CN217607477U - 伺服驱动器及机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种伺服驱动器及机器人，其中，伺服驱动器包括动力模块和控制模块，动力模块包括保护单元，控制模块包括控制器，保护单元与控制器相连，保护单元设置在动力模块的主回路中，并在控制器上电且未完成初始化时处于工作状态，以对伺服驱动器的输出对地短路进行保护，控制器在完成初始化且检测到伺服驱动器无异常时控制保护单元停止工作。由此，通过在主回路设置保护单元，并通过该保护单元在伺服驱动器上电开始直至控制器控制该保护单元停止工作的过程中，对由伺服驱动器的输出对地短路引起的电流激增提供有效的保护，避免短路电流过大或时间过长造成电路器件损伤。

Description

伺服驱动器及机器人

技术领域

本实用新型涉及伺服驱动器技术领域，尤其涉及一种伺服驱动器和一种机器人。

背景技术

目前，在伺服驱动器的输出对地短路时，主要使用主动保护方式对伺服驱动器进行保护。以交流伺服驱动器搭载IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)功率模块为例，在交流伺服驱动器工作时，通过控制芯片监测相关的电压或电流参数，并根据监测的电压或电流参数判断伺服驱动器是否输出对地短路，如果伺服驱动器的输出对地短路，则控制相应的电路或信号来关断伺服驱动器的输出，例如，控制芯片关断IGBT功率模块的上下桥臂驱动管，或者切断伺服驱动器的主电源能量供给，或者关闭伺服驱动器的驱动芯片的使能或供电等，以此避免伺服驱动器的输出对地短路造成的器件损毁。

但是上述方式存在如下缺陷：在控制芯片未初始化完成时，无法进行任何的逻辑判断和信号输入或读取，进而就无法对伺服驱动器的输出对地短路提供保护，无法避免短路电流过大或时间过长而造成的器件损伤，因此在实际使用时，会要求先上控制电再上动力电，以此确保对伺服驱动器的输出对地短路提供有效保护，但这对用户的操作具有一定的限制，给用户的使用造成了不便。

实用新型内容

本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型的第一个目的在于提出一种伺服驱动器，通过设置在主回路的保护单元在伺服驱动器上电开始直至控制器控制该保护单元停止工作的过程中，对由伺服驱动器的输出对地短路引起的电流激增提供有效的保护，避免短路电流过大或时间过长造成电路器件损伤。

本实用新型的第二个目的在于提出一种机器人。

为达到上述目的，本实用新型第一方面实施例提出了一种伺服驱动器，包括：动力模块和控制模块，动力模块包括保护单元，控制模块包括控制器，保护单元与控制器相连，保护单元设置在动力模块的主回路中，并在控制器上电且未完成初始化时处于工作状态，以对伺服驱动器的输出对地短路进行保护，控制器在完成初始化且检测到伺服驱动器无异常时控制保护单元停止工作。

根据本实用新型实施例的伺服驱动器，通过在伺服驱动器的主回路设置保护单元，并通过该保护单元在伺服驱动器上电开始直至控制器控制该保护单元停止工作的过程中，对由伺服驱动器的输出对地短路引起的电流激增提供有效的保护，避免短路电流过大或时间过长造成电路器件损伤，解决控制器启动但初始化未完成的情况下因伺服驱动器的输出对地短路引起的电流过大或时间过长而造成的电路器件损伤。

另外，根据本实用新型上述实施例的伺服驱动器，还可以具有如下的附加技术特征：

根据本实用新型的一个实施例，控制模块还包括可控开关单元，可控开关单元连接在保护单元和控制器之间，其中，控制器通过控制可控开关单元的闭合或关断以控制保护单元是否工作。

根据本实用新型的一个实施例，保护单元包括第一保护电阻和第二保护电阻，第一保护电阻串联在主回路正极母线上，第二保护电阻串联在主回路负极母线上。

根据本实用新型的一个实施例，第一保护电阻和第二保护电阻均为PTC热敏电阻。

根据本实用新型的一个实施例，可控开关单元包括继电器组件，继电器组件分别与第一保护电阻和第二保护电阻并联，其中，在控制器的控制下，继电器组件闭合以控制第一保护电阻移出主回路正极母线和控制第二保护电阻移出主回路负极母线。

根据本实用新型的一个实施例，继电器组件为双刀单掷继电器，或者，继电器组件为两个独立的继电器。

根据本实用新型的一个实施例，第一保护电阻的一端连接到动力模块的主回路整流器的正输出端，第一保护电阻的另一端连接到动力模块的主回路滤波电容的正极端，第二保护电阻的一端连接到动力模块的主回路整流器的负输出端，第二保护电阻的另一端连接到动力模块的主回路滤波电容的负极端。

