TWI620389B - Regenerative energy supply device - Google Patents

Abstract

一種回生能量供電裝置，包含一電源端及一接地端、一整流模組、一降壓模組、一判斷模組，及一開關模組。該整流模組適用以接收一馬達裝置之至少一回生能量及至少一控制信號，並將該回生能量整流濾波後輸出為一穩態電壓。該降壓模組將該穩態電壓降壓後輸出為一回生電壓。該判斷模組根據該穩態電壓輸出一開關信號。該開關模組根據該開關信號切換輸出一系統電壓及該回生電壓其中之一為一工作電壓。藉此，可將方波形式的該回生能量轉變為直流的該穩態電壓，再降為直流低壓，以提供後續電路所需的該工作電壓，不僅可以減少大電阻所佔據的大量空間、避免溫度上升影響電路穩定性，還可達到能源回收再利用、具有節省電源之功效。

Description

回生能量供電裝置

本發明是有關於一種供電裝置，特別是指一種適用於回收馬達之回生能量的回生能量供電裝置。

一般馬達在運作時，需要接收電能以進行加速，而突然減速或是急停時則會產生回生能量，目前多是以設置電阻的方式將該回生能量所造成之回生電流轉化為熱能消耗釋放。

然而，當應用在多軸多馬達的馬達裝置上時，由於每一軸的馬達都需要搭配一顆大電阻，導致大量的大電阻占據許多空間，且運作時產生的熱能亦會造成溫度上升而影響設備穩定性。

因此，本發明之目的，即在提供一種可減少空間、避免溫度上升，並可節省電源之回生能量供電裝置。

於是，本發明回生能量供電裝置，適用於電連接一馬達裝置，並包含一電源端及一接地端、一整流模組、一降壓模組、一判斷模組，及一開關模組。

該整流模組適用以接收該馬達裝置之至少一回生能量及至少一相關於該回生能量之輸出時間的控制信號，並將該回生能量整流濾波後輸出為一穩態電壓。

該降壓模組電連接該整流模組，接收該穩態電壓並將該穩態電壓降壓後輸出為一回生電壓。

該判斷模組電連接該整流模組，接收該穩態電壓，並根據該穩態電壓輸出一開關信號。

該開關模組電連接該降壓模組及該判斷模組，接收一系統電壓、該回生電壓及該開關信號，並根據該開關信號切換輸出該系統電壓及該回生電壓其中之一為一工作電壓。

本發明之功效在於：藉由設置該整流模組、該降壓模組、該判斷模組及該開關模組，可將方波形式的該回生能量，轉變為直流的該穩態電壓，再經該降壓模組降為直流低壓，即可提供後續電路所需的該工作電壓，不僅可以減少大電阻所佔據的大量空間、避免溫度上升影響電路穩定性，還可以達到能源回收再利用、具有節省電源之功效。

參閱圖1，本發明回生能量供電裝置之一實施例，適用於電連接一機械手臂(圖未示)的馬達裝置(圖未示)，並包含一電源端VCC、一接地端GND、一整流模組2、一降壓模組3、一判斷模組4，及一開關模組5。

值得一提的是，以下是以該馬達裝置具有六軸之馬達(圖未示)作為說明，且該馬達裝置會搭配該等馬達之數量，輸出六個回生能量(於圖1中以回生能量1~6作為標示)及六個分別相關於該等回生能量之輸出時間的控制信號(於圖1中以控制信號1~6作為標示)，但實際應用上，該馬達裝置也可僅具有單一馬達，並僅輸出一回生能量及一個相關於該回生能量之輸出時間的控制信號，並不以此為限。

該整流模組2適用以接收該等回生能量1~6及該等控制信號1~6，並將該等回生能量1~6整流濾波後輸出為一穩態電壓。該整流模組2包括一輸入電路21及一整流濾波電路22。

該輸入電路21適用以接收該等回生能量1~6及該等控制信號1~6，並根據每一控制信號以將對應之該回生能量輸出及不輸出為一輸入電壓。

該輸入電路21具有六個輸入固態繼電器211~216，該等輸入固態繼電器211~216之數量是搭配該等馬達之數量，該等輸入固態繼電器211~216分別適用以接收該等回生能量1~6及該等控制信號1~6，每一輸入固態繼電器211~216具有一接收對應之該回生能量1~6的第一端、一輸出端，及一接收對應的該控制信號1~6的控制端，並受對應的該控制信號1~6控制而導通及不導通，以將對應的該回生能量1~6輸出及不輸出為該輸入電壓。

