CN218771836U - 一种空间机械臂的馈能回收装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种空间机械臂的馈能回收装置，包括驱动电源母线、驱动电源母线接口、充放电电路、储能电容、功率开关和电机驱动电路；当所述电机驱动电路与所述功率开关连通时，在机械臂的伺服电机减速或者制动状态下，伺服电机产生的馈能通过所述电机驱动电路回馈到所述驱动电源母线，所述充放电电路用于将至少部分多余的电能储存在所述储能电容；在机械臂的伺服电机加速状态下，伺服电机能够通过所述电机驱动电路获取所述驱动电源母线的电能，所述充放电电路将所述储能电容储存的至少部分电能释放提供给伺服电机。

Description

一种空间机械臂的馈能回收装置

技术领域

本实用新型涉及空间飞行器技术领域，特别是一种空间机械臂的馈能回收装置。

背景技术

安装于空间飞行器上的机械臂，通常利用伺服电机驱动机械臂关节，以实现机械臂的高精度驱动和快速响应速度的要求。机械臂动作的电能由空间飞行器的电源系统提供。当伺服电机减速或制动时，电机处于再生发电状态，由伺服电机向伺服驱动器的直流母线电能和电源系统回馈能量。如果电源系统不能及时将电机回馈的电能吸收掉，会造成直流母线电能的电压泵升，严重时会损坏MOSFET，IGBT等功率器件以及空间飞行器的电源系统。

因此，目前亟需提供一种能够高效率吸收伺服电机馈能的回收装置及控制方法。

实用新型内容

针对相关技术中的上述技术问题，本实用新型提供了一种空间机械臂的馈能回收装置，在机械臂的伺服电机减速或者制动时，能够将伺服电机产生的馈能充电到储能电容中。在机械臂的伺服电机加速时，能够将储能电容中存储的电能放电到驱动电源母线上。与此同时，在储能电容无法完全吸收馈能时，可以通过连通泄放电阻将未消耗的电能转换为热能。

本实用新型提供的一种空间机械臂的馈能回收装置，包括驱动电源母线、驱动电源母线接口、充放电电路、储能电容、功率开关和电机驱动电路；所述驱动电源母线接口设置于所述驱动电源母线输入端，用于与空间飞行器的电源系统连接以获得驱动电源；所述充放电电路与所述储能电容并联在所述驱动电源母线，所述储能电容通过所述充放电电路完成充放电；所述电机驱动电路通过所述功率开关与所述驱动电源母线连接；

当所述电机驱动电路与所述功率开关连通时，在机械臂的伺服电机减速或者制动状态下，伺服电机产生的馈能通过所述电机驱动电路回馈到所述驱动电源母线，所述充放电电路用于将至少部分多余的电能储存在所述储能电容；在机械臂的伺服电机加速状态下，伺服电机能够通过所述电机驱动电路获取所述驱动电源母线的电能，所述充放电电路将所述储能电容储存的至少部分电能释放提供给伺服电机。

在一个实施例中，本实用新型的空间机械臂的馈能回收装置还包括驱动电源母线电容；所述驱动电源母线电容并联在所述驱动电源母线，且设置于所述驱动电源母线接口和所述电机驱动电路之间。

在一个实施例中，所述充放电电路包括充放电控制单元和分别与所述充放电控制单元连接的驱动电源母线电压测量单元、功率开关电路以及储能电容电压测量单元；所述驱动电源母线电压测量单元并联于所述驱动电源母线，用于采集所述驱动电源母线的电压；所述储能电容电压测量单元并联设置于所述储能电容两端，用于采集所述储能电容的电压；

所述功率开关电路在所述充放电控制单元的控制下改变电路连接关系，能够将馈能从驱动电源母线充电到储能电容中，或者将储能电容中储存的电能放电到驱动电源母线上。

在一个实施例中，所述充放电电路还包括充放电电流测量单元；所述充放电电流测量单元与所述功率开关电路串联设置，用于采集所述充放电电路内的充电电流或放电电流。

在一个实施例中，所述功率开关电路包括第一功率开关、第一续流二极管、第二功率开关、第二续流二极管和储能电感；所述第一功率开关的栅极与所述充放电控制单元连接，其漏极与所述驱动电源母线的正线连接，其源极与所述储能电感连接；所述第一续流二极管的阳极与所述第一功率开关的源极连接，所述第一续流二极管的阴极与所述第一功率开关的漏极连接；

所述第二功率开关的栅极与所述充放电控制单元连接，其漏极与所述储能电感连接，其源极与所述驱动电源母线的负线连接；所述第二续流二极管的阳极与所述第二功率开关的源极连接，所述第二续流二极管的阴极与所述第二功率开关的漏极连接。

