CN116614051A - 用于预测伺服驱动器的再生电阻过载的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于预测伺服驱动器的再生电阻过载的预测方法，其包括以下步骤：建立以再生电阻需要的散热时间为应变量、以驱动晶体管的导通时间为自变量的近似函数关系；响应于驱动晶体管的开始导通，确定驱动晶体管的导通时长；基于近似函数关系，将导通时长代入近似函数关系计算得到再生电阻需要的散热时间；根据计算得到的所需的散热时间是否超出预定的散热时长阈值，预测再生电阻是否有过载风险。根据本发明的用于预测伺服驱动器的再生电阻过载的预测方法，提供了一种低成本、高准确性的过载风险预测和预警方案，其能够有效保障伺服驱动器的设备安全性，设备结构较为简单并适于大范围推广应用在各种应用场景。

Description

用于预测伺服驱动器的再生电阻过载的预测方法

技术领域

本发明涉及伺服驱动器的再生制动的技术领域，尤其涉及一种用于预测伺服驱动器的再生电阻过载的预测方法。

背景技术

当伺服电机马达减速时，因机械惯性，马达被带动而成为发电机，电能经续流二极管全波整流后反馈到直流电路。由于直流电路的电能无法通过整流桥回馈到电网，产生的电能仅靠母线电容无法完全消耗，会出现短时间电荷累计，形成“泵升电压”，致使直流母线电压上升。若持续此状态，直流母线电压超过母线电容的耐压，会导致电容破损，造成严重后果。

基于上述考虑，为保证设备安全，需要对再生制动电路进行设计。具体来说，参考图1所示，在再生制动回路中接一个电阻，以热能的形式消耗掉再生的电能，此电阻可称为再生电阻。当直流母线电压高于再生制动开启电压时，再生电阻驱动晶体管导通，再生电阻吸收再生能量，释放热量，直流母线电压降低。当直流母线电压降到再生制动停止电压时，再生电阻驱动晶体管关断。此时没有制动电流流过电阻，再生电阻在自然散热，降低自身温度。以上过程就是再生制动的过程，目的是为了平衡母线电压，使系统正常运行。在此，应理解的是，图1示出的电路仅为示意，且其中的电阻阻值及电容容值也仅仅是示例性而非限制性的。

当再生制动动作发生比较频繁时，再生电阻吸收了过多的再生能量，发热量增加，而没有充足的时间进行散热，温升超过限额将容易造成再生电阻过载。一旦再生电阻损坏，失去再生电阻的保护，解下来将会损坏的就是母线电容和功率逆变模块，这将造成严重的后果。

因此，判断再生电阻是否过载，并在过载时进行报错及时切断电源，是保障伺服驱动器的设备安全性的关键一环。

为此，亟需设计一种新的用于预测伺服驱动器的再生电阻过载的预测方法，以一种低成本、高准确性的方式，对再生电阻可能的过载风险提供及时的预警，从而保障伺服驱动器的设备安全性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术针对伺服驱动器的再生电阻过载风险，缺乏一种低成本、高准确性的预测预警方案的缺陷，提出一种新的用于预测伺服驱动器的再生电阻过载的预测方法。

本发明是通过采用下述技术方案来解决上述技术问题的：

本发明提供了一种用于预测伺服驱动器的再生电阻过载的预测方法，所述伺服驱动器包括连接至直流母线的再生制动电路，所述再生制动电路包括母线电容、再生电阻以及再生电阻的驱动晶体管，其中再生电阻的驱动晶体管被配置为能够在直流母线的电压高于预定的第一电压阈值时导通以使得再生电阻吸收能量及释放热量，以便降低直流母线的电压至预定的安全电压阈值，其特点在于，所述预测方法包括以下步骤：

