现有技术应用的供电电源，可按照输出模式、是否实现谐波处理、是否实现在线式值守并自动转换供电等方式来划分。

在输出模式上主要体现在是否具备三相平衡输出能力。现有技术多采用独立单相输出模式首先实现，再通过输出连接成为三相输出形式。绝大部分三相交流输出电源均采用该模式并在国内达到相当成熟稳定的应用。但在带不平衡负载能力上、在三相相位差的精度保障上、在谐波输出限制与效率提高的关系上均出现技术性能限制的固有缺陷。

在是否实现谐波处理的技术应用方面，专门作为这样处理目的的一些有源滤波器或无缘滤波器技术方案得到广泛应用。但是，作为电源形式实现电压等级变换、频率变换的交流输出电源，几乎均未能实现。若要实现，也就是上述两种类别技术产品的叠加产品。基于高频变换技术的应用必要性越来越突出，体现电能转换效率的提高。这类产品已经在经济适应性、技术可靠性上显现其劣势。

在是否实现在线式值守并自动实现供电转换供电的特征方面，现有的UPS(不间断电源)、EPS(消防应急电源)等均是实现电压恒定输出、输入断电甚至过、欠压能够自动切换到电池供电的形式。就其输出交流波形质量看，有方波输出形式、梯形波输出形式、正弦波输出形式；就电池供电形式看，一般仅作为报警、短维持时间形式；就输出带负载能力形式，主要的缺陷都是带非线性负载能力差。

三相四线制供电模式，是现今交流供电的基本模式。三相平衡和零相序零电流电压是非常重要的指标。局部环节具备带不平衡负载能力的设备是最佳的保障方案。而这样的技术装备依然还有其局限性。

电能质量标准被引用以来，不同的各型治理电能污染、提高电能质量的技术装备得以应用和推广。但就局部与整体、不同负载条件变换和用电网络局部区域治理等方面综合利用来讲，现在依然还没有完全具备灵活多样、适应性强大的这类技术装备的引入。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中供电电源难以达到对谐波的处理能力的要求、难以实现三相绝对平衡的能力以及难以达到对输出频率的精度要求的缺陷，提供一种智能化机器人系统供电电源。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

本发明提供了一种智能化机器人系统供电电源，其特点在于，包括：

上、中、下三个平面六角形三相变压器，其中，上三相变压器(即上平面六角形三相变压器)的初次级匝比为1:1，中三相变压器(即中平面六角形三相变压器)的初次级匝比为正相1:0.742和反相1:0.395，下三相变压器(即下平面六角形三相变压器)的初次级匝比为正相1:0.742和反相1:0.395；并且连续脉冲总宽度为120°；

相位关系设置单元，用于将三半桥逆变电路设置为两两形成三相变压器的初级交流供电，互差120°，并按照上三相变压器、中三相变压器、下三相变压器总相位角差20°来设置开关角度；

输出电压设置单元，用于计算初级电压数值，并根据矢量和计算最终相位角度上的电压值；

输出频率设置单元，用于通过控制驱动信号确定连续实现一个数量脉冲串，并实现桥臂转换，并实现连续一样数量脉冲串，以建立输出频率值；还用于确立脉冲串中每个脉冲的开通时间，以实现对输出电压的调节。

较佳地，在平面六角形三相变压器中还实现三组变压器一体采用。

较佳地，在平面六角形三相变压器中还采用三相三重叠加逆变技术。

较佳地，在所述智能化机器人系统供电电源中还采用FPGA(现场可编程门阵列)编程技术。

较佳地，所述智能化机器人系统供电电源还包括直流电瓶，在外部供电出现异常时，还采用直流电瓶介入值守，以维持直流供电质量。

较佳地，所述智能化机器人系统供电电源还包括外部值守自启动/停止柴油发电机系统的预留接口，用于实现无间歇自动转换供电装置。

较佳地，所述智能化机器人系统供电电源还采用触摸屏作为人机交互界面。

本发明的积极进步效果在于：本发明的供电电源提高了对谐波的处理能力、能够实现三相绝对平衡以及可以达到对输出频率的精度要求，并且在本发明中采用了多项新型技术，结合比较新颖的控制理论，采用FPGA形式的规模化集成芯片，形成高速、多系统集成软件系统，采用全性能采样保护功能，多方位的高新技术应用和集成，达到的效果即是智能、精确、安全和操作简单。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的智能化机器人系统供电电源的模块示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明的智能化机器人系统供电电源包括三个平面六角形三相变压器1、相位关系设置单元2、输出电压设置单元3及输出频率设置单元4，其中三个平面六角形三相变压器分别为上平面六角形三相变压器、中平面六角形三相变压器、下平面六角形三相变压器。

