CN110912491A - 基于电容控制的伺服电机控制系统、方法及伺服驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于伺服驱动控制技术领域，公开了一种基于电容控制的伺服电机控制系统、方法及伺服驱动器，通过共直流母线技术将每台伺服驱动器的直流母线连接在一起，然后连接到一个电容控制模块；电容控制模块再连接到电容模块，正常工作状态下，只有其中一个电容模块连接到直流母线上，另一个备用；电容控制模块通过检测第一电容模块和第二电容模块里电解电容的工作温度，直流母线电压的纹波判断是否需要更换电容模块。本发明取消了伺服系统中每台伺服驱动器主回路的电解电容，通过共直流母线技术连接到一个独立的，可控的电容模块上。控制模块可根据电解电容的老化程度或受损情况更换电容模块，而且不需要设备断电，提升了生产线的生产效率。
Description
技术领域
本发明属于伺服驱动控制技术领域，尤其涉及一种基于电容控制的伺服电机控制系统、方法及伺服驱动器。
背景技术
目前，最接近的现有技术：伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量，能够跟随输入目标值(或给定值)的任意变化的自动控制系统，是由运动控制器、伺服驱动器、伺服电机组成的。伺服驱动器一般包含整流模块、储能电容、逆变模块等。一台自动化设备一般用到多台伺服驱动器，如六关节工业机器人，用到六台伺服驱动器控制。目前行业内主流的伺服驱动器产品都具有共直流母线功能，共直流母线技术是基于通用逆变装置均采用交-直-交变频方式，当电机处于制动状态时，其制动能量反馈到直流侧，为更好的处理反馈制动能量，把各逆变单元的直流侧连接起的一种方法。共用直流母线可以大大减少制动单元的重复配置，结构简单合理经济可靠，其中间直流电压恒定，电容并联储能容量大。一般伺服系统，一台伺服驱动器控制一台电机，根据生产设备的应用需求，可由不同数量的伺服驱器组成，如三轴机械臂，则用到三台伺服驱动器。而共直流母线技术是伺服系统的一个技术发展趋势，一些主流伺服厂商推出的新产品都具备这一功能。具有共直流母线功能的伺服驱动器主回路示意图。在应用中，就是将每台伺服驱动器的直流母线端子P极依次连接在一起，N极依次连接在一起，将储能电容并联起，增加储能容量。而主回路中的储能电容一般选用电解电容，其数量根据伺服驱动器的功率而定，功率越大，电解电容的数量越多。每台伺服驱动器电解电容容量的选型是根据最大功率选定的，而在一套生产设备中，一般不会出现每台伺服驱动器都工作在最大功率的状况，所以采用共直流母线技术，其实可以节省设备整体所需的电解电容数量。
伺服驱动器的储能电容一般采用电解电容，而且用于此处的电解电容由于工作状况的关系，寿命都较短。伺服驱动器驱动电机通常运行在频繁启停、快速正反转的场合，有些设备还存在垂真方向的加减速运动，这会使得母线电压的波动较大，母线电容的纹波电流较大，从而加速电解电容的老化，降低了伺服驱动器的寿命。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)伺服驱动器的储能电容采用电解电容，寿命都较短。
(2)伺服驱动器驱动电机母线电压的波动较大，母线电容的纹波电流较大，加速电解电容的老化，降低了伺服驱动器的寿命。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于电容控制的伺服电机控制系统、方法及伺服驱动器。
本发明是这样实现的，一种基于电容控制的伺服电机控制方法，所述基于电容控制的伺服电机控制方法包括以下步骤：
第一步，通过共直流母线技术将每台伺服驱动器的直流母线连接在一起，然后连接到一个电容控制模块；
第二步，电容控制模块再连接到电容模块，正常工作状态下，只有其中一个电容模块连接到直流母线上，另一个备用；
第三步，电容控制模块通过检测第一电容模块和第二电容模块里电解电容的工作温度，直流母线电压的纹波判断是否需要更换电容模块。
进一步，所述基于电容控制的伺服电机控制方法当检测到直流母线电压的纹波或电解电容工作温度超过预设阀值时，控制电气开关的开合，连接电容模块；
电容控制模块闭合双开关1、单开关1，将直流母线连接到第一电容模块上，实时检测到直流母线电压的纹波和第一电容模块中电解电容的工作温度，工作一段时间后，其中至少有一项超过预设阀值时，则指示灯D1亮起，说明第一电容模块需要更换；此时将双开关、单开关同时打开，连接上第二电容模块，过渡一段时间，当电压再次稳定后，再切断第一电容模块；在过渡时间内，指示灯D3是灭的，是不可操作的；当切换完成后，指示灯D3亮起，而指示灯D1依然亮着，说明第一电容模块完全切断电气连接，更换上新的电容模块作备用。
