TWI894725B - 電機設備的電源供應系統 - Google Patents

Abstract

本發明的電機設備的電源供應系統包括一電源開關、一第一整流裝置、一第二整流裝置、一備用電源裝置及一控制核心裝置。在電源開關是導通狀態時，第一整流裝置用以供應一第一直流電給電機負載及對備用電源裝置的第一儲能模組充電，第二整流裝置用以供應一第二直流電給電腦負載，控制核心裝置監視第一儲能模組充飽電至一第一目標電壓所使用的一第一充電時間。在第一充電時間低於一提醒條件時，控制核心裝置通知電腦負載。

Description

電機設備的電源供應系統

本發明與電機設備有關，特別是指電機設備的電源供應系統。

電機設備廣泛應用於生產環境，電機設備例如由電機負載(例如機械手臂)及電腦負載(例如工業電腦)組成，以藉由工業電腦來控制及監視機械手臂的運作。由於生產環境需要電機設備穩定的運作，因此，當跳電、誤動作、停電或故障等狀況發生時，電機設備的供電狀況容易出現不穩定，此時，電機負載及電腦負載的系統可能無法完成正常關機程序，導致後續重新開機或啟動電機負載及電腦負載發生故障，而讓生產環境的穩定性出現風險。

目前可以透過在電機設備的輸入電源端連接一不斷電系統來穩定供電系統的穩定，以避免上述問題，但不斷電系統體積龐大，且建置成本高昂，而不利於生產環境的空間建置。

當沒有設置不斷電系統，且發生上述供電不穩定狀況時，電機負載瞬間斷電也會造成電腦負載的誤判，進而影響重新開機或啟動的運作穩定性。

此外，不斷電系統使用的充電電池會隨著使用時間及電池品質而影響整體儲電能力，但充電電池的壽命不易檢測，而無法單獨更換儲電能力衰弱的充電電池。

有鑑於上述缺失，本發明的電機設備的電源供應系統可以檢測備用電源裝置的儲電能力，以讓使用者能更換已衰弱的儲能元件。

為了達成上述目的，本發明的電機設備的電源供應系統包括一電源開關、一第一整流裝置、一第二整流裝置、一備用電源裝置及一控制核心裝置。電源開關連接一輸入電源，且具有一導通狀態及一斷路狀態。第一整流裝置電連接電源開關及一電機負載。第二整流裝置連接電源開關及一電腦負載。備用電源裝置連接第一整流裝置及電機負載，且包括一第一儲能模組。控制核心裝置電連接電源開關、電腦負載及備用電源裝置。其中，在電源開關是導通狀態時，第一整流裝置用以供應一第一直流電給電機負載及對第一儲能模組充電，第二整流裝置用以供應一第二直流電給電腦負載，控制核心裝置監視第一儲能模組充飽電至一第一目標電壓所使用的一第一充電時間。在第一充電時間低於一提醒條件時，控制核心裝置通知電腦負載。

如此，本發明的電機設備的電源供應系統可以透過第一整流裝置及第二整流裝置對電機負載及電腦負載供電，並可透過第一整流裝置對備用電源裝置的第一儲能模組充電，以儲存備用電源。控制核心裝置可透過監視第一儲能模組的第一充電時間與提醒條件比較來通知更換元件，如此，電機設備的電源供應系統可以更穩定地供電給各負載。

有關本發明的電機設備的電源供應系統的詳細構造、特點、電路或應用方式，將於後續的實施方式詳細說明中予以描述。然而，在本發明領域中具有通常知識者應能瞭解，該等詳細說明以及實施本發明所列舉的特定實施 例，僅係用於說明本發明，並非用以限制本發明之專利申請範圍。