其中，关于相位关系实现的技术手段，本发明涉及三半桥逆变结构，外部供电电压经整流滤波后成为其直流供电电源，而所述相位关系设置单元2则将三半桥逆变电路设置为两两形成三相变压器的初级交流供电，互差120°，如此能够在其次级得到相应的角度的感应电压，即每个对应的次级线包上得到的相位角度是固定的；再有，所述相位关系设置单元2按照上平面六角形三相变压器、中平面六角形三相变压器、下平面六角形三相变压器总相位角差20°来设置其开关角度，同样在次级线包上，得到的相应相位角度不仅是固定的对应初级，还体现了总体的相位差角度。

关于输出电压和输出频率实现的技术手段，电压关系首先表征在变压器每一组初次级线包匝比关系，其次是初级电压数值，而所述输出电压设置单元3则会计算初级电压数值，并根据矢量和计算出最终相位角度上的电压值；

频率关系则由逆变桥导通转换频率，为由驱动信号确定的一个固定值，所述输出频率设置单元4则通过控制驱动信号确定连续实现一个数量脉冲串，再实现桥臂转换，并依然实现连续一样数量脉冲串，如此即建立了输出频率值；其次，还确立脉冲串中每个脉冲的开通时间，能够形成初级激磁电压的不同，等同于实现了初级电压的调节，从而实现了对输出电压的调节。

本发明还采用新型部件达到整机机构合理化，主要是平面六角形三相变压器1，采用上中下三层结构形式，单一的三相变压器实现了低漏磁、高平衡和高安全系数的结构特点，实现了高频三相变压器的突破，本发明的平面六角形三相变压器1的三层结构能够利于次级线包的组合链接，等效成为正相9组、反相9组的18组次级电压，取其中部分组合，形成了整体的三相输出形式。

关于实现低次谐波的消除能力的技术手段，根据公式π3N＝20°，N取3，即是表明3组变压器叠加。按抵消5次和7次谐波的要求，可计算出变压器初次级匝比，在本发明的平面六角形三相变压器1中，上平面六角形三相变压器的初次级匝比为1:1，中平面六角形三相变压器的初次级匝比为正相1:0.742和反相1:0.395，下平面六角形三相变压器的初次级匝比为正相1:0.742和反相1:0.395；并且连续脉冲总宽度为120°；如此可通过变压器自身，抵消掉5次和7次谐波，再取连续脉冲总宽度为120°，即可等效方波宽度为θ＝120°。

以U相输出计算。Ua1的相位为基准，和A1相同；幅度为1；标记为0°。Ub1幅度为0.742，相位角为340°或-20°。U′b3幅度为0.395，取反相线包连接方式，相位角为40°。Uc1幅度为0.395，相位角为320°或-40°。U′c3幅度取0.742，取反相线包连接方式，相位角为20°。5组向量相加，矢量值约为3，相位角为0°。这样实现了新的0相位，可控幅值的输出形式。

有如下计算公式：

按照矢量角度关系，可以得到U相基波和各次谐波的表达式：

如此可以得到线电压的基波与各次谐波的幅值计算公式：

三相半桥式逆变器中第一个变压器在n＝1时的基波有效值用公式表示为：

因取方波宽度为120°，可以计算出：U_1a1＝0.673E；

三相半桥模式，三组变压器变比已经确定，可以相应计算出其数值，即：

-U′c3，Ua2，Uc1，-U′b3等其他四个输出电压基波有效值。

据此，可以计算出A相基波分量的有效值，用公式表达为：

第n次谐波的基波分量有效值即可由此计算出来，得到如下计算公式：

在方波宽度为120°条件下，得到如下计算公式：

这样，可以计算出在方波宽度为120°条件下，采取特殊的匝比取值和交替组合链接后，输出电压中所包含的谐波次数及其含量。

这样说明，在计量到69次以下计算，A相谐波输出总量为：0.205％。远小于常规标准对谐波含量的控制额度。3-15次谐波被抵消掉。所以，本发明具备自身克服低次谐波的功能。

