一种电容电压控制装置、方法和电机控制设备与流程

1.本发明属于电机技术领域，具体涉及一种电容电压控制装置、方法和电机控制设备(如伺服驱动器、变频器等)，尤其涉及一种电机控制设备串联电容的电压调节电路及其控制方法、以及伺服驱动器。


背景技术：

2.随着工业自动化行业的发展，伺服驱动器的应用越来越广泛，用户对伺服驱动器的可靠性要求也更高了。为了提升电容的耐压效果，可以将电容串联起来使用，但由于电容参数的一致性、硬件电路的特性，电容上的电压会出现偏差，严重时会出现其中一些电容因过压而烧坏的现象，所以这种方式存在电容均压的问题。
3.上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，提供一种电容电压控制装置、电机控制设备及其电容电压控制方法，以解决伺服驱动器中将电容串联起来使用时，但电容上的电压会出现偏差，存在电容因过压而损坏的问题，达到通过根据串联电容中各个电容两端电压，进行均压调节，能够确保串联电容中各个电容两端的压差在可控范围内，避免电容因过压而损坏，提升安全性的效果。
5.本发明提供一种电容电压控制装置中，所述电容电压控制装置，能够应用于电机控制设备；所述电机控制设备，包括：整流单元、母线电容单元、逆变单元、检测单元和控制单元；所述母线电容单元，包括：电容模块和电阻模块；所述电容模块的数量为两个以上，所述电阻模块的数量与所述电容模块的数量相同；两个以上所述电容模块串联设置，每个所述电容模块与其相对应的一个所述电阻模块并联；所述电容电压控制装置，包括：电压调节单元；其中，所述检测单元，被配置为检测所述整流单元输出的直流母线电压，并检测两个以上所述电容模块中相邻两个所述电容模块之间的串联节点的节点电压；所述控制单元，被配置为根据所述整流单元输出的直流母线电压、以及相邻两个所述电容模块之间的串联节点的节点电压，确定每个所述电容模块两端的电压，并确定不同所述电容模块之间的电压差绝对值；以及，根据所述整流单元输出的直流母线电压、每个所述电容模块两端的电压、以及不同所述电容模块之间的电压差绝对值中的至少之一，控制所述电压调节单元和所述逆变单元中的至少之一，以对所述母线电容单元的电压进行控制；所述电压调节单元，被配置为在所述控制单元的控制下，调节所述母线电容单元的电压。
6.在一些实施方式中，两个以上所述电容模块，包括：第一电容模块和第二电容模块；所述检测单元，包括：第一采样电阻模块、第二采样电阻模块和第三采样电阻模块；其中，所述第一采样电阻模块、所述第二采样电阻模块和所述第三采样电阻模块，设置在所述母线电容单元的输出端的母线正负端之间；所述第一采样电阻模块与所述第二采样电阻模
块的公共端，连接至所述第一电容模块和所述第二电容模块的公共端；所述第一采样电阻模块连接至所述母线电容单元的输出端的母线正端的一端，能够采样所述整流单元输出的直流母线电压；所述第一采样电阻模块和所述第二采样电阻模块的公共端，能够采样所述第一电容模块和所述第二电容模块之间的串联节点的节点电压；所述控制单元，根据所述整流单元输出的直流母线电压、以及相邻两个所述电容模块之间的串联节点的节点电压，确定每个所述电容模块两端的电压，并确定不同所述电容模块之间的电压差绝对值，包括：将所述整流单元输出的直流母线电压，与所述第一电容模块和所述第二电容模块之间的串联节点的节点电压之差，确定为所述第一电容模块两端的电压；并将所述第一电容模块和所述第二电容模块之间的串联节点的节点电压，确定为所述第二电容模块两端的电压。
7.在一些实施方式中，所述电压调节单元，包括：起动调节模块和制动调节模块中的至少之一；其中，在所述电压调节单元包括所述起动调节模块的情况下，所述起动调节模块，设置在所述整流单元与所述母线电容单元之间，被配置为调节所述整流单元对所述整流单元后级的供电情况，并在所述整流单元向其后级供电的情况下调节所述整流单元对所述母线电容单元的充电情况；在所述电压调节单元包括所述制动调节模块的情况下，所述制动调节模块，设置在所述母线电容单元与所述逆变单元之间，被配置为对所述逆变单元反馈的再生能量、电网反馈的波动能量进行放电处理；所述检测单元，设置在两个以上所述电阻模块与所述制动调节模块之间。
8.在一些实施方式中，所述起动调节模块，包括：第一开关、第二开关和限流电阻模块；其中，所述限流电阻模块，设置在所述整流单元的输出端与所述母线电容单元的正极之间；所述第一开关的触点端与所述限流电阻模块并联，所述第二开关的触点端，设置在所述整流桥的输出端与所述限流电阻模块之间；所述第一开关的控制端与所述第二开关的控制端，均连接至所述控制单元；所述制动调节模块，包括：第一开关管、第二开关管、第一功率电阻模块和第二功率电阻模块；其中，所述第二开关管和所述第一开关管，串联设置在所述逆变单元的反馈输出端的母线正负端之间；所述第一功率电阻模块，设置在所述第一开关管与所述母线负端之间；所述第二功率电阻模块，设置在所述第一开关管与所述第二开关管的公共端，与两个以上所述电容模块中的第一电容模块与第二电容模块的公共端之间；所述第一开关管的控制端和所述第二开关管的控制端，均连接至所述控制单元。
9.在一些实施方式中，所述控制单元，根据所述整流单元输出的直流母线电压、每个所述电容模块两端的电压、以及不同所述电容模块之间的电压差绝对值中的至少之一，控制所述电压调节单元和所述逆变单元中的至少之一，以对所述母线电容单元的电压进行控制，包括：若所述整流单元输出的直流母线电压大于设定的最大母线电压，则确定直流母线需要过压报警；若所述整流单元输出的直流母线电压小于或等于设定的最小母线电压，则确定直流母线需要欠压报警；在若所述整流单元输出的直流母线电压小于或等于设定的最大母线电压、且大于设定的最小母线电压的情况下，若所述第一电容模块两端的电压大于设定的最大电容电压，或所述第二电容模块两端的电压大于设定的最大电容电压，则确定所述母线电容单元需要电容过压报警；其中，在所述直流母线需要过压报警、所述直流母线需要欠压报警、所述母线电容单元需要电容过压报警中的任一种情况下，控制所述逆变单元的驱动信号关断，并控制所述第二开关断开。
10.在一些实施方式中，所述控制单元，在若所述整流单元输出的直流母线电压小于
或等于设定的最大母线电压、且大于设定的最小母线电压，所述第一电容模块两端的电压小于或等于设定的最大电容电压、且所述第二电容模块两端的电压小于或等于设定的最大电容电压的情况下，根据所述整流单元输出的直流母线电压、每个所述电容模块两端的电压、以及不同所述电容模块之间的电压差绝对值中的至少之一，控制所述电压调节单元和所述逆变单元中的至少之一，以对所述母线电容单元的电压进行控制，包括：若所述整流单元输出的直流母线电压小于或等于设定的最大母线电压、且大于第一设定母线电压，则在所述第一电容模块与所述第二电容模块之间的电压差绝对值大于设定的最大压差值的情况下，控制所述逆变单元的驱动信号关断，之后再控制所述母线电容单元进行电容均压调节和再生放电；在所述第一电容模块与所述第二电容模块之间的电压差绝对值小于或等于设定的最大压差值、且大于设定的最小压差值的情况下，控制所述母线电容单元进行电容均压调节和所述母线电容单元进行再生放电；在所述第一电容模块与所述第二电容模块之间的电压差绝对值小于或等于设定的最小压差值的情况下，控制所述母线电容单元进行再生放电；若所述整流单元输出的直流母线电压小于或等于第一设定母线电压，则在所述第一电容模块与所述第二电容模块之间的电压差绝对值大于设定的最大压差值的情况下，控制所述逆变单元的驱动信号关断，之后再控制所述母线电容单元进行均压调节；在所述第一电容模块与所述第二电容模块之间的电压差绝对值小于或等于设定的最大压差值、且大于设定的最小压差值的情况下，控制所述母线电容单元进行电容均压调节；在所述第一电容模块与所述第二电容模块之间的电压差绝对值小于或等于设定的最小压差值的情况下，控制所述母线电容单元正常工作；其中，在控制所述母线电容单元进行均压调节和再生放电的情况下，若所述第一电容模块与所述第二电容模块之间的电压差绝对值小于或等于设定的最小压差值，则控制所述第一开关管和所述第二开关管以相同占空比的工作；若所述第二电容模块两端的电压大于所述第一电容模块两端的电压的情况下，则在一个控制周期内，控制所述第一开关管，并控制所述第二开关管导通；若所述第一电容模块两端的电压大于所述第二电容模块两端的电压的情况下，则在一个控制周期内，控制所述第二开关管，并控制所述第一开关管导通；在控制所述母线电容单元进行均压调节的情况下，若所述第二电容模块两端的电压大于所述第一电容模块两端的电压的情况下，则控制所述第一开关管导通；若所述第一电容模块两端的电压大于所述第二电容模块两端的电压的情况下，则控制所述第二开关管导通；在控制所述母线电容单元进行再生放电的情况下，控制所述第一开关管和所述第二开关管周期性地导通和关断。