进一步，所述基于电容控制的伺服电机控制方法根据检测数据进行开关控制与指示灯控制，当主控芯片MCU 9接收到的纹波电压检测信号超过预设的阀值VPPT时，并且延续了一定的时间T1时，说明电解电容性能下降，需要更换电容模块；当主控芯片MCU接收到的温度检测信号超过预设阀值VT时，并且延续了时间T2时，说明电解电容性能下降，工作温度升高，需要更换电容模块。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述基于电容控制的伺服电机控制方法的基于电容控制的伺服电机控制系统，所述基于电容控制的伺服电机控制系统包括：
伺服控制模块，用于通过伺服驱动器控制伺服电机的运行；
电容控制模块，通过直流母线与伺服控制模块连接，通过检测第一电容模块和第二电容模块的电解电容的工作温度，直流母线电压的纹波判断是否需要更换第一电容模块和第二电容模块；当检测到直流母线电压的纹波或电解电容工作温度超过预设阀值时，控制电气开关的开合，连接第一电容模块和第二电容模块；
第一电容模块和第二电容模块，通过电气开关与电容控制模块连接，用于实现直流母线电压的纹波和电解电容工作温度的采集。
进一步，所述电容控制模块由电压检测与温度检测模块、状态指示灯、四组电气开关组成；
电压检测与温度检测模块与状态指示灯连接，四组电气开关与电压检测与温度检测模块和第一电容模块、第二电容模块连接。
进一步，所述电压检测与温度检测模块包括：MCU、纹波电压检测模块、开关控制模块、温度检测模块、指示灯控制模块；
MCU，用于接收纹波电压检测信号，判断是否超过预设的阀值VPPT；接收温度检测信号，判断超过预设阀值VT；
纹波电压检测模块，与MCU连接，用于采集纹波电压检测信号；
开关控制模块，与MCU连接，用于实现逻辑控制开关动作；
温度检测模块，与MCU连接，用于采集电容模块的温度信号；
指示灯控制模块，与MCU连接，用于实现指示灯的显示动作。
进一步，所述第一电容模块、第二电容模块包括：电解电容、直流风扇、温度传感器；
温度传感器，用于检测电解电容的工作温度；
直流风扇，用于给电容模块散热；
电解电容，用于储存电能、给功率模块供电。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于电容控制的伺服电机控制方法的伺服驱动器。
本发明的另一目的在于提供一种安装有所述伺服驱动器的搬运码垛机器人。
本发明的另一目的在于提供一种安装有所述伺服驱动器的筛选分类机器人。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：随着中国制造业自动化水平的提升，伺服系统得到了广泛的应用，如用于搬运的码垛机器人、用于筛选分类的机器人等。而很多企业的生产线有一个特点就是一天24小时不断电运行。但如果生产设备出现故障，就不得不断电进行设备的检修，这就会影响到生产效率。而这些生产设备的核心零部件中，都会有各自的易老化、易损坏的器件。而电解电容、散热风扇就是伺服系统中最容易老化、损坏的关键器件。散热风扇一般设计成可独立拆装的，易于维护。本发明将伺服驱动器中主回路的电解电容设计成可独立更换的电容模块，通过检测电解电容的工作温度、母线电压的纹波控制电容模块的更换。
本发明解决了因电解电容老化或受损而导致的生产设备停机问题，保证生产效率；提高了伺服驱动器的使用寿命，降低生产设备的维护成本；取消了伺服驱动器中主回路的电解电容，改为独立的、可更换的电容模块，降低了驱动器的成本；解决了伺服驱动器中主回路电解电容散热的问题，减缓了电解电容的老化进程。
本发明在具有共直流母线功能的伺服驱动器基础上，将伺服驱动器主回路的储能电容移到一个可控的电容模块上。伺服驱动器可以不做任何电路上的改动，只需在驱动器生产的时候，不安装储能电容即可。本发明可以减缓电解电容老化，而且确保即使电解电容老化也可以及时更换，不会影响到设备的工作。本发明通过将伺服驱动器中使用寿命较短的电解电容分离出，进行模块化设计，并能在生产设备不停机的情况下，进行电容模块的更换，提升了生产效率，降低了设备维护成本，提升了伺服系统的寿命。可以根据产品的需求增加备用电容模块的数量，也可以增加电解电容性能的检测方法，如电流纹波检测法。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于电容控制的伺服电机控制方法流程图。
图2是本发明实施例提供的基于电容控制的伺服电机控制系统的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的基于电容控制的伺服电机控制系统的原理图；