於本實施例中，每一輸入固態繼電器211~216使用固態繼電器(Solid State Relay，縮寫為SSR)實施，具有隔離輸出入及控制高功率輸出電流之效果，但亦可依實際需求而選用其他具有開關導通效果的電子元件，並不限於此。

該整流濾波電路22電連接該輸入電路21，接收該輸入電壓，並將該輸入電壓整流濾波後輸出為該穩態電壓。該整流濾波電路22具有一整流濾波電感221及一整流濾波電容222。

該整流濾波電感221具有一電連接所有輸入固態繼電器211~216之輸出端的第一端，及一輸出該穩態電壓的第二端。

該整流濾波電容222具有一電連接該整流濾波電感221之第二端的第一端，及一電連接該接地端GND的第二端。

該降壓模組3電連接該整流模組2，接收該穩態電壓並將該穩態電壓降壓後輸出為一回生電壓。

該判斷模組4電連接該整流模組2與該電源端VCC與該接地端GND，接收該穩態電壓，並根據該穩態電壓輸出一開關信號。該判斷模組4包括一分壓電路41及一判斷電路42。

該分壓電路41電連接該整流模組2，接收該穩態電壓並將該穩態電壓降壓後輸出為一判斷電壓。該分壓電路41具有一第一分壓電阻411及一第二分壓電阻412。

該第一分壓電阻411具有一接收該穩態電壓的第一端，及一輸出該判斷電壓的第二端。

該第二分壓電阻412具有一電連接該第一分壓電阻411之第二端的第一端，及一電連接該接地端GND的第二端。

該判斷電路42電連接該分壓電路41，並根據該判斷電壓輸出該開關信號，該判斷電路42於該判斷電壓高於一高閾值電壓時，輸出一第一準位的該開關信號，於該判斷電壓低於一低閾值電 壓時，輸出一第二準位的該開關信號。該判斷電路42具有一運算放大器421、一第一判斷電阻422、一第二判斷電阻423、一第三判斷電阻424、一第四判斷電阻425，及一第五判斷電阻426。

該運算放大器421具有一電連接該第一分壓電阻411之第二端的反向輸入端、一正向輸入端，及一放大輸出端。

該第一判斷電阻422具有一電連接該放大輸出端的第一端，及一電連接該正向輸入端的第二端。

該第二判斷電阻423具有一電連接該正向輸入端的第一端，及一第二端。

該第三判斷電阻424具有一電連接該第二判斷電阻423之第二端的第一端，及一電連接該接地端GND的第二端。

該第四判斷電阻425具有一電連接該第二判斷電阻423之第二端的第一端，及一電連接該電源端VCC的第二端。

該第五判斷電阻426具有一電連接該第一判斷電阻422之第二端的第一端，及一輸出該開關信號的第二端。

該開關模組5電連接該降壓模組3及該判斷模組4，接收一系統電壓、該回生電壓及該開關信號，並根據該開關信號切換輸出該系統電壓及該回生電壓其中之一為一工作電壓。其中，該開關模組5於該開關信號為第一準位時，切換輸出該回生電壓為該工作電壓，於該開關信號為第二準位時，切換輸出該系統電壓為該工作電壓。

該開關模組5包括一第一開關電晶體50、一第二開關電晶體51、一第三開關電晶體52、一第一開關電阻53、一第二開關電阻54、一第三開關電阻55、一第一開關電容56、一第二開關電容57、一第一開關二極體58、一第二開關二極體59，及一開關穩態電阻500。

該第一開關電晶體50具有一電連接該電源端VCC的第一端、一第二端，及一用以接收該開關信號的控制端，並受該開關信號控制以於其第二端輸出及不輸出一切換信號。

該第二開關電晶體51具有一用以由該降壓模組3接收該回生電壓的第一端、一第二端，及一用以接收該切換信號的控制端，並受該切換信號控制以於其第二端輸出及不輸出該回生電壓。

