一种电容充放电电路及机电伺服系统的制作方法

1.本发明涉及机电伺服系统领域，特别是涉及一种电容充放电电路及机电伺服系统。


背景技术：

2.目前，由直流电源(如电池)直接供电的机电伺服系统得到较好的发展。请参照图1，图1为现有技术中的一种由直流电源直接供电的机电伺服系统的结构示意图。图1中，在伺服系统处于工作状态时，支撑电容用于支撑为伺服系统供电的直流母线的电压；在伺服系统处于制动状态时，开启制动电路，伺服系统反馈的能量和支撑电容上的能量均通过制动电路消耗。
3.但是，当直流电源开始为伺服系统供电使系统启动时，直流电源两端电压将会直接加在支撑电容上，导致出现较大的电流冲击，严重时将会损坏制动电路及直流电源的部件，使得伺服系统无法正常启动，从而降低了整个系统的使用寿命。而且，伺服系统无论是处于长时制动还是短时制动，均会将支撑电容上的能量通过制动电路消耗，但伺服系统短时制动时会很快回到工作状态，此时支撑电容因消耗掉部分能量需重新充电，从而影响伺服系统的快速性。
4.因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域的技术人员目前需要解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种电容充放电电路及机电伺服系统，减小了系统启动时的冲击电流，提高了整个系统的可靠性及使用寿命；保证支撑电容在系统正常工作时能够起到支撑直流母线电压的作用；在系统长时制动时，制动电路可消耗掉系统制动时反馈的能量及支撑电容上的能量；在系统短时制动时，制动电路只消耗掉系统制动时反馈的能量，从而保证机电伺服系统的快速性。
6.为解决上述技术问题，本发明提供了一种电容充放电电路，应用于由直流电源供电且包含支撑电容的机电伺服系统，包括：
7.第一端与所述直流电源的正端连接、第二端与所述支撑电容的第一端连接的预充电电路，用于当所述机电伺服系统启动时，从所述直流电源中获取电能为所述支撑电容预充电；其中，所述支撑电容的第二端接入所述直流电源的负端；
8.与所述预充电电路并联的放电开关电路，用于在所述支撑电容预充电完成后或在所述机电伺服系统的制动时间不小于预设时间阈值时，导通自身所在支路；在所述制动时间小于所述预设时间阈值时，断开自身所在支路；
9.第一端与所述直流电源的正端连接、第二端与所述直流电源的电源负端连接的制动电路，用于在所述机电伺服系统处于制动时进入工作状态，以消耗掉所述机电伺服系统制动时反馈的能量或所述支撑电容上的能量。
10.优选地，所述制动电路包括第一防反灌电路、制动电阻及制动开关电路；其中：
11.所述第一防反灌电路的第一端作为所述制动电路的第一端，所述第一防反灌电路的第二端与所述制动电阻的第一端连接，所述制动电阻的第二端与所述制动开关电路的第一端连接，所述制动开关电路的第二端作为所述制动电路的第二端；其中，所述第一防反灌电路只允许电流从自身的第一端流向第二端；
12.所述制动开关电路用于在所述机电伺服系统处于制动时，导通自身所在支路；在所述机电伺服系统处于非制动时，断开自身所在支路。
13.优选地，所述预充电电路包括所述第一防反灌电路、所述制动电阻及第二防反灌电路；其中：
14.所述第一防反灌电路的第一端作为所述预充电电路的第一端，所述制动电阻的第二端分别与所述制动开关电路的第一端和所述第二防反灌电路的第一端连接，所述第二防反灌电路的第二端作为所述预充电电路的第二端；其中，所述第二防反灌电路只允许电流从自身的第一端流向第二端。
15.优选地，所述第一防反灌电路和所述第二防反灌电路均为二极管；其中：
16.所述二极管的阳极作为所述第一防反灌电路和所述第二防反灌电路的第一端，所述二极管的阴极作为所述第一防反灌电路和所述第二防反灌电路的第二端。
17.优选地，所述制动开关电路包括第一开关管；其中：
