CN100497986C

CN100497986C - 永磁式失电制动器的节电控制装置

Info

Publication number: CN100497986C
Application number: CNB2007101443810A
Authority: CN
Inventors: 黄剑斌; 谢宗武; 熊根良; 刘宏; 孙奎; 金明河; 蒋再男; 刘璐
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2027-09-28
Also published as: CN101169165A

Abstract

永磁式失电制动器的节电控制装置，它涉及的是永磁制动器的节能及降低发热量的技术领域。它是为了克服现有永磁式失电制动器在通电工作时，会.消耗较大的功率(能量)，这些能量大部分转换成热量，使制动器表面温度会快速升高的问题。它的PWM占空比调节控制器的输出端通过第一运放比较器U1、二路与门比较器U2、三极管B1、场效应管B2连接永磁式失电制动器的一个输入端，永磁式失电制动器的另一个输入端通过电压放大器U3、第二运放比较器U4连接PWM占空比调节控制器的输入端，PWM占空比调节控制器设置有电动机控制使能输入端。本发明能够根据永磁式失电制动器的磁铁与衔铁的距离，自动调节制动器的工作电压，降低用电量，为原用电量75%左右。

Description

永磁式失电制动器的节电控制装置

技术领域

本发明涉及的是永磁制动器的节能及降低发热量的技术领域。

背景技术

先进机器人的发展主要朝向高集成度、多传感器、小重量、大力矩输出、节能等方面。现有的机械臂关节内大部分采用永磁无刷直流电机驱动和谐波减速器作为力矩输出。然而，对于大多数的先进机器人，关节的负载力矩大于谐波减速器的无载反驱动力矩。因此大部分的机械臂系统都装配了失电制动器，它能够有效的保证断电情况下关节仍保持位姿，不至于产生意想不到的运动从而损坏设备。

无滑环的干式单板摩擦式永磁制动器主要包括制动器磁铁、电磁线圈和衔铁三部分。制动器失电时衔铁在永磁力的作用下被吸引到制动器磁铁的摩擦面上，产生无滑转的扭矩。驱动或制动扭矩通过板式弹簧传递，运行时无滑转，连接后无摩损；通电后电磁线圈产生抵消永磁力的电磁力，衔铁在板式弹簧力的作用下离开制动器磁铁准备下一次的动作，空转时的扭矩损失为零。

由于这种失电制动器具备体积小，重量轻，电机正常运转时无摩擦，制动响应快等优点，现在的先进机器人越来越青睐于使用。但是，制动器在正常工作时会消耗较大的功率，这些能量几乎以热量形式转换，制动器表面温度会快速升高。同时，机械臂需要轻巧的外形，热量无法从紧凑的机械结构中有效的传导，这样将导致关节内温度逐步升高，严重影响关节的电气性能和电机、谐波减速器的输出效率。

发明内容

本发明是为了克服现有永磁式失电制动器在通电工作时，会消耗较大的功率(能量)，这些能量大部分转换成热量，使制动器表面温度会快速升高的问题。同时，因机器人的机械臂是轻巧的外形，热量无法从紧凑的机械结构中有效的传导，这样将导致关节内温度逐步升高，而严重影响关节的电气性能和电机、谐波减速器的输出效率。进而提出了一种永磁式失电制动器的节电控制装置。

本发明由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、第一运放比较器U1、二路与门比较器U2、电压放大器U3、第二运放比较器U4、三极管B1、场效应管B2、PWM占空比调节控制器1组成；