在一个实施例中，所述第一功率开关与所述第二功率开关均为MOSFET。

在一个实施例中，所述充放电控制单元提供PWM信号至所述第一功率开关使其导通，电流能够通过所述第一功率开关给所述储能电感和所述储能电容充电；所述充放电电流测量单元采样充电电流高于第一限流值时，所述充放电控制单元关断PWM信号使所述第一功率开关关断，直到下一个PWM周期，储存在所述储能电感的电能通过所述第二续流二极管向所述储能电容进行充电。

在一个实施例中，所述充放电控制单元提供PWM信号至所述第二功率开关使其导通，所述储能电容存储的电能通过所述第二功率开关给所述储能电感充电；所述充放电电流测量单元采样放电电流高于第二限流值时，所述充放电控制单元关断PWM信号使所述第二功率开关关断，直到下一个PWM周期，储存在所述储能电感的电能通过所述第一续流二极管向所述驱动电源母线放电。

在上述任意一个实施例中，所述储能电容的容量根据机械臂伺服电机制动回馈的能量设置。

在一个实施例中，本实用新型的空间机械臂的馈能回收装置还包括泄放电阻；所述泄放电阻通过所述功率开关并联在所述驱动电源母线，用于将无法被所述储能电容吸收的馈能转换为热能释放。

本实用新型实施例提出的一种空间机械臂的馈能回收装置，在电机减速或者制动时，能够吸收伺服电机产生的回馈能量，并将至少部分多余的电能储存在储能电容内。当储能电容存满后，还可以连通泄放电阻，利用泄放电阻将无法被储能电容吸收的馈能转换为热能释放。从而，可以有效的避免飞行器上母线电能的电压泵升，防止MOSFET，IGBT等功率器件损坏。在电机加速时，存储在储能电容内的电能还能够通过充放电电路释放并提供给伺服电机，提高了伺服驱动器的效率，同时也使电能能够得到充分高效的转存与再利用。

在阅读具体实施方式并且在查看附图之后，本领域的技术人员将认识到另外的特征和优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本实用新型实施例的馈能回收装置的整体结构框图。

图2是本实用新型实施例的充放电电路部分的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。诸如“下面”、“下方”、“在…下”、“低”、“上方”、“在…上”、“高”等的空间关系术语用于使描述方便，以解释一个元件相对于第二元件的定位，表示除了与图中示出的那些取向不同的取向以外，这些术语旨在涵盖器件的不同取向。另外，例如“一个元件在另一个元件上/下”可以表示两个元件直接接触，也可以表示两个元件之间还具有其他元件。此外，诸如“第一”、“第二”等的术语也用于描述各个元件、区、部分等，并且不应被当作限制。类似的术语在描述通篇中表示类似的元件。

参见图1，本实用新型提供的一种空间机械臂的馈能回收装置包括驱动电源母线1、驱动电源母线接口2、充放电电路3、储能电容4、功率开关5和电机驱动电路6。动电源母线1接口设置于驱动电源母线1的输入端，用于与空间飞行器的电源系统连接以获得驱动电源。充放电电路3与储能电容4并联在驱动电源母线1，储能电容4通过充放电电路3完成充放电。电机驱动电路6通过功率开关5与驱动电源母线1连接。

当电机驱动电路6与功率开关5连通时，在机械臂的伺服电机减速或者制动状态下，伺服电机产生的馈能通过电机驱动电路7回馈到驱动电源母线1，充放电电路3用于将至少部分多余的电能储存在储能电容4。在机械臂的伺服电机加速状态下，伺服电机能够通过电机驱动电路6获取驱动电源母线1的电能，充放电电路3将储能电容4的至少部分电能释放提供给伺服电机。

当机械臂的伺服电机减速或者制动时，伺服电机产生的馈能会通过电机驱动电路6回馈到驱动电源母线1上，提高驱动电源母线1的电压，同时，充放电电路3会将多余的电能充电到储能电容4上。当机械臂的伺服电机加速时，伺服电机会通过电机驱动电路6获取电能，降低驱动电源母线1的电压。同时，充放电电路会将储能电容4上的电能放掉，通过驱动电源母线和电机驱动电路提供给伺服电机。

本实用新型实施例的空间机械臂的馈能回收装置，适用于空间机械臂的馈能回收，不但能够吸收伺服电机减速和制动时产生的馈能，还能够有效保护伺服电机驱动电路及空间飞行器的电源系统，避免馈能过多造成母线电能的电压泵升。

继续参见图1，在一个实施例中，本实用新型的空间机械臂的馈能回收装置还包括驱动电源母线电容7。驱动电源母线电容7并联在驱动电源母线1，且设置于驱动电源母线接口2和电机驱动电路6之间，以对驱动电源母线的输入进行平滑处理。