根据本实用新型的一个实施例，控制器在控制保护单元停止工作后，如果检测到伺服驱动器有异常时，则控制保护单元再次处于工作状态。

根据本实用新型的一个实施例，控制模块还包括提示单元，提示单元与控制器相连，控制器还在完成初始化且检测到伺服驱动器有异常时控制保护单元保持工作状态，并控制提示单元进行报警提示。

为达到上述目的，本实用新型第二方面实施例提出了一种机器人，包括根据本实用新型第一方面实施例提供的伺服驱动器。

根据本实用新型实施例的机器人，通过前述的伺服驱动器，通过在伺服驱动器的主回路设置保护单元，并通过该保护单元在伺服驱动器上电开始直至控制器控制该保护单元停止工作的过程中，对由伺服驱动器的输出对地短路引起的电流激增提供有效的保护，避免短路电流过大或时间过长造成电路器件损伤，解决控制器启动但初始化未完成的情况下因伺服驱动器的输出对地短路引起的电流过大或时间过长而造成的电路器件损伤。

本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

图1为根据本实用新型一个实施例的伺服驱动器的结构示意图；

图2为根据本实用新型另一个实施例的伺服驱动器的结构示意图；

图3为根据本实用新型又一个实施例的伺服驱动器的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

需要说明的是，本实用新型的伺服驱动器100可用于根据自身主回路的母线电压Udc对伺服电机200进行驱动控制。

具体来说，伺服驱动器100又称伺服控制器或伺服放大器，是用来控制伺服电机200的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服驱动系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统等。

参考图1所示，伺服驱动器100可包括动力模块110和控制模块120，动力模块110可包括整流单元111、滤波单元112和逆变单元113，控制模块120可包括控制器121。其中，整流单元111的输入端与交流电源相连，整流单元111用于对交流电源提供的交流电进行整流得到脉动的直流电(其电压为母线电压Udc)；滤波单元112的输入端与整流单元111的输出端相连，滤波单元112用于对脉动的直流电进行滤波处理得到稳定的直流电；逆变单元113的输入端与滤波单元112的输出端相连，逆变单元113的输出端与伺服电机200的输入端相连，逆变单元113用于在控制器121的控制下将稳定的直流电逆变为三相交流电提供给伺服电机200，以控制伺服电机200工作。

需要说明的是，整流单元111、滤波单元112和逆变单元113可根据实际需求选择确定，以三相交流伺服驱动器为例，整流单元111可为三相整流器，滤波单元112可为大电容滤波器，逆变单元113可为三相逆变器，更为具体的，逆变单元113可为三相IGBT功率模块，通过控制器121对该三相IGBT功率模块进行控制可将稳定的直流电转换成三相定频定压交流电或三相调频调压交流电，提供给伺服电机200。

继续参考图1所示，动力模块110还包括保护单元114，保护单元114与控制器121相连，保护单元114设置在动力模块110的主回路中，并在控制器121上电且未完成初始化时处于工作状态，以对伺服驱动器100的输出对地短路进行保护，控制器121在完成初始化且检测到伺服驱动器100无异常时控制保护单元114停止工作。

具体来说，在伺服驱动器100上电时，例如启动或发生中间故障重启时，外部交流电源上电以给伺服驱动器100供电，此时伺服驱动器100中的整流单元111将交流电源提供的交流电转换为直流电提供给保护单元114，保护单元114工作，同时该直流电经滤波单元112滤波处理后提供给逆变单元113，而后控制器121上电初始化。在控制器121上电且初始化未完成之前，若伺服驱动器100的输出(即逆变单元113的输出端)发生对地短路，则由保护单元114进行保护。例如，可以采用无源器件构成保护单元114，由于无源器件无需初始化，因此能够在伺服驱动器100上电时工作，以实现对地短路的保护，例如，限制对地短路产生的电流，或者直接断开主回路等，从而在控制器121上电且初始化未完成之前，实现对伺服驱动器100的输出对地短路进行被动保护，解决了控制器121上电初始化过程中无法对伺服驱动器100的输出对地短路进行有效保护的问题，避免了对地短路发生时，因短路电流过大或时间过长而造成的电路器件损伤。

在控制器121初始化完成后，控制器121开始检测相关的电压或电流参数，并根据电压或电流参数判断伺服驱动器100是否存在异常，包括伺服驱动器100的输出是否发生对地短路，以及在判定伺服驱动器100无异常时，控制保护单元114停止工作，并控制逆变单元113工作以将直流电转换为交流电提供给伺服电机200，使得伺服电机200工作。而若伺服驱动器100存在异常，则控制保护单元114处于工作状态，或者控制伺服驱动器100不工作，以对伺服驱动器100进行保护。

