CN108574436A - 一种伺服驱动器电能回收系统及电能回收方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种伺服驱动器电能回收系统，在常规伺服驱动结构基础上增加电能回收系统，电能回收系统对外包括六个接线端子，两个供电端与所述伺服驱动器外接制动电阻的R1和R2端连接，两个直流连接端与所述直流电源的DC+和DC‑连接，两个直流输出端与所述总线及控制单元以及其它直流负载连接。伺服电机再生电能和制动时，均可进行电能回收。本发明回收系统和方法可实现将回馈的高压直流转换为低压控制电，并可在回馈电能输出、直流电源输出和二者增容输出三种工况之间的自动切换，解决了石油钻探小型伺服驱动机械手制动电能和再生电能无法良好利用的问题。

Description

一种伺服驱动器电能回收系统及电能回收方法

技术领域

本发明属于石油钻探装备控制技术领域，用于实现机械手伺服驱动系统制动或再生电能的回收并为控制系统供电的功能，涉及一种伺服驱动器电能回收系统，还涉及一种电能回收方法。

背景技术

近年来，随着伺服驱动和自动化技术在石油钻探装备领域的广泛应用，传统的人力操作逐步被自动化机械手所取代。轻载、小型机械手要同时满足环境温度、动态响应和定位精度等要求，一般采用伺服电机驱动。对于油田现场移动距离短、动作重复性高的作业特点，需要机械手按规划路径反复运动，此种工况需伺服驱动器频繁的调速、制动，会产生大量的制动电能消耗。其次，对于靠设备自重或负载重力提供动力带动机械手按预定轨迹运动的工况，电机运行于发电状态，又会产生一定量的回馈电能。

参照附图1，为伺服驱动器工作原理。在伺服驱动器1内部，交流电源通过整流单元2变换为直流电存储于电容C1，根据伺服电机5的负载特性再将直流电通过逆变单元3转化为特定频率、电压等级的交流电驱动伺服电机5。上述电能变换以及制动损耗和再生电能控制均由总线及控制单元4完成。系统中还需单独设置直流电源7，用于总线及控制单元4和其他直流负载8的供电。目前所用的制动电能和再生电能处理方式有三种：一、无R1、R2接线端和再生电能控制单元，由总线及控制单元4将再生电能逆向通过逆变单元3、储能电容C1和整流单元2转换为标准交流电回馈至电网；二、无R1、R2接线端和再生电能控制单元，由总线及控制单元4将再生电能以直流方式存储于储能电容C1为系统内其它伺服电机提供动力；三、在R1和R2中连接损耗电阻，将电能进行热消耗。

但对于石油钻探装备领域上述三种方案都存在一定的局限性。若采用方案一，当回馈电能相位角与母线相位角不一致时会造成电网冲击、浪涌或谐波，降低电网功率因数、干扰弱电设备，尤其对于石油钻探自带柴油发电机的小型电网，对其影响更为明显。若采用方案二，石油钻探装备中机械手一般为单传动且为顺序动作，无多轴同步工况，因此回馈能量依然无法被其它驱动装置消耗，最终导致电容C1过充而烧毁。上述两方案的实现成本高、占用空间大，对驱动装置安装于设备本体的工况难以满足小型化需求。针对石油钻探工况一般选用方案三，但其损失电能较多，设备运行效率低，且需外置发热量大的制动电阻，并做防爆处理，也不是合理解决方案。目前没有一种完全适用于油田小型伺服驱动机械手的电能回收解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种伺服驱动器电能回收系统，解决了石油钻探小型伺服驱动机械手制动电能和再生电能无法良好利用的问题。