建立以再生电阻需要的散热时间为应变量、以驱动晶体管的导通时间为自变量的近似函数关系；

响应于驱动晶体管的开始导通，确定驱动晶体管的导通时长T0；

基于所述近似函数关系，将导通时长T0代入所述近似函数关系，得到再生电阻所需的散热时间；

根据计算得到的所需的散热时间是否超出预定的散热时长阈值，预测再生电阻是否有过载风险。

根据本发明的一些实施方式，所述近似函数关系为幂函数。

根据本发明的一些实施方式，根据在恒定的环境温度下对再生制动电路的实验获得的实验数据，基于幂函数的数值拟合而得出所述近似函数关系。

根据本发明的一些实施方式，所述预测方法还包括用于建立以再生电阻需要的散热时间为应变量、以驱动晶体管的导通时间为自变量的所述近似函数关系的如下子步骤：

子步骤一、利用温度传感设备布置多个温度采集点，所述多个温度采集点间隔排列地固定在所述再生电阻表面；

子步骤二、在恒定环境温度条件下，启动温度传感设备开始采集温度数据，然后控制所述再生电阻的驱动晶体管导通达到预定导通时长后关闭；

子步骤三、获取并保存针对所述多个温度采集点的温度曲线，所述温度曲线具有如下特性，即，在驱动晶体管导通后先急剧上升，并在达到一峰值后缓慢下降，直至下降到接近所述恒定环境温度条件；

子步骤四、反复执行上述子步骤二至子步骤三，以获取针对同一恒定环境温度条件和相同预定导通时长的多组温度曲线；

子步骤五、保持恒定环境温度条件不变，调整改变所述预定导通时长，反复执行上述子步骤二至子步骤四，获取针对不同预定导通时长的温度曲线；

子步骤六、改变恒定环境温度条件，反复执行上述子步骤二至子步骤五，获取针对不同恒定环境温度的温度曲线；

子步骤七、基于通过上述子步骤二至子步骤六获得的温度曲线，通过数值拟合的方法确定所述近似函数关系。

根据本发明的一些实施方式，母线电容的电容值为3120微法拉，再生电阻的阻值为32欧姆，第一电压阈值为380伏，安全电压阈值为360伏；

其中，拟合得出的所述近似函数关系符合下式(1)，其中散热时间为T，驱动晶体管的导通时间为X，

T＝A*X^(B) (1)。

根据本发明的一些实施方式，式(1)中，A的取值在[100,120]的区间内，B的取值在[0.55,0.60]的区间内。

根据本发明的一些实施方式，所述预测方法还包括在伺服驱动器的工作状态下执行的如下监测步骤：

实时监测驱动晶体管的导通和关闭，并确定驱动晶体管的导通时长T0；

基于所述近似函数关系通过将通时长T0带入得到再生电阻需要的散热时间；

判断计算得到的散热时间是否超出预定的散热时长阈值，若超出则输出再生电阻过载报错，若未超出则开始从所述散热时间进行反向计时；

若反向计时清零前再次监测到驱动晶体管的导通，则将所述散热时间的剩余时间增加到新一次计算得到的散热时间中。

根据本发明的一些实施方式，在上述方案的基础上，其中预定的散热时长阈值可例如是通过试验或其他方式预先测得或确定的再生电阻温升30℃的情形下所需的散热时间，这一所需的散热时间也可根据实际情况进行调整，例如调整为同其他温升值对应的所需的散热时间。

根据本发明的一些实施方式，所述预测方法利用FPGA执行所述监测步骤。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：

根据本发明的用于预测伺服驱动器的再生电阻过载的预测方法，提供了一种低成本、高准确性的过载风险预测和预警方案，其能够有效保障伺服驱动器的设备安全性，设备结构较为简单并适于大范围推广应用在各种应用场景。

附图说明

图1为伺服驱动器所包括的连接至直流母线的再生制动电路的电路简图。

图2为根据本发明的优选实施方式的用于预测伺服驱动器的再生电阻过载的预测方法中，在伺服驱动器的工作状态下执行的监测步骤的流程示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，进一步对本发明的优选实施例进行详细描述，以下的描述为示例性的，并非对本发明的限制，任何的其他类似情形也都将落入本发明的保护范围之中。

在以下的具体描述中，方向性的术语，例如“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”等，参考附图中描述的方向使用。本发明各实施例中的部件可被置于多种不同的方向，方向性的术语是用于示例的目的而非限制性的。