在本发明中，采用了平面六角形三相变压器，并且实现三组变压器一体采用的技术特征及优势，平面六角形三相变压器实现了低漏磁、高平衡和高安全系数的机构特点，实现了对高频三相变压器的突破，基于其铁芯采用密闭环路模式，磁泄漏达到最低；基于其结构形式实现几何形式的全对称，达到三相工作状态的一致，也就保障了三相平衡的特点；基于采用铁基微晶带材按本结构卷绕特制成型的高频铁芯，适用于高频频率达到1MHz，采用成熟的大规模IGBT(绝缘栅极双极型晶体管)模块作为开关的大功率三相逆变器就可以很轻松得到实现。也正基于这个基础，可以实现低频方波逆变采用高频多脉冲串实现高精度控制，也能够实现设备输出特性的高动特性。

采用三组这样的高频三相变压器进行组合，实现初级相位差异控制，相当于在次级中能够形成9个相位的交流电压，再加上反相线包，就形成了总计18组不同相位的交流电压，实际有15组次级电压被采用。这样形成了次级电压幅值的矢量加，输出功率相当于叠加。

达到的效果是，输出交流电压的频率，由逆变器方波电压的转换频率确定。通过软件设置，可以得到10-1000Hz的任意频率电压。输出交流电压由矢量叠加值作为次级总匝数，和初级对比，实现输出电压值。采用次级星型连接方式，零相序电压为0，而且无谐波含量。

好处是，可以作为任意特种电源和常规电源使用。实现无谐波标准正弦波输出，为负载设备提供完美的供电环境。特别是像机器人系统这样的含机械转动、系统控制的综合性设备，其受到供电污染引起的故障是很多的，甚至是致命的。

本发明还采用三相三重叠加逆变技术，三相三重叠加逆变技术属于国内国际在大功率电子应用方面所派生的一种十分科学、先进的应用技术。基于其控制技术复杂，非线性计算因实际频率不同而差异较大，还没有被规模化产品采用。但是，其组成原理和效果，在前述的能够满足三相平衡和高频转换的变压器前提下，变得非常容易实现。

好处是，叠加技术是在原理上具有叠加次级电压的机理，实际成为功率模式的矢量叠加。在大功率电子技术领域应用来讲，却具备十分广阔的应用前景。因为功率设备需要考量的最关键参数就是效率。相对来讲，同比计算一个效率为80％和95％的50KVA的用电设备，其效率差为15％，即是180度/天的电能损耗差，同比条件，能够在大功率领域实现高的效率，就是值得倡导的绿色革命性的设备。

本发明还采用FPGA自主软件编程技术，主要是基于软件系统需要更多的统一控制的输出参数，需要对相当多的不同模式的参数进行计算，需要和多系统实现通信和数据交换。最重要的是需要高速数据通信。

采用这样的模式，能够满足不同的需求后，实现高速化输出控制信号，能够实现精确的抗干扰能力强的控制输出，也是保障整个系统实现高可靠性的必要保障之一。

好处是，采用FPGA控制中心模式，通过自主编程实现，能够实现自主知识产权，能够实现规模化通信目的，满足多系统集成，能够大幅度提升设备的可靠性。

本发明除了上述中心关键技术或组成外，还通过其余集成部分实现新的功能特点。其中采用了直流电瓶值守介入模式，在外部供电出现异常时介入，维系直流供电质量。采用了外部值守自启动\停止柴油发电机系统(预留接口)，作为需要不断电供电模式的场合选配采用。采用了大面积触摸屏作为人机交互界面，使得控制输入和运行状态输出能够非常直观、明确的以图表和数据显示，实现简易化操作。采用了变压器线包高漏抗设计，使得交流输出滤波需要的大体积电感得到省略，仅在输出端连接适当的电容即可轻松实现正弦波输出。

采用了直流电瓶值守介入模式，在外部供电出现异常时介入，维系直流供电质量的特征，是基于系统供电于外部供电网路，输入端采用适当的滤波和补偿，实现供电网路和设备的干扰隔离。整流滤波后的直流端也会因为网压波动而引起波动，直流支撑电容容量毕竟不能完全满足能量补偿或吸收，通过设备系统检测网压，可以实现制动开通或切断电池组与直流母线的回路。达到高浪涌电压出现时接通充电回路，自动将电池组介入吸收浪涌电能。同样出现低谷电压时，接通放电回路，电池组自动补偿直流电能，最大可能的克服了网压波动异常所造成的弊端。