参见图2，在一个实施例中，充放电电路3包括充放电控制单元31和分别与充放电控制单元31连接的驱动电源母线电压测量单元32、功率开关电路33以及储能电容电压测量单元34。驱动电源母线电压测量单元32并联于驱动电源母线1，用于采集驱动电源母线32的电压。储能电容电压测量单元34并联设置于储能电容4两端用于采集储能电容4的电压。

功率开关电路33在充放电控制单元31的控制下改变电路的连通关系，能够将馈能从驱动电源母线充电到储能电容中，或者将储能电容中储存的电容放电到驱动电源母线上。

在上述实施例中，本实用新型的馈能回收装置还包括充放电电流测量单元35。充放电电流测量单元35与功率开关电路33串联设置，用于采集充放电电路内的充电电流或放电电流。

进一步地，功率开关电路33包括第一功率开关331、第一续流二极管332、第二功率开关333、第二续流二极管334和储能电感335。第一功率开关331的栅极与充放电控制单元31连接，其漏极与驱动电源母线1的正线连接，其源极与储能电感335连接。第一续流二极管332的阳极与第一功率开关331的源极连接，第一续流二极管332的阴极与第一功率开关331的漏极连接。

第二功率开关333的栅极与充放电控制单元31连接，其漏极与储能电感335连接，其源极与驱动电源母线1的负线连接。第二续流二极管334的阳极与第二功率开关333的源极连接，第二续流二极管334的阴极与第二功率开关333的漏极连接。

具体地，在充电模式下，充放电控制单元31提供PWM信号至第一功率开关331使其导通，电流通过第一功率开关311给储能电感335和储能电容4充电。充放电电流测量单元35采样充电电流，一旦充电电流高于第一限流值时，充放电控制单元31关断PWM信号使第一功率开关331关断，直到下一个PWM周期。当第一功率开关311关断，储存在储能电感335的电能通过第二续流二极管334继续向储能电容4进行充电。

在放电模式下，充放电控制单元31提供PWM信号至第二功率开关333使其导通，储能电容存储4的电能通过第二功率开关333给储能电感335充电。充放电电流测量单元35采样放电电流，一旦放电电流高于第二限流值时，充放电控制单元31关断PWM信号使第二功率开关333关断，直到下一个PWM周期。当第二功率开关333关断，储存在储能电感335的电能通过第一续流二极管332向驱动电源母线1继续放电。

充电模式又包括两种形式，一种是预充电模式，另外一种是馈能充电模式。当储能电容电压测量单元34的采样值高于预充电阈值电压时，预充电模式结束进入馈能充电模式。

具体地，首先设定预充电阈值电压U1、充电阈值电压U2、放电阈值电压U3和泄放开通阈值电压U4和泄放关断阈值电压U5。储能电容在驱动电源母线上电并且电压稳定后，再经过预设时间t，驱动电源母线通过充放电电路为储能电容进行充电，直到储能电容上的电压高于预充电阈值电压U1,预充电完成。

若机械臂的伺服电机处于减速或制动状态，伺服电机产生的馈能通过电机驱动电路回馈到驱动电源母线，当驱动电源母线的电压高于充电阈值电压U2时，利用充放电电路将多余的电能储存至储能电容，完成馈能充电。在储能电容充电过程中，若驱动电源母线的电压低于充电阈值电压U2，充放电电路将停止对储能电容充电。

若机械臂的伺服电机处于加速状态，伺服电机通过电机驱动电路获取驱动电源母线的电能，当驱动电源母线的电压低于放电阈值电压U3时，利用充放电电路将储能电容上的电能释放至驱动电源母线，完成放电。在储能电容放电过程中，若驱动电源母线的电压高于放电阈值电压U3或者储能电容的电压低于预充电阈值电压U1时，充放电电路通过改变电路状态使储能电容停止放电。

在上述实施例中，第一功率开关与第二功率开关可以均采用MOSFET。MOSFET为金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor,MOSFET)是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管。