需要说明的是，图1中的PE是指地线，地线是在电系统或电子设备中，接大地、设备外壳或参考电位为零的导线，对地短路是指伺服驱动器100的输出端与PE之间发生短接。

另外需要说明的是，当伺服驱动器100包括滤波单元112时，可将保护单元114设置在整流单元111与滤波单元112之间，如图1所示，以通过滤波单元112平滑伺服驱动器100的输出发生对地短路时产生的电流的尖峰或毛刺，进一步提高对地短路的保护效果。

上述实施例中，通过设置在主回路的保护单元在伺服驱动器上电开始直至控制器控制该保护单元停止工作的过程中，对由伺服驱动器的输出对地短路引起的电流激增提供有效的保护，避免短路电流过大或时间过长造成电路器件损伤。

可选的，参考图2所示，控制模块120还可以包括：可控开关单元122，其连接在控制器121与保护单元114之间，控制器121通过控制可控开关单元122的闭合或关断来控制保护单元114是否进行工作。例如，在控制可控开关单元122闭合时，保护单元114不工作，而在控制可控开关单元122关断时，保护单元114工作。

具体来说，在伺服驱动器100启动或发生中间故障需要重启时，交流电源上电以给伺服驱动器100供电，此时伺服驱动器100中的整流单元111将交流电源提供的交流电转换为直流电。默认情况下，可控开关单元122处于断开状态，此时保护单元114接入伺服驱动器100的主回路，保护单元114工作，整流后的直流电经保护单元114后再经滤波单元112滤波处理后提供给逆变单元113，而后控制器121上电初始化。在控制器121上电且初始化未完成之前，若伺服驱动器100的输出发生对地短路，则由保护单元114进行保护，例如，对对地短路产生的大电流进行限流，从而在控制器121上电且初始化未完成之前实现对地短路的被动保护，解决了控制器121上电初始化过程中无法进行对地短路保护的问题，避免了对地短路发生时，因短路电流过大或时间过长而造成的电路器件损伤。

在控制器121初始化完成后，控制器121检测相关的电压或电流参数，并根据电压或电流参数判断伺服驱动器100是否发生异常，包括伺服驱动器100的输出端是否对地短路，其中，在伺服驱动器100没有异常时，控制器121控制保护单元114不工作，例如，控制可控开关单元122闭合以将保护单元114短路使其停止工作，也即从伺服驱动器100的主回路中切除，并控制逆变单元113工作以将直流电转换为交流电提供给伺服电机200，使得伺服电机200工作；在伺服驱动器100有异常时，控制保护单元114继续工作或者控制伺服驱动器100不工作等。

进一步的，控制器121在控制保护单元114停止工作后，如果检测到伺服驱动器100有异常时，则控制保护单元114再次处于工作状态或者控制伺服驱动器100不工作等。

上述实施例中，通过设置在伺服驱动器的主回路中的保护单元可实现控制器初始化未完成之前对伺服驱动器的输出对地短路进行有效保护，以及在控制器初始化完成后且伺服驱动器无异常的情况下，通过控制保护单元不工作可减少保护单元的参与，以降低伺服驱动器的功耗等，另外在伺服驱动器再次有异常时，可控制保护单元再次处于工作状态，以对伺服驱动器进行保护，提高了保护的灵活性。

在一些实施例中，参考图3所示，保护单元114可包括：第一保护电阻R1以及第二保护电阻R2，其中，第一保护电阻R1串联在主回路正极母线上，第二保护电阻R2串联在主回路负极母线上。

其中，第一保护电阻R1以及第二保护电阻R2均为PTC(Positive TemperatureCoefficient，正温度系数)热敏电阻。

需要说明的是，热敏电阻是一种传感器电阻，其电阻值随着温度的变化而变化，按照温度系数不同分为PTC和NTC(Negative Temperature Coefficient，负温度系数)热敏电阻，其中，PTC热敏电阻的电阻值随着温度的升高而增大，NTC热敏电阻的电阻值随着温度的升高而减小。在本实用新型中，选用PTC热敏电阻，当伺服驱动器100的输出发生对地短路时，会在伺服驱动器100的主回路产生较大的电流，该电流会使流过PTC热敏电阻产生的温度超过其阻值突变阈值，使得PTC热敏电阻的电阻值急速增大，使得主回路电阻增大，从而实现对大电流的抑制，进而实现对地短路的有效被动保护。

