逆变器保护电路及伺服设备的制作方法

本申请涉及伺服控制技术领域，特别是涉及一种逆变器保护电路及伺服设备。

背景技术：

随着社会的进步和科技的飞速发展，各类伺服电机产品开始广泛应用在国民生产生活的方方面面，其中，永磁交流伺服电机以其结构简单、体积小、功率因数高、转动惯量小等优点具有最广阔的应用前景。

传统的交流伺服系统中普遍采用脉宽调制控制技术，主回路电源通过整流、逆变过程之后为伺服电机提供所需电能。但是在伺服系统初次上电时，逆变器中每相上下桥臂的控制电平是由控制回路中的主控芯片完成初始化之后给出的，此时会存在母线电压先于每相上下桥臂的驱动电路给出确定的驱动信号之前建立的情况，在极端情况下能够使逆变器的功率开关器件(igbt)自动导通，进而造成母线短路的危险。因此，如何提高对逆变器供电的安全性成为亟待解决的问题。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统的交流伺服系统对逆变器供电的安全性低的问题，提供一种可提高逆变器的供电安全性的逆变器保护电路及伺服设备。

一种逆变器保护电路，包括供电控制电路、缓冲控制电路、供电开关组件和电流缓冲组件，所述供电开关组件和所述电流缓冲组件设置于连接逆变器的母线中，所述供电控制电路连接所述供电开关组件，还用于连接主控芯片；所述缓冲控制电路连接所述供电控制电路和所述电流缓冲组件；

所述供电控制电路用于在接收到所述主控芯片发送的导通信号后，控制所述供电开关组件导通，所述供电开关组件在导通时控制所述母线接入直流电并输送至所述逆变器；所述缓冲控制电路用于在所述供电控制电路接收到所述主控芯片发送的导通信号预设时长后控制所述电流缓冲组件短路，所述电流缓冲组件在未短路时对所述母线中输送的直流电进行限流。

一种伺服设备，包括逆变器、电机、主控芯片和上述逆变器保护电路，所述主控芯片连接所述逆变器和所述供电控制电路，所述逆变器连接所述电机，所述供电开关组件和电流缓冲组件设置于连接所述逆变器的母线中。

上述逆变器保护电路及伺服设备，供电控制电路在接收到主控芯片发送的导通信号后，控制供电开关组件导通以使母线接入直流电并输送至逆变器。电流缓冲组件在未短路时对母线中输送的直流电进行限流，缓冲控制电路在供电控制电路接收到主控芯片发送的导通信号预设时长后控制电流缓冲组件短路停止限流。通过接收主控芯片发送的导通信号之后控制母线接入直流电并输送至逆变器并对接入的直流电进行限流，能够在主控芯片先执行系统初始化命令确保逆变器的功率开关器件处于安全的受控状态之后，再执行母线的上电控制命令，避免母线电压先于逆变器每相上下桥臂的驱动电路给出确定的驱动信号之前建立的情况，并对初始母线上电电流进行限流缓冲控制，避免逆变器的功率开关器件自动导通，降低母线短路风险，提高了逆变器的供电安全性。

附图说明

图1为一实施例中逆变器保护电路的结构框图；

图2为一实施例中逆变器保护电路的原理图；

图3为一实施例中逆变器的原理图；

图4为一实施例中伺服设备的上电原理图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，提供了一种逆变器保护电路，如图1所示，包括供电控制电路110、缓冲控制电路120、供电开关组件130和电流缓冲组件140，供电开关组件130和电流缓冲组件140设置于连接逆变器200的母线中，供电控制电路110连接供电开关组件130，还用于连接主控芯片；缓冲控制电路120连接供电控制电路110和电流缓冲组件140。

供电控制电路110用于在接收到主控芯片发送的导通信号后，控制供电开关组件130导通，供电开关组件130在导通时控制母线接入直流电并输送至逆变器200；缓冲控制电路120用于在供电控制电路110接收到主控芯片发送的导通信号预设时长后控制电流缓冲组件140短路，电流缓冲组件140在未短路时对母线中输送的直流电进行限流。