100:電源供應系統

10:電源開關

11:輸入電源

20:第一整流裝置

30:第二整流裝置

40:備用電源裝置

41:第一保護模組

411:第一輸入二極體

412:第一開關電路

413:第一低電壓保護電路

4131:電壓監測單元

414:第一輸出二極體

42:第一儲能模組

43:第二保護模組

431:第二輸入二極體

432:第二開關電路

433:第二低電壓保護電路

4331:電壓監測單元

434:第二輸出二極體

435:輸入穩壓器

436:輸出穩壓器

44:第二儲能模組

45:儲能單元

451:超級電容器

452:電阻器

453:儲能開關

50:控制核心裝置

51:偵測電路

52:控制核心

60:電機負載

61,71:供電路徑

70:電腦負載

Q1:第一電晶體

Q2:第二電晶體

Q3:第三電晶體

P:光耦合器

R1,R2:電阻器

S80-S89:步驟

圖1是本發明的電機設備的電源供應系統的系統方塊圖。

圖2是圖1中備用電源裝置的第一保護模組及第一儲能模組、控制核心裝置的偵測電路及控制核心與電機負載的電路圖。

圖3是圖1中備用電源裝置的第二保護模組及第二儲能模組、及電腦負載的電路圖。

圖4是圖1的本發明的電機設備的電源供應系統的運作流程圖。

圖5是圖2或圖3中超級電容器充飽電狀態的時間-電壓特性圖。

申請人首先在此說明，於整篇說明書中，包括以下介紹的實施例以及申請專利範圍的請求項中，有關第一、第二、第三等順序性的名詞皆以圖式中的元件位置為基準。其次，在以下將要介紹之實施例以及圖式中，相同之元件標號，代表相同或近似之元件或其功能特徵。

如圖1所示，本發明的電機設備的電源供應系統100包括一電源開關10、一第一整流裝置20、一第二整流裝置30、一備用電源裝置40及一控制核心裝置50。

電源開關10連接一輸入電源11，且具有一導通狀態及一斷路狀態。電源開關10可以是機械開關或電子開關。輸入電源11是交流電。

第一整流裝置20連接電源開關10及一電機負載60，第二整流裝置30連接電源開關10及一電腦負載70，透過第一整流裝置20及第二整流裝置30來形成不同的供電路徑61、71，而分別對電機負載60及電腦負載70供電。電機負載60例如機械手臂的控制器，電腦負載70例如工業電腦。

其中，在電源開關10是導通狀態時，第一整流裝置20用以對電機負載60供應一第一直流電，第二整流裝置30用以對電腦負載70供應一第二直流電。本實施例中，第一直流電的電壓是24伏特，第二直流電的電壓是12伏特，簡言之第一整流裝置20及第二整流裝置30可以供應不同直流電壓，以滿足不同的負載需要，其他實施例中，直流電的電壓值也可以是其他參數。

備用電源裝置40連接第一整流裝置20、電機負載60及電腦負載70，且包括一第一保護模組41、一第一儲能模組42、一第二保護模組43及一第二儲能模組44。第一保護模組41連接第一整流裝置20及電機負載60。第一儲能模組42連接第一保護模組41。第二保護模組43連接第一整流裝置20及電腦負載70。第二儲能模組44連接第二保護模組43。第一保護模組41及第二保護模組43用以讓第一儲能模組42及第二儲能模組44儲存的電力在正常運作與避免關機後洩漏。

第一保護模組41包括一第一輸入二極體411、一第一開關電路412、一第一低電壓保護電路413及一第一輸出二極體414。第一輸入二極體411的正極連接第一整流裝置20，其負極連接第一開關電路412及第一儲能模組42。第一低電壓保護電路413連接第一開關電路412及第一輸出二極體414的正極，第一輸出二極體414的負極連接電機負載60。電機負載60與第一整流裝置20之間還可透過供電路徑61供電。

第二保護模組43包括一第二輸入二極體431、一第二開關電路432、一第二低電壓保護電路433、一第二輸出二極體434、一輸入穩壓器435及一輸出穩壓器436。輸入穩壓器435連接第一整流裝置20及第二輸入二極體431的正極。第二輸入二極體431的負極連接第二開關電路432及第二儲能模組44。第二低電壓保護電路433連接第二開關電路432及輸出穩壓器436。第二輸出二極體434的正極連接輸出穩壓器436，第二輸出二極體434的負極連接電腦負載70。電腦負載70與第二整流裝置30之間還可透過供電路徑71供電。

控制核心裝置50連接電源開關10、備用電源裝置40及電腦負載70。控制核心裝置50可以監控透過電源開關10的交流電供電狀態，以確認是否有正常供電及第一儲能模組42與第二儲能模組44的充電狀態來確認各儲能模組的充電能力及壽命。控制核心裝置50用以觸發第一保護模組41及第二保護模組43。

本實施例中，控制核心裝置50包括一偵測電路51及一控制核心52。偵測電路51連接電源開關10及控制核心52，用以偵測交流電的供電狀態，其中，在交流電停止供應滿足控制核心52的一停電時間時，控制核心52通知電腦負載70進行關機，本實施例中停電時間是數秒，例如二秒、三秒或四秒等，秒數可被調整。但在不滿足停電時間時，控制核心52不會通知電腦負載70進行關機或改變目前的運作。

控制核心52連接第一儲能模組42、第二儲能模組44及電腦負載70，並用以監控第一儲能模組42及第二儲能模組44的電壓V₄₂、V₄₄及壽命，且將監控的一提醒條件通知電腦負載70。