在一些实施例中，继续参考图3所示，可控开关单元122可包括：继电器组件，该继电器组件分别和第一保护电阻R1以及第二保护电阻R2并联，其中，在控制器121的控制下，继电器组件闭合以控制移出主回路正极母线第一保护电阻R1以及控制第二保护电阻R2移出主回路负极母线，从而使得第一保护电阻R1和第二保护电阻R2停止工作。可选的，继电器组件可为双刀单掷继电器，或者继电器组件为两个独立的继电器。

进一步的，参考图3所示，第一保护电阻R1的一端连接到动力模块110的主回路整流器(即整流单元111)的正输出端，第一保护电阻R1的另一端连接到动力模块110的主回路滤波电容(即滤波单元112中的滤波电容)的正极端，第二保护电阻R2的一端连接到动力模块110的主回路整流器(即整流单元111)的负输出端，第二保护电阻R2的另一端连接到动力模块110的主回路滤波电容(即滤波单元112中的滤波电容)的负极端。

具体来说，参考图3所示，在伺服驱动器100启动或发生中间故障需要重启时，交流电源经整流单元111整流后输出直流电，默认情况下，继电器组件处于断开状态，此时保护电阻R1和R2接入伺服驱动器100的主回路，直流电经保护电阻R1和R2后，经由滤波单元112滤波处理后提供给逆变单元113，而后控制器121上电初始化。在控制器121上电且初始化未完成之前，若伺服驱动器100的输出发生对地短路，伺服驱动器100的主回路上的电流将增大，且大小与短路电流近乎相等，若伺服驱动器100中不具有保护电阻R1和R2，那么该大电流将超过逆变单元113中功率器件(如IGBT)的峰值电流，在长时间的大电流作用下功率器件将发生过流损坏。而若伺服驱动器100中具有保护电阻R1和R2，那么当大电流流过保护电阻R1和R2产生的温度超过其阻值突变阈值时，由于其特殊的电气特征，当温度超过阈值，其电阻值急速增大，随着保护电阻R1和R2的电阻值的增大，可以使得伺服驱动器100的主回路的电阻值增大，从而可以有效抑制主回路的电流的增长，并最终达到平衡，使得对地短路电流不会超过逆变单元113中功率器件(如IGBT)的峰值电流，使其处于安全工作区域内，避免了对地短路电流过大或时间过长而对功率器件造成损坏，实现了对地短路的有效保护。

需要说明的是，交流电(如三相电)高于零点的部分构成整流单元111整流后的正极P，低于零点的部分构成整流单元111整流后的负极N，两者是同时存在的，因此在伺服驱动器100的输出对地出现短路时，由交流电产生的正极P到PE可构成一个完整的电流回路，而由PE到交流电产生的负极N可构成一个完整的电流回路，两者均可独立构成并存在，因此在正负极两端分别设置第一保护电阻R1和第二保护电阻R2，由第一保护电阻R1和第二保护电阻R2对正负极两端进行保护。其中，第一保护电阻R1是针对交流电产生的正极P到PE的电流进行限制，即针对交流电经整流单元111整流后，经正极P通过输出流入至PE的电流进行限制，保证逆变单元113的上桥臂的电流不会超限；第二保护电阻R2是针对由PE到交流电产生的负极N的电流进行限制，即针对从PE流入，经负极N以及整流单元111流回交流电的电流进行限制，保证逆变单元113的下桥臂的电流不会超限。由此，可以使得对伺服驱动器100的输出对地保护的保护更全面。

在控制器121上电且初始化未完成之前，若伺服驱动器100的输出未发生对地短路，由于伺服驱动器100的上电工作电流流过保护电阻R1和R2所产生的温度上升不会超过其阻值突变阈值，因而保护电阻R1和R2不会影响伺服驱动器100的正常上电工作，从而可以使得伺服驱动器100正常上电工作。

在控制器121上电且初始化完成后，控制器121检测相关的电压或电流参数，并根据电压或电流参数判断伺服驱动器100有无异常，包括伺服驱动器100的输出端是否对地短路，其中，在无异常时，控制器121控制继电器组件闭合，以将保护电阻R1和R2从主回路中切除，并控制逆变单元113开始工作，以将直流电转换为交流电提供给伺服电机200；在有异常时，进行报警提醒，或者直接控制伺服驱动器100不工作。

需要说明的是，在对保护电阻R1和R2选型时，需要使得对地短路电流流经保护电阻R1和R2所产生的功率不超过保护电阻R1和R2的上限，从而避免因功率过大导致其损坏而失去保护作用。另外在实际应用中，保护电阻R1和R2的个数可根据保护电阻R1和R2的功率限制以及电流与阻值突变阈值的关系来确定。

