CN219659607U - 一种直驱电机用驱动控制模块 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种直驱电机用驱动控制模块，包括：整流滤波模块，其输入端与市电连接；逆变模块，其输入端与整流滤波模块的输出端连接，其输出端与直驱电机相连接，用于为直驱电机供电及控制直驱电机的运行状态；驱动控制器，具有开关电源输入端，其与逆变模块连接，用于输出不同的控制信号给逆变模块，以通过逆变模块控制直驱电机的运行状态；其特征在于：还包括：母线电容，连接于整流滤波模块与逆变模块之间；电源模块，电源模块的输入端与母线电容相连接，电源模块的输出端与驱动控制器的开关电源输入端相连，电源模块用于从母线电容上取电为驱动控制器供电。该控制模块成本低，制动距离可控，效果较好且更加安全可靠。
Description
技术领域
本实用新型涉及直驱电机控制技术领域，尤其涉及一种直驱电机用驱动控制模块。
背景技术
直驱电机是直接驱动式电机的简称，主要指电机在驱动负载时，不需经过传动装置(如传动皮带等)。由于直驱电机去除了丝杆、皮带、齿轮等传动结构，整体刚性很高，运行精度高、速度快，在实际使用中可以带大质量的负载，其惯量比可以非常大，这是直驱电机的巨大优势，故直驱电机适合用于各类洗衣机。但是同时直驱电机在使用过程中也带来另外一个问题：由于整体机械结构没有减速机构，摩擦力小，所以在带大负载高速运行的过程中遇到突然断电等情况时，处于失控状态，负载会在惯性的作用下继续高速运行，这极其危险，会出现撞击、飞车、甚至造成人身伤害。
目前解决直驱电机的制动问题有如下两种解决方案：第一种是采用动态制动方式，即：在驱动器断电后，通过一个继电器将电机的UVW相线进行短路，从而电机运动时产生的电流在电机线圈中发热耗散，实现电机的制动；第二种是采用机械方式制动方式，如专利号为ZL201821966152.7(授权公告号为CN209150905U)的中国实用新型专利公开了一种用于直驱电机的制动装置，该制动装置通过电磁铁在通电时吸附住吸附件；电磁铁在断电时释放吸附件，弹性支撑结构的弹性作用力使第一摩擦件紧靠第二摩擦件以限制电机动子做直线运动；另外又如专利号为ZL 202220786745.5(授权公告号为CN217563506U)的中国实用新型公开了一种直线电机动子用电磁制动装置，通过一块磁铁和永磁体来实现运动和制动时的切换。
虽然上述两种解决方案均能实现直驱电机的制动问题，但现有的解决方案存在如下局限性：一、由于动态制动方式中的动态制动力在整个制动过程中不均匀，只要超过一定的速度，其制动力就会下降，这意味着在高速阶段其制动力相对较弱，制动距离会比较长，在高速运动时，制动距离不可控就会存在过冲飞出的危险；二、采用机械方式制动方式由于附加安装机械装置会增加成本以及结构设计的复杂度，并且机械式制动通常应用于垂直环境防止下落，而高速运动时直接通过机械制动会导致制动力过大，会对机械造成比较大的磨损，很容易损坏制动机构，所以一般不推荐用机械方式进行运动减速的制动。为此，需要对现有技术作进一步改进。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术，而提供一种成本低且更加安全可靠的直驱电机用驱动控制模块。
本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种直驱电机用驱动控制模块，包括：
整流滤波模块，其输入端与市电连接；
逆变模块，其输入端与整流滤波模块的输出端连接，其输出端与直驱电机相连接，用于为直驱电机供电及控制直驱电机的运行状态；