本发明的另一目的是提供一种伺服驱动器电能回收方法，将伺服驱动系统回馈的高压电能通过直流斩波电路转换为直流控制电压，为控制系统提供电能。

本发明所采用的一个技术方案是，一种伺服驱动器电能回收系统，包括电能回收控制单元、输入电压检测单元、回馈电能检测单元、直流斩波电路、输出电源检测单元、输出电能控制开关器件。其中：电能回收控制单元用于实时接收输入电压检测单元、回馈电能检测单元、输出电源检测单元的检测值，由内部程序控制输出电能控制开关器件Z1、Z2和Z3的通断状态；输入电压检测单元用于检测回馈电能的电压值并实时发送至电能回收控制单元；回馈电能检测单元用于检测直流斩波电路输出的电压值和电流值并实时发送至电能回收控制单元；直流斩波电路用于存储回馈高压电能，并由电能回收控制单元控制直流电压转换的全过程；输出电源检测单元用于检测外接直流电源电压值和负载电流值并实时发送至电能回收控制单元；输出电能控制开关器件由电能回收控制单元进行控制，调整该电能回收系统中各开关器件的输出状态。电能回收系统对外包括六个接线端子，分别为两个供电端、两个直流连接端、两个直流输出端，两个供电端与所述伺服驱动器外接制动电阻的R1和R2端连接，两个直流连接端与所述伺服驱动器的直流电源的DC+和DC-连接，两个直流输出端与所述伺服驱动器的总线及控制单元以及其它直流负载连接。

本发明的另一个技术方案是，一种伺服驱动器电能回收方法，采用上述电能回收系统，将伺服电机再生电能和伺服驱动器制动电能通过R1和R2传至电能回收系统。由电能回收系统的输入电压检测单元、回馈电能检测单元、输出电源检测单元对主电路中的回馈电能进行检测，由电能回收控制单元统一控制该电能回收系统的工作状态。确保将回馈的高压直流电通过斩波电路转换为稳定的控制系统电压值，为控制系统提供电能。

本发明还有一个技术方案是，一种伺服驱动器电能回收方法，电能回收控制单元结合输入电压检测单元和输出电源检测单元的反馈值，由内部运算方法控制开关器件Z1的通断时间以稳定输出的控制电压值；电能回收控制单元结合回馈电能检测单元和输出电源检测单元的反馈值，通过控制开关器件Z2和Z3的通断状态实现该电能回收系统在电源输出模式、回馈电能输出模式、增容输出模式三种工作模式之间的自动切换。

上述稳定输出的控制电压值和在三种工作模式之间切换的方法具体为：根据x判断回馈电能是否满足直流负载的供电需求，x表示C3两端电压值与直流电源电压值的比值；

当x<0.9时，表示回馈电能不满足需求，关断开关器件Z2，导通开关器件Z3，由直流电源为负载供电，即系统工作于电源输出模式；

当0.9<x<1.1时，进一步根据y值判断是否满足当前负载需求，y表示回馈供电流值与负载电路的比值，当y＝1时，表示回馈电能可满足需求，导通开关器件Z2，关断开关器件Z3，系统工作于回馈电能输出模式；当y≠1时，导通开关器件Z2和开关器件Z3，由回馈电能和直流电源同时输出电流，系统工作于增容输出模式；

当x>1.1时，根据程序设定的开关频率计算开关器件Z1单周期的导通时间和关断时间，将结果输出至开关器件Z1驱动电路控制其通断，以稳定输出的控制电压值。

本发明的电能回收系统对比现有技术，具有以下有益效果：1)将制动电能和再生电能存储并进行降压处理，为控制系统供电；2)系统自带检测和控制装置，可根据伺服驱动器直流端电压值的变化自动调整斩波电路的占空比，以此稳定输出电压值；3)系统自带多处电能检测装置，可实现回馈电能输出、直流电源输出和二者增容输出三种工况之间的自动切换；4)该系统既可用于全新配套的伺服驱动装置，也可适用于已有伺服驱动装置的升级改造。

附图说明

图1是常规伺服驱动原理图；

图2是本发明实施结构图；

图3是本发明内部原理图；

图4是本发明直流电压转换流程图；

图5是伺服加减速与扭矩曲线图；

图6是本发明能量回收控制单元内部逻辑图。

图中，1.伺服驱动器，2.整流单元，3.逆变单元，4.总线及控制单元，5.伺服电机，6.制动器，7.直流电源，8.直流负载，9.制动控制元件，10.电能回收系统，11.输入电压检测单元，12.回馈电能检测单元，13.电能回收控制单元，14.输出电源检测单元。