18.所述第一开关管的第一端作为所述制动开关电路的第一端，所述第一开关管的第二端作为所述制动开关电路的第二端，所述第一开关管的控制端接入用于控制所述第一开关管导通状态的制动信号；其中，所述第一开关管在所述机电伺服系统处于制动时处于导通状态；在所述机电伺服系统处于非制动时处于断开状态。
19.优选地，所述放电开关电路包括第二开关管；其中：
20.所述第二开关管的第一端分别与所述直流电源的正端和所述预充电电路的第一端连接，所述第二开关管的第二端分别与所述支撑电容的第一端和所述预充电电路的第二端连接，所述第二开关管的控制端接入用于控制所述第二开关管导通状态的驱动信号；其中，所述第二开关管在所述支撑电容预充电完成后或在所述机电伺服系统的制动时间不小于预设时间阈值时处于导通状态；在所述制动时间小于所述预设时间阈值时处于断开状态。
21.为解决上述技术问题，本发明还提供了一种机电伺服系统，包括支撑电容及上述任一种电容充放电电路。
22.本发明提供了一种电容充放电电路，包括预充电电路、放电开关电路及制动电路。当直流电源开始为机电伺服系统供电使系统启动时，预充电电路从直流电源中获取电能为支撑电容预充电，以避免直流电源两端电压直接加在支撑电容上，从而减小了系统启动时的冲击电流，提高了整个系统的可靠性及使用寿命；在支撑电容预充电完成后，放电开关电路将支撑电容接入直流母线上，以保证支撑电容在系统正常工作时能够起到支撑直流母线电压的作用；在系统长时制动时，放电开关电路将支撑电容接入直流母线上，制动电路可消耗掉系统制动时反馈的能量及支撑电容上的能量；在系统短时制动时，放电开关电路断开支撑电容与直流母线的连接，制动电路只消耗掉系统制动时反馈的能量，使支撑电容上的能量基本不损失，此时系统再次回到工作状态时支撑电容无需重新充电，从而保证机电伺
服系统的快速性。
23.本发明还提供了一种机电伺服系统，与上述电容充放电电路具有相同的有益效果。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和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发明的一些实施例，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。
25.图1为现有技术中的一种由直流电源直接供电的机电伺服系统的结构示意图；
26.图2为本发明实施例提供的一种电容充放电电路的结构示意图；
27.图3为本发明实施例提供的一种电容充放电电路的具体结构示意图；
28.图4为本发明实施例提供的一种电容充放电电路的常规结构示意图；
29.图5(a)为本发明实施例提供的一种支撑电容预充电时的开关导通状态图；
30.图5(b)为本发明实施例提供的一种支撑电容预充电完成后的开关导通状态图；
31.图5(c)为本发明实施例提供的一种机电伺服系统短时制动时的开关导通状态图；
32.图5(d)为本发明实施例提供的一种机电伺服系统长时制动或停止工作时的开关导通状态图。
具体实施方式
33.本发明的核心是提供一种电容充放电电路及机电伺服系统，减小了系统启动时的冲击电流，提高了整个系统的可靠性及使用寿命；保证支撑电容在系统正常工作时能够起到支撑直流母线电压的作用；在系统长时制动时，制动电路可消耗掉系统制动时反馈的能量及支撑电容上的能量；在系统短时制动时，制动电路只消耗掉系统制动时反馈的能量，从而保证机电伺服系统的快速性。
34.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.请参照图2，图2为本发明实施例提供的一种电容充放电电路的结构示意图。
36.该电容充放电电路应用于由直流电源供电且包含支撑电容c的机电伺服系统，包括：
