CN111313801A - 一种电机反电势能量回馈及泄放的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电机反电势能量回馈及泄放的系统，包括依次连接的供电电源、直流驱动器电路和电机，所述的直流驱动器电路包括电压控制单元、母线电流检测单元、比较判定单元、能量泄放单元和功率逆变单元，所述的电压控制单元分别与母线电流检测单元、比较判定单元和能量泄放单元连接，所述的母线电流检测单元分别与供电电源、比较判定单元和功率逆变单元连接，所述的能量泄放单元和功率逆变单元连接，所述的功率逆变单元与电机连接。与现有技术相比，本发明既能对能量进行有效泄放，防止母线电压过高，也能让部分能量回馈到电池系统，合理再利用等优点。
Description
技术领域
本发明涉及动力系统，尤其是涉及一种电机反电势能量回馈及泄放的系统。
背景技术
随着AGV和RGV小车在仓储物流行业中的迅猛发展，电池与直流驱动器系统组成的动力系统使用日渐普遍。直流驱动器系统在小车行驶过程中的高加减速运动带来的反电势能量，如果不加以有效处理，会产生一系列棘手的问题：
(1).反电势能量不加以泄放，仅靠电池自身回馈吸收的情况。在大电流回灌电池系统时，动力电池的内部管理系统会有保护措施抑制大电流的涌入。这样会导致电池和驱动器母线电压瞬间增高，可能导致系统过压报警，不能正常运行。更为严重的情况，会致使驱动器元器件耐压不够，损坏击穿。
(2).反电势能量完全泄放吸收的情况。它忽视了电池系统本身也可以对小电流进行能量回馈吸收利用。如果能量全都以耗散电阻发热的形式泄放掉，一方面会加重环境温度的升高，对系统可靠运行不利，另一方面对动力电池的续航时间也会有负面影响。
针对上述情况，目前主要有以下几种措施来泄放反电势能量，降低系统运行的风险：
第一种反电势能量泄放的方法，是利用功率二极管的反向截止特性，将产生的反电势能量先封闭在电路中的储能元件中(比如大电解电容)，然后利用二极管前后侧的电压差值作为触发条件，当后端比前端电压高出设定的固定值时，就打开泄放回路进行能量释放。在电池应用系统中，采用该方法的缺点是由于有二极管的存在，反电势能量完全不能回到电池系统中，全部被耗散电阻发热掉。而直流驱动器正常运行时，也会在该二极管上产生损耗和温升。
下面技术检索出的常用方法即为上述描述的方式：
(i)范佳堃，孟海江等提出的“一种大磁矩磁力矩器能量泄放控制电路”(CN103107718B)，实施原理详见其说明书和附图，由于母线二极管D5的串接，能量不能回到VCC。
(ii)关宏星提出的“一种电机及电机保护方法”(CN106549362A)，实施原理详见其说明书及附图，由于母线上二极管D1的串接，能量不能回到VCC。
第二种常用的方法是，通过硬件电路或者固件程序设置固定的母线电压触发点。当检测到母线电压高于设定值时，就打开泄放回路动作；当母线电压低于设定值时就关闭泄放回路。该方法在交流伺服驱动器上经常使用。但在常规的12-70VDC电压范围内，难以设置一个固定统一的泄放点来满足不同客户不同电池电压的应用情况。
下面技术检索出的常用方法即为上述描述的方式：
(i)王献伟，徐东桂等提出的“具有智能泄放功能的交流伺服驱动器”(CN205017242U)，泄放实施原理详见其说明书及附图，其采用母线采样电压与基准电压比较，由比较器结果来决定是否触发泄放回路。
(ii)段天富等提出的“一种具有母线泄放回路检测功能的伺服驱动器”(CN105978443B)，实施原理详见其说明书及附图，其采用母线电压检测值与固件程序设定基准值比较，其处理器判定结果决定泄放回路是否动作。
(iii)刘友辉，周全兵提出的“一种刹车制动过压泄放保护装置及电子调速器”(CN206947942U)，泄放实施原理详见其说明书及附图，其采用母线采样电压与基准电压比较，其结果决定是否触发泄放回路。该电池系统的应用，参与比较的基准电压难以适应12-70VDC范围内不同电池电压的应用场景。