11.与上述装置相匹配，本发明再一方面提供一种电机控制设备，包括：以上所述的电容电压控制装置。所述电机控制设备，为伺服驱动器或变频器。
12.与上述伺服驱动器相匹配，本发明再一方面提供一种电容电压控制方法中，所述电容电压控制方法，能够应用于电机控制设备；所述电机控制设备，包括：整流单元、母线电容单元、逆变单元、检测单元和控制单元；所述母线电容单元，包括：电容模块和电阻模块；所述电容模块的数量为两个以上，所述电阻模块的数量与所述电容模块的数量相同；两个以上所述电容模块串联设置，每个所述电容模块与其相对应的一个所述电阻模块并联；所述电容电压控制方法，包括：通过检测单元，检测所述整流单元输出的直流母线电压，并检测两个以上所述电容模块中相邻两个所述电容模块之间的串联节点的节点电压；通过控制单元，根据所述整流单元输出的直流母线电压、以及相邻两个所述电容模块之间的串联节
点的节点电压，确定每个所述电容模块两端的电压，并确定不同所述电容模块之间的电压差绝对值；以及，根据所述整流单元输出的直流母线电压、每个所述电容模块两端的电压、以及不同所述电容模块之间的电压差绝对值中的至少之一，控制电压调节单元和所述逆变单元中的至少之一，以对所述母线电容单元的电压进行控制；通过所述电压调节单元，在所述控制单元的控制下，调节所述母线电容单元的电压。
13.在一些实施方式中，两个以上所述电容模块，包括：第一电容模块和第二电容模块；通过控制单元，根据所述整流单元输出的直流母线电压、以及相邻两个所述电容模块之间的串联节点的节点电压，确定每个所述电容模块两端的电压，并确定不同所述电容模块之间的电压差绝对值，包括：将所述整流单元输出的直流母线电压，与所述第一电容模块和所述第二电容模块之间的串联节点的节点电压之差，确定为所述第一电容模块两端的电压；并将所述第一电容模块和所述第二电容模块之间的串联节点的节点电压，确定为所述第二电容模块两端的电压。
14.在一些实施方式中，通过控制单元，根据所述整流单元输出的直流母线电压、每个所述电容模块两端的电压、以及不同所述电容模块之间的电压差绝对值中的至少之一，控制所述电压调节单元和所述逆变单元中的至少之一，以对所述母线电容单元的电压进行控制，包括：若所述整流单元输出的直流母线电压大于设定的最大母线电压，则确定直流母线需要过压报警；若所述整流单元输出的直流母线电压小于或等于设定的最小母线电压，则确定直流母线需要欠压报警；在若所述整流单元输出的直流母线电压小于或等于设定的最大母线电压、且大于设定的最小母线电压的情况下，若所述第一电容模块两端的电压大于设定的最大电容电压，或所述第二电容模块两端的电压大于设定的最大电容电压，则确定所述母线电容单元需要电容过压报警；其中，在所述直流母线需要过压报警、所述直流母线需要欠压报警、所述母线电容单元需要电容过压报警中的任一种情况下，控制所述逆变单元的驱动信号关断，并控制所述电压调节单元中的第二开关断开。
15.在一些实施方式中，通过控制单元，在若所述整流单元输出的直流母线电压小于或等于设定的最大母线电压、且大于设定的最小母线电压，所述第一电容模块两端的电压小于或等于设定的最大电容电压、且所述第二电容模块两端的电压小于或等于设定的最大电容电压的情况下，根据所述整流单元输出的直流母线电压、每个所述电容模块两端的电压、以及不同所述电容模块之间的电压差绝对值中的至少之一，控制所述电压调节单元和所述逆变单元中的至少之一，以对所述母线电容单元的电压进行控制，包括：若所述整流单元输出的直流母线电压小于或等于设定的最大母线电压、且大于第一设定母线电压，则在所述第一电容模块与所述第二电容模块之间的电压差绝对值大于设定的最大压差值的情况下，控制所述逆变单元的驱动信号关断，之后再控制所述母线电容单元进行电容均压调节和再生放电；在所述第一电容模块与所述第二电容模块之间的电压差绝对值小于或等于设定的最大压差值、且大于设定的最小压差值的情况下，控制所述母线电容单元进行电容均压调节和所述母线电容单元进行再生放电；在所述第一电容模块与所述第二电容模块之间的电压差绝对值小于或等于设定的最小压差值的情况下，控制所述母线电容单元进行再生放电；若所述整流单元输出的直流母线电压小于或等于第一设定母线电压，则在所述第一电容模块与所述第二电容模块之间的电压差绝对值大于设定的最大压差值的情况下，控制所述逆变单元的驱动信号关断，之后再控制所述母线电容单元进行均压调节；在所述第
一电容模块与所述第二电容模块之间的电压差绝对值小于或等于设定的最大压差值、且大于设定的最小压差值的情况下，控制所述母线电容单元进行电容均压调节；在所述第一电容模块与所述第二电容模块之间的电压差绝对值小于或等于设定的最小压差值的情况下，控制所述母线电容单元正常工作；其中，在控制所述母线电容单元进行均压调节和再生放电的情况下，若所述第一电容模块与所述第二电容模块之间的电压差绝对值小于或等于设定的最小压差值，则控制所述电压调节单元中的第一开关管和所述电压调节单元中的第二开关管以相同占空比的工作；若所述第二电容模块两端的电压大于所述第一电容模块两端的电压的情况下，则在一个控制周期内，控制所述电压调节单元中的第一开关管导通，并控制所述电压调节单元中的第二开关管导通；若所述第一电容模块两端的电压大于所述第二电容模块两端的电压的情况下，则在一个控制周期内，控制所述电压调节单元中的第二开关管导通，并控制所述电压调节单元中的第一开关管导通；在控制所述母线电容单元进行均压调节的情况下，若所述第二电容模块两端的电压大于所述第一电容模块两端的电压的情况下，则控制所述电压调节单元中的第一开关管导通；若所述第一电容模块两端的电压大于所述第二电容模块两端的电压的情况下，则控制所述电压调节单元中的第二开关管导通；在控制所述母线电容单元进行再生放电的情况下，控制所述电压调节单元中的第一开关管和所述电压调节单元中的第二开关管均关断周期性地导通和关断。
16.由此，本发明的方案，通过设置电压调节电路，在电机控制设备如伺服驱动器或变频器中的主电容采样串联方式设置的情况下，检测每个电容两端的电压，根据每个电容两端的电压对串联电容进行均压调节，实现串联电容的均压调节；从而，通过根据串联电容中各个电容两端电压，进行均压调节，能够确保串联电容中各个电容两端的压差在可控范围内，避免电容因过压而损坏，提升安全性。
17.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
18.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
19.图1为本发明的电容电压控制装置的一实施例的结构示意图；
20.图2为交流伺服控制系统的结构示意图；
21.图3为均压电阻的等效电阻的结构示意图；
22.图4为电解电容的等效模型的结构示意图；
23.图5为具有伺服驱动器的串联电容的电压控制电路的伺服驱动器的一实施例的结构示意图；
24.图6为增加有电压调节电路的伺服驱动器的一实施例的结构示意图；
25.图7为伺服驱动器不同电压范围的工作状态(单位：v)表；
26.图8为电压调节电路的一实施例的控制流程示意图；
27.图9为电压调节电路的一实施例的控制结构示意图；
28.图10为均压调节与再生放电同时工作时的控制波形示意图；
29.图11为只有均压调节时的控制波形示意图；
30.图12为本发明的电容电压控制方法的一实施例的流程示意图。
具体实施方式
31.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅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。
32.根据本发明的实施例，提供了一种电容电压控制装置。参见图1所示本发明的装置的一实施例的结构示意图。所述电容电压控制装置，能够应用于电机控制设备。所述电机控制设备，包括：整流单元、母线电容单元、逆变单元、检测单元和控制单元。整流单元、母线电容单元、逆变单元组成的是功率变换单元。所述整流单元、所述母线电容单元和所述逆变单元，依次设置在交流电源输入端与伺服电机之间。所述母线电容单元，包括：电容模块和电阻模块。所述电容模块的数量为两个以上，所述电阻模块的数量与所述电容模块的数量相同。两个以上所述电容模块串联设置，每个所述电容模块与其相对应的一个所述电阻模块并联。整流单元，如整流桥。母线电容单元，如电容c1和电容c2。逆变单元，如三相逆变模块。
33.所述电容电压控制装置，包括：电压调节单元。
34.其中，所述检测单元，被配置为检测所述整流单元输出的直流母线电压(如直流母线电压u