驱动控制器，具有开关电源输入端，其与逆变模块连接，用于输出不同的控制信号给逆变模块，以通过逆变模块控制直驱电机的运行状态；
其特征在于：还包括：
母线电容，连接于整流滤波模块与逆变模块之间；
电源模块，电源模块的输入端与母线电容相连接，电源模块的输出端与驱动控制器的开关电源输入端相连，电源模块用于从母线电容上取电为驱动控制器供电。
为实现直驱电机的断电保护，还包括断电检测模块，所述断电检测模块的输入端与市电相连接，用于检测是否断电，所述断电检测模块的输出端与驱动控制器相连接；所述驱动控制器被配置为：在断电检测模块检测到市电断电后即给逆变模块输出不同的PWM控制信号，以控制直驱电机按照设定的减速度进行减速制动。
为保护母线电容的安全，还包括：
电压检测模块，其输入端连接于母线电容和逆变模块之间，其输出端与驱动控制器相连，用于检测母线电容的电压；
回生制动模块，其输入端与驱动控制器相连，其输出端连接于母线电容与电源模块的输入端之间；
所述驱动控制器被配置为：根据电压检测模块的检测结果而判定是否需要打开回生制动模块，在回生制动模块打开状态下释放母线电容的能量。
优选地，所述回生制动模块包括回生电阻和MOS管，所述MOS管的源极与回生电阻的一端相连接，所述MOS管的栅极连接驱动控制器，所述MOS管的漏极和回生电阻的另一端分别并联在母线电容的两端。
为实现MOS管关断时提供续流路径，所述回生制动模块还包括与回生电阻相并联的续流二极管。
优选地，所述电压检测模块包括由至少两个分压电阻串联而成的分压电路和第一光耦，所述分压电路并联在母线电容的两端，所述分压电路中的其中一个分压电阻与第一光耦的输入端相并联，所述第一光耦的输出端与驱动控制器相连接。
与现有技术相比，本实用新型的优点在于：通过使电源模块直接从母线电容取电上取电为驱动控制器供电，无需改变直驱电机的结构，从而在市电断电后能通过母线电容放电而维持驱动控制器的工作，故驱动控制器可以通过逆变模块控制直驱电机按照设定的减速度进行减速制动，解决了直驱电机在断电后由于惯性导致的潜在安全风险，使得断电后直驱电机的运动速度处于可控状态。从而该控制***成本低，制动距离可控，效果较好且更加安全可靠。
附图说明
图1为本实用新型实施例中直驱电机用驱动控制模块的控制框图；
图2为本实用新型实施例中断电检测模块的电路图；
图3为本实用新型实施例中回生制动模块和电压检测模块的电路图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。
如图1所示，本实施例中的直驱电机用驱动控制模块包括整流滤波模块、逆变模块、驱动控制器、母线电容和电源模块。
其中整流滤波模块的输入端与市电连接，整流滤波模块的输出端与逆变模块的输入端连接，逆变模块的输出端与直驱电机相连接，用于为直驱电机供电及控制直驱电机的运行状态；本实施例中，整流滤波模块为整流桥，逆变模块为常用的DC-AC模块，用于将整流桥输出的直流电转换成交流电，从而通过逆变模块输出的交流电为直驱电机供电，上述整流滤波模块和逆变模块均为本领域技术人员所公知的现有技术，在此不再对其具体电路展开赘述。另外本实施例中的驱动控制器为DSP控制器(其中DSP的英文全称为：DigitalSignal Processing)；母线电容连接于整流滤波模块与逆变模块之间；电源模块的输入端与母线电容相连接，电源模块的输出端与驱动控制器的开关电源输入端相连，电源模块用于从母线电容上取电为驱动控制器供电。
另外，直驱电机用驱动控制模块还包括断电检测模块，断电检测模块的输入端与市电相连接，用于检测是否断电，断电检测模块的输出端与驱动控制器相连接；驱动控制器被配置为：在断电检测模块检测到市电断电后即给逆变模块输出不同的PWM控制信号，以控制直驱电机按照设定的减速度进行减速制动。