前述两种反电势能量电阻泄放的方法，属于常规经济的做法。目前交流伺服系统中有采用AFE前端整流回馈的方法，将反电势能量直接回馈交流电网，不用耗散电阻泄放，达到节能的目的，但该方案目前成本高昂，其电路拓扑结构如图1所示，一般用在大功率大惯量的交流变频调速系统中。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种电机反电势能量回馈及泄放的系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种电机反电势能量回馈及泄放的系统，包括依次连接的供电电源、直流驱动器电路和电机，所述的直流驱动器电路包括电压控制单元、母线电流检测单元、比较判定单元、能量泄放单元和功率逆变单元，所述的电压控制单元分别与母线电流检测单元、比较判定单元和能量泄放单元连接，所述的母线电流检测单元分别与供电电源、比较判定单元和功率逆变单元连接，所述的能量泄放单元和功率逆变单元连接，所述的功率逆变单元与电机连接；
所述的母线电流检测单元监测母线上电流方向和大小，通过比较判定单元来控制能量泄放单元的关闭，从而对能量进行有效泄放，防止母线电压过高，也能让部分能量回馈到供电电源中，合理再利用。
优选地，所述的供电电源为电池或者超级电容。
优选地，所述的直流驱动器电路还包括滤波单元，该滤波单元可位于供电电源与母线电流检测单元之间。
优选地，所述的直流驱动器电路还包括滤波单元，该滤波单元可位于母线电流检测单元与功率逆变单元之间。
优选地，所述的母线电流检测单元为电流传感器器件，或者具有相同功能的电流检测器件，或者通过串入电阻来检测电流。
优选地，所述的比较判定单元为比较器硬件电路。
优选地，所述的比较器硬件电路判定动作的具体实施过程如下：
(1)初始上电状态，比较器硬件电路的基准电压高于母线电流检测单元的电压，比较器硬件电路输出为低，能量泄放单元保持关断；
(2)直流驱动器电路运行时，如果比较器硬件电路的基准电压仍然高于母线电流检测单元的电压，比较器输出为低，能量泄放单元保持关断；
(3)直流驱动器电路运行时，如果母线电流检测单元的电压高于比较器硬件电路的基准电压，比较器硬件电路输出翻转为高，能量泄放单元导通进行能量泄放；
(4)当反电势能量逐渐泄放减小，比较器硬件电路的基准电压又高于母线电流检测单元的输出电压，比较器硬件电路输出翻转为低，能量泄放单元关断，回到步骤(2)。
优选地，所述的比较判定单元为处理器单元。
优选地，所述的处理器判定动作的具体实施过程如下：
(1)初始上电状态，能量泄放单元保持关断；
(2)直流驱动器电路运行时，处理器单元周期性地检测母线电流检测单元的电压输出值，并将其与程序设定的基准电压值相比较；
(3)如果判定输出电压>基准电压值，能量泄放单元导通动作；
(4)其他情况，能量泄放单元关断。
优选地，所述的能量泄放单元包括功率管Q1、耗散电阻R1和二极管D1，所述的功率管Q1的基极与比较判定单元连接，集电极与耗散电阻R1一端和二极管D1的正极连接，所述的耗散电阻R1另一端和二极管D1的负极分别接在母线电流检测单元和功率逆变单元之间。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1).与前述采用二极管截止能量回流，用电压差值触发泄放的方案相比，本发明更加适用于电池供电的动力系统。它既能对能量进行有效泄放，防止母线电压过高，也能让部分能量回馈到电池系统，合理再利用。且由于母线上不存在大电流流经的二极管，能进一步减少整个动力系统的功率损耗和发热，延长续航时间。
(2).与前述采用硬件或程序设置固定的母线电压泄放值方案相比，本发明只与母线电流方向和大小相关，与母线电压的绝对值无关，能更广泛地适用于不同客户不同电池电压供电的情况。
附图说明
图1为现有技术AFE前端整流回馈技术的原理图；
图2为本发明的原理拓扑图；
图3为本发明电池供电直流驱动器电路对外做功的原理拓扑图；
图4为本发明电机减速产生的反电势能量较小的原理拓扑图；
图5为本发明电机减速产生的反电势能量较大的原理拓扑图；
图6为本发明比较判定单元采用硬件比较器的原理拓扑图；
图7为本发明比较判定单元采用处理器的原理拓扑图；
图8为本发明比较判定单元采用处理器的控制流程图；