d
)，并检测两个以上所述电容模块中相邻两个所述电容模块之间的串联节点的节点电压(如串联电容的中点电压u
n
)。
35.所述控制单元，被配置为根据所述整流单元输出的直流母线电压、以及相邻两个所述电容模块之间的串联节点的节点电压，确定每个所述电容模块两端的电压(如电解电容c1两端的电压u
c1
、电解电容c2两端的电压u
c2
等)，并确定不同所述电容模块之间的电压差绝对值(如两电容的电压差u
δ
＝|u
c1
‑
u
c2
|)。以及，
36.所述控制单元，还被配置为根据所述整流单元输出的直流母线电压、每个所述电容模块两端的电压、以及不同所述电容模块之间的电压差绝对值中的至少之一，控制所述电压调节单元和所述逆变单元中的至少之一，以对所述母线电容单元的电压进行控制。
37.所述电压调节单元，被配置为在所述控制单元的控制下，调节所述母线电容单元的电压。
38.相应地，所述逆变单元，被配置为对所述整流单元输出的直流电进行逆变，得到交流电供给伺服电机。所述逆变单元，还被配置为在所述控制单元的控制下，调节所述母线电容单元的电压。
39.图2为交流伺服控制系统的结构示意图。如图2所示，交流伺服控制系统由伺服驱动器和伺服电机组成。交流电源输入至伺服驱动器，伺服驱动器驱动伺服电机。伺服驱动器，包括：功率模块和控制模块。
40.在图2所示的例子中，伺服驱动器的功率模块，由整流桥，限流起动电路，主电容电路，伺服驱动器的串联电容的电压控制电路，再生制动电路，以及三相逆变模块(或三相逆变电路)组成。控制模块检测功率模块的各类信号(如限流起动电路的限流起动信号、伺服驱动器的串联电容的电压控制电路的伺服驱动器的串联电容的电压控制信号、再生制动电路的再生制动信号、以及三相逆变模块的驱动信号等)，并进行运算处理，控制功率模块的工作，实现能量转换，驱动电机运行。其中，与本发明的方案描述的功能不相关的信号图2并未标出。
41.在图2所示的例子中，整流桥将交流电转换成直流电，当交流电源的输入电压是380v时，直流母线电压是1.414倍的交流输入电压，即约为540v。由于行业内高压铝电解电容的耐压一般是400v或450v，所以需要将电容串联使用以增加耐压。电解电容的选型，原则上电容串联后的总耐压值至少取直流母线电压的1.3倍，交流380v输入时，即700v。故伺服驱动器可选400v耐压的电解电容，串联后耐压是800v。
42.如图2所示，主电容电路由电解电容c1和电解电容c2串联，再与均压电阻r1、均压电阻r2并联组成，这里的电解电容c1可以代表多个电解电容并联后的总电容，电解电容c2可以代表多个电解电容并联后的总电容。均压电阻r1、均压电阻r2的作用，是保证串联的各个电容(如电解电容c1或电解电容c2)两端的电压理论上相等。若没有它，每个电容(如电解电容c1或电解电容c2)两端电压，可能会受到串联的各个电容在绝缘电阻与容量上差别的影响而不同，使得各个电容两端电压差异较大，这样可能导致其中一些电容上的电压升高而击穿。必须选择具有相同阻值的均压电阻，且阻值要比电容器的等效绝缘阻抗小得多。在这里均压电阻r1代表多个功率电阻串并联后的总电阻，均压电阻r2代表多个功率电阻串并联后的总电阻。
43.限流起动电路，是在伺服驱动器初始上电时段，由于电容不带电，存在较大的压差。限流起动电路给主电容充电时，会产生较大的充电电流，如果长时间超过电容的纹波电流限值，会加速电容的老化，严重时会直接损坏电容。所以需要通过电阻r3限流。当充电完成后，开关k1闭合，将电阻r3短路，伺服驱动器进入正常工作状态。
44.由开关管q1、二极管d1、功率电阻r6组成的是再生制动电路。当伺服电机突然减速，或者从外部施加运行扭矩时，因再生作用导致的反电动势，通过三相逆变模块的续流二极管反馈到直流母线，当超过主电容的滤波能力时，直流母线电压会上升，这时的伺服电机相当于发电机的作用。由电阻r4、电阻r5组成伺服驱动器的串联电容的电压控制电路检测到直流母线电压超过预设的阀值时，控制模块控制开关管q1动作，通过功率电阻r6进行放电处理，以免直流母线电压超过主电容的耐压。但当放电的速度比不过充电速度时，直流母线电压还是会持续上升，出现过压故障，此时分压较大的电容更快超过自身的耐压能力而损坏。除了电机的再生能量反馈外，电网波动或受到浪涌雷击也会造成直流母线电压的抬升，超过预设阀值，同样需要进行放电处理。
45.主电容电路的电解电容或均压电阻出现异常时，会导致均压偏差过大，可能会导致电容过压击穿、均压电阻过流烧断，从而损坏伺服驱动器。而且在伺服驱动器的关键器件中，电解电容是最快老化的器件之一，故障率也是较高的。当电解电容老化时，也有可能出现均压异常。所以针对主电容电路均压异常进行保护设计，可以提高电机控制设备如伺服驱动器或变频器的可靠性。
46.图3为均压电阻的等效电阻的结构示意图。均压电阻异常：假设均压电阻r1、均压电阻r2分别由六个功率电阻串并联组成，如图3所示。当其中有功率电阻出现断路故障时，总阻值会增大，与之并联的电容两端电压增大。当其中有功率电阻出现短路故障时，总阻值会减小，与之并联的电容两端电压减小，另一个电容的两端电压升高。这就会出现上下两组电容分压不均的情况，分压过大的电容可能会出现过压损坏的故障。如果选用的均压电阻一致性较差，出现上下两组电阻的阻值偏差较大时，也会导致电容分压不均。
47.图4为电解电容的等效模型的结构示意图。电解电容异常：电解电容由于自身基本
结构的原因，含有等效串联电阻esr，等效串联电感esl，如图4所示。等效串联电阻表征电容全部欧姆损耗的量值，来自于电极箔、电解液、引线的电阻及它们之间的连接电阻。电解电容由于制作工艺的一致性，相同型号的等效串联电阻也会有差异，这是主电容分压不均的原因之一。如果主电容电路有电容出现异常，上下两组电容的分压偏差会更大，可能会出现过压损坏的故障。
48.本发明的方案，提供了一种应用于伺服驱动器的电压调节电路及其控制方法，在主电容采用串联方式的情况下，实现电容的均压调节。通过伺服驱动器里设计一个电压调节电路，通过伺服驱动器的串联电容的电压控制控制电路工作，实现串联电容的均压调节和电压异常保护，增强了伺服驱动器的可靠性。
49.相关方案中，利用三极管的开关特性来实现串联电容的均压，适用于电压波动较小的场合，器件选定后，参数不可调，而且都没有提到电压异常的保护措施。本发明的方案，提供了一种串联电容的均压调节方案，具体是涉及伺服驱动器、变频器等电机控制领域的一种串联电容的电压调节电路，通过伺服驱动器的串联电容的电压控制控制电压调节电路，实现电容均压调节和过压保护。这样，在在电容(如电解电容)串联使用时，全面地检测各个电容的电压，通过检测电容两端电压，进行均压调节，确保电容压差在可控范围内，避免串联使用的电容因过压而损坏。
50.在一些实施方式中，两个以上所述电容模块，包括：第一电容模块和第二电容模块。第一电容模块，如电解电容c1。第二电容模块如电解电容c2。所述检测单元，包括：第一采样电阻模块、第二采样电阻模块和第三采样电阻模块。第一采样电阻模块如电阻r4，第二采样电阻模块如电阻r5，第三采样电阻模块如电阻r7。
51.其中，所述第一采样电阻模块、所述第二采样电阻模块和所述第三采样电阻模块，设置在所述母线电容单元的输出端的母线正负端之间。所述第一采样电阻模块与所述第二采样电阻模块的公共端，连接至所述第一电容模块和所述第二电容模块的公共端。
52.所述第一采样电阻模块连接至所述母线电容单元的输出端的母线正端的一端，能够采样所述整流单元输出的直流母线电压。
53.所述第一采样电阻模块和所述第二采样电阻模块的公共端，能够采样所述第一电容模块和所述第二电容模块之间的串联节点的节点电压。
54.所述控制单元，根据所述整流单元输出的直流母线电压、以及相邻两个所述电容模块之间的串联节点的节点电压，确定每个所述电容模块两端的电压，并确定不同所述电容模块之间的电压差绝对值，包括：
55.所述控制单元，具体还被配置为将所述整流单元输出的直流母线电压，与所述第一电容模块和所述第二电容模块之间的串联节点的节点电压之差，确定为所述第一电容模块两端的电压；并将所述第一电容模块和所述第二电容模块之间的串联节点的节点电压，确定为所述第二电容模块两端的电压。
56.图5为具有伺服驱动器的串联电容的电压控制电路的伺服驱动器的一实施例的结构示意图。在伺服驱动器的串联电容的电压控制方式上，相关方案中，只检测u
d
。图5所示的例子，同时检测u
d
、u
n
。
57.如图5所示，伺服驱动器的串联电容的电压控制电路再增加一个电阻r7，并且电阻r5的一端连接到主电容中电解电容c1、电解电容c2串联的中点上，这样就可以同时检测到
直流母线电压u
d