图4是本发明实施例提供的电容控制模块的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的第一电容模块、第二电容模块的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的电压检测与温度检测模块的结构示意图；
图中：1、伺服控制模块；2、电容控制模块；3、第一电容模块；4、第二电容模块；5、电压检测与温度检测模块；6、温度传感器；7、电解电容；8、直流风扇；9、MCU；10、纹波电压检测模块；11、开关控制模块；12、温度检测模块；13、指示灯控制模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于电容控制的伺服电机控制系统、方法及伺服驱动器，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于电容控制的伺服电机控制方法包括以下步骤：
S101：通过共直流母线技术将每台伺服驱动器的直流母线连接在一起，然后连接到一个电容控制模块；
S102：电容控制模块再连接到电容模块，正常工作状态下，只有其中一个电容模块连接到直流母线上，另一个备用；
S103：电容控制模块通过检测第一电容模块和第二电容模块里电解电容的工作温度，直流母线电压的纹波判断是否需要更换电容模块。
如图2所示，本发明实施例提供的基于电容控制的伺服电机控制系统包括：伺服控制模块1、电容控制模块2、第一电容模块3、第二电容模块4。
伺服控制模块1，用于通过伺服驱动器控制伺服电机的运行。
电容控制模块2，通过直流母线与伺服控制模块1连接，通过检测第一电容模块3和第二电容模块4的电解电容的工作温度，直流母线电压的纹波判断是否需要更换第一电容模块3和第二电容模块4；当检测到直流母线电压的纹波或电解电容工作温度超过预设阀值时，控制电气开关的开合，连接第一电容模块3和第二电容模块4。
第一电容模块3和第二电容模块4，通过电气开关与电容控制模块2连接，用于实现直流母线电压的纹波和电解电容工作温度的采集。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
如图3所示，通过共直流母线技术将每台伺服驱动器的直流母线连接在一起，然后连接到一个电容控制模块2，电容控制模块2再连接到电容模块(第一电容模块3和第二电容模块4)上。正常工作状态下，只有其中一个电容模块连接到直流母线上，另一个备用。电容控制模块2通过检测第一电容模块3和第二电容模块4里电解电容7的工作温度，直流母线电压的纹波判断是否需要更换电容模块。
如图4所示，电容控制模块2由电压检测与温度检测模块5、状态指示灯、四组电气开关组成。当检测到直流母线电压的纹波或电解电容7工作温度超过预设阀值时，控制电气开关的开合，连接电容模块。指示灯D1亮起，说明第一电容模块3需要更换；指示灯D2亮起，说明第二电容模块4需要更换。指示灯D3亮着，说明可更换电容模块，否则，不可更换。例如，电容控制模块2闭合双开关1、单开关1，将直流母线连接到第一电容模块3上，实时检测到直流母线电压的纹波和第一电容模块3中电解电容的工作温度，工作一段时间后，其中至少有一项超过预设阀值时，则指示灯D1亮起，说明第一电容模块3需要更换。此时将双开关2、单开关2也同时打开，连接上第二电容模块4，过渡一段时间，当电压再次稳定后，再切断第一电容模块3。在这段过渡时间内，指示灯D3是灭的，是不可操作的。当切换完成后，指示灯D3亮起，而指示灯D1依然亮着，说明第一电容模块3已经完全切断了电气连接，可以安全地拆除，更换上新的电容模块作备用。指示灯状态表如表1所示，指示灯可提醒设备管理人员目前设备的工作状况。
表1指示灯状态表
目前对电解电容的寿命预测常用的有纹波电流测试法和热阻计算法，而这两种方法都比较复杂，准确性也不高。本发明不对电解电容寿命作预测，而是直接根据电解电容因老化或受损造成的性能下降判断。如果电解电容7在使用过程中，温度突然变高或纹波电压变大，这些都会影响到伺服系统的控制精度，说明电解电容的性能已经下降，需要更换。电容模块如图5所示，包含电解电容7、直流风扇8、温度传感器6。温度传感器6用于检测电解电容的工作温度，直流风扇8是用于给电容模块散热的。电解电容7工作温度每下降10℃，寿命大概可提升一倍。本发明则不存在这样的隐患，因为结构简单，器件单一，可以通过刷三防胶避免积尘引起的短路现象。所以本发明可以减缓电解电容7的老化，提升了伺服系统的寿命。