上述断电检测模块的实现方式有很多种，可以现有技术中的任一种，如本实施例中断电检测模块的电路图如图2所示，市电220V经过整流桥D1整流后，通过电阻R1和R2驱动第二光耦E2，第二光耦E2输出端经过电容C1和电阻R3滤波后，其端口sout呈现为低电平，一旦输入的电源220V断开，端口sout会上升为高电平，上升时间大约20ms。故驱动控制器一旦检测到端口sout为高电平时即可认为外部电源断电，从而进入减速制动状态。端口sout信号也可以通过驱动控制器采用ADC(即：D/A转换器)进行采样，驱动控制器通过检测信号的幅值来判断输入电源是否断开，这可以缩短判断时间，从而更加可靠的保护。上述的第二光耦E2也可以采用双向光耦，从而可以省略整流桥D1，而达到相同的效果。
由于驱动控制器的电源是从母线电容上取电，而且母线电容的容量比较大，所以在市电断电之后驱动控制器还是会保持正常运行。当直驱电机进入减速制动模式后，由于直驱电机反向发电产生的电流会回充到母线电容中，从而保持整个驱动控制器仍然处于工作状态，直到直驱电机停下后，母线电容中的电压会慢慢跌落到驱动控制器整体关闭。
另外如果直驱电机所带负载较大，直驱电机减速过程产生的反充能量较大，为实现母线电容的保护，直驱电机用驱动控制模块还包括用于检测母线电容电压的电压检测模块和回生制动模块，电压检测模块的输入端连接于母线电容和逆变模块之间，电压检测模块的输出端与驱动控制器相连，回生制动模块的输入端与驱动控制器相连，回生制动模块的输出端连接于母线电容与电源模块的输入端之间；驱动控制器被配置为根据电压检测模块的检测结果而判定是否需要打开回生制动模块，在回生制动模块打开状态下释放母线电容的能量。
如图3所示，本实施例中的回生制动模块包括回生电阻Rb、MOS管Q1和续流二极管D2，MOS管Q1的源极与回生电阻Rb的一端相连接，MOS管Q1的栅极连接驱动控制器，MOS管Q1的漏极和回生电阻Rb的另一端分别并联在母线电容C2的两端，续流二极管D2与回生电阻Rb相并联，用于在MOS管Q1关断时提供续流路径。驱动控制器实时检测母线电容的电压，当母线电容的电压超过母线电容的额定电压时，此时驱动控制器打开回生制动模块，将母线电容内的能量通过外接或者内置的回生电阻释放掉，保证母线电容的寿命和安全，当母线电容电压降到安全范围时，关闭回生制动模块，从而使得回生的能量用于维持驱动控制器正常工作，直到停止。
本实施例中的电压检测模块包括由至少两个分压电阻串联而成的分压电路和第一光耦E1，分压电路并联在母线电容C2的两端，分压电路中的其中一个分压电阻与第一光耦E1的输入端相并联，第一光耦E1的输出端与驱动控制器相连接。如图3所示，本实施例中的分压电路包括第一分压电阻R4和第二分压电阻R5，该分压电路与母线电容C2相并联，上述的第一光耦E1起到电气隔离作用，以保护驱动控制器的使用安全。
当通过第一分压电阻R4和第二分压电阻R5分压后的电压能保持第一光耦E1导通后，即：驱动控制器实时采集采样端口Us为高电平时，则说明此时母线电容C2上为高电平，可根据分压电路和第一光耦E1计算得到母线电容C2的电压；当通过第一分压电阻R4和第二分压电阻R5分压后的电压使第一光耦E1截止后，即驱动控制器实时采集采样端口Us为低电平时，则说明此时母线电容C2上为低电平(该处的低电平是指相对于第一光耦E1导通时的母线电容C2电压而言，并不一定指代母线电容C2的电压为0)，一旦母线电容的电压值超过设定的回生泄放电压，驱动控制器输出Brk信号，通过MOS管Q1和回生电阻Rb将能量释放，一旦母线电容的电压低于设定的回生泄放电压就关断Brk信号。