L1、L2、L3.分别表示三相交流电源，N.三相交流电源的中线，R1.制动电路正极接线端，R2.制动电路负极接线端，V1+.总线及控制单元4电源正极，V1-.总线及控制单元4电源负极，DC+.直流电源7正极，DC-.直流电源7负极，L1.电感，A.直流电压转换流程1，B.直流电压转换流程2。

C1、C2、C3分别表示电容；

X1、X2······X6分别表示电能回收系统10供电端正极、供电端负极、直流连接端正极、直流连接端负极、输出端正极、输出端负极；

Z1、Z2、Z3分别表示功率型开关器件；

Y1、Y2分别表示二极管。

另外，V_reg表示再生直流电压值；

V_brk表示制动直流电压值；

V_chg表示电容C2两端的电压值；

V_cap表示电容C3两端的电压值；

ΔV_cap表示电容C3两端的电压纹波值；

V_DC表示直流电源7的输出电压值；

V_L表示电感L1两端的电压值；

C表示电容C3的值；

I_cap表示电容C3两端的输出电流值；

I_o表示负载电流值；

L表示电感L1的值；

v表示伺服电机5当前速度值；

v_set表示伺服电机5正向设定速度；

-v_set表示伺服电机5反向设定速度；

t表示时间；

t₁、t₂······t₆表示伺服电机5工作的不同时间段；

t_on表示开关器件Z1单周期内导通时间；

t_off表示开关器件Z1单周期内关断时间；

f_s表示开关器件Z1的开关频率；

T表示伺服电机5输出转矩；

T_set表示伺服电机5正向设定转矩；

-T_set表示伺服电机5反向设定转矩。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施方式。

参照附图2，是本发明的实施例安装结构图，在图1所示的常规伺服驱动器的结构基础上，增加电能回收系统10。电能回收系统10对外具有六个接线端子，分别为两个供电端、两个直流连接端、两个直流输出端。针对可连接制动电阻的伺服驱动器1，将外接制动电阻的R1和R2端分别连接至电能回收系统10的供电端X1和X2。直流电源7的DC+和DC-分别连接至电能回收系统10的直流连接端X3和X4。X5和X6分别为电能回收系统10的直流输出端。

伺服电机5再生电能时，伺服驱动器1的总线及控制单元4向逆变单元3发送6组脉冲信号，使其工作于整流模式，将再生电能的交流电转换为直流电存储于电容C1，电容C1两端的电压值为V_reg。同时，总线及控制单元4控制整流单元2停止工作，防止再生电能逆流；控制制动控制元件9导通，将再生电能通过R1和R2传至电能回收系统10。

伺服电机5制动时，伺服驱动器1的总线及控制单元4向制动器6发送制动信号后伺服电机5会抱闸制动，同时总线及控制单元4分别向整流单元2、逆变单元3和制动控制元件9发送控制指令，使整流单元2关断，电源L1、L2和L3(实际使用时，伺服驱动器1电源也可为单相或两相)的电能不再输入至整流单元2；逆变单元3暂停工作，工况不变时不再向伺服电机5输出驱动电能；制动控制元件9导通，将伺服驱动器1内部存留的未消耗电能通过R1和R2传至电能回收系统10，此时的传输电压值为V_brk。

输入至电能回收系统10的再生电能和制动电能统称为回馈电能。

直流电源7的输入端为单相交流电，分别连接至L3和N(实际使用时直流电源7的输入端也可为三相、两相或连接至其他单相)。直流电源7的输出端与电能回收系统10的直流连接端连接，通过电能回收系统10处理，经内部逻辑判断通过直流输出端X5和X6连接至总线及控制单元4和其它直流负载8。输出电源线V2+和V2-分别连接至总线及控制单元4的V1+和V1-，用于控制电源的供电。