根据本发明优选实施方式的用于预测伺服驱动器的再生电阻过载的预测方法，其应用环境主要针对具有如下再生制动电路的伺服驱动器。参考图1所示，所述伺服驱动器包括连接至直流母线的再生制动电路，所述再生制动电路包括母线电容、再生电阻以及再生电阻的驱动晶体管，其中再生电阻的驱动晶体管被配置为能够在直流母线的电压高于预定的第一电压阈值时导通以使得再生电阻吸收能量及释放热量，以便降低直流母线的电压至预定的安全电压阈值。

根据本发明优选实施方式的用于预测伺服驱动器的再生电阻过载的预测方法具体包括以下步骤：

建立以再生电阻需要的散热时间为应变量、以驱动晶体管的导通时间为自变量的近似函数关系；

响应于驱动晶体管的开始导通，确定驱动晶体管的导通时长T0；

基于所述近似函数关系，将导通时长T0代入近似函数关系得到再生电阻需要的散热时间；

根据计算得到的所需的散热时间是否超出预定的散热时长阈值，预测再生电阻是否有过载风险。

其中，所述近似函数关系为幂函数。并且，根据在恒定的环境温度下对再生制动电路的实验获得的实验数据，基于幂函数的数值拟合而得出所述近似函数关系。

其中，根据本发明的一些优选实施方式，所述预测方法还包括用于建立以再生电阻需要的散热时间为应变量、以驱动晶体管的导通时间为自变量的所述近似函数关系的如下子步骤：

子步骤一、利用温度传感设备布置多个温度采集点，所述多个温度采集点间隔排列地固定在所述再生电阻表面；

子步骤二、在恒定环境温度条件下，启动温度传感设备开始采集温度数据，然后控制所述再生电阻的驱动晶体管导通达到预定导通时长后关闭；

子步骤三、获取并保存针对所述多个温度采集点的温度曲线，所述温度曲线具有如下特性，即，在驱动晶体管导通后先急剧上升，并在达到一峰值后缓慢下降，直至下降到接近所述恒定环境温度条件；

子步骤四、反复执行上述子步骤二至子步骤三，以获取针对同一恒定环境温度条件和相同预定导通时长的多组温度曲线；

子步骤五、保持恒定环境温度条件不变，调整改变所述预定导通时长，反复执行上述子步骤二至子步骤四，获取针对不同预定导通时长的温度曲线；

子步骤六、改变恒定环境温度条件，反复执行上述子步骤二至子步骤五，获取针对不同恒定环境温度的温度曲线；

子步骤七、基于通过上述子步骤二至子步骤六获得的温度曲线，通过数值拟合的方法确定所述近似函数关系。

为了便于理解本发明中用于建立所述近似函数关系的子步骤，以下将对这一过程进行更为具体的举例说明，但应理解的是，以下举例说明中涉及的数量或者参数数值并不构成对本发明的限制。

举例来说，可采用如下实验来针对某一型号的再生电阻进行一系列实验来确定较为准确的所述近似函数关系，具体实验步骤如下：

1、实验前准备：将温度传感设备的8个温度采集点(本方案实验所用设备)从左到右间隔约500mm，固定在再生电阻表面，采集点越多可以得出越精确的温度趋势。

2、恒定环境温度条件为25℃。先启动温度传感设备开始采集温度，再立刻通过驱动器上的按键控制再生电阻驱动晶体管导通100ms，驱动器程序设置导通100ms后晶体管关闭。

3、观察温度传感器设备采集到的温度曲线，可以发现再生电阻表面的温度在晶体管导通后先急剧上升，达到峰值后温度缓慢下降，直至下降到环境温度左右。保存温度传感器设备采集到的数据。

4、同一恒定环境温度条件下，相同的晶体管导通时间，可重复上述步骤，进行2-3次实验，丰富实验数据。

5、保持恒定环境温度条件不变，修改驱动器程序，控制晶体管导通时间为200ms/300ms/400ms等。不断增加晶体管导通时间，改变晶体管导通时间这一变量，重复实验。