37.第一端与直流电源的正端连接、第二端与支撑电容c的第一端连接的预充电电路1，用于当机电伺服系统启动时，从直流电源中获取电能为支撑电容c预充电；其中，支撑电容c的第二端接入直流电源的负端；
38.与预充电电路1并联的放电开关电路2，用于在支撑电容c预充电完成后或在机电伺服系统的制动时间不小于预设时间阈值时，导通自身所在支路；在制动时间小于预设时间阈值时，断开自身所在支路；
39.第一端与直流电源的正端连接、第二端与直流电源的电源负端连接的制动电路3，
用于在机电伺服系统处于制动时进入工作状态，以消耗掉机电伺服系统制动时反馈的能量或支撑电容c上的能量。
40.具体地，本技术的电容充放电电路包括预充电电路1、放电开关电路2及制动电路3，其工作原理为：
41.预充电电路1的第一端分别与直流电源的正端和伺服系统的正供电端连接，预充电电路1的第二端与支撑电容c的第一端连接，支撑电容c的第二端分别与直流电源的负端和伺服系统的负供电端连接，当直流电源开始为伺服系统供电使伺服系统启动时，预充电电路1可从直流电源中获取电能为支撑电容c预充电，在预充电电路1的设置下，可避免直流电源两端电压直接加在支撑电容c上，从而减小了伺服系统启动时的冲击电流，提高了整个系统的可靠性及使用寿命。
42.放电开关电路2与预充电电路1并联，具体是放电开关电路2的第一端分别与预充电电路1的第一端、直流电源的正端及伺服系统的正供电端连接，放电开关电路2的第二端分别与预充电电路1的第二端和支撑电容c的第一端连接，放电开关电路2在支撑电容c预充电完成(支撑电容c两端的电压达到预设电压阈值)后，导通自身所在支路，即将支撑电容c接入直流母线上，以保证支撑电容c在伺服系统正常工作时能够起到支撑直流母线电压的作用。
43.制动电路3的第一端与直流电源的正端连接，制动电路3的第二端与直流电源的电源负端连接，制动电路3在伺服系统处于制动时进入工作状态，以消耗掉伺服系统制动时反馈的能量或支撑电容c上的能量。具体地，放电开关电路2在伺服系统的制动时间不小于预设时间阈值时，即伺服系统处于长时制动时，导通自身所在支路，即将支撑电容c接入直流母线上，此时制动电路3可消耗掉伺服系统制动时反馈的能量及支撑电容c上的能量。放电开关电路2在伺服系统的制动时间小于预设时间阈值时，断开自身所在支路，即断开支撑电容c与直流母线的连接(需要说明的是，此情况下支撑电容c上的能量无法通过预充电电路1流向直流电源端)，此时制动电路3只消耗掉伺服系统制动时反馈的能量，使支撑电容c上的能量基本不损失，此时伺服系统再次回到工作状态时支撑电容c无需重新充电，从而保证机电伺服系统的快速性。
44.本发明提供了一种电容充放电电路，包括预充电电路、放电开关电路及制动电路。当直流电源开始为机电伺服系统供电使系统启动时，预充电电路从直流电源中获取电能为支撑电容预充电，以避免直流电源两端电压直接加在支撑电容上，从而减小了系统启动时的冲击电流，提高了整个系统的可靠性及使用寿命；在支撑电容预充电完成后，放电开关电路将支撑电容接入直流母线上，以保证支撑电容在系统正常工作时能够起到支撑直流母线电压的作用；在系统长时制动时，放电开关电路将支撑电容接入直流母线上，制动电路可消耗掉系统制动时反馈的能量及支撑电容上的能量；在系统短时制动时，放电开关电路断开支撑电容与直流母线的连接，制动电路只消耗掉系统制动时反馈的能量，使支撑电容上的能量基本不损失，此时系统再次回到工作状态时支撑电容无需重新充电，从而保证机电伺服系统的快速性。
45.在上述实施例的基础上：
46.请参照图3，图3为本发明实施例提供的一种电容充放电电路的具体结构示意图。
47.作为一种可选的实施例，制动电路3包括第一防反灌电路、制动电阻r及制动开关
电路；其中：
48.第一防反灌电路的第一端作为制动电路3的第一端，第一防反灌电路的第二端与制动电阻r的第一端连接，制动电阻r的第二端与制动开关电路的第一端连接，制动开关电路的第二端作为制动电路3的第二端；其中，第一防反灌电路只允许电流从自身的第一端流向第二端；