图6所示，电压检测与温度检测模块5，可根据检测数据进行开关控制与指示灯控制。主控芯片MCU 9可以采用单片机实现，外围电路简单，成本低。当主控芯片MCU 9接收到的纹波电压检测信号超过预设的阀值VPPT时，并且延续了一定的时间T1时，说明电解电容7性能下降，需要更换电容模块。当主控芯片MCU 9接收到的温度检测信号超过预设阀值VT时，并且延续了一定的时间T2时，说明电解电容7性能下降，工作温度升高，需要更换电容模块。两种检测方式，只要其中一种出现异常，都会按逻辑控制开关动作与指示灯显示，提示设备管理人员更换电容模块。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于电容控制的伺服电机控制方法，其特征在于，所述基于电容控制的伺服电机控制方法包括以下步骤：
第一步，通过共直流母线技术将每台伺服驱动器的直流母线连接在一起，然后连接到一个电容控制模块；
第二步，电容控制模块再连接到电容模块，正常工作状态下，只有其中一个电容模块连接到直流母线上，另一个备用；
第三步，电容控制模块通过检测第一电容模块和第二电容模块里电解电容的工作温度，直流母线电压的纹波判断是否需要更换电容模块。
2.如权利要求1所述的基于电容控制的伺服电机控制方法，其特征在于，所述基于电容控制的伺服电机控制方法当检测到直流母线电压的纹波或电解电容工作温度超过预设阀值时，控制电气开关的开合，连接电容模块；
电容控制模块闭合双开关1、单开关1，将直流母线连接到第一电容模块上，实时检测到直流母线电压的纹波和第一电容模块中电解电容的工作温度，工作一段时间后，其中至少有一项超过预设阀值时，则指示灯D1亮起，说明第一电容模块需要更换；此时将双开关、单开关同时打开，连接上第二电容模块，过渡一段时间，当电压再次稳定后，再切断第一电容模块；在过渡时间内，指示灯D3是灭的，是不可操作的；当切换完成后，指示灯D3亮起，而指示灯D1依然亮着，说明第一电容模块完全切断电气连接，更换上新的电容模块作备用。
3.如权利要求1所述的基于电容控制的伺服电机控制方法，其特征在于，所述基于电容控制的伺服电机控制方法根据检测数据进行开关控制与指示灯控制，当主控芯片MCU 9接收到的纹波电压检测信号超过预设的阀值VPPT时，并且延续了一定的时间T1时，说明电解电容性能下降，需要更换电容模块；当主控芯片MCU接收到的温度检测信号超过预设阀值VT时，并且延续了时间T2时，说明电解电容性能下降，工作温度升高，需要更换电容模块。
4.一种实施权利要求1所述基于电容控制的伺服电机控制方法的基于电容控制的伺服电机控制系统，其特征在于，所述基于电容控制的伺服电机控制系统包括：
伺服控制模块，用于通过伺服驱动器控制伺服电机的运行；
电容控制模块，通过直流母线与伺服控制模块连接，通过检测第一电容模块和第二电容模块的电解电容的工作温度，直流母线电压的纹波判断是否需要更换第一电容模块和第二电容模块；当检测到直流母线电压的纹波或电解电容工作温度超过预设阀值时，控制电气开关的开合，连接第一电容模块和第二电容模块；
第一电容模块和第二电容模块，通过电气开关与电容控制模块连接，用于实现直流母线电压的纹波和电解电容工作温度的采集。
5.如权利要求4所述的基于电容控制的伺服电机控制系统，其特征在于，所述电容控制模块由电压检测与温度检测模块、状态指示灯、四组电气开关组成；
电压检测与温度检测模块与状态指示灯连接，四组电气开关与电压检测与温度检测模块和第一电容模块、第二电容模块连接。
6.如权利要求5所述的基于电容控制的伺服电机控制系统，其特征在于，所述电压检测与温度检测模块包括：MCU、纹波电压检测模块、开关控制模块、温度检测模块、指示灯控制模块；
MCU，用于接收纹波电压检测信号，判断是否超过预设的阀值VPPT；接收温度检测信号，判断超过预设阀值VT；
纹波电压检测模块，与MCU连接，用于采集纹波电压检测信号；
开关控制模块，与MCU连接，用于实现逻辑控制开关动作；
温度检测模块，与MCU连接，用于采集电容模块的温度信号；
指示灯控制模块，与MCU连接，用于实现指示灯的显示动作。
7.如权利要求4所述的基于电容控制的伺服电机控制系统，其特征在于，所述第一电容模块、第二电容模块包括：电解电容、直流风扇、温度传感器；
温度传感器，用于检测电解电容的工作温度；
直流风扇，用于给电容模块散热；
电解电容，用于储存电能、给功率模块供电。
8.一种应用权利要求1～3任意一项所述基于电容控制的伺服电机控制方法的伺服驱动器。
9.一种安装有权利要求8所述伺服驱动器的搬运码垛机器人。
10.一种安装有权利要求8所述伺服驱动器的筛选分类机器人。
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