，串联电容的中点电压u
n
。从而算出电解电容c1两端的电压u
c1
、电解电容c2两端的电压u
c2
：u
c1
＝u
d
‑
u
n
，u
c2
＝u
n
。实时监测主电容各点的电压情况，如果出现异常，则启动保护措施。电阻r5、电阻r7之间的公共端，连接至控制模块的作用是检测这一点的电压，从而计算出直流母线电压u
d
、串联电容的中点电压u
n
。
58.在一些实施方式中，所述电压调节单元，包括：起动调节模块和制动调节模块中的至少之一。起动调节模块，如限流起动电路。制动调节模块，如再生制动电路。
59.其中，在所述电压调节单元包括所述起动调节模块的情况下，所述起动调节模块，设置在所述整流单元与所述母线电容单元之间，被配置为调节所述整流单元对所述整流单元后级的供电情况，并在所述整流单元向其后级供电的情况下调节所述整流单元对所述母线电容单元的充电情况。
60.在所述电压调节单元包括所述制动调节模块的情况下，所述制动调节模块，设置在所述母线电容单元与所述逆变单元之间，被配置为对所述逆变单元反馈的再生能量、电网反馈的波动能量进行放电处理。所述检测单元，设置在两个以上所述电阻模块与所述制动调节模块之间。
61.本发明的方案，提供的一种应用于伺服驱动器的电压调节电路及其控制方法，当伺服驱动器处于再生能量反馈状态或电网波动导致直流母线电压升高时，控制电压调节电路实现再生放电，确保电容始终工作在电压安全的区域。
62.在工业用电场合，电源质量会受到设备的影响，电网波动较大。交流伺服控制系统中，在伺服电机减速或受到外力时，会产生再生能量，一些方案中的伺服驱动器一般采用再生制动电路来消耗再生能量，从而限制直流母线电压的抬升，避免因直流母线过压而发生故障。本发明的方案提供的串联电容的电压调节电路，用于伺服驱动器时，可实现均压调节的同时，还能及时消耗掉系统反馈的再生能量，或因为电网波动而导致的过压能量，实时监测伺服驱动器主回路各节点的电压信息，控制电压调节电路，实现电压异常的保护，避免交流伺服控制系统故障导致设备停机。这样，能够及时地泄放掉电机再生能量反馈或电网波动产生的过压能量，避免了功率回路上的器件因过压而损坏。
63.在一些实施方式中，所述起动调节模块，包括：第一开关、第二开关和限流电阻模块。第一开关如开关k1，第二开关如开关k2，限流电阻模块如限流电阻r3。
64.其中，所述限流电阻模块，设置在所述整流单元的输出端与所述母线电容单元的正极之间。所述第一开关的触点端与所述限流电阻模块并联，所述第二开关的触点端，设置在所述整流桥的输出端与所述限流电阻模块之间。所述第一开关的控制端与所述第二开关的控制端，均连接至所述控制单元。
65.图6为增加有电压调节电路的伺服驱动器的一实施例的结构示意图。在图6所示的例子中，在限流起动开关k1前再串接一个开关k2，用于控制整流桥对后续电路的供电，即控制电源通断。
66.所述制动调节模块，包括：第一开关管、第二开关管、第一功率电阻模块和第二功率电阻模块。第一开关管如开关管q1，第二开关管如开关管q2，第一功率电阻模块如功率电阻r6，第二功率电阻模块如功率电阻r8。其中，
67.所述第二开关管和所述第一开关管，串联设置在所述逆变单元的反馈输出端的母线正负端之间。所述第一功率电阻模块，设置在所述第一开关管与所述母线负端之间。所述
第二功率电阻模块，设置在所述第一开关管与所述第二开关管的公共端，与两个以上所述电容模块中的第一电容模块与第二电容模块的公共端之间。
68.所述第一开关管的控制端和所述第二开关管的控制端，均连接至所述控制单元。
69.在图6所示的例子中，电压调节电路是将图5中的二极管d1换成开关管q2，串联电容的中点与开关管q1、开关管q2串联的中点跨接一个功率电阻r8，功率电阻r6改为串接在开关管q1与直流母线的负极之间，可实现再生放电和均压调节。
70.在本发明的方案中，只增加了几个元器件，两个控制信号，电路设计简单，成本低。
71.在一些实施方式中，所述控制单元，根据所述整流单元输出的直流母线电压、每个所述电容模块两端的电压、以及不同所述电容模块之间的电压差绝对值中的至少之一，控制所述电压调节单元和所述逆变单元中的至少之一，以对所述母线电容单元的电压进行控制，包括以下任一种控制情形：
72.第一种控制情形：所述控制单元，具体还被配置为若所述整流单元输出的直流母线电压大于设定的最大母线电压，则确定直流母线需要过压报警。若所述整流单元输出的直流母线电压小于或等于设定的最小母线电压，则确定直流母线需要欠压报警。设定的最大母线电压，如740v。设定的最小母线电压，如420v。
73.第二种控制情形：所述控制单元，具体还被配置为在若所述整流单元输出的直流母线电压小于或等于设定的最大母线电压、且大于设定的最小母线电压的情况下，若所述第一电容模块两端的电压大于设定的最大电容电压，或所述第二电容模块两端的电压大于设定的最大电容电压，则确定所述母线电容单元需要电容过压报警。
74.其中，所述控制单元，具体还被配置为在所述直流母线需要过压报警、所述直流母线需要欠压报警、所述母线电容单元需要电容过压报警中的任一种情况下，控制所述逆变单元的驱动信号关断，并控制所述第二开关断开。
75.图8为电压调节电路的一实施例的控制流程示意图。如图8所示，电压调节电路的控制流程，包括：
76.步骤1、通过伺服驱动器的串联电容的电压控制电路进行伺服驱动器的串联电容的电压控制，得到直流母线电压u
d
，电解电容c1两端的电压u
c1
、电解电容c2两端的电压u
c2
，计算得到电解电容c1和电解电容c2的电压差u
δ
，判断各个电压的范围，控制电压调节电路的工作状态。
77.步骤2、当出现直流母线过压或欠压报警，或电容过压报警时，切断开关k2，停止整流桥给后续电路供电，关断驱动信号，并输出相应报警信号。
78.在本发明的方案中，通过在伺服驱动器里设计一个电压调节电路，既能实现再生放电功能，又能实现串联电容的均压调节，让伺服驱动器的主电容工作在更安全的电压范围，可以提升电解电容的寿命，提高电机控制设备如伺服驱动器或变频器的可靠性。这样，将伺服驱动器的再生放电功能与均压调节结合在一起，可以简化电路设计。
79.在一些实施方式中，所述控制单元，在若所述整流单元输出的直流母线电压小于或等于设定的最大母线电压、且大于设定的最小母线电压，所述第一电容模块两端的电压小于或等于设定的最大电容电压、且所述第二电容模块两端的电压小于或等于设定的最大电容电压的情况下，根据所述整流单元输出的直流母线电压、每个所述电容模块两端的电压、以及不同所述电容模块之间的电压差绝对值中的至少之一，控制所述电压调节单元和
所述逆变单元中的至少之一，以对所述母线电容单元的电压进行控制，包括以下任一种进一步控制情形：
80.第一种进一步控制情形：所述控制单元，具体还被配置为若所述整流单元输出的直流母线电压小于或等于设定的最大母线电压、且大于第一设定母线电压，则在所述第一电容模块与所述第二电容模块之间的电压差绝对值大于设定的最大压差值的情况下，确定所述母线电容单元需要电容均压报警，控制所述逆变单元的驱动信号关断，之后再控制所述母线电容单元进行电容均压调节和再生放电。在所述第一电容模块与所述第二电容模块之间的电压差绝对值小于或等于设定的最大压差值、且大于设定的最小压差值的情况下，确定所述母线电容单元需要电容均压调节，控制所述母线电容单元进行电容均压调节和所述母线电容单元进行再生放电。在所述第一电容模块与所述第二电容模块之间的电压差绝对值小于或等于设定的最小压差值的情况下，确定所述母线电容单元需要再生放电，控制所述母线电容单元进行再生放电。第一设定母线电压，大于设定的最小母线电压，且小于设定的最大母线电压。设定的最大压差值，如20v。设定的最小压差值，如10v。
81.第二种进一步控制情形：所述控制单元，具体还被配置为若所述整流单元输出的直流母线电压小于或等于第一设定母线电压，则在所述第一电容模块与所述第二电容模块之间的电压差绝对值大于设定的最大压差值的情况下，确定所述母线电容单元需要电容均压报警，控制所述逆变单元的驱动信号关断，之后再控制所述母线电容单元进行均压调节。在所述第一电容模块与所述第二电容模块之间的电压差绝对值小于或等于设定的最大压差值、且大于设定的最小压差值的情况下，确定所述母线电容单元需要电容均压调节，控制所述母线电容单元进行电容均压调节。在所述第一电容模块与所述第二电容模块之间的电压差绝对值小于或等于设定的最小压差值的情况下，确定所述母线电容单元正常工作，控制所述母线电容单元正常工作。
82.如图8所示，电压调节电路的控制流程，还包括：
83.步骤3、在没有出现过压或欠压报警，各个电压在安全范围时，有两种工作状态：
84.1)当680v＜u
d
