运动与控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种运动与控制系统，包括：整流器，用于将交流电变换为直流电；平波电路，用于对整流器输出的直流电的波形进行平滑处理；主功率级和备用功率级，并联连接在平波电路与电机之间；以及控制器，在正常工作模式下，驱动主功率级将来自平波电路的直流电压变换为提供给电机的交流电压，当确定主功率级发生故障时，驱动备用功率级将来自平波电路的直流电压变换为提供给电机的交流电压。
【专利说明】运动与控制系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及电机控制领域。具体地，涉及运动与控制系统的冗余系统。
【背景技术】
[0002]在工业上，特别是在高精度加工和节能环境下，通常使用运动与控制设备(也称为 “变频器”)用于电机速度和位置控制。
[0003]图1是常规运动与控制设备100的框图。参照图1，运动与控制设备100包括控制 器110、整流器120、平波电路130、和逆变器140。
[0004]整流器120用于将输入的交流电源变换为直流电源。平板电路130用于对直流波 形进行平滑处理。逆变器140用于将经平滑处理的直流电变换为交流电以输出到电机。控 制器110用于控制运动与控制设备100的各部件的操作。例如，控制器110可以产生脉冲 宽度调制(PWM)信号用于控制逆变器140产生合适的输出电流。
[0005]另外，虽然图中没有显示，运动与控制设备100还可以包括其他组件，例如，预充 电路、制动单元、温度检测单元、人机界面等，其功能和构造为本领域技术人员熟知，这里不 再赘述。
[0006]图2是运动与控制设备100中的逆变器140的电路图。参照图2，逆变器140包括 由6个绝缘栅双极型晶体管(IGBT) Gl - G6组成的功率级结构，用于将输入的直流电变换 为三相交流电提供给三相电机。
[0007]为了确保重要设备的可靠性，需要为运动与控制设备提供冗余系统。传统的冗余 系统仅仅利用两个运动与控制设备来构建。即，在交流电源与电机之间连接两个运动与控 制设备，当一个运动与控制设备损坏时，作为备份的另一个设备将工作以确保系统状态良 好。
[0008]然而，这样的冗余系统存在很大的问题，在机柜中安装两个运动与控制设备将导 致系统的成本和尺寸显著增加。
【发明内容】
[0009]本发明针对现有的运动与控制系统的上述缺陷，提供减低成本和尺寸的运动与控 制系统的几余系统。
[0010]根据本发明的一方面，提供一种运动与控制系统，包括:整流器，用于将交流电变 换为直流电；平波电路，用于对整流器输出的直流电的波形进行平滑处理；主功率级和备 用功率级，并联连接在平波电路与电机之间；以及控制器，在正常工作模式下，驱动主功率 级将来自平波电路的直流电压变换为提供给电机的交流电压，当确定主功率级发生故障 时，驱动备用功率级将来自平波电路的直流电压变换为提供给电机的交流电压。
[0011]根据本发明的实施例，所述运动与控制系统进一步包括:输入切换器，连接在平波 电路与主功率级和备用功率级的输入端之间；以及输出切换器，连接在主功率级和备用功 率级的输出端与电机之间，其中在正常工作模式下，输入切换器和输出切换器与主功率级接通且与备用功率级断开，当确定主功率级发生故障时，控制器控制输入切换器和输出切 换器接通备用功率级并断开主功率级。
[0012]根据本发明的实施例，当确定主功率级发生故障时，控制器停止向主功率级输出 驱动信号，并且在备用功率级被接通之后向备用功率级输出驱动信号。
[0013]根据本发明的实施例，当确定主功率级发生故障时，控制器先控制输出切换器切 换到备用功率级的输出端，再控制输入切换器切换到备用功率级的输入端。
[0014]根据本发明的实施例，所述备用功率级包括预充电电路和电压箝位电路。
[0015]根据本发明的实施例，所述输入切换器和输出切换器包括开关。
[0016]根据本发明的实施例，所述主功率级和备用功率级包括绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)模块。
[0017]根据本发明的实施例，主功率级在检测到其IGBT模块中的电流大于预定阈值时 关断IGBT模块，并向控制器发送故障信号。
[0018]根据本发明的实施例，控制器在接收到故障信号之后将主功率级复位，并驱动主 功率级短时间工作,如果再次接收到故障信号,则确定主功率级发生故障。
[0019]根据本发明的实施例，所述电机为三相交流电机。
[0020]本发明的运动与控制系统针对现有技术中的包括两个运动与控制设备的冗余系 统的缺点，通过在运动与控制设备中包括备用功率级来减低系统的成本和尺寸。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]通过下面结合附图对示范性实施例的详细描述，将更好地理解本发明。应当清楚 地理解，所描述的示范性实施例仅仅是作为说明和示例，而本发明不限于此。本发明的精神 和范围由所附权利要求书的具体内容限定。下面描述附图的简要说明，其中:
[0022]图1是常规运动与控制设备的框图；
[0023]图2是常规运动与控制设备中的逆变器的电路图；
[0024]图3是根据本发明的实施例的运动与控制系统的框图；
[0025]图4是根据本发明的实施例的运动与控制系统的框图；以及
[0026]图5是根据本发明的实施例的运动与控制系统中的输入切换器和输出切换器的 示意图。
【具体实施方式】
[0027]考虑到运动与控制设备中逆变器的故障概率较高，而且其中的IGBT功率级的成 本与整个设备相比仅占一小部分。本发明使用单个运动与控制设备内部功率级的冗余设计 来实现运动与控制设备的冗余系统，而不是添加备用运动与控制设备。