如圖1至圖3所示，第一儲能模組42及第二儲能模組44是類似的組成，差別在於儲電能力，第一儲能模組42及第二儲能模組44分別包括串聯連接的多個儲能單元45，本實施例中，第一儲能模組42及第二儲能模組44分別有七個及五個儲能單元45。每個儲能單元45包括一超級電容器451、一電阻器452及一儲能開關453。超級電容器451例如鋰離子超級電容器。儲能開關453連接超級電容器451、電阻器452及控制核心裝置50。多個儲能單元45的超級電容器451是串聯連接，電阻器452也是串聯連接。其他實施例中，各儲能模組的儲能單元數量可以被調整為更多或較少，但須滿足各負載的用電需求。

第一直流電用以對第一儲能模組42充飽電至一第一目標電壓V₄₂，及對第二儲能模組44充飽電至一第二目標電壓V₄₄。第一目標電壓V₄₂與電機負載60正常運作需要的電壓大致相同，第二目標電壓V₄₄與電腦負載70正常運作需要的電壓大致相同。

當電機設備開機或正常使用，表示電源開關10在導通狀態時，控制核心裝置50控制各儲能單元45的儲能開關453導通，以連接超級電容器451及電阻器452。當電機設備已關機或當機迫使的關機，控制核心裝置50依據電腦負載70的一關機結果信號控制各儲能單元45的儲能開關453斷開，以中斷超級電容器451及電阻器452，如此，超級電容器451可以在各種狀況關機後，避免產生漏電流問題造成元件損壞，來確保元件壽命及可靠度。

此外，第一開關電路412及第二開關電路432的組成及控制大致是相同的，第一低電壓保護電路413及第二低電壓保護電路433的組成及控制大致是相同的，因此，各電路元件以相同的代號表示。第一開關電路412及第二開關電路432分別包括一第一電晶體Q1、一第二電晶體Q2及一光耦合器P。第一電晶 體Q1是P型電晶體，第二電晶體Q2是N型電晶體。第一低電壓保護電路413及第二低電壓保護電路433分別包括一第三電晶體Q3及一電壓監測單元4131、4331，第三電晶體Q3是P型電晶體，電壓監測單元4131、4331包括一積體電路(圖中實線矩形方塊)、串聯連接的電阻器R1、R2及電容器組成。積體電路例如NCV33161系列監控電路。

第一電晶體Q1的源極連接第一儲能模組42或第二儲能模組44，第一電晶體Q1的汲極連接第三電晶體Q3的源極及電壓監測單元4131、4331的電阻器R2，第一電晶體Q1的閘極連接第二電晶體Q2的汲極及光耦合器P，第二電晶體Q2的源極接地，第二電晶體Q2的閘極連接光耦合器及電腦負載70(圖中以端點N₇₀表示)。電壓監測單元4131、4331的積體電路連接電阻器R1、R2及第三電晶體Q3的閘極，以透過偵測電阻器R1、R2的節點電壓來觸發第三電晶體Q3，電阻器R1、R2的節點電壓可對應代表第一儲能模組42或第二儲能模組44的儲能電壓V₄₂、V₄₄，第一低電壓保護電路413的第三電晶體Q3的汲極連接第一輸出二極體414，第二低電壓保護電路433的第三電晶體Q3的汲極連接輸出穩壓器436。

第一開關電路412及第二開關電路432還連接電腦負載70(圖中以端點N₇₀表示)，以依據電腦負載70的關機結果信號產生的一硬體關機信號運作。當電腦負載70的軟體關機程序結束後，無論關機結果信號表示電腦負載70已完成關機或未完成關機，硬體關機信號都可以觸發第一開關電路412及第二開關電路432呈現斷路狀態，而斷開備用電源裝置40與各負載的供電，隨後詳述其運作。

第一低電壓保護電路413及第二低電壓保護電路433用以避免第一儲能模組42及第二儲能模組44過度放電，過度放電會讓第一儲能模組42及第二 儲能模組44的儲電能力降低，因此，透過電壓監測單元4131、4331來偵測第一儲能模組42及第二儲能模組44的電壓，以在電壓屬於低電壓(例如剩下3.5伏特或其他參數)時透過第三電晶體Q3切斷供電路徑，如此可以避免第一儲能模組42及第二儲能模組44過度放電。其他實施例中，電壓監測單元4131、4331也可以透過其他電路組成的偵測電路，而不採用積體電路為限。

其他實施例中，當電腦負載70的電源供應器有備用電源或備用電源來支持電腦負載70執行關機流程或備份資料需要的時間時，第二保護模組43及第二儲能模組44是可以被省略。