另外本实施例中在驱动控制器上电后，循环扫描断电检测模块的输出，一旦驱动控制器检测到市电断电，则检测直驱电机是否处于运动状态(速度>V0mm/s认为处于运动状态)，如果在直驱电机运动状态时，则驱动控制器控制直驱电机进入断电制动模式：驱动控制器将断电触发记录保存到报警记录列表中，供后期查看，同时保存驱动控制器当前工作模式(位置模式、速度模式、扭矩模式)，切换工作模式为速度模式，根据当前运动速度初始化并开启速度规划器，速度规划器按照预设的减速度规划电机运动速度，并将规划的速度值作为指令控制直驱电机减速运动，当直驱电机减速到0后，断开直驱电机使能状态。如果驱动控制器检测到断电事件后，直驱电机没有处于运动状态，则直接断开直驱电机使能状态。从而确保电机不出现飞车失控的状态。上述的速度规划器为一个软件模块，其工作原理如下：速度规划器在初始化时，需要设定当前速度、目标速度、加速度、减速度。启用后，速度规划器周期性执行，每个执行周期都会根据当前速度和加减速计算出规划速度，直到速度规划值和目标速度相等。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (6)
1.一种直驱电机用驱动控制模块，包括：
整流滤波模块，其输入端与市电连接；
逆变模块，其输入端与整流滤波模块的输出端连接，其输出端与直驱电机相连接，用于为直驱电机供电及控制直驱电机的运行状态；
驱动控制器，具有开关电源输入端，其与逆变模块连接，用于输出不同的控制信号给逆变模块，以通过逆变模块控制直驱电机的运行状态；
其特征在于：还包括：
母线电容，连接于整流滤波模块与逆变模块之间；
电源模块，电源模块的输入端与母线电容相连接，电源模块的输出端与驱动控制器的开关电源输入端相连，电源模块用于从母线电容上取电为驱动控制器供电。
2.根据权利要求1所述的直驱电机用驱动控制模块，其特征在于：还包括断电检测模块，所述断电检测模块的输入端与市电相连接，用于检测是否断电，所述断电检测模块的输出端与驱动控制器相连接；所述驱动控制器被配置为：在断电检测模块检测到市电断电后即给逆变模块输出不同的PWM控制信号，以控制直驱电机按照设定的减速度进行减速制动。
3.根据权利要求2所述的直驱电机用驱动控制模块，其特征在于：还包括：
电压检测模块，其输入端连接于母线电容和逆变模块之间，其输出端与驱动控制器相连，用于检测母线电容的电压；
回生制动模块，其输入端与驱动控制器相连，其输出端连接于母线电容与电源模块的输入端之间；
所述驱动控制器被配置为：根据电压检测模块的检测结果而判定是否需要打开回生制动模块，在回生制动模块打开状态下释放母线电容的能量。
4.根据权利要求3所述的直驱电机用驱动控制模块，其特征在于：所述回生制动模块包括回生电阻(Rb)和MOS管(Q1)，所述MOS管(Q1)的源极与回生电阻(Rb)的一端相连接，所述MOS管(Q1)的栅极连接驱动控制器，所述MOS管(Q1)的漏极和回生电阻(Rb)的另一端分别并联在母线电容(C2)的两端。
5.根据权利要求4所述的直驱电机用驱动控制模块，其特征在于：所述回生制动模块还包括与回生电阻(Rb)相并联的续流二极管(D2)。
6.根据权利要求3～5任一项所述的直驱电机用驱动控制模块，其特征在于：所述电压检测模块包括由至少两个分压电阻串联而成的分压电路和第一光耦，所述分压电路并联在母线电容(C2)的两端，所述分压电路中的其中一个分压电阻与第一光耦的输入端相并联，所述第一光耦的输出端与驱动控制器相连接。
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