≤740v时，说明直流母线电压已经超过了电容可吸收的能力，需要启动再生制动功能。考虑到开关管不能长时间工作在开通状态，所以一般采用pwm(脉宽调制信号)信号控制开关管的导通和关断，占空比指的是导通时间在开关周期的占比。此时判断u
δ
范围，若u
δ
＞20v，均压报警输出，关断驱动信号，进行均压调节，再生放电。若10v＜u
δ
≤20v，均压异常，进行均压调节，再生放电。若u
δ
≤10v，均压正常，驱动器正常执行再生放电。
85.2)当420v＜u
d
≤680v时，说明电网波动或者再生能量反馈在电容的可控范围内，不需要再生放电。此时判断u
δ
范围，若u
δ
＞20v，均压报警输出，关断驱动信号，进行均压调节。若10v＜u
δ
≤20v，均压异常，进行均压调节。若u
δ
≤10v，均压正常，驱动器正常工作。
86.图7为伺服驱动器不同电压范围的工作状态(单位：v)表。为了便于理解，假设伺服驱动器的交流输入电源为380v，则直流母线电压为540v。电解电容的耐压为400v，串联后总耐压为800v。当直流母线电压超过预设阀值680v时，再生制动电路工作，开始再生放电。直流母线电压大于740v，过压报警，小于或等于420v，欠压报警。电解电容留安全使用裕量，电解电容两端电压小于等于380v时为安全区，电解电容两端电压大于380v时电容过压报警。两电容的电压差u
δ
＝|u
c1
‑
u
c2
|。当两电容的电压差u
δ
＞20v时，均压过大，显示均压报警。当
10v＜两电容的电压差u
δ
≤20v时，均压异常，通过电路调节两电容电压。当两电容的电压差u
δ
≤10v时，均压在正常范围。其中，实际参数，可以根据产品应用情况调整。
87.例如：所有数值都是基于交流输入电压380v，电容有耐压400v，串联后耐压800v的基础上设定的。但当交流输入电压是480v，电容耐压是450v时，就不能以420v、680v、740v来划分电压范围了，可以调整为540v、800v、850v来划分。而电容压差10v、20v是根据电容特性定的，如果电容质量好，压差大一点没关系，那可以定15v、25v。
88.图9为电压调节电路的一实施例的控制结构示意图。图9所示的方案，增加了电压计算功能和电压调节电路控制模块，监测各点电压，实现电压调节。
89.在图9所示的例子中，在伺服驱动器初始上电时段，开关k2闭合，k1断开，主电容开始充电，电阻r3起到限流的作用，由于电路的特性和器件的差异，各电容间会有充电快慢不一致的情况，此时段可能会出现电容压差超过10v的情况，属于正常现象，此时电压调节电路不需要工作。当直流母线电压u
d
充到一定值时(假设为460v)，开关k1闭合，将电阻r3短路，认为充电完成，则进入电压调节控制流程，若电压正常，进入正常工作状态。若电压异常，则进行调节，经过均压调节后，如果电容能保持u
δ
≤10v状态稳定运行，则可以清除均压报警，伺服驱动器回到正常工作状态。如果长时间不能恢复，提醒用户对伺服驱动器进行均压检修(均压报警维持多长时间，则进入均压检修提醒，用户根据电容选型确定)。
90.其中，所述控制单元，具体还被配置为在控制所述母线电容单元进行均压调节和再生放电的情况下，若所述第一电容模块与所述第二电容模块之间的电压差绝对值小于或等于设定的最小压差值，则控制所述第一开关管和所述第二开关管以相同占空比的工作，即控制所述第一开关管和所述第二开关管同时导通、同时关断。若所述第二电容模块两端的电压大于所述第一电容模块两端的电压的情况下，则在一个控制周期内，控制所述第一开关管，并控制所述第二开关管导通。若所述第一电容模块两端的电压大于所述第二电容模块两端的电压的情况下，则在一个控制周期内，控制所述第二开关管，并控制所述第一开关管导通。
91.图10为均压调节与再生放电同时工作时的控制波形示意图。当伺服驱动器处于上述的第一种工作状态时，电压调节电路的控制波形如图10所示。相关方案中只能进行过压、欠压保护，再生放电。而本发明的方案中，若u
δ
≤10v，则开关管q1、q2以相同占空比的pwm信号控制，过压能量消耗在阻抗最小的回路电阻r6上。在若u
δ
＞10v的情况下，若u
c2
＞u
c1
，在一个控制周期内，则开关管q1先导通，通过r8、r6放电，然后q2再导通，通过r6消耗过压能量。若u
c1
＞u
c2
，在一个控制周期内，则开关管q2先导通，通过电阻r8给电容c2充电，让c2两端电压上升，然后q1再导通，通过r6消耗过压能量。从而实现再生放电和均压调节的效果。其中，开关管高电平导通，低电平关断。
92.所述控制单元，具体还被配置为在控制所述母线电容单元进行均压调节的情况下，若所述第二电容模块两端的电压大于所述第一电容模块两端的电压的情况下，则控制所述第一开关管导通。若所述第一电容模块两端的电压大于所述第二电容模块两端的电压的情况下，则控制所述第二开关管导通。
93.在控制所述母线电容单元进行再生放电的情况下，控制所述第一开关管和所述第二开关管周期性地导通和关断。因为再生放电是通过电阻消耗能量，所以需要导通一段时间，再关断一段时间，让电阻不至于过热而损坏。
94.图11为只有均压调节时的控制波形示意图。当伺服驱动器处于上述的第二种工作状态时，电压调节电路的控制波形如图11所示。若u
δ
≤10v，则开关管q1、开关管q2均关断。若u
c2
＞u
c1
，则开关管q1导通，通过r8、r6放电，电容c1两端电压下降。若u
c1
＞u
c2
，则开关管q2导通，通过功率电阻r8给电容c2充电，让电容c2两端电压上升，从而达到均压调节的效果。
95.其中，图8中u
δ
≤10v就是单独再生放电；当u
δ
大于10v的时候，才去判断u
c1
、u
c2
的关系，进行均压调节。
96.图10中，三种情况的工作波形中：高电平代表开关管导通，低电平代表开关管关断。最上面的是只有再生放电的情况，因为电压差值小于等于10v，不需均压调节；中间的是u
δ
＞10v，u
c2
＞u
c1
的情况，既要均压调节，又要再生放电；下面的是u
δ
＞10v，u
c1
＞u
c2
的情况，既要均压调节，又要再生放电。
97.图11中，三种情况的工作波形中：最上面的是pwm1、pwm2都是低电平，开关管关断，不需要均压调节；中间的是u
δ
＞10v，u
c2
＞u
c1
的情况，只要均压调节；下面的是u
δ
＞10v，u
c1
＞u
c2
的情况，只要均压调节。
98.在上述实施方式中，是针对两组电容串联的情况，当交流伺服控制系统采用三组电容串联或更多的电容串联时，可以采用相同的原理搭建电压调节电路，实现均压调节和再生放电。
99.在上述实施方式中，是基于交流输入380v的伺服驱动器讲述方案，对于其他电压等级的产品，如220v输入、480v输入等，如果主电容采用的是电容串联方式，本发明的方案也适用。
100.本发明的方案，可以推广到空调变频器、光伏逆变器、电机控制器等具有电容串联结构的产品上。
101.在本发明的方案中，可以根据电机控制设备如伺服驱动器或变频器的应用场合调节参数，增加适用范围，增强适用性，提升了电机控制设备如伺服驱动器或变频器的市场竞争力。如可以根据电机控制设备如伺服驱动器或变频器的交流电源输入电压和电容的最高耐压值设定参数，控制灵活，适用范围广。
102.一些方案中，通过在并联均压电阻的基础上，再并联npn、pnp三极管，在均压出现波动时，利用各点电位差，让三极管导通和关断，实现多电容串联的动态均压功能，纯硬件控制，属于硬件均压。而本发明的方案，应用于伺服驱动器，且实现方法不一样，通过伺服驱动器的串联电容的电压控制，软件运算控制，实现电容均压调节的同时，还能进行过压保护，再生放电。
103.一些方案中，选用一个击穿电压大于电容正常工作电压并小于异常工作电压的稳压二极管，来控制电容并联三极管的导通和关断，调节并联阻抗，实现均压调节，这种方案的缺点是稳压二极管击穿电压选定后，只适用于较窄的电源输入范围。本发明的方案，应用的交流伺服控制系统，在伺服电机频繁加减速时，伺服驱动器的直流母线电压波动会很大，并不适用于前述均压方案，且前述均压方案没有提供过压保护功能。
104.一些方案中，是通过调节变压器的工作实现均压。在电容上并联均压绕组，检测电容端电压，控制芯片控制开关管工作，实现变压器原边和副边能量传输，电容自动均压。此方案电路复杂，需要一个体积较大的变压器，只适用于负载电压较稳定情况下进行均压调节。在直流母线电压过高时，副边能量反向充电，会导致开关管的集电极出现电压尖峰，从
而烧毁，所以不适用于本发明的方案中的伺服驱动器应用场合，而且此方案也没有提供过压保护功能。