参照附图3，是电能回收系统10内部原理图，包括电能回收控制单元、输入电压检测单元、回馈电能检测单元、直流斩波电路、输出电源检测单元、输出电能控制开关器件。该系统内部采用闭环控制，无需任何外部控制装置或控制信号参与。回馈电能通过X1和X2输入至电能回收系统10，电容C2可实现回馈电能的快速吸收，防逆流二极管Y1串联于X1通路中，用以防止电容C2中的电能逆流损坏伺服驱动器1。输入电压检测单元11用于测量电容C2内部的电压值V_chg。输入电压检测单元11将检测结果传至电能回收控制单元13，进行实时控制运算，其结果用于控制开关器件Z1的占空比D1。通过电容C2、开关器件Z1、二极管Y2、运算电感L1、电容C3以及电能回收控制单元13的组合即可将回馈的高压电能转换为控制电压，为V1+、V1-和其它直流负载8供电。

回馈电能检测单元12用于在线测量电容C3两端的电压值V_cap、电流值I_cap，并实时输出至电能回收控制单元13。输出电源检测单元14用于测量直流电源7的输出电压值V_DC和负载电流值I_o，并实时输出至电能回收控制单元13。电能回收控制单元13通过两个检测单元12和14的反馈量进行逻辑计算，用以确定开关器件Z2和Z3的通断状态，实现仅回馈电能输出、仅直流电源输出、回馈电能和直流电源同时输出(增容输出)。

参照附图4，是本发明的直流电压转换原理图。当输入电压检测单元11检测到电容C2中已存储电能时，由电能回收控制单元13向开关器件Z1发出开关指令。Z1会工作于导通和关断两种状态。

参照附图4中(a)，是开关器件Z1导通状态的原理图。电容C2两端的电压为V_chg，电容C3两端的电压为V_cap，由于V_chg大于V_cap，电路内电流沿A方向流动，回路中电流上升时电感L1的电磁场产生感应电压V_L，此时V_L的极性与V_chg相反。开关器件Z1的导通时间为t_on，即电容C3的充电时间为t_on，输出电压为V_cap，负载供电电流I_cap。

参照附图4中(b)，是开关器件Z1关断状态的原理图。由于电路中含有电感L1，在Z1关断的瞬间，L1两端的电流突然消失，根据电磁原理，电感L1的磁场发生变化导致其内部电源极性突变，幅值不变，因此二极管Y2处于正向导通状态，电路中电流沿着B方向流动，继续为电容C3充电。开关器件Z1的关断时间为t_off，在此时间段内电感L1和电容C3为负载供电，确保稳定输出电压值V_cap和负载电流I_cap。

在t_on和t_off交替的时间段内，如电容C3两端的输出电压V_cap(V_cap值与直流电源7输出电压值V_DC相关联，0.9V_DC<V_cap<1.1V_DC)和负载电流I_cap不能满足负载需求(V_DC和I_o)即表示电容C2中存储的回馈电能已经消耗完毕。

其中电感L1和电容C3的参数计算方法如下：

开关器件Z1在单个循环周期内导通时间与周期的比例称为接通时间占空比，用D1表示：

由于公式(1)可变型为：

在器件选型计算过程中，再生电能电压V_reg和制动电能电压V_brk中较大者视为V_chg；假设直流电源7的输出电压V_DC与电容C3两端的电压V_cap相等；开关器件Z1的开关频率f_s可由电能回收控制单元13中的程序设置为固定值；输出电流I_cap可由系统实际工作状况确定。由此，根据公式(5)可计算得到电感L1的值：

设定电容C3输出电压的纹波值为ΔV_cap，可由公式(6)得到储能电容C3的电容值：

至此，电能回收系统10的主电路结构中所需包含储能元件的参数已全部确定。

该电路结构实际工作过程中，由于电容C2两端的电压值V_chg随电能的消耗会不断变化，根据公式(1)，要保证稳定的控制电压值V_cap，应改变Z1的导通占空比D1，需输入电压检测单元11实时测量电容C2两端的电压值V_chg，并反馈至电能回收控制单元13，由控制程序根据当前值自动调整控制参数。