[0028]图3是根据本发明的实施例的运动与控制系统200的框图。参照图3，运动与控制 系统200包括控制器210、整流器220、平波电路230、主功率级241、和备用功率级242。运 动与控制系统200与传统的运动与控制设备冗余系统(由两个图1的运动与控制设备100 构成)的区别在于，在一个运动与控制设备的基础上，使用两个功率级来代替其中的变频器 (包含一个功率级)。因此，运动与控制系统200中的整流器220、平波电路230的功能和构 造与运动与控制设备100中的整流器120、平波电路130相同，而且运动与控制系统200同样可以包括预充电路、制动单元、温度检测单元、人机界面等，不再赘述。
[0029]在正常工作模式下，控制器210驱动主功率级241将来自平波电路230的直流电 压变换为提供给电机的交流电压。如果主功率级发生故障，则控制器210驱动备用功率级 242代替主功率级241工作。
[0030]主功率级241和备用功率级242的构造与图2的逆变器140中的功率级相同，由 6个IGBT组成IGBT模块，用于将输入的直流电变换为三相交流电提供给三相电机。
[0031]主功率级241检测其IGBT模块中的电流，当检测到电流大于预定的安全阈值时， 关断IGBT模块，并向控制器210发送故障信号。
[0032]根据一个实施例，由于过流可能由干扰而非主功率级故障引起，控制器210在接 收到故障信号之后并不马上确定主功率级241发生故障，而是将主功率级241复位，并驱动 其短时间工作(例如，10微秒)，如果再次接收到故障信号，则确定主功率级241发生故障。
[0033]图4是根据本发明的实施例的运动与控制系统300的框图。参照图4，运动与控制 系统300包括控制器310、整流器320、平波电路330、主功率级341、备用功率级342、输入切 换器350、和输出切换器360。图4的运动与控制系统300在图3的运动与控制系统200的 基础上添加了输入切换器350和输出切换器360。
[0034]输入切换器350连接在平波电路330与主功率级341和备用功率级342的输入端 之间，输出切换器360连接在主功率级341和备用功率级342的输出端与电机之间。
[0035]在正常工作模式下，输入切换器350和输出切换器360与主功率级341接通，并且 与备用功率级342断开。如果主功率级发生故障，则控制器310控制输入切换器350和输 出切换器360接通备用功率级342，并且断开主功率级341。
[0036]根据一个实施例，当确定主功率级341发生故障时，控制器310首先停止向主功率 级341输出驱动信号并切断主功率级341，再接通备用功率级342，然后向备用功率级342 输出驱动信号。
[0037]根据一个实施例，当确定主功率级341发生故障时，控制器310先控制输出切换器 360切换到备用功率级342的输出端，再控制输入切换器350切换到备用功率级342的输入端。
[0038]根据一个实施例，为了防止在切换时产生干扰电压尖峰，备用功率级342可以包 括预充电电路和电压箝位电路(未示出)。
[0039]根据一个实施例，如图5所不,输入切换器350包括开关SWl,输出切换器360包括 开关SW2。
[0040]本发明的运动与控制系统针对现有技术中的包括两个运动与控制设备的冗余系 统的缺点，通过在运动与控制设备中包括备用功率级来减低系统的成本和尺寸。
[0041]虽然已经图示和描述本发明的示范性实施例，但是本领域技术人员可以理解，随 着技术的进步，可以作出各种变更和修改并可以用等价物替换其元素而不背离本发明的真 实范围。
【权利要求】
1.一种运动与控制系统，包括:整流器，用于将交流电变换为直流电；平波电路，用于对整流器输出的直流电的波形进行平滑处理；主功率级和备用功率级，并联连接在平波电路与电机之间；以及 控制器，在正常工作模式下，驱动主功率级将来自平波电路的直流电压变换为提供给 电机的交流电压，当确定主功率级发生故障时，驱动备用功率级将来自平波电路的直流电 压变换为提供给电机的交流电压。
2.如权利要求1所述的运动与控制系统，进一步包括:输入切换器，连接在平波电路与主功率级和备用功率级的输入端之间；以及 输出切换器，连接在主功率级和备用功率级的输出端与电机之间，其中在正常工作模式下，输入切换器和输出切换器与主功率级接通且与备用功率级断 开，当确定主功率级发生故障时，控制器控制输入切换器和输出切换器接通备用功率级并 断开主功率级。
3.如权利要求2所述的运动与控制系统，其中当确定主功率级发生故障时，控制器停 止向王功率级输出驱动彳目号，并且在备用功率级被接通之后向备用功率级输出驱动彳目号。
4.如权利要求2所述的运动与控制系统，其中当确定主功率级发生故障时，控制器先 控制输出切换器切换到备用功率级的输出端，再控制输入切换器切换到备用功率级的输入端。
5.如权利要求2所述的运动与控制系统，其中所述备用功率级包括预充电电路和电压 箝位电路。
6.如权利要求2所述的运动与控制系统，其中所述输入切换器和输出切换器包括开关。
7.如权利要求1所述的运动与控制系统，其中所述主功率级和备用功率级包括绝缘栅 双极型晶体管(IGBT )模块。
8.如权利要求7所述的运动与控制系统，其中主功率级在检测到其IGBT模块中的电流 大于预定阈值时关断IGBT模块，并向控制器发送故障信号。
9.如权利要求8所述的运动与控制系统，其中控制器在接收到故障信号之后将主功 率级复位,并驱动主功率级短时间工作,如果再次接收到故障信号,则确定主功率级发生故 障。
10.如权利要求1所述的运动与控制系统，其中所述电机为三相交流电机。
【文档编号】H02P4/00GK103580553SQ201210269879
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2012年7月31日 优先权日:2012年7月31日
【发明者】连孝藩 申请人:施耐德东芝换流器欧洲公司