105.采用本发明的技术方案，通过设置电压调节电路，在电机控制设备如伺服驱动器或变频器中的主电容采样串联方式设置的情况下，检测每个电容两端的电压，根据每个电容两端的电压对串联电容进行均压调节，实现串联电容的均压调节。从而，通过根据串联电容中各个电容两端电压，进行均压调节，能够确保串联电容中各个电容两端的压差在可控范围内，避免电容因过压而损坏，提升安全性。
106.根据本发明的实施例，还提供了对应于电容电压控制装置的一种电机控制设备。该电机控制设备可以包括：以上所述的电容电压控制装置。该电机控制设备，为伺服驱动器或变频器。
107.由于本实施例的电机控制设备所实现的处理及功能基本相应于前述装置的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。
108.采用本发明的技术方案，通过设置电压调节电路，在电机控制设备如伺服驱动器或变频器中的主电容采样串联方式设置的情况下，检测每个电容两端的电压，根据每个电容两端的电压对串联电容进行均压调节，实现串联电容的均压调节，增强了伺服驱动器的可靠性。
109.根据本发明的实施例，还提供了对应于伺服驱动器的一种电容电压控制方法，如图12所示本发明的方法的一实施例的流程示意图。所述电容电压控制方法，能够应用于电机控制设备。所述电机控制设备，包括：整流单元、母线电容单元、逆变单元、检测单元和控制单元。所述整流单元、所述母线电容单元和所述逆变单元，依次设置在交流电源输入端与伺服电机之间。所述母线电容单元，包括：电容模块和电阻模块。所述电容模块的数量为两个以上，所述电阻模块的数量与所述电容模块的数量相同。两个以上所述电容模块串联设置，每个所述电容模块与其相对应的一个所述电阻模块并联。整流单元，如整流桥。母线电容单元，如电容c1和电容c2。逆变单元，如三相逆变模块。
110.所述电容电压控制方法，包括：步骤s110至步骤s140。
111.在步骤s110处，通过检测单元，检测所述整流单元输出的直流母线电压(如直流母线电压u
d
)，并检测两个以上所述电容模块中相邻两个所述电容模块之间的串联节点的节点电压(如串联电容的中点电压u
n
)。
112.在步骤s120处，通过控制单元，根据所述整流单元输出的直流母线电压、以及相邻两个所述电容模块之间的串联节点的节点电压，确定每个所述电容模块两端的电压(如电解电容c1两端的电压u
c1
、电解电容c2两端的电压u
c2
等)，并确定不同所述电容模块之间的电压差绝对值(如两电容的电压差u
δ
＝|u
c1
‑
u
c2
|)。以及，
113.在步骤s130处，通过控制单元，还根据所述整流单元输出的直流母线电压、每个所述电容模块两端的电压、以及不同所述电容模块之间的电压差绝对值中的至少之一，控制电压调节单元和所述逆变单元中的至少之一，以对所述母线电容单元的电压进行控制。
114.在步骤s140处，通过所述电压调节单元，在所述控制单元的控制下，调节所述母线电容单元的电压。
115.相应地，所述逆变单元，被配置为对所述整流单元输出的直流电进行逆变，得到交
流电供给伺服电机。所述逆变单元，还被配置为在所述控制单元的控制下，调节所述母线电容单元的电压。
116.图2为交流伺服控制系统的结构示意图。如图2所示，交流伺服控制系统由伺服驱动器和伺服电机组成。交流电源输入至伺服驱动器，伺服驱动器驱动伺服电机。伺服驱动器，包括：功率模块和控制模块。
117.在图2所示的例子中，伺服驱动器的功率模块，由整流桥，限流起动电路，主电容电路，伺服驱动器的串联电容的电压控制电路，再生制动电路，以及三相逆变模块(或三相逆变电路)组成。控制模块检测功率模块的各类信号(如限流起动电路的限流起动信号、伺服驱动器的串联电容的电压控制电路的伺服驱动器的串联电容的电压控制信号、再生制动电路的再生制动信号、以及三相逆变模块的驱动信号等)，并进行运算处理，控制功率模块的工作，实现能量转换，驱动电机运行。其中，与本发明的方案描述的功能不相关的信号图2并未标出。
118.在图2所示的例子中，整流桥将交流电转换成直流电，当交流电源的输入电压是380v时，直流母线电压是1.414倍的交流输入电压，即约为540v。由于行业内高压铝电解电容的耐压一般是400v或450v，所以需要将电容串联使用以增加耐压。电解电容的选型，原则上电容串联后的总耐压值至少取直流母线电压的1.3倍，交流380v输入时，即700v。故伺服驱动器可选400v耐压的电解电容，串联后耐压是800v。
119.如图2所示，主电容电路由电解电容c1和电解电容c2串联，再与均压电阻r1、均压电阻r2并联组成，这里的电解电容c1可以代表多个电解电容并联后的总电容，电解电容c2可以代表多个电解电容并联后的总电容。均压电阻r1、均压电阻r2的作用，是保证串联的各个电容(如电解电容c1或电解电容c2)两端的电压理论上相等。若没有它，每个电容(如电解电容c1或电解电容c2)两端电压，可能会受到串联的各个电容在绝缘电阻与容量上差别的影响而不同，使得各个电容两端电压差异较大，这样可能导致其中一些电容上的电压升高而击穿。必须选择具有相同阻值的均压电阻，且阻值要比电容器的等效绝缘阻抗小得多。在这里均压电阻r1代表多个功率电阻串并联后的总电阻，均压电阻r2代表多个功率电阻串并联后的总电阻。
120.限流起动电路，是在伺服驱动器初始上电时段，由于电容不带电，存在较大的压差。限流起动电路给主电容充电时，会产生较大的充电电流，如果长时间超过电容的纹波电流限值，会加速电容的老化，严重时会直接损坏电容。所以需要通过电阻r3限流。当充电完成后，开关k1闭合，将电阻r3短路，伺服驱动器进入正常工作状态。
121.由开关管q1、二极管d1、功率电阻r6组成的是再生制动电路。当伺服电机突然减速，或者从外部施加运行扭矩时，因再生作用导致的反电动势，通过三相逆变模块的续流二极管反馈到直流母线，当超过主电容的滤波能力时，直流母线电压会上升，这时的伺服电机相当于发电机的作用。由电阻r4、电阻r5组成伺服驱动器的串联电容的电压控制电路检测到直流母线电压超过预设的阀值时，控制模块控制开关管q1动作，通过功率电阻r6进行放电处理，以免直流母线电压超过主电容的耐压。但当放电的速度比不过充电速度时，直流母线电压还是会持续上升，出现过压故障，此时分压较大的电容更快超过自身的耐压能力而损坏。除了电机的再生能量反馈外，电网波动或受到浪涌雷击也会造成直流母线电压的抬升，超过预设阀值，同样需要进行放电处理。
122.主电容电路的电解电容或均压电阻出现异常时，会导致均压偏差过大，可能会导致电容过压击穿、均压电阻过流烧断，从而损坏伺服驱动器。而且在伺服驱动器的关键器件中，电解电容是最快老化的器件之一，故障率也是较高的。当电解电容老化时，也有可能出现均压异常。所以针对主电容电路均压异常进行保护设计，可以提高电机控制设备如伺服驱动器或变频器的可靠性。
123.图3为均压电阻的等效电阻的结构示意图。均压电阻异常：假设均压电阻r1、均压电阻r2分别由六个功率电阻串并联组成，如图3所示。当其中有功率电阻出现断路故障时，总阻值会增大，与之并联的电容两端电压增大。当其中有功率电阻出现短路故障时，总阻值会减小，与之并联的电容两端电压减小，另一个电容的两端电压升高。这就会出现上下两组电容分压不均的情况，分压过大的电容可能会出现过压损坏的故障。如果选用的均压电阻一致性较差，出现上下两组电阻的阻值偏差较大时，也会导致电容分压不均。
124.图4为电解电容的等效模型的结构示意图。电解电容异常：电解电容由于自身基本结构的原因，含有等效串联电阻esr，等效串联电感esl，如图4所示。等效串联电阻表征电容全部欧姆损耗的量值，来自于电极箔、电解液、引线的电阻及它们之间的连接电阻。电解电容由于制作工艺的一致性，相同型号的等效串联电阻也会有差异，这是主电容分压不均的原因之一。如果主电容电路有电容出现异常，上下两组电容的分压偏差会更大，可能会出现过压损坏的故障。
125.本发明的方案，提供了一种应用于伺服驱动器的电压调节电路及其控制方法，在主电容采用串联方式的情况下，实现电容的均压调节。通过伺服驱动器里设计一个电压调节电路，通过伺服驱动器的串联电容的电压控制控制电路工作，实现串联电容的均压调节和电压异常保护，增强了伺服驱动器的可靠性。
126.相关方案中，利用三极管的开关特性来实现串联电容的均压，适用于电压波动较小的场合，器件选定后，参数不可调，而且都没有提到电压异常的保护措施。本发明的方案，提供了一种串联电容的均压调节方案，具体是涉及伺服驱动器、变频器等电机控制领域的一种串联电容的电压调节电路，通过伺服驱动器的串联电容的电压控制控制电压调节电路，实现电容均压调节和过压保护。这样，在在电容(如电解电容)串联使用时，全面地检测各个电容的电压，通过检测电容两端电压，进行均压调节，确保电容压差在可控范围内，避免串联使用的电容因过压而损坏。