参照附图5，是伺服电机速度与转矩对应关系曲线图。针对石油钻探装备现场使用工况，机械手一般工作于初始位置和设定目标位置的两点之间。

首先由初始位置到目标位置。伺服电机5速度由0开始加速到达设定v_set所用时间为t₁，此时伺服电机5输出恒定转矩T_set。到达设定速度v_set后，伺服电机5运行于匀速阶段t₂，此时电机输出的惯性转矩小于T_set。当接近目标位置后伺服电机5开始减速，并在t₃时间段内将速度由v_set减至0，此时速度为正值，而转矩为-T_set，将会产生回馈电能。

然后由目标位置回初始位置。伺服电机5速度由0开始反向加速到达设定-v_set所用时间为t₄，此时伺服电机5输出恒定扭矩-T_set。到达设定速度-v_set后，伺服电机5运行于匀速阶段t₅，此时电机输出的惯性转矩小于T_set。当接近初始位置后伺服电机5开始减速，并在t₆时间段内将速度由-v_set减至0，此时速度为负值，而转矩为T_set，将会产生回馈电能。

针对上述工况，电容C2的容量由回馈电能决定。其计算方法如下：

伺服电机5需要明确的参数包括：最大功率P_m(W)，额定转矩T_m(Nm)，负载惯量J_L(Kgm²)，最高转速n(rpm)；

伺服驱动器1需要明确的参数为：减速时间t_d(s)。

针对极限情况，伺服电机5可承受的减速转矩为1.5倍额定转矩：

M_m＝1.5T_m (7)

其中：M_m为允许的最大过载转矩。

根据公式(7)验证伺服驱动器1内功率器件所能承受的最小减速时间：

其中：t_s为最小减速时间。

实际减速时间应介于t_s至1.5t_s之间，如公式(9)所示：

t_s＜t_d＜t_3,4＜1.5t_s (9)

其中：t_d为一小于t_3,4的时间量。

为确保系统中各功率器件的稳定工作，用此值计算所需的最大制动转矩M_b：

其中：M_b为最大制动转矩。

由公式(10)得到M_b后可通过公式(11)计算制动功率：

其中：P_b为最大制动功率。

由公式(12)可计算单个循环周期内t₃和t₆产生的回馈电能：

Q_C2＝P_b×(t₃+t₄) (12)

其中：Q_C2表示单周期内的回馈电能。

即电容C2的容量不小于Q_C2。

参照附图6，是电能回收控制单元13控制逻辑图。通过输入电压检测单元11测量输入电压值V_chg；回馈电能检测单元12测量回馈控制电压值V_cap和电流值I_cap；输出电能检测单元14测量直流电源7输出电压值V_DC和负载电流I_o值。由V_chg和V_DC通过公式(1)计算开关元件Z1的导通占空比D1，根据程序设定的开关频率f_s由公式(2)和公式(3)计算开关器件Z1单周期的导通时间t_on和关断时间t_off，将结果输出至开关器件Z1驱动电路控制其通断，调整回馈控制电压V_cap。

开关器件Z2和Z3的逻辑控制部分，应结合x(C3两端电压值V_cap与直流电源7电压值V_DC的比值)和y(回馈供电电流值I_cap与负载电路I_o的比值)。首先由x判断开关器件Z1调制的电压值V_cap是否满足直流负载的供电需求。当x>1.1说明电压值V_cap过高，即占空比D1存在一定偏差，应对其进行调整，此逻辑应与开关器件Z1的控制逻辑相关联。x<0.9时，说明回馈电能的电量不足以为负载供电，应关断开关器件Z2使其继续收集回馈电能。此时为确保输出负载有稳定的电源供电，应导通开关器件Z3，由直流电源7为负载供电，即系统工作于电源输出模式。当0.9<x<1.1时，表示C3两端电压值V_cap位于正常电压范围内，可用于负载供电。此时进一步判断C3两端输出电流I_cap是否满足当前负载电流需求，需要由y值判断。当y＝1时表示电流I_cap可满足负载电流I_o的需求，导通开关器件Z2，关断开关器件Z3，即系统工作于回馈电能输出模式；若直流控制回路中存在用电量突然增大的负载时y≠1(或y<1)，如：加热器、直流电机启动瞬间等，表示电流I_cap无法足负载电流I_o的需求，此时应导通开关器件Z2和开关器件Z3，由回馈电能和直流电源7同时输出电流以确保系统供电的稳定性，即系统工作于增容输出模式。