具体地，逆变器200用于将母线接入的直流电转换为交流电后输出，逆变器200的类型并不唯一，具体可以是三相桥式pwm(pulsewidthmodulation，脉冲宽度调制)逆变器等，主控芯片用于输出pwm信号至逆变器200控制逆变器200工作，具体输出控制电平至逆变器200中每相上下桥臂，从而控制对应的功率开关器件的通断。母线包括火线p和零线n，供电开关组件130具体可设置于母线中的火线p或零线n上。火线p和零线n用于连接逆变器200，接入外部输入的直流电并输送至逆变器200，其中，外部输入的直流电具体可以是由整流电路对三相电源提供的交流电进行整流后得到，也可以是直接由外部直流源提供。本实施例中，火线p连接整流电路的输出正极+，零线n连接整流电路的输出负极-，在供电开关组件130导通时将整流电路输出的直流电输送至逆变器200。

当母线初次上电时，控制回路中的主控芯片会经历一个初始化的过程，控制系统越复杂其所需的初始化的时间也会越长，当芯片初始化过程完成之后会给出一个初始的功率开关器件的驱动电平(一般默认为全关)，此时系统中的功率开关器件是处于安全的受控状态。主控芯片在完成系统初始化命令，确保逆变器200的功率开关器件处于安全的受控状态之后输出导通信号至供电控制电路110。导通信号的具体类型并不唯一，可以是高电平或低电平，以导通信号为高电平为例，供电控制电路110在接收到高电平后控制供电开关组件130导通，从而控制母线接入直流电并输送至逆变器200，此时，设置于母线的电流缓冲组件140对接入的直流电进行限流。缓冲控制电路120在供电控制电路110接收到主控芯片发送的高电平预设时长后控制电流缓冲组件140短路，电流缓冲组件140停止对母线中输送的直流电进行限流。预设时长的具体取值也并不唯一，可根据实际需求通过对缓冲控制电路120的器件参数选择来进行设置。在母线初次上电时对母线行延时上电和缓冲保护，避免初次上电时逆变器的功率开关器件存在不受控导通的情况，从而避免造成母线短路。而在逆变器正常运行后，可以通过主控芯片的主控程序中的死区时间来避免逆变器每相的上下桥臂同时导通。

供电控制电路110的具体结构并不唯一，在一个实施例中，如图2所示，供电控制电路110包括第一控制开关q1、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3和第四电阻r4，第一电阻r1和第二电阻r2并联后一端连接第一控制开关q1的输出端，另一端接地pgnd；第一控制开关q1的输入端连接供电开关组件130，第一控制开关q1的控制端通过第四电阻r4连接主控芯片，具体通过端口relay与主控芯片连接。第一控制开关q1的类型并不唯一，可以是三极管或mos管，本实施例中，第一控制开关q1为三极管，基极作为控制端，发射极作为输出端，集电极作为输入端。具体地，第一控制开关q1在接收到主控芯片发送的高电平导通信号后导通，第一控制开关q1在导通时控制供电开关组件130导通，使得母线可接入直流电输送至逆变器200。

对应地，在一个实施例中，供电开关组件130包括第一继电器rly1，第一继电器rly1的控制线圈一端连接第一控制开关q1的输入端，另一端连接电源接入端ipm+15，第一继电器rly1的受控开关设置于母线的火线p上。其中，第一控制开关q1在导通时会有电流流过第一继电器rly1的控制线圈，控制线圈由于电流流过产生磁场从而吸合受控开关，此时直流电才会加到连接逆变器200的母线上。第一继电器rly1的具体类型并不唯一，本实施例中，第一继电器rly1为触点容量为16a/240vac的继电器。

进一步地，在一个实施例中，供电开关组件130还包括第一电容c6和第一二极管d1，第一电容c6和第一二极管d1均与第一继电器rly1的控制线圈并联，且第一二极管d1的阳极连接第一继电器rly1的控制线圈与第一控制开关q1的公共端。通过第一电容c6和第一二极管d1消除第一继电器rly1的控制线圈通断电时产生的反电动势，避免对电路造成干扰，还可有效保护电路元件被击穿损坏，提高了逆变器保护电路的可靠性。