127.在一些实施方式中，两个以上所述电容模块，包括：第一电容模块和第二电容模块。第一电容模块，如电解电容c1。第二电容模块如电解电容c2。所述检测单元，包括：第一采样电阻模块、第二采样电阻模块和第三采样电阻模块。第一采样电阻模块如电阻r4，第二采样电阻模块如电阻r5，第三采样电阻模块如电阻r7。其中，所述第一采样电阻模块、所述第二采样电阻模块和所述第三采样电阻模块，设置在所述母线电容单元的输出端的母线正负端之间。所述第一采样电阻模块与所述第二采样电阻模块的公共端，连接至所述第一电容模块和所述第二电容模块的公共端。所述第一采样电阻模块连接至所述母线电容单元的输出端的母线正端的一端，能够采样所述整流单元输出的直流母线电压。所述第一采样电阻模块和所述第二采样电阻模块的公共端，能够采样所述第一电容模块和所述第二电容模块之间的串联节点的节点电压。
128.步骤s120中通过控制单元，根据所述整流单元输出的直流母线电压、以及相邻两
个所述电容模块之间的串联节点的节点电压，确定每个所述电容模块两端的电压，并确定不同所述电容模块之间的电压差绝对值，包括：通过控制单元，具体还将所述整流单元输出的直流母线电压，与所述第一电容模块和所述第二电容模块之间的串联节点的节点电压之差，确定为所述第一电容模块两端的电压；并将所述第一电容模块和所述第二电容模块之间的串联节点的节点电压，确定为所述第二电容模块两端的电压。
129.图5为具有伺服驱动器的串联电容的电压控制电路的伺服驱动器的一实施例的结构示意图。在伺服驱动器的串联电容的电压控制方式上，相关方案中，只检测u
d
。图5所示的例子，同时检测u
d
、u
n
。
130.如图5所示，伺服驱动器的串联电容的电压控制电路再增加一个电阻r7，并且电阻r5的一端连接到主电容中电解电容c1、电解电容c2串联的中点上，这样就可以同时检测到直流母线电压u
d
，串联电容的中点电压u
n
。从而算出电解电容c1两端的电压u
c1
、电解电容c2两端的电压u
c2
：u
c1
＝u
d
‑
u
n
，u
c2
＝u
n
。实时监测主电容各点的电压情况，如果出现异常，则启动保护措施。
131.在一些实施方式中，所述电压调节单元，包括：起动调节模块和制动调节模块中的至少之一。起动调节模块，如限流起动电路。制动调节模块，如再生制动电路。其中，
132.在所述电压调节单元包括所述起动调节模块的情况下，所述起动调节模块，设置在所述整流单元与所述母线电容单元之间，被配置为调节所述整流单元对所述整流单元后级的供电情况，并在所述整流单元向其后级供电的情况下调节所述整流单元对所述母线电容单元的充电情况。
133.在所述电压调节单元包括所述制动调节模块的情况下，所述制动调节模块，设置在所述母线电容单元与所述逆变单元之间，被配置为对所述逆变单元反馈的再生能量、电网反馈的波动能量进行放电处理。所述检测单元，设置在两个以上所述电阻模块与所述制动调节模块之间。
134.本发明的方案，提供的一种应用于伺服驱动器的电压调节电路及其控制方法，当伺服驱动器处于再生能量反馈状态或电网波动导致直流母线电压升高时，控制电压调节电路实现再生放电，确保电容始终工作在电压安全的区域。
135.在工业用电场合，电源质量会受到设备的影响，电网波动较大。交流伺服控制系统中，在伺服电机减速或受到外力时，会产生再生能量，一些方案中的伺服驱动器一般采用再生制动电路来消耗再生能量，从而限制直流母线电压的抬升，避免因直流母线过压而发生故障。本发明的方案提供的串联电容的电压调节电路，用于伺服驱动器时，可实现均压调节的同时，还能及时消耗掉系统反馈的再生能量，或因为电网波动而导致的过压能量，实时监测伺服驱动器主回路各节点的电压信息，控制电压调节电路，实现电压异常的保护，避免交流伺服控制系统故障导致设备停机。这样，能够及时地泄放掉电机再生能量反馈或电网波动产生的过压能量，避免了功率回路上的器件因过压而损坏。
136.在一些实施方式中，所述起动调节模块，包括：第一开关、第二开关和限流电阻模块。第一开关如开关k1，第二开关如开关k2，限流电阻模块如限流电阻r3。其中，
137.所述限流电阻模块，设置在所述整流单元的输出端与所述母线电容单元的正极之间。所述第一开关的触点端与所述限流电阻模块并联，所述第二开关的触点端，设置在所述整流桥的输出端与所述限流电阻模块之间。所述第一开关的控制端与所述第二开关的控制
端，均连接至所述控制单元。
138.图6为增加有电压调节电路的伺服驱动器的一实施例的结构示意图。在图6所示的例子中，在限流起动开关k1前再串接一个开关k2，用于控制整流桥对后续电路的供电，即控制电源通断。
139.所述制动调节模块，包括：第一开关管、第二开关管、第一功率电阻模块和第二功率电阻模块。第一开关管如开关管q1，第二开关管如开关管q2，第一功率电阻模块如功率电阻r6，第二功率电阻模块如功率电阻r8。其中，
140.所述第二开关管和所述第一开关管，串联设置在所述逆变单元的反馈输出端的母线正负端之间。所述第一功率电阻模块，设置在所述第一开关管与所述母线负端之间。所述第二功率电阻模块，设置在所述第一开关管与所述第二开关管的公共端，与两个以上所述电容模块中的第一电容模块与第二电容模块的公共端之间。
141.所述第一开关管的控制端和所述第二开关管的控制端，均连接至所述控制单元。
142.在图6所示的例子中，电压调节电路是将图5中的二极管d1换成开关管q2，串联电容的中点与开关管q1、开关管q2串联的中点跨接一个功率电阻r8，功率电阻r6改为串接在开关管q1与直流母线的负极之间，可实现再生放电和均压调节。
143.在本发明的方案中，只增加了几个元器件，两个控制信号，电路设计简单，成本低。
144.在一些实施方式中，步骤s130中通过控制单元，根据所述整流单元输出的直流母线电压、每个所述电容模块两端的电压、以及不同所述电容模块之间的电压差绝对值中的至少之一，控制所述电压调节单元和所述逆变单元中的至少之一，以对所述母线电容单元的电压进行控制，包括以下任一种控制情形：
145.第一种控制情形：通过控制单元，具体还若所述整流单元输出的直流母线电压大于设定的最大母线电压，则确定直流母线需要过压报警。若所述整流单元输出的直流母线电压小于或等于设定的最小母线电压，则确定直流母线需要欠压报警。设定的最大母线电压，如740v。设定的最小母线电压，如420v。
146.第二种控制情形：通过控制单元，具体还在若所述整流单元输出的直流母线电压小于或等于设定的最大母线电压、且大于设定的最小母线电压的情况下，若所述第一电容模块两端的电压大于设定的最大电容电压，或所述第二电容模块两端的电压大于设定的最大电容电压，则确定所述母线电容单元需要电容过压报警。
147.其中，通过控制单元，具体还在所述直流母线需要过压报警、所述直流母线需要欠压报警、所述母线电容单元需要电容过压报警中的任一种情况下，控制所述逆变单元的驱动信号关断，并控制所述电压调节单元中的第二开关断开。
148.图8为电压调节电路的一实施例的控制流程示意图。如图8所示，电压调节电路的控制流程，包括：
149.步骤1、通过伺服驱动器的串联电容的电压控制电路进行伺服驱动器的串联电容的电压控制，得到直流母线电压u
d
，电解电容c1两端的电压u
c1
、电解电容c2两端的电压u
c2
，计算得到电解电容c1和电解电容c2的电压差u
δ
，判断各个电压的范围，控制电压调节电路的工作状态。
150.步骤2、当出现直流母线过压或欠压报警，或电容过压报警时，切断开关k2，停止整流桥给后续电路供电，关断驱动信号，并输出相应报警信号。
151.在本发明的方案中，通过在伺服驱动器里设计一个电压调节电路，既能实现再生放电功能，又能实现串联电容的均压调节，让伺服驱动器的主电容工作在更安全的电压范围，可以提升电解电容的寿命，提高电机控制设备如伺服驱动器或变频器的可靠性。这样，将伺服驱动器的再生放电功能与均压调节结合在一起，可以简化电路设计。
152.在一些实施方式中，通过控制单元，在若所述整流单元输出的直流母线电压小于或等于设定的最大母线电压、且大于设定的最小母线电压，所述第一电容模块两端的电压小于或等于设定的最大电容电压、且所述第二电容模块两端的电压小于或等于设定的最大电容电压的情况下，步骤s130中根据所述整流单元输出的直流母线电压、每个所述电容模块两端的电压、以及不同所述电容模块之间的电压差绝对值中的至少之一，控制所述电压调节单元和所述逆变单元中的至少之一，以对所述母线电容单元的电压进行控制，还包括以下任一种进一步控制情形：