好处是实现电能转换的最大效率化，实现设备输出性能的高稳定和高质量。

采用了外部值守自启动\停止柴油发电机系统预留接口，作为需要不断电供电模式的场合选配采用。前述电池组的应用，仅能维持异常补充供电的一个短期。在一定特殊应用环节，不允许突然停电或停止工作，就需要能够满足无间歇自动转换供电装置的功能。采用这样的预留接口，就成就本发明设备具备这样的高端需求。

采用了大面积触摸屏作为人机交互界面，使得控制输入和运行状态输出能够非常直观、明确的以图表和数据显示，实现简易化操作。借用这样的人机交互系统，最适度的提升本发明设备的可操作性与便利性。好处是提升操作性，提升了客户使用便利。

采用了变压器线包高漏抗设计，使得交流输出滤波需要的大体积电感得到省略，仅在输出端连接适当的电容即可轻松实现正弦波输出，使基于逆变变压器输出依然是方波，需要采用LC低通滤波后输出正弦波。结合前述的采用的低端谐波抵消效能，再基于采用足够高的逆变频率，基波频率和截止频率差距很大，所以需要的LC的截止频率高。采用高漏抗模式制作主变，次级电感同时可起电感的作用，从而不再增设低通滤波电感，以并联电容和次级等效电感即可。

作为机器人的智能化供电电源的优势：

机器人系统作为现今最极速发展、最可能推动制造业工艺标准化、规范化的产品，在各种重要工业环节中起到越来越重要的作用。其具有大量的转动关节，其实都是采用电子控制模式实现电机转动控制，其耗电或对供电的要求是高的；其控制系统，因为承载多轴联动、大量的安全与检测参数采集计算，远超过一般的电气系统，同样需要对供电质量提出较高的要求；其系统集成的目的，就是实现自动化工作的效能实现，若出现较为严重的供电异常，导致其自动化功能不能实现完毕，其造成的后果是非常严重的。

将机器人系统和其配套作用的用电设备一起纳入本发明设备的供电管理中，不仅能解决其安全、效能和智能的所有弊端，还能在出现不可预计的许多供电环境异常、设备环境异常和工艺实现异常等很多方面的问题。严格意义上讲，能够把智能化和自动化设备最可靠的结合，提升系统集成的使用效能和安全保障性能。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种智能化机器人系统供电电源，其特征在于，包括：

上、中、下三个平面六角形三相变压器，其中，上三相变压器的初次级匝比为1:1，中三相变压器的初次级匝比为正相1:0.742和反相1:0.395，下三相变压器的初次级匝比为正相1:0.742和反相1:0.395；并且连续脉冲总宽度为120°；

相位关系设置单元，用于将三半桥逆变电路设置为两两形成三相变压器的初级交流供电，互差120°，并按照上三相变压器、中三相变压器、下三相变压器总相位角差20°来设置开关角度；

输出电压设置单元，用于计算初级电压数值，并根据矢量和计算最终相位角度上的电压值；

输出频率设置单元，用于通过控制驱动信号确定连续实现一个数量脉冲串，并实现桥臂转换，并实现连续一样数量脉冲串，以建立输出频率值；还用于确立脉冲串中每个脉冲的开通时间，以实现对输出电压的调节。

2.如权利要求1所述的智能化机器人系统供电电源，其特征在于，在平面六角形三相变压器中还实现三组变压器一体采用。

3.如权利要求1所述的智能化机器人系统供电电源，其特征在于，在平面六角形三相变压器中还采用三相三重叠加逆变技术。

4.如权利要求1所述的智能化机器人系统供电电源，其特征在于，在所述智能化机器人系统供电电源中还采用FPGA编程技术。

5.如权利要求1所述的智能化机器人系统供电电源，其特征在于，所述智能化机器人系统供电电源还包括直流电瓶，在外部供电出现异常时，还采用直流电瓶介入值守，以维持直流供电质量。

6.如权利要求5所述的智能化机器人系统供电电源，其特征在于，所述智能化机器人系统供电电源还包括外部值守自启动/停止柴油发电机系统的预留接口，用于实现无间歇自动转换供电装置。

7.如权利要求1所述的智能化机器人系统供电电源，其特征在于，所述智能化机器人系统供电电源还采用触摸屏作为人机交互界面。