6、改变恒定环境温度条件为30℃/35℃/40℃等，不断增加恒定环境温度条件，重复实验。

基于上述实验或者基于相同原则的类似实验，通过不同恒定环境温度条件下改变晶体管导通时间进行多次重复实验，可得到一系列实验数据。基于这一系列实验数据，可推导得到如下实验结果。

同一(恒定)环境温度条件下，晶体管导通时间相同，重复实验，可得出再生电阻温度上升峰值相差在0.5℃之内，温度峰值散热至室温时间相差在5s之内。这显示出，温升基本相同的情况下，散热时间变化不大(在近似中可以忽略)。并且晶体管导通时间越长，再生电阻上升温度峰值越大，而温升越大散热时间越长。

改变(恒定)环境温度条件，从环境温度上升至温度峰值的温升相同时，所需要的散热时间是大致相同的。例如：(恒定)环境温度条件分别为25℃和35℃，晶体管导通都为500ms，那么可以观察到它们的温升与散热时间大致相同。

根据本发明的一些优选实施方式，其中预定的散热时长阈值可例如是通过试验或其他方式预先测得或确定的再生电阻温升30℃的情形下所需的散热时间，这一所需的散热时间也可根据实际情况进行调整，例如调整为同其他温升值对应的所需的散热时间。

根据实验数据，晶体管导通时间对应着再生电阻在该导通时间下的温升，而温升与该温升下所需要的散热时间也存在对应关系。因此，通过上述实验及其实验数据，可进一步得到晶体管导通时间与散热时间的趋势关系，该趋势关系可近似为幂函数。即，所述近似函数关系符合下式(1)，其中散热时间为T，驱动晶体管的导通时间为X，

T＝A*X^(B) (1)。

在一个应用实例中，母线电容的电容值为3120微法拉，再生电阻的阻值为32欧姆，第一电压阈值为380伏，安全电压阈值为360伏，并通过上述实验确定该式(1)中，A的取值在[100,120]的区间内，B的取值在[0.55,0.60]的区间内。

本发明的上述方案基于如下技术构思。即，针对预测预警再生电阻过载风险的这一问题，本发明的上述技术方案即使相比于直接用温度传感器采集再生电阻表面温度的预警方法，由于其通过时间变量进行监测和预警，因此更易于实施并可应用诸如FPGA来实现风险预警，并且对实际运行的伺服驱动器而言，无需添加多个温度传感器设备，因而结构简单且成本较低。这些都表明，本发明的上述技术方案即使相比于直接用温度传感器采集再生电阻表面温度的预警方法也具有显著的技术优势。

根据本发明的一些进一步优选的实施方式，参考图2所示，所述预测方法还包括在伺服驱动器的工作状态下执行的如下监测步骤：

实时监测驱动晶体管的导通和关闭(例如通过监测母线电压实现)，并确定驱动晶体管的导通时长T0；

基于所述近似函数关系通过代入导通时长T0得到再生电阻需要的散热时间；

判断计算得到的散热时间是否超出预定的散热时长阈值，若超出则输出再生电阻过载报错，若未超出则开始从所述散热时间进行反向计时(即图2所示的“散热时间每秒减一”)；

若反向计时清零前再次监测到驱动晶体管的导通，则将所述散热时间的剩余时间增加到新一次计算得到的散热时间中。

在图示的例子中，散热时间191s表示温升(发热量)约为30摄氏度，以该散热时间作为再生电阻过载的标志。即当计算出的散热时间大于191时，判断为再生电阻过载并报错。

进一步优选地，至少利用FPGA来执行前述监测步骤。这例如可通过在FPGA中烧制或阈值用于执行上述监测步骤的程序的方式来事项。

根据本发明的上述优选实施方式的用于预测伺服驱动器的再生电阻过载的预测方法，提供了一种低成本、高准确性的过载风险预测和预警方案，其能够有效保障伺服驱动器的设备安全性，设备结构较为简单并适于大范围推广应用在各种应用场景。