153.第一种进一步控制情形：通过控制单元，具体还若所述整流单元输出的直流母线电压小于或等于设定的最大母线电压、且大于第一设定母线电压，则在所述第一电容模块与所述第二电容模块之间的电压差绝对值大于设定的最大压差值的情况下，确定所述母线电容单元需要电容均压报警，控制所述逆变单元的驱动信号关断，之后再控制所述母线电容单元进行电容均压调节和再生放电。在所述第一电容模块与所述第二电容模块之间的电压差绝对值小于或等于设定的最大压差值、且大于设定的最小压差值的情况下，确定所述母线电容单元需要电容均压调节，控制所述母线电容单元进行电容均压调节和所述母线电容单元进行再生放电。在所述第一电容模块与所述第二电容模块之间的电压差绝对值小于或等于设定的最小压差值的情况下，确定所述母线电容单元需要再生放电，控制所述母线电容单元进行再生放电。第一设定母线电压，大于设定的最小母线电压，且小于设定的最大母线电压。设定的最大压差值，如20v。设定的最小压差值，如10v。
154.第二种进一步控制情形：通过控制单元，具体还若所述整流单元输出的直流母线电压小于或等于第一设定母线电压，则在所述第一电容模块与所述第二电容模块之间的电压差绝对值大于设定的最大压差值的情况下，确定所述母线电容单元需要电容均压报警，控制所述逆变单元的驱动信号关断，之后再控制所述母线电容单元进行均压调节。在所述第一电容模块与所述第二电容模块之间的电压差绝对值小于或等于设定的最大压差值、且大于设定的最小压差值的情况下，确定所述母线电容单元需要电容均压调节，控制所述母线电容单元进行电容均压调节。在所述第一电容模块与所述第二电容模块之间的电压差绝对值小于或等于设定的最小压差值的情况下，确定所述母线电容单元正常工作，控制所述母线电容单元正常工作。
155.如图8所示，电压调节电路的控制流程，还包括：
156.步骤3、在没有出现过压或欠压报警，各个电压在安全范围时，有两种工作状态：
157.1)当680v＜u
d
≤740v时，说明直流母线电压已经超过了电容可吸收的能力，需要启动再生制动功能。考虑到开关管不能长时间工作在开通状态，所以一般采用pwm(脉宽调制信号)信号控制开关管的导通和关断，占空比指的是导通时间在开关周期的占比。此时判断u
δ
范围，若u
δ
＞20v，均压报警输出，关断驱动信号，进行均压调节，再生放电。若10v＜u
δ
≤20v，均压异常，进行均压调节，再生放电。若u
δ
≤10v，均压正常，驱动器正常执行再生放电。
158.2)当420v＜u
d
≤680v时，说明电网波动或者再生能量反馈在电容的可控范围内，不需要再生放电。此时判断u
δ
范围，若u
δ
＞20v，均压报警输出，关断驱动信号，进行均压调节。若10v＜u
δ
≤20v，均压异常，进行均压调节。若u
δ
≤10v，均压正常，驱动器正常工作。
159.图7为伺服驱动器不同电压范围的工作状态(单位：v)表。为了便于理解，假设伺服驱动器的交流输入电源为380v，则直流母线电压为540v。电解电容的耐压为400v，串联后总耐压为800v。当直流母线电压超过预设阀值680v时，再生制动电路工作，开始再生放电。直流母线电压大于740v，过压报警，小于或等于420v，欠压报警。电解电容留安全使用裕量，电解电容两端电压小于等于380v时为安全区，电解电容两端电压大于380v时电容过压报警。两电容的电压差u
δ
＝|u
c1
‑
u
c2
|。当两电容的电压差u
δ
＞20v时，均压过大，显示均压报警。当10v＜两电容的电压差u
δ
≤20v时，均压异常，通过电路调节两电容电压。当两电容的电压差u
δ
≤10v时，均压在正常范围。其中，实际参数，可以根据产品应用情况调整。
160.图9为电压调节电路的一实施例的控制结构示意图。图9所示的方案，增加了电压计算功能和电压调节电路控制模块，监测各点电压，实现电压调节。
161.在图9所示的例子中，在伺服驱动器初始上电时段，开关k2闭合，k1断开，主电容开始充电，电阻r3起到限流的作用，由于电路的特性和器件的差异，各电容间会有充电快慢不一致的情况，此时段可能会出现电容压差超过10v的情况，属于正常现象，此时电压调节电路不需要工作。当直流母线电压u
d
充到一定值时(假设为460v)，开关k1闭合，将电阻r3短路，认为充电完成，则进入电压调节控制流程，若电压正常，进入正常工作状态。若电压异常，则进行调节，经过均压调节后，如果电容能保持u
δ
≤10v状态稳定运行，则可以清除均压报警，伺服驱动器回到正常工作状态。如果长时间不能恢复，提醒用户对伺服驱动器进行均压检修(均压报警维持多长时间，则进入均压检修提醒，用户根据电容选型确定)。
162.其中，通过控制单元，具体还在控制所述母线电容单元进行均压调节和再生放电的情况下，若所述第一电容模块与所述第二电容模块之间的电压差绝对值小于或等于设定的最小压差值，则控制所述电压调节单元中的第一开关管和所述电压调节单元中的第二开关管以相同占空比的工作。若所述第二电容模块两端的电压大于所述第一电容模块两端的电压的情况下，则在一个控制周期内，控制所述电压调节单元中的第一开关管导通，并控制所述电压调节单元中的第二开关管导通。若所述第一电容模块两端的电压大于所述第二电容模块两端的电压的情况下，则在一个控制周期内，控制所述电压调节单元中的第二开关管导通，并控制所述电压调节单元中的第一开关管导通。
163.图10为均压调节与再生放电同时工作时的控制波形示意图。当伺服驱动器处于上述的第一种工作状态时，电压调节电路的控制波形如图10所示。相关方案中只能进行过压、欠压保护，再生放电。而本发明的方案中，若u
δ
≤10v，则开关管q1、q2以相同占空比的pwm信号控制，过压能量消耗在阻抗最小的回路电阻r6上。若u
c2
＞u
c1
，在一个控制周期内，则开关管q1先导通，通过r8、r6放电，然后q2再导通，通过r6消耗过压能量。若u
c1
＞u
c2
，在一个控制周期内，则开关管q2先导通，通过电阻r8给电容c2充电，让c2两端电压上升，然后q1再导通，通过r6消耗过压能量。从而实现再生放电和均压调节的效果。其中，开关管高电平导通，低电平关断。
164.所述控制单元，具体还被配置为在控制所述母线电容单元进行均压调节的情况下，若所述第二电容模块两端的电压大于所述第一电容模块两端的电压的情况下，则控制
所述电压调节单元中的第一开关管导通。若所述第一电容模块两端的电压大于所述第二电容模块两端的电压的情况下，则控制所述电压调节单元中的第二开关管导通。
165.在控制所述母线电容单元进行再生放电的情况下，控制所述电压调节单元中的第一开关管和所述电压调节单元中的第二开关管均关断周期性地导通和关断。
166.图11为只有均压调节时的控制波形示意图。当伺服驱动器处于上述的第二种工作状态时，电压调节电路的控制波形如图11所示。若u
δ
≤10v，则开关管q1、开关管q2均关断。若u
c2
＞u
c1
，则开关管q1导通，通过r8、r6放电，电容c1两端电压下降。若u
c1
＞u
c2
，则开关管q2导通，通过功率电阻r8给电容c2充电，让电容c2两端电压上升，从而达到均压调节的效果。
167.在上述实施方式中，是针对两组电容串联的情况，当交流伺服控制系统采用三组电容串联或更多的电容串联时，可以采用相同的原理搭建电压调节电路，实现均压调节和再生放电。
168.在上述实施方式中，是基于交流输入380v的伺服驱动器讲述方案，对于其他电压等级的产品，如220v输入、480v输入等，如果主电容采用的是电容串联方式，本发明的方案也适用。
169.本发明的方案，可以推广到空调变频器、光伏逆变器、电机控制器等具有电容串联结构的产品上。
170.在本发明的方案中，可以根据电机控制设备如伺服驱动器或变频器的应用场合调节参数，增加适用范围，增强适用性，提升了电机控制设备如伺服驱动器或变频器的市场竞争力。如可以根据电机控制设备如伺服驱动器或变频器的交流电源输入电压和电容的最高耐压值设定参数，控制灵活，适用范围广。
171.由于本实施例的方法所实现的处理及功能基本相应于前述电机控制设备的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。
172.采用本实施例的技术方案，通过设置电压调节电路，在电机控制设备如伺服驱动器或变频器中的主电容采样串联方式设置的情况下，检测每个电容两端的电压，根据每个电容两端的电压对串联电容进行均压调节，实现串联电容的均压调节，可以提升电解电容的寿命，提高电机控制设备如伺服驱动器或变频器的可靠性。
173.综上，本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
174.以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。