該第三開關電晶體52具有一用以接收該系統電壓的第一端、一第二端，及一用以接收該切換信號的控制端，並受該切換信號控制以於其第二端輸出及不輸出該系統電壓。

於本實施例中，該第一開關電晶體50、該第三開關電晶體52皆為一P型增強型金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，縮寫為MOSFET)，且其第一端為源極(Source)、第二端為汲極(Drain)、控制端為閘極(Gate)，該第二開關電晶體51為一N型增強型金氧半場效電晶體，且其第一端為汲極、第二端為源極、控制端為閘極，但可依實際電路設計而搭配變化，並不限於此。

該第一開關電阻53具有一電連接該電源端VCC的第一端，及一電連接該第一開關電晶體50之控制端的第二端。

該第二開關電阻54具有一電連接第一開關電晶體50之第二端的第一端，及一電連接該第二開關電晶體51之控制端的第二端。

該第三開關電阻55具有一電連接第一開關電晶體50之第二端的第一端，及一電連接該第三開關電晶體52之控制端的第二端。

該第一開關電容56具有一電連接該第二開關電阻54之第二端的第一端，及一電連接該接地端GND的第二端。

該第二開關電容57具有一電連接該第三開關電阻55之第二端的第一端，及一電連接該接地端GND的第二端。

該第一開關二極體58具有一電連接該第二開關電晶體51之第二端的陽極端，及一用以輸出該工作電壓的陰極端。

該第二開關二極體59具有一電連接該第三開關電晶體52之第二端的陽極端，及一用以輸出該工作電壓的陰極端。

該開關穩態電阻500具有一電連接第一開關電晶體50之第二端的第一端，及一電連接該接地端GND的第二端。

參閱圖1、圖2~7、圖8~13，實際應用時，該馬達裝置之各軸的馬達所輸出之該等回生能量1~6分別如圖2~7之所示之波形71~76，而在各軸的馬達之運作時間所輸出的該等控制信號1~6分別如圖8~13之所示之波形81~86，亦即，每一控制信號分別只在對應的該回生能量存在時才位於高準位電壓，且由於機械手臂的六軸馬達幾乎不會同時產生回生能量，因此，每一軸之回生能量亦不會同時存在。

參閱圖1、圖14及圖15，該輸入電路21之該等輸入固態繼電器211~216分別受該等控制信號1~6控制而導通或不導通，以切換將對應的該回生能量1~6輸出為如圖14波形91所示之該輸入電壓，該整流濾波電路22將該輸入電壓整流濾波後輸出為如圖15所示波形92的該穩態電壓。

值得一提的是，本實施例中，以該等馬達為接續不斷運作作為說明，因此所得之該穩態電壓的波形92為持平的直流電壓，但在該等馬達為斷續運行或是停止運行時，該穩態電壓的波形92即會形成類似方波或是下降為低準位電壓。

由於一般馬達使用之電壓為大電壓，因此在經整流濾波後之該穩態電壓亦為大電壓，約為400伏特(Volt)左右，而後續之電路的該電源端VCC則通常使用較低之電壓，約為24伏特左右，因此需經由該降壓模組3及該分壓電路41進行降壓以供後續電路使用及進行判斷，其中，該降壓模組3將該穩態電壓降壓至約24伏特，而該分壓電路41則將該穩態電壓降壓至約21伏特。

該判斷電路42接收該分壓電路41所輸出的該判斷電壓，並於該判斷電壓高於該高閾值電壓(約為20伏特)時，輸出該第一準位(約為24伏特)的該開關信號，於該判斷電壓低於該低閾值電壓(約為10伏特)時，輸出該第二準位(約為0伏特)的該開關信號。

該第一開關電晶體50於該開關信號為第一準位時呈導通狀態，以於其第二端輸出為高準位電壓的該切換信號，使該第二開關電晶體51導通、該第三開關電晶體52不導通，以將該回生電壓輸出為該工作電壓。該第一開關電晶體50於該開關信號為第二準位時呈不導通狀態，此時，透過該開關穩態電阻500將該第二開關電晶體51之控制端的電壓、該第三開關電晶體52之控制端的電壓拉到低準位電壓，以使該第二開關電晶體51不導通、該第三開關電晶體52導通，以切換輸出該系統電壓為該工作電壓。