缓冲控制电路120的具体结构也不是唯一的，在一个实施例中，继续参照图2，缓冲控制电路120包括第二控制开关q2、延时电路122、第五电阻r57和第六电阻r58，延时电路122连接第二控制开关q2的控制端、供电控制电路110和电流缓冲组件140，第二控制开关q2的控制端通过第五电阻r57接地，第二控制开关q2的输入端通过第六电阻r58连接电流缓冲组件140，第二控制开关q2的输出端接地。其中，第二控制开关q2采用三极管，基极作为控制端，发射极作为输入端，集电极作为输出端。延时电路122具体连接供电控制电路110中第一控制开关q1的输出端。在供电开关组件130导通使母线接入直流电输送至逆变器200时，电流缓冲组件140对初始母线上电电流进行限流缓冲保护，延时电路122在第二控制开关q2导通预设时长后控制第二控制开关q2导通，使电流缓冲组件140短路，停止对母线上的直流电进行限流。

延时电路122的具体结构也不是唯一的，在一个实施例中，延时电路122包括第七电阻r55和第二电容c34，第七电阻r55和第二电容c34串联且公共端连接第二控制开关q2的控制端，第七电阻r55的另一端连接供电控制电路110和电流缓冲组件140，具体连接供电控制电路110中第一控制开关q1的输出端，第二电容c34的另一端接地。通过配置延时电路122中第七电阻r55和第二电容c34的参数可控制母线限流缓冲的延时时间，在第一控制开关q1导通后输出的电流通过第七电阻r55对第二电容c34进行充电，当第二电容c34上的电压达到第二控制开关q2的开启电压时，第二控制开关q2进入饱和导通状态，从而使电流缓冲组件140停止限流。

在另一实施例中，延时电路122包括连接第二控制开关q2的控制端、供电控制电路110和电流缓冲组件140的主控芯片，主控芯片在第一控制开关q1导通后进行限流延时的精确控制。通过主控芯片进行限流控制操作，控制准确性和稳定性高。

在一个实施例中，电流缓冲组件140包括第二继电器rly2、限流电阻rt1、第三电容c1和第四电容c2，限流电阻rt1设置于母线的火线p上，第三电容c1和第四电容c2均并接于母线的火线p与零线n之间；第二继电器rly2的控制线圈一端连接延时电路122，具体连接第七电阻r55远离第二电容c34的一端，第二继电器rly2的控制线圈另一端通过第六电阻r58连接第二控制开关q2的输入端，第二继电器rly2的受控开关与限流电阻rt1并联。第二继电器rly2同样可采用触点容量为16a/240vac的继电器。

母线延时上电之后，先通过限流电阻rt1对母线上第三电容c1和第四电容c2的充电电流进行限制，当第二电容c34上的电压达到第二控制开关q2的开启电压时，第二控制开关进入饱和导通状态，继而电流流过第二继电器rly2的控制线圈中，第二继电器rly2的受控开关吸合，从而将限流电阻rt1短路，完成对初始母线上电电流的缓冲控制。

上述逆变器保护电路，通过接收主控芯片发送的导通信号之后控制母线接入直流电并输送至逆变器并对接入的直流电进行限流，能够在主控芯片先执行系统初始化命令确保逆变器的功率开关器件处于安全的受控状态之后，再执行母线的上电控制命令，避免母线电压先于逆变器每相上下桥臂的驱动电路给出确定的驱动信号之前建立的情况，并对初始母线上电电流进行限流缓冲控制，避免逆变器的功率开关器件自动导通，降低母线短路风险，提高了逆变器的供电安全性。

在一个实施例中，还提供了一种伺服设备，包括逆变器、电机、主控芯片和上述逆变器保护电路，主控芯片连接逆变器和供电控制电路，逆变器连接电机，供电开关组件和电流缓冲组件设置于连接逆变器的母线中。进一步地，逆变器可以是三相桥式pwm逆变器。伺服设备还可包括整流电路，整流电路通过母线与逆变器连接。整流电路对接入的交流电进行整流得到直流电输出，在供电开关组件导通时母线接入直流电输送至逆变器，电流缓冲组件在未短路时对母线中输送的直流电进行限流。