49.制动开关电路用于在机电伺服系统处于制动时，导通自身所在支路；在机电伺服系统处于非制动时，断开自身所在支路。
50.具体地，本技术的制动电路3包括第一防反灌电路、制动电阻r及制动开关电路，其工作原理为：
51.制动开关电路在伺服系统处于制动时，导通自身所在支路，使制动电路3进入工作状态，以利用制动电阻r消耗掉伺服系统制动时反馈的能量或支撑电容c上的能量。制动开关电路在机电伺服系统处于非制动时，断开自身所在支路，此时制动电路3不工作。
52.作为一种可选的实施例，预充电电路1包括第一防反灌电路、制动电阻r及第二防反灌电路；其中：
53.第一防反灌电路的第一端作为预充电电路1的第一端，制动电阻r的第二端分别与制动开关电路的第一端和第二防反灌电路的第一端连接，第二防反灌电路的第二端作为预充电电路1的第二端；其中，第二防反灌电路只允许电流从自身的第一端流向第二端。
54.具体地，对于支撑电容c的预充电，本领域技术人员容易想到的常规设置是如图4所示的由充电电阻组成的预充电电路，其工作原理为：当直流电源开始为伺服系统供电使伺服系统启动时，直流电源可通过充电电阻为支撑电容预充电，在充电电阻的设置下，可避免直流电源两端电压直接加在支撑电容上，从而减小了伺服系统启动时的冲击电流；在支撑电容预充电完成后，开关电路导通，即将支撑电容直接接入直流母线上，以保证支撑电容在伺服系统正常工作时能够起到支撑直流母线电压的作用。但是，充电电阻的设置增加了伺服系统的体积和成本；而且，支撑电容不仅能通过开关电路接入直流母线上，在开关电路断开时，支撑电容通过充电电阻也能接入直流母线上，导致此设置方式仍存在伺服系统处于短时制动时同样会将支撑电容上的能量通过制动电路消耗的问题，影响伺服系统的快速性。
55.基于此，本技术的预充电电路1包括第一防反灌电路、制动电阻r及第二防反灌电路，其工作原理为：本技术的预充电电路1与制动电路3共用第一防反灌电路和制动电阻r，当伺服系统处于启动状态时，直流电源的电流流过第一防反灌电路、制动电阻r及第二防反灌电路，而后给支撑电容c预充电。可见，本技术将制动电阻r通过与其它部件的结合起到充电电阻的作用，从而省去较大体积的充电电阻；而且，第一防反灌电路和第二防反灌电路的设置使得支撑电容c上的能量无法通过预充电电路1流回直流电源端，只能通过放电开关电路2实现支撑电容c接入直流母线上，避免伺服系统处于短时制动时同样会将支撑电容c上的能量通过制动电路3消耗的问题。
56.作为一种可选的实施例，第一防反灌电路和第二防反灌电路均为二极管；其中：
57.二极管的阳极作为第一防反灌电路和第二防反灌电路的第一端，二极管的阴极作为第一防反灌电路和第二防反灌电路的第二端。
58.具体地，本技术的第一防反灌电路和第二防反灌电路均为二极管(第一防反灌电
路：第一二极管d1；第二防反灌电路：第二二极管d2)，通过二极管的单向导通特性实现防反灌功能。
59.作为一种可选的实施例，制动开关电路包括第一开关管s1；其中：
60.第一开关管s1的第一端作为制动开关电路的第一端，第一开关管s1的第二端作为制动开关电路的第二端，第一开关管s1的控制端接入用于控制第一开关管s1导通状态的制动信号；其中，第一开关管s1在机电伺服系统处于制动时处于导通状态；在机电伺服系统处于非制动时处于断开状态。
61.具体地，本技术的制动开关电路包括第一开关管s1，其工作原理为：
62.在伺服系统处于制动时，第一开关管s1导通，使制动电路3进入工作状态，以利用制动电阻r消耗掉伺服系统制动时反馈的能量或支撑电容c上的能量。在伺服系统处于非制动时，第一开关管s1断开，使制动电路3不工作。
63.作为一种可选的实施例，放电开关电路2包括第二开关管s2；其中：