图9为本发明滤波单元安装在前端的原理拓扑图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
本发明的反电势能量回馈与泄放的系统，重点针对电池系统(或超级电容)对直流驱动器供电的应用场景，不同于以往用母线电压监控来触发泄放电路的方式，它采用监测母线上电流方向和大小来作为泄放是否动作的触发条件。反电势能量产生时，它一方面在内部进行有效泄放，防止母线电压过高，另一方面也让部分能量回馈到电池系统，合理再利用，对整个动力系统降低功率损耗和发热，以及延长续航时间都有积极意义。
本发明的主要创新点：
(1).以直流母线上电流方向和大小为判断依据，决定泄放是否动作；
(2).允许适量的反电势能量回馈到电池，整个动力系统比较节能，能够延长续航时间。
如图2所示，一种电机反电势能量回馈及泄放的系统，包括依次连接的供电电源1、直流驱动器电路2和电机3，所述的直流驱动器电路2包括电压控制单元202、母线电流检测单元201、比较判定单元203、能量泄放单元204和功率逆变单元205，所述的电压控制单元202分别与母线电流检测单元201、比较判定单元203和能量泄放单元204连接，所述的母线电流检测单元201分别与供电电源1、比较判定单元203和功率逆变单元205连接，所述的能量泄放单元204和功率逆变单元205连接，所述的功率逆变单元205与电机3连接；
所述的母线电流检测单元201监测母线上电流方向和大小，通过比较判定单元203来控制能量泄放单元的关闭，从而对能量进行有效泄放，防止母线电压过高，也能让部分能量回馈到供电电源中，合理再利用。
所述的供电电源为电池或者超级电容。所述的能量泄放单元包括功率管Q1、耗散电阻R1和二极管D1，所述的功率管Q1的基极与比较判定单元连接，集电极与耗散电阻R1一端和二极管D1的正极连接，所述的耗散电阻R1另一端和二极管D1的负极分别接在母线电流检测单元和功率逆变单元之间。
所述的母线电流检测单元为电流传感器芯片，或者具有相同功能的耐高共模电压的电流检测芯片，或者具有同等功能的组合电路。
本发明系统在不同状态下的能量流向图：
(i).电池供电直流驱动器电路对外做功时，内部泄放电路不动作，电池提供能量给电机做功，如图3所示：
(ii).电机减速产生的反电势能量较小，流出电流小于设定阈值时，内部泄放电路不动作，该能量回馈给电池，如图4所示：
(iii).电机减速产生的反电势能量较大，流出电流超出设定阈值时，内部泄放电路动作，部分能量被耗散电阻吸收发热，部分能量回馈给电池系统，如图5所示：
本发明通过比较器硬件电路或处理器固件程序比较的方式来实现。
比较器电路(或处理器单元)通过对比母线电流检测单元的输出电压值与基准电压值的大小，得到母线上电流的流向与大小，根据比较结果进行如下动作：
(1).判定如果是正方向流进电流，或者是反方向流出但没有超出设定阈值的电流，驱动器内部泄放单元不动作；
(2).判定如果是反方向流出电流，且超出设定的阈值电压范围，驱动器内部泄放单元才动作。
如图6所示，所述的比较判定单元为比较器硬件电路2031。
所述的比较器硬件电路判定动作的具体实施过程如下：
(1)初始上电状态，比较器硬件电路的基准电压高于母线电流检测单元的电压，比较器硬件电路输出为低，能量泄放单元保持关断；
(2)直流驱动器电路运行时，如果比较器硬件电路的基准电压仍然高于母线电流检测单元的电压，比较器输出为低，能量泄放单元保持关断；
(3)直流驱动器电路运行时，如果母线电流检测单元的电压高于比较器硬件电路的基准电压，比较器硬件电路输出翻转为高，能量泄放单元导通进行能量泄放；
(4)当反电势能量逐渐泄放减小，比较器硬件电路的基准电压又高于母线电流检测单元的输出电压，比较器硬件电路输出翻转为低，能量泄放单元关断，回到步骤(2)。
如图7所示，所述的比较判定单元为处理器单元。
如图8所示，所述的处理器判定动作的具体实施过程如下：
(1)初始上电状态，能量泄放单元保持关断；
(2)直流驱动器电路运行时，处理器单元周期性地检测母线电流检测单元的电压输出值，并将其与程序设定的基准电压值相比较；
(3)如果判定输出电压>基准电压值，能量泄放单元导通动作；
(4)其他情况，能量泄放单元关断。