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，而且这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于预测伺服驱动器的再生电阻过载的预测方法，所述伺服驱动器包括连接至直流母线的再生制动电路，所述再生制动电路包括母线电容、再生电阻以及再生电阻的驱动晶体管，其中再生电阻的驱动晶体管被配置为能够在直流母线的电压高于预定的第一电压阈值时导通以使得再生电阻吸收能量及释放热量，以便降低直流母线的电压至预定的安全电压阈值，其特征在于，所述预测方法包括以下步骤：

建立以再生电阻需要的散热时间为应变量、以驱动晶体管的导通时间为自变量的近似函数关系；

响应于驱动晶体管的开始导通，确定驱动晶体管的导通时长T0；

基于所述近似函数关系，将导通时长T0代入近似函数关系得到再生电阻需要的散热时间；

根据计算得到的所需的散热时间是否超出预定的散热时长阈值，预测再生电阻是否有过载风险。

2.如权利要求1所述的用于预测伺服驱动器的再生电阻过载的预测方法，其特征在于，所述近似函数关系为幂函数。

3.如权利要求2所述的用于预测伺服驱动器的再生电阻过载的预测方法，其特征在于，根据在恒定的环境温度下对再生制动电路的实验获得的实验数据，基于幂函数的数值拟合而得出所述近似函数关系。

4.如权利要求1-3中任一项所述的用于预测伺服驱动器的再生电阻过载的预测方法，其特征在于，所述预测方法还包括用于建立以再生电阻需要的散热时间为应变量、以驱动晶体管的导通时间为自变量的所述近似函数关系的如下子步骤：

子步骤一、利用温度传感设备布置多个温度采集点，所述多个温度采集点间隔排列地固定在所述再生电阻表面；

子步骤二、在恒定环境温度条件下，启动温度传感设备开始采集温度数据，然后控制所述再生电阻的驱动晶体管导通达到预定导通时长后关闭；

子步骤三、获取并保存针对所述多个温度采集点的温度曲线，所述温度曲线具有如下特性，即，在驱动晶体管导通后先急剧上升，并在达到一峰值后缓慢下降，直至下降到接近所述恒定环境温度条件；

子步骤四、反复执行上述子步骤二至子步骤三，以获取针对同一恒定环境温度条件和相同预定导通时长的多组温度曲线；

子步骤五、保持恒定环境温度条件不变，调整改变所述预定导通时长，反复执行上述子步骤二至子步骤四，获取针对不同预定导通时长的温度曲线；

子步骤六、改变恒定环境温度条件，反复执行上述子步骤二至子步骤五，获取针对不同恒定环境温度的温度曲线；

子步骤七、基于通过上述子步骤二至子步骤六获得的温度曲线，通过数值拟合的方法确定所述近似函数关系。

5.如权利要求3所述的用于预测伺服驱动器的再生电阻过载的预测方法，其特征在于，母线电容的电容值为3120微法拉，再生电阻的阻值为32欧姆，第一电压阈值为380伏，安全电压阈值为360伏；

其中，拟合得出的所述近似函数关系符合下式(1)，其中散热时间为T，驱动晶体管的导通时间为X，

T＝A*X^(B)(1)。

6.如权利要求5所述的用于预测伺服驱动器的再生电阻过载的预测方法，其特征在于，式(1)中，A的取值在[100,120]的区间内，B的取值在[0.55,0.60]的区间内。

7.如权利要求1-6中任一项所述的用于预测伺服驱动器的再生电阻过载的预测方法，其特征在于，所述预测方法还包括在伺服驱动器的工作状态下执行的如下监测步骤：

实时监测驱动晶体管的导通和关闭，并确定驱动晶体管的导通时长T0；

基于所述近似函数关系通过代入导通时长T0得到再生电阻需要的散热时间；

判断计算得到的散热时间是否超出预定的散热时长阈值，若超出则输出再生电阻过载报错，若未超出则开始从所述散热时间进行反向计时；

若反向计时清零前再次监测到驱动晶体管的导通，则将所述散热时间的剩余时间增加到新一次计算得到的散热时间中。

8.如权利要求7所述的用于预测伺服驱动器的再生电阻过载的预测方法，其特征在于，所述预测方法利用FPGA执行所述监测步骤。