藉此，可以在該等馬達運作而輸出該等回生能量時，將該等回生能量轉換為該回生電壓並輸出為該工作電壓，以供該機械手臂的週邊電路使用，而在該等馬達停止運作時，則切換輸出該系統電壓為該工作電壓，以維持該工作電壓的穩定提供。

參閱圖1，經由以上的說明，可將本實施例的優點歸納如下：

一、藉由設置該整流模組2、該降壓模組3、該判斷模組4及該開關模組5，可將方波形式的該回生能量，轉變為直流的該穩態電壓，再經該降壓模組3降為直流低壓，即可提供後續電路所需的該工作電壓，如此，相較於習知技術，不僅可以減少大電阻所佔據的大量空間、避免溫度上升影響電路穩定性，還可以達到能源回收再利用、具有節省電源之功效。

再者，藉由該開關模組5進行切換，可以在具有該回生能量時才輸出該回生電壓，其餘時間則仍是輸出該系統電壓，藉此，可以在回收該等回生能量的情況下，仍維持該工作電壓的穩定提供。

二、藉由設計該判斷電路42於該判斷電壓分別高於該高閾值電壓或低於該低閾值電壓時，才切換輸出該第一準位或第二準位的該開關信號，如此，可以有效防止如抖動訊號等雜訊造成的干擾誤判，故能增加電路運行的穩定性。

三、藉由設置該第一開關電阻53，可以提供該第一開關電晶體50控制端預設的電壓值，避免該第一開關電晶體50控制端因空接而產生電壓浮動，導致異常的導通或不導通而產生誤判。

四、藉由設置該第一開關二極體58及該第二開關二極體59，可以限制該回生電壓及該系統電壓為單向傳輸，避免該回生電壓及該系統電壓的電壓互灌而導致該工作電壓浮動，造成後續電路因供電不穩定而誤動作或損毀。

綜上所述，故確實能達成本發明的目的。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

2‧‧‧整流模組

21‧‧‧輸入電路

211~216‧‧‧輸入固態繼電器

22‧‧‧ 整流濾波電路

221‧‧‧整流濾波電感

222‧‧‧整流濾波電容

3‧‧‧降壓模組

4‧‧‧判斷模組

41‧‧‧ 分壓電路

411‧‧‧第一分壓電阻

412‧‧‧第二分壓電阻

42‧‧‧ 判斷電路

421‧‧‧運算放大器

422‧‧‧第一判斷電阻

423‧‧‧第二判斷電阻

424‧‧‧第三判斷電阻

425‧‧‧第四判斷電阻

426‧‧‧第五判斷電阻

5‧‧‧開關模組

50‧‧‧ 第一開關電晶體

51‧‧‧ 第二開關電晶體

52‧‧‧ 第三開關電晶體

53‧‧‧ 第一開關電阻

54‧‧‧ 第二開關電阻

55‧‧‧ 第三開關電阻

56‧‧‧ 第一開關電容

57‧‧‧ 第二開關電容

58‧‧‧ 第一開關二極體

59‧‧‧ 第二開關二極體

500‧‧‧開關穩態電阻

71~76‧‧‧回生能量之波形

81~86‧‧‧控制信號之波形

91‧‧‧ 輸入電壓之波形

92‧‧‧ 穩態電壓之波形

VCC‧‧‧電源端

GND‧‧‧接地端

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是本發明回生能量供電裝置的一實施例的一電路圖； 圖2~7分別是該實施例之複數回生能量的波形示意圖； 圖8~13分別是該實施例之複數控制信號的波形示意圖； 圖14是該實施例之一輸入電路所輸出之一輸入電壓的波形示意圖；及 圖15是該實施例之一整流濾波電路所輸出之一穩態電壓的波形示意圖。

Claims (9)