注：基准电压是指母线电流流出大小为设定的阈值时，母线电流检测单元对应输出的电压值。
如图9所示，所述的直流驱动器电路2还包括滤波单元206，该滤波单元206位于供电电源1与母线电流检测单元201之间。如图2所示，所述的直流驱动器电路2还包括滤波单元206，该滤波单元位于母线电流检测单元201与功率逆变单元205之间，即滤波单元可位于母线电流检测单元的前端或者后端，电压控制单元负责电压转换以供各模块使用。
因此本反电势能量回馈与泄放的系统，是指通过监测母线电流大小和流向，作为泄放是否动作依据的直流驱动器系统，它可重点应用于电池(或超级电容)等直流供电的应用场景。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种电机反电势能量回馈及泄放的系统，其特征在于，包括依次连接的供电电源、直流驱动器电路和电机，所述的直流驱动器电路包括电压控制单元、母线电流检测单元、比较判定单元、能量泄放单元和功率逆变单元，所述的电压控制单元分别与母线电流检测单元、比较判定单元和能量泄放单元连接，所述的母线电流检测单元分别与供电电源、比较判定单元和功率逆变单元连接，所述的能量泄放单元和功率逆变单元连接，所述的功率逆变单元与电机连接；
所述的母线电流检测单元监测母线上电流方向和大小，通过比较判定单元来控制能量泄放单元的关闭，从而对能量进行有效泄放，防止母线电压过高，也能让部分能量回馈到供电电源中，合理再利用。
2.根据权利要求1所述的一种电机反电势能量回馈及泄放的系统，其特征在于，所述的供电电源为直流供电系统。
3.根据权利要求1所述的一种电机反电势能量回馈及泄放的系统，其特征在于，所述的直流驱动器电路还包括滤波单元，该滤波单元可位于供电电源与母线电流检测单元之间。
4.根据权利要求1所述的一种电机反电势能量回馈及泄放的系统，其特征在于，所述的直流驱动器电路还包括滤波单元，该滤波单元可位于母线电流检测单元与功率逆变单元之间。
5.根据权利要求1所述的一种电机反电势能量回馈及泄放的系统，其特征在于，所述的母线电流检测单元为电流传感器器件，或者具有相同功能的电流检测器件，或者通过串入电阻来检测电流。
6.根据权利要求1所述的一种电机反电势能量回馈及泄放的系统，其特征在于，所述的比较判定单元为比较器硬件电路。
7.根据权利要求6所述的一种电机反电势能量回馈及泄放的系统，其特征在于，所述的比较器硬件电路判定动作的具体实施过程如下：
(1)初始上电状态，比较器硬件电路的基准电压高于母线电流检测单元的电压，比较器硬件电路输出为低，能量泄放单元保持关断；
(2)直流驱动器电路运行时，如果比较器硬件电路的基准电压仍然高于母线电流检测单元的电压，比较器输出为低，能量泄放单元保持关断；
(3)直流驱动器电路运行时，如果母线电流检测单元的电压高于比较器硬件电路的基准电压，比较器硬件电路输出翻转为高，能量泄放单元导通进行能量泄放；
(4)当反电势能量逐渐泄放减小，比较器硬件电路的基准电压又高于母线电流检测单元的输出电压，比较器硬件电路输出翻转为低，能量泄放单元关断，回到步骤(2)。
8.根据权利要求1所述的一种电机反电势能量回馈及泄放的系统，其特征在于，所述的比较判定单元为处理器单元。
9.根据权利要求8所述的一种电机反电势能量回馈及泄放的系统，其特征在于，所述的处理器判定动作的具体实施过程如下：
(1)初始上电状态，能量泄放单元保持关断；
(2)直流驱动器电路运行时，处理器单元周期性地检测母线电流检测单元的电压输出值，并将其与程序设定的基准电压值相比较；
(3)如果判定输出电压>基准电压值，能量泄放单元导通动作；
(4)其他情况，能量泄放单元关断。
10.根据权利要求1所述的一种电机反电势能量回馈及泄放的系统，其特征在于，所述的能量泄放单元包括功率管Q1、耗散电阻R1和二极管D1，所述的功率管Q1的基极与比较判定单元连接，集电极与耗散电阻R1一端和二极管D1的正极连接，所述的耗散电阻R1另一端和二极管D1的负极分别接在母线电流检测单元和功率逆变单元之间。
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