为便于更好地理解上述逆变器保护电路及伺服设备，下面以伺服设备中的逆变器保护电路为例进行详细解释说明。

如图3所示为三相桥式pwm逆变器的拓扑结构，包括功率开关器件u30至u35，逆变器对接入的直流电转换为三相交流电给电机供电。在系统正常运行时，可以通过主控芯片的主控程序中的死区时间来避免逆变器每相的上下桥臂同时导通。但是在伺服设备初次上电时，由图4所示，三相电源输出的三相交流电通过断路器后作为控制回路电源，用于给控制回路中的主控芯片供电，断路器输出的三相交流电通过电磁接触器后作为主回路电源，用作输出三相交流电给整流电路整流得到直流电。由于控制回路电源与主回路电源的上电过程是相互独立的，而逆变器每相上下桥臂的控制电平是由控制回路中的主控芯片完成初始化之后给出的，此时这就会存在母线电压先于每相上下桥臂的驱动电路给出确定的驱动信号之前建立的情况，一旦出现这种情况后，由于功率开关器件的门极与集电极之间存在密勒电容，母线电流将流过此电容，从而导致门极电位上升，在极端情况下能够使功率开关器件自动导通，进而造成母线短路的危险。

针对在伺服设备初次上电时功率开关器件存在不受控导通的情况，提出了利用继电器控制电路对伺服设备中的三相桥式pwm逆变器进行延时上电、缓冲保护的逆变器保护电路。以三相桥式pwm逆变拓扑结构为例，逆变器保护电路的电路原理图如图2所示。

当母线初次上电时，控制回路中的主控芯片会经历一个初始化的过程，控制系统越复杂其所需的初始化的时间也会越长，当芯片初始化过程完成之后会给出一个初始的功率开关器件的驱动电平(一般默认为全关)，此时系统中的功率开关器件是处于安全的受控状态。

图2中第一继电器rly1与第二继电器rly2是两个触点容量为16a/240vac的继电器，其中第一继电器rly1的控制端电路工作原理为：由主控芯片经过驱动电路的隔离放大之后经端口relay给出控制信号来控制第一控制开关q1的通断，当第一控制开关q1接收到由主控芯片发出的高电平导通信号后，第一控制开关q1即导通，此时就会有电流流过第一继电器rly1的控制线圈，控制线圈由于电流流过即产生磁场从而吸合受控开关，到此时由整流器整流出的直流电才会加到三相桥式pwm逆变电路的母线上。这里可以看出，只要在系统主控程序中先执行系统初始化命令，确保功率开关器件处于安全的受控状态之后，再执行母线的上电控制命令，就可以避免线母线电压先于逆变器每相上下桥臂的驱动电路给出确定的驱动信号之前建立的情况。

母线延时上电之后，先通过限流电阻rt1对母线上电容第三电容c1/第四电容c2的充电电流进行限制，与此同时在第二继电器rly2的控制电路中电流通过第七电阻r55给第二电容c34进行充电，当第二电容c34上的电压达到第二控制开关q2的开启电压时，第二控制开关q2进入饱和导通状态，继而电流流过第二继电器rly2的控制线圈中，第二继电器rly2的受控开关吸合，从而将限流电阻rt1短路，通过以上电路之间的配合就可以完成对初始母线上电电流的缓冲控制。

上述伺服设备，通过接收主控芯片发送的导通信号之后控制母线接入直流电并输送至逆变器并对接入的直流电进行限流，能够在主控芯片先执行系统初始化命令确保逆变器的功率开关器件处于安全的受控状态之后，再执行母线的上电控制命令，避免线母线电压先于逆变器每相上下桥臂的驱动电路给出确定的驱动信号之前建立的情况，并对初始母线上电电流进行限流缓冲控制，避免逆变器的功率开关器件自动导通，降低母线短路风险，提高了逆变器的供电安全性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。