在上述实施例中，储能电容的容量根据机械臂伺服电机制动回馈的能量设置。

继续参见图1，本实用新型实施例的馈能回收装置还包括泄放电阻8。泄放电阻8通过功率开关5并联在驱动电源母线1，用于将无法被储能电容吸收的馈能转换为热能释放。

具体地，若驱动电源母线的电压高于泄放开通阈值电压U4，切换功率开关，使泄放电阻并联于驱动电源母线，利用泄放电阻将驱动电源母线的多余电能转换为热能。

以上实施例可以彼此组合，且具有相应的技术效果。

本实用新型提供的一种空间机械臂的馈能回收装置，适用于空间机械臂的馈能回收，不但能够吸收伺服电机减速和制动时产生的馈能，还能够有效保护伺服电机驱动电路及空间飞行器的电源系统，避免馈能过多造成母线电能的电压泵升。同时当储能电能存满后，还可以连通泄放电阻，利用泄放电阻将无法被储能电容吸收的馈能转换为热能释放。从而，可以有效的避免飞行器上母线电能的电压泵升，防止MOSFET，IGBT等功率器件损坏。相对于只设计泄放电阻的方案，能够明显降低产品的热耗，提高伺服驱动器的效率。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空间机械臂的馈能回收装置，其特征在于，包括驱动电源母线、驱动电源母线接口、充放电电路、储能电容、功率开关和电机驱动电路；

所述驱动电源母线接口设置于所述驱动电源母线输入端，用于与空间飞行器的电源系统连接以获得驱动电源；所述充放电电路与所述储能电容并联在所述驱动电源母线，所述储能电容通过所述充放电电路完成充放电；

所述电机驱动电路通过所述功率开关与所述驱动电源母线连接。

2.根据权利要求1所述的空间机械臂的馈能回收装置，其特征在于，还包括驱动电源母线电容；所述驱动电源母线电容并联在所述驱动电源母线，且设置于所述驱动电源母线接口和所述电机驱动电路之间。

3.根据权利要求2所述的空间机械臂的馈能回收装置，其特征在于，所述充放电电路包括充放电控制单元和分别与所述充放电控制单元连接的驱动电源母线电压测量单元、功率开关电路以及储能电容电压测量单元；

所述驱动电源母线电压测量单元并联于所述驱动电源母线，用于采集所述驱动电源母线的电压；所述储能电容电压测量单元并联设置于所述储能电容两端，用于采集所述储能电容的电压；

所述功率开关电路在所述充放电控制单元的控制下改变电路连接关系，能够将馈能从驱动电源母线充电到储能电容中，或者将储能电容中储存的电能放电到驱动电源母线上。

4.根据权利要求3所述的空间机械臂的馈能回收装置，其特征在于，所述充放电电路还包括充放电电流测量单元；所述充放电电流测量单元与所述功率开关电路串联设置，用于采集所述充放电电路内的充电电流或放电电流。

5.根据权利要求4所述的空间机械臂的馈能回收装置，其特征在于，所述功率开关电路包括第一功率开关、第一续流二极管、第二功率开关、第二续流二极管和储能电感；

所述第一功率开关的栅极与所述充放电控制单元连接，其漏极与所述驱动电源母线的正线连接，其源极与所述储能电感连接；所述第一续流二极管的阳极与所述第一功率开关的源极连接，所述第一续流二极管的阴极与所述第一功率开关的漏极连接；

所述第二功率开关的栅极与所述充放电控制单元连接，其漏极与所述储能电感连接，其源极与所述驱动电源母线的负线连接；所述第二续流二极管的阳极与所述第二功率开关的源极连接，所述第二续流二极管的阴极与所述第二功率开关的漏极连接。

6.根据权利要求5所述的空间机械臂的馈能回收装置，其特征在于，所述第一功率开关与所述第二功率开关均为MOSFET。

7.根据权利要求5所述的空间机械臂的馈能回收装置，其特征在于，所述充放电控制单元提供PWM信号至所述第一功率开关使其导通，电流能够通过所述第一功率开关给所述储能电感和所述储能电容充电；

所述充放电电流测量单元采样充电电流高于第一限流值时，所述充放电控制单元关断PWM信号使所述第一功率开关关断，直到下一个PWM周期，储存在所述储能电感的电能通过所述第二续流二极管向所述储能电容进行充电。

8.根据权利要求7所述的空间机械臂的馈能回收装置，其特征在于，所述充放电控制单元提供PWM信号至所述第二功率开关使其导通，所述储能电容存储的电能通过所述第二功率开关给所述储能电感充电；

所述充放电电流测量单元采样放电电流高于第二限流值时，所述充放电控制单元关断PWM信号使所述第二功率开关关断，直到下一个PWM周期，储存在所述储能电感的电能通过所述第一续流二极管向所述驱动电源母线放电。

9.根据权利要求1至8任一项所述的空间机械臂的馈能回收装置，其特征在于，所述储能电容的容量根据机械臂伺服电机制动回馈的能量设置。

10.根据权利要求9所述的空间机械臂的馈能回收装置，其特征在于，还包括泄放电阻；所述泄放电阻通过所述功率开关并联在所述驱动电源母线，用于将无法被所述储能电容吸收的馈能转换为热能释放。

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