如圖4所示，本發明的電機設備的電源供應系統100的運作，步驟S80是電源開關切換判斷，在電源開關10切換在導通狀態時，步驟S81是交流電供應至第一整流裝置20及第二整流裝置30，以供電至備用電源裝置40的第一儲能模組42及第二儲能模組44、電機負載60及電腦負載70。此時，電機負載60及電腦負載70可以被開機至正常運作，且第一儲能模組42及第二儲能模組44是分別被充飽電至第一目標電壓V₄₂及第二目標電壓V₄₄。控制核心裝置50的控制核心52監視第一儲能模組42被充飽電至第一目標電壓V₄₂所使用的第一充電時間及第二儲能模組44被充飽電至第二目標電壓V₄₄所使用的第二充電時間，並在第一充電時間及第二充電時間低於提醒條件時，控制核心通知電腦負載。

提醒條件與第一儲能模組42及第二儲能模組44的儲電能力有關，儲電能力可從各儲能模組的充飽電壓及時間觀察，且由於各儲能模組充飽電壓及時間特性大致相似，差異在於充飽電壓位階，因此，圖5以其中一儲能模組充電的特性來做說明，本實施例中，提醒條件是各儲能模組目前充飽電使用的時間與初始充飽電使用的時間的比值。充飽電使用的時間是自零或低電壓充飽 電至第一目標電壓V₄₂或第二目標電壓V₄₄所需要的第一充電時間及第二充電時間，圖中，t1是初始的第一充電時間或第二充電時間，以實線表示初始儲能模組的充電特性，t2是衰退後的第一充電時間或第二充電時間，以虛線表示儲能模組衰退後的充電特性，本實施例中，提醒條件是參考t1及t2的比值，更具體來說是t2除以t1的百分比，當比值低於特定參數(例如70%)時判定第一儲能模組42或第二儲能模組44應該更換。初始的第一儲能模組42或第二儲能模組44是指功能正常的元件。其他實施例中，提醒條件中的比值會隨著計算方式改變，也可以調整實際參數(例如高於70%或低於70%)、或者參考時間及充電電壓的變化轉換為斜率來做判斷。

控制核心52可以按照提醒條件通知電腦負載70，以讓電腦負載70提醒管理人員應該更換第一儲能模組42或第二儲能模組44，以確保電機負載60及電腦負載70能在故障、意外或停電發生時穩定各負載的關機或資料備份。

隨後，當電源開關10被切換至斷路狀態而停止交流電供應，這個切換可能是停電、跳電、誤動作、故障或電腦負載70正常關機等，但無論是何種切換情境，在斷路狀態時，步驟S82是備用電源裝置供電，也就是第一儲能模組42與第二儲能模組44都能及時地供應電力給電機負載60及電腦負載70。控制核心52依據斷路狀態到達停電時間(步驟S83)，通知電腦負載70執行系統軟體關機(步驟S84)，本實施例中，停電時間被定義為兩秒。若斷路狀態未達到停電時間時，控制核心52不會通知電腦負載70以系統軟體進行關機作業，如此，可以避免誤觸或瞬間斷開後復位，導致各負載在短時間內被重複關機及開機而發生錯誤或故障。

無論系統軟體關機是否正常完成，備用電源裝置40的第一開關電路412及第二開關電路432是可以在系統軟體進行關機作業後執行硬體關機。步驟S85是判斷系統軟體關機，以確認電腦負載70是否完成關機，若是，電腦負載輸出一關機結果信號至備用電源裝置，以中斷備用電源裝置供電(步驟S89)，也就是第一開關電路412及第二開關電路432切換至斷開狀態，以中斷第一儲能模組42及第二儲能模組44供電至電機負載60及電腦負載70的路徑。

當軟體關機沒有完成時，電腦負載在到達一第一關機週期時送出關機結果信號(步驟S86)，也就是送出硬體關機信號，接著，若電腦負載完成關機，執行步驟S89中斷備用電源裝置供電。若電腦負載還是沒有完成關機，電腦負載在到達一第二關機週期時送出關機結果信號(步驟S87)，也就是第二次送出硬體關機信號，並執行步驟S89。如此，除了軟體關機外還可以透過電腦負載送出關機結果信號控制備用電源裝置40來實現硬體關機，以改善電腦負載當機或故障等問題。

其中，第一關機週期的確認表示第一次硬體關機就順利完成。第二關機週期是較第一關機週期的時間更長，第二關機週期的確認是前次硬體關機未能順利關機電腦負載，因此，直接以硬體關機來斷開備用電源裝置40的供電。雖然，本實施例舉出軟體關機成功與不成功後硬體關機的運作，但其他實施例中，硬體關機也可以不需要參考第一關機週期及第二關機週期，而是在軟體關機結束後進行硬體關機，以實現斷開各儲能模組的供電。