1. 一種回生能量供電裝置，適用於電連接一馬達裝置，並包含：一電源端及一接地端；一整流模組，適用以接收該馬達裝置之至少一回生能量及至少一相關於該回生能量之輸出時間的控制信號，並將該回生能量整流濾波後輸出為一穩態電壓；一降壓模組，電連接該整流模組，接收該穩態電壓並將該穩態電壓降壓後輸出為一回生電壓；一判斷模組，電連接該整流模組與該電源端與該接地端，接收該穩態電壓，並根據該穩態電壓輸出一開關信號；及一開關模組，電連接該降壓模組及該判斷模組，接收一系統電壓、該回生電壓及該開關信號，並根據該開關信號切換輸出該系統電壓及該回生電壓其中之一為一工作電壓；該整流模組包括：一輸入電路，適用以接收該馬達裝置之複數回生能量及複數分別相關於該等回生能量之輸出時間的控制信號，並根據每一控制信號以將對應之該回生能量輸出及不輸出為一輸入電壓，及一整流濾波電路，電連接該輸入電路，接收該輸入電壓，並將該輸入電壓整流濾波後輸出為該穩態電壓。
2. 如請求項1所述的回生能量供電裝置，其中，該判斷模組 包括：一分壓電路，電連接該整流模組，接收該穩態電壓並將該穩態電壓降壓後輸出為一判斷電壓，及一判斷電路，電連接該分壓電路，並根據該判斷電壓輸出該開關信號。
3. 如請求項2所述的回生能量供電裝置，其中，該判斷電路於該判斷電壓高於一高閾值電壓時，輸出一第一準位的該開關信號，於該判斷電壓低於一低閾值電壓時，輸出一第二準位的該開關信號。
4. 如請求項3所述的回生能量供電裝置，其中，該開關模組於該開關信號為第一準位時，切換輸出該回生電壓為該工作電壓，於該開關信號為第二準位時，切換輸出該系統電壓為該工作電壓。
5. 如請求項1所述的回生能量供電裝置，其中，該整流模組包括複數輸入固態繼電器，該等輸入固態繼電器分別適用以接收該馬達裝置之複數回生能量及複數分別相關於該等回生能量之輸出時間的控制信號，每一輸入固態繼電器具有一接收對應之該回生能量的第一端、一輸出端，及一接收對應的該控制信號的控制端，並受對應的該控制信號控制而導通及不導通，以將對應的該回生能量輸出及不輸出為一輸入電壓。
6. 如請求項5所述的回生能量供電裝置，其中，該整流模組還包括：一整流濾波電感，具有一電連接所有輸入固態繼電器 之輸出端的第一端，及一輸出該穩態電壓的第二端，及一整流濾波電容，具有一電連接該整流濾波電感之第二端的第一端，及一電連接該接地端的第二端。
7. 如請求項1所述的回生能量供電裝置，其中，該判斷模組包括：一第一分壓電阻，具有一接收該穩態電壓的第一端，及一第二端，一第二分壓電阻，具有一電連接該第一分壓電阻之第二端的第一端，及一電連接該接地端的第二端，一運算放大器，具有一電連接該第一分壓電阻之第二端的反向輸入端、一正向輸入端，及一放大輸出端，一第一判斷電阻，具有一電連接該放大輸出端的第一端，及一電連接該正向輸入端的第二端，一第二判斷電阻，具有一電連接該正向輸入端的第一端，及一第二端，一第三判斷電阻，具有一電連接該第二判斷電阻之第二端的第一端，及一電連接該接地端的第二端，一第四判斷電阻，具有一電連接該第二判斷電阻之第二端的第一端，及一電連接該電源端的第二端，及一第五判斷電阻，具有一電連接該第一判斷電阻之第二端的第一端，及一輸出該開關信號的第二端。
8. 如請求項1所述的回生能量供電裝置，其中，該開關模組包括：一第一開關電晶體，具有一電連接該電源端的第一 端、一第二端，及一用以接收該開關信號的控制端，並受該開關信號控制以於其第二端輸出及不輸出一切換信號，一第二開關電晶體，具有一用以接收該回生電壓的第一端、一第二端，及一用以接收該切換信號的控制端，並受該切換信號控制以於其第二端輸出及不輸出該回生電壓，及一第三開關電晶體，具有一用以接收該系統電壓的第一端、一第二端，及一用以接收該切換信號的控制端，並受該切換信號控制以於其第二端輸出及不輸出該系統電壓。
9. 如請求項8所述的回生能量供電裝置，其中，該開關模組還包括：一第一開關電阻，具有一電連接該電源端的第一端，及一電連接該第一開關電晶體之控制端的第二端，一第一開關二極體，具有一電連接該第二開關電晶體之第二端的陽極端，及一用以輸出該工作電壓的陰極端，及一第二開關二極體，具有一電連接該第三開關電晶體之第二端的陽極端，及一用以輸出該工作電壓的陰極端。