上述实施例中，保护单元中的元器件均为无源器件，能够在伺服驱动器启动或中间故障重启、且控制器未初始化完成之前实现对对地短路进行有效保护，从而有效避免使用有源元器件架构对伺服驱动器的输出对地短路进行保护时，在其未初始化完成之前无法对伺服驱动器的输出对地短路进行保护，造成短路电流过大或时间过长而损坏电路器件。

在一些实施例中，控制模块120还可包括：提示单元(图中未具体示出)，控制器121与提示单元相连，控制器121还在完成初始化且检测到伺服驱动器100有异常时控制保护单元114保持工作状态，同时控制提示单元进行报警提示。具体来说，参考图3所示，在控制器121初始化完成后，若检测到伺服驱动器100有异常，如伺服驱动器100的输出对地短路，则控制保护电阻R1和R2保持接入状态，以通过保护电阻R1和R2对伺服驱动器100的输出对地短路进行有效保护，同时通过提示单元进行报警提醒。

综上所述，根据本实用新型实施例的伺服驱动器，在伺服驱动器上电时，如启动或发生中间故障需要重启时，通过对应伺服驱动器的主回路设置的保护单元对伺服驱动器的输出对地短路进行保护，能够在伺服驱动器启动但控制初始化未完成的情况下，对由伺服驱动器的输出对地短路引起的电流激增提供有效的保护，避免短路电流过大或时间过长而造成的电路器件损伤，而且保护单元对伺服驱动器的保护，可从伺服驱动器上电开始直至控制器控制保护单元从主回路中切出。

进一步的，本实用新型的实施例提供了一种机器人，包括前述的伺服驱动器100。

根据本实用新型实施例的机器人，通过前述的伺服驱动器，在伺服驱动器上电时，如启动或发生中间故障需要重启时，通过对应伺服驱动器的主回路设置的保护单元对伺服驱动器的输出对地短路进行保护，能够在伺服驱动器启动但控制初始化未完成的情况下，对由伺服驱动器的输出对地短路引起的电流激增提供有效的保护，避免短路电流过大或时间过长而造成的电路器件损伤，而且保护单元对伺服驱动器的保护，可从伺服驱动器上电开始直至控制器控制保护单元从主回路中切出。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种伺服驱动器，其特征在于，包括：动力模块和控制模块，所述动力模块包括保护单元，所述控制模块包括控制器，所述保护单元与所述控制器相连，所述保护单元设置在所述动力模块的主回路中，并在所述控制器上电且未完成初始化时处于工作状态，以对所述伺服驱动器的输出对地短路进行保护，所述控制器在完成初始化且检测到所述伺服驱动器无异常时控制所述保护单元停止工作。

2.根据权利要求1所述的伺服驱动器，其特征在于，所述控制模块还包括可控开关单元，所述可控开关单元连接在所述保护单元与所述控制器之间，其中，所述控制器通过控制所述可控开关单元的闭合或关断以控制所述保护单元是否进行工作。

3.根据权利要求2所述的伺服驱动器，其特征在于，所述保护单元包括第一保护电阻和第二保护电阻，所述第一保护电阻串联在主回路正极母线上，所述第二保护电阻串联在主回路负极母线上。

4.根据权利要求3所述的伺服驱动器，其特征在于，所述第一保护电阻和所述第二保护电阻均为PTC热敏电阻。

5.根据权利要求3所述的伺服驱动器，其特征在于，所述可控开关单元包括继电器组件，所述继电器组件分别与所述第一保护电阻和第二保护电阻并联，其中，在所述控制器的控制下，所述继电器组件闭合以控制所述第一保护电阻移出所述主回路正极母线和控制所述第二保护电阻移出所述主回路负极母线。

6.根据权利要求5所述的伺服驱动器，其特征在于，所述继电器组件为双刀单掷继电器，或者，所述继电器组件为两个独立的继电器。

7.根据权利要求3所述的伺服驱动器，其特征在于，所述第一保护电阻的一端连接到所述动力模块的主回路整流器的正输出端，所述第一保护电阻的另一端连接到所述动力模块的主回路滤波电容的正极端，所述第二保护电阻的一端连接到所述动力模块的主回路整流器的负输出端，所述第二保护电阻的另一端连接到所述动力模块的主回路滤波电容的负极端。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的伺服驱动器，其特征在于，所述控制模块还包括提示单元，所述提示单元与所述控制器相连，其中，所述控制器还在完成初始化且检测到所述伺服驱动器有异常时控制所述保护单元保持工作状态，并控制所述提示单元进行报警提示。

9.一种机器人，其特征在于，包括：根据权利要求1-8中任一项所述的伺服驱动器。

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