100:電源供應系統 10:電源開關 11:輸入電源 20:第一整流裝置 30:第二整流裝置 40:備用電源裝置 41:第一保護模組 411:第一輸入二極體 412:第一開關電路 413:第一低電壓保護電路 414:第一輸出二極體 42:第一儲能模組 43:第二保護模組 431:第二輸入二極體 432:第二開關電路 433:第二低電壓保護電路 434:第二輸出二極體 435:輸入穩壓器 436:輸出穩壓器 44:第二儲能模組 50:控制核心裝置 51:偵測電路 52:控制核心 60:電機負載 61,71:供電路徑 70:電腦負載

Claims (6)

1. 一種電機設備的電源供應系統，包括：一電源開關，連接一輸入電源，且具有一導通狀態及一斷路狀態；一第一整流裝置，電連接該電源開關及一電機負載；一第二整流裝置，電連接該電源開關及一電腦負載；一備用電源裝置，電連接該第一整流裝置及該電機負載，且包括一第一儲能模組；及一控制核心裝置，電連接該電源開關、該電腦負載及該備用電源裝置，其中，在該電源開關是該導通狀態時，該第一整流裝置用以供應一第一直流電給該電機負載及對該第一儲能模組充電，該第二整流裝置用以供應一第二直流電該電腦負載，該控制核心裝置監視該第一儲能模組充飽電至一第一目標電壓所使用的一第一充電時間，在該第一充電時間低於一提醒條件時，該控制核心裝置通知該電腦負載，其中，該備用電源裝置還包括一第二儲能模組，該第一直流電還用以對該第二儲能模組充電，該控制核心裝置還監視該第二儲能模組被充飽電至一第二目標電壓所使用的一第二充電時間，在該第二充電時間低於該提醒條件時，該控制核心裝置通知該電腦負載，其中，該備用電源裝置還包括一第一保護模組及一第二保護模組，該第一保護模組連接該第一整流裝置、該第一儲能模組、該控制核心裝置及該電機負載，該第二保護模組連接該第一整流裝置、該第二儲能模組、該控制核心裝置及該電腦負載，該控制核心裝置用以觸發該第一保護模組及該第二保護模組，其中，該第一保護模組包括一第一輸入二極體及一第一開關電路，該第一輸入二極體的正極接收該第一直流電，該第一輸入二極體的負極連接該第一開關電路、該第一儲能模組及該電腦負載，該第二保護模組包括一第二輸入二極體及一第二開關電路，該第二輸入二極體的正極接收該第一直流電，該第二輸入二極體的負極連接該第二開關電路、該第二儲能模組及該電腦負載，在該電源開關是斷路狀態時，該第一儲能模組及第二儲能模組分別供電給該電機負載及該電腦負載進行關機，該電腦負載輸出一關機結果信號以控制該第一開關及該第二開關。
2. 如請求項1所述的電機設備的電源供應系統，其中，該提醒條件包括目前的該第一儲能模組被充飽電至該第一目標電壓所使用時間與初始的該第一儲能模組被充飽電至該第一目標電壓所使用時間的比值，及目前的該第二儲能模組被充飽電至該第二目標電壓所使用時間與初始的該第二儲能模組被充飽電至該第二目標電壓所使用時間的比值。
3. 如請求項1所述的電機設備的電源供應系統，其中，該第一儲能模組及該第二儲能模組分別包括串聯連接的多個儲能單元，該多個儲能單元的每一者包括一超級電容器、一電阻器及一儲能開關，該儲能開關連接該超級電容器、該電阻器及該控制核心裝置，該控制核心裝置依據該電腦負載的一關機結果信號控制該儲能開關。
4. 如請求項3所述的電機設備的電源供應系統，其中，該超級電容器包括一鋰離子超級電容器。
5. 如請求項1所述的電機設備的電源供應系統，其中，該第一保護模組包括一第一低電壓保護電路，該第一低電壓保護電路連接該第一開關及該電機負載，該第二保護模組包括一第二低電壓保護電路，連接該第二開關電路及該電腦負載。
6. 如請求項1所述的電機設備的電源供應系統，其中，該控制核心裝置包括一偵測電路及一控制核心，該偵測電路連接該電源開關及該控制核心，且用以偵測該輸入電源的一交流電的供電狀態，在該交流電停止供應滿足該控制核心的一停電時間時，該控制核心通知該電腦負載進行關機。