Claims (4)

1.一种用于伺服驱动器的电能回收系统，其特征在于，所述电能回收系统对外包括六个接线端子，分别为两个供电端、两个直流连接端、两个直流输出端，两个供电端与所述伺服驱动器的外接制动电阻的R1和R2端连接，两个直流连接端与所述伺服驱动器的直流电源的DC+和DC-连接，两个直流输出端与所述伺服驱动器的总线及控制单元以及其它直流负载连接；

所述电能回收系统内部包括电能回收控制单元、输入电压检测单元、回馈电能检测单元、直流斩波电路、输出电源检测单元、输出电能控制开关器件；其中：电能回收控制单元用于实时接收输入电压检测单元、回馈电能检测单元、输出电源检测单元的检测值，控制输出电能控制开关器件Z1、Z2和Z3的通断状态；输入电压检测单元用于检测回馈电能的电压值并实时发送至电能回收控制单元；回馈电能检测单元用于检测直流斩波电路输出的电压值和电流值并实时发送至电能回收控制单元；直流斩波电路用于存储回馈高压电能，并由电能回收控制单元控制直流电压转换的全过程；输出电源检测单元用于检测外接直流电源电压值和负载电流值并实时发送至电能回收控制单元；输出电能控制开关器件由电能回收控制单元进行控制，调整所述电能回收系统中各开关器件的输出状态。

2.一种采用如权利要求1所述的伺服驱动器电能回收系统回收电能的方法，其特征在于，将伺服电机再生电能和伺服驱动器制动电能通过R1和R2传至所述电能回收系统，由所述电能回收系统的输入电压检测单元、回馈电能检测单元、输出电源检测单元对主电路中的回馈电能进行检测，由电能回收控制单元自动控制各开关器件的导通状态和导通、关断时间，将回馈的高压直流电通过直流斩波电路转换为稳定的控制系统电压值，为控制系统提供电能。

3.一种采用如权利要求1所述的伺服驱动器电能回收系统回收电能的方法，其特征在于，所述电能回收控制单元结合输入电压检测单元和输出电源检测单元的反馈值，控制开关器件Z1的通断时间以稳定输出的控制电压值；所述电能回收控制单元结合回馈电能检测单元和输出电源检测单元的反馈值，通过控制开关器件Z2和Z3的通断状态实现所述电能回收系统在电源输出模式、回馈电能输出模式、增容输出模式三种工作模式之间的自动切换。

4.根据权利要求3所述的回收电能的方法，其特征在于，所述稳定输出的控制电压值和在三种工作模式之间切换的方法具体为：根据x判断回馈电能是否满足直流负载的供电需求，x表示C3两端电压值与直流电源电压值的比值；

当x<0.9时，表示回馈电能不满足需求，关断开关器件Z2，导通开关器件Z3，由直流电源为负载供电，即系统工作于电源输出模式；

当0.9<x<1.1时，进一步根据y值判断是否满足当前负载需求，y表示回馈供电流值与负载电路的比值，当y＝1时，表示回馈电能可满足需求，导通开关器件Z2，关断开关器件Z3，系统工作于回馈电能输出模式；当y≠1时，导通开关器件Z2和开关器件Z3，由回馈电能和直流电源同时输出电流，系统工作于增容输出模式；

当x>1.1时，根据程序设定的开关频率计算开关器件Z1单周期的导通时间和关断时间，将结果输出至开关器件Z1驱动电路控制其通断，以稳定输出的控制电压值。