64.第二开关管s2的第一端分别与直流电源的正端和预充电电路1的第一端连接，第二开关管s2的第二端分别与支撑电容c的第一端和预充电电路1的第二端连接，第二开关管s2的控制端接入用于控制第二开关管s2导通状态的驱动信号；其中，第二开关管s2在支撑电容c预充电完成后或在机电伺服系统的制动时间不小于预设时间阈值时处于导通状态；在制动时间小于预设时间阈值时处于断开状态。
65.具体地，本技术的放电开关电路2包括第二开关管s2，其工作原理为：
66.在支撑电容c预充电时，第二开关管s2断开，以避免直流电源两端电压直接加在支撑电容c上；在支撑电容c预充电完成后，第二开关管s2导通，将支撑电容c接入直流母线上，以保证支撑电容c在伺服系统正常工作时能够起到支撑直流母线电压的作用；在伺服系统处于短时制动时，第二开关管s2断开，以避免制动电路3消耗支撑电容c上的电能；在伺服系统处于长时制动时，第二开关管s2导通，允许制动电路3消耗支撑电容c上的电能。
67.更具体地，本技术的第一开关管s1和第二开关管s2均可选用高电平导通、低电平截止的igbt(insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管)，igbt的栅极作为第一开关管s1和第二开关管s2的控制端，igbt的集电极作为第一开关管s1和第二开关管s2的第一端，igbt的发射极作为第一开关管s1和第二开关管s2的第二端。
68.图5是各种工作模式时第一开关管s1、第二开关管s2、第一二极管d1及第二二极管d2的导通、关断情况(第一开关管s1、第二开关管s2、第一二极管d1及第二二极管d2为0表示处于断开状态，第一开关管s1、第二开关管s2、第一二极管d1及第二二极管d2为1表示处于导通状态)，具体实施步骤为：
69.a、当伺服系统处于启动状态时，第一开关管s1和第二开关管s2均处于断开状态，直流电源的电流流过第一二极管d1、制动电阻r及第二二极管d2，而后给支撑电容c预充电，对应的开关导通状态如图5(a)所示。
70.b、在支撑电容c预充电完成后，支撑电容支路上的第二开关管s2处于导通状态，制动支路上的第一开关管s1处于断开状态，保证支撑电容c在伺服系统正常工作时能够起到支撑直流母线电压的作用，对应的开关管导通状态如图5(b)所示。
71.c、在伺服系统处于短时制动时，伺服系统的电机会将能量回传给前端，而在伺服系统中，直流电源不允许能量的反向流动，此时制动信号将驱动第一开关管s1导通，支撑电
容支路上的第二开关管s2处于断开状态，以保证制动电阻r吸收伺服系统的制动能量，且第二开关管s2的关断可以使支撑电容c上的能量基本不损失，对应的开关管导通状态如图5(c)所示。
72.d、在伺服系统处于长时制动或停止工作状态时，支撑电容支路、制动电阻支路上的第一开关管s1和第二开关管s2均处于导通状态，此时制动电阻r吸收伺服系统的制动能量及支撑电容c存储的能量，在支撑电容c放电完成(支撑电容c两端的电压小于预设低电压阈值)后，第一开关管s1和第二开关管s2均处于断开状态，对应的开关管导通状态如图5(d)所示。
73.需要说明的是，本技术的电容充放电电路不仅可以使用在直流电源直接供电(如电池)的机电伺服系统中，也可以应用在不控整流、可控整流间接提供直流电源的机电伺服系统中，同样可以应用在其它具有制动电阻的各种系统。
74.本发明还提供了一种机电伺服系统，包括支撑电容及上述任一种电容充放电电路。
75.本技术提供的机电伺服系统的介绍请参考上述电容充放电电路的实施例，本技术在此不再赘述。
76.还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
77.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。