电阻R1的一端连接电源+Vcc端，电阻R1的另一端、电阻R2的一端连接第一运放比较器U1的反相输入端，电阻R2的另一端接地，第一运放比较器U1的同相输入端连接第二运放比较器U4的反相输入端并接基准电源+VDD端，第一运放比较器U1的输出端连接二路与门比较器U2的一个输入端，二路与门比较器U2的另一个输入端连接PWM占空比调节控制器1的输出端，PWM占空比调节控制器1的信号输入端连接第二运放比较器U4的输出端，二路与门比较器U2的输出端连接三极管B1的基极，三极管B1的发射极接地，三极管B1的集电极连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端、电阻R4的一端连接场效应管B2的栅极，场效应管B2的漏极连接电阻R4的另一端并接电源+Vcc端，场效应管B2的源极连接永磁式失电制动器2的输入端，永磁式失电制动器2的输出端、电阻R5的一端连接电压放大器U3的正输入端，电阻R5的另一端连接电压放大器U3的负输入端并接地，电压放大器U3的输出端连接第二运放比较器U4的同相输入端，PWM占空比调节控制器1设置有电动机控制使能输入端1-1。

工作原理：

1、当电机的控制使能信号输入的同时，PWM占空比调节控制器1开始工作。首先控制器输出恒定的PWM信号，保证制动器在正常驱动电压+Vcc下工作时的开启电压。例如驱动电压是28V，而制动器正常工作电压是24V，则输出PWM的占空比24/28＝86％，PWM的输出频率设定为20K。

2、同时电压保护电路开始工作，驱动电源+Vcc经过电阻R1、R2分压后与基准电压+VDD通过运放比较器U1进行比较。当+Vcc的电压小于保护电压时，运放比较器U1输出为低电平0，表明驱动电压输入不正常；反之，运放比较器U1输出为高电平1，表明在此驱动电压下制动器能够工作。

3、接着PWM占空比调节控制器1输出的PWM与电压保护电路(运放比较器U1)输出信号通过两路与门比较器U2；两路与门比较器U2的输出信号经过三极管B1，这是用来增强场效应管B2的驱动能力；驱动信号与驱动电源+Vcc相结合，经过R4、R3分压后驱动场效应管B2，从而驱动永磁式失电制动器2。

4、电压反馈电路主要通过与永磁式失电制动器2相串联一小阻值的电阻R5，通过电压放大器U3放大电压后，与基准电压+VDD通过运放比较器U4相比较，将比较输出送入PWM占空比调节控制器1中用于PWM占空比调节。

5、根据所购买的永磁式失电制动器2设计标准，假设永磁式失电制动器2打开的时间为T，在PWM占空比调节控制器1中设定一个定时器，当永磁式失电制动器2打开时间大于2T时，就可以实时采集运放比较器U4的输出电压，实时自动调节输出的PWM，通过PI(比例积分)控制加前馈补偿就可以实时调节输出的PWM，前馈量设定依据实验确定(举例：以28V驱动电压为例，当制动器离衔铁距离为0.5mm时，所选用制动器的工作电压降低至18V刚好维持制动器正常工作，即选用前馈补偿的PWM占空比18/28＝65％)。而实现了永磁式失电制动器2通电动作后再降低供电电压后还能保持合闸状态的目的。

本发明根据永磁式失电制动器的磁铁与衔铁的距离，依据实验确定永磁制动器的最小合闸电压，当距离越大时其合闸电压越小。通过带前馈的PI控制就能够自动调节制动器的工作电压，降低用电量，为原用电量的75％左右，因此，它有效的节省了用电量(能量)，而能较大幅度的降低机械臂的内部温度。并具有造价成本低廉、结构简单的优点。

附图说明

图1是本发明的整体电路结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、第一运放比较器U1、二路与门比较器U2、电压放大器U3、第二运放比较器U4、三极管B1、场效应管B2、PWM占空比调节控制器1组成；

基准电源+VDD为2.5V～5V之间的稳压直流源。第一运放比较器U1、第二运放比较器U4选用的型号都为LM393，二路与门比较器U2选用的型号为NC7SZ08M5，电压放大器U3选用的型号为INA337，三极管B1选用的型号为BSS138，场效应管B2选用的型号为NTGS3455，PWM占空比调节控制器1选用的型号为FPGA-ALTERA-Cyclone EP1c20，永磁式失电制动器2的型号为KEB COMBIPERM 06.P1.230的无滑环的干式单板摩擦式永磁制动器。

Claims

1、永磁式失电制动器的节电控制装置，它由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、第一运放比较器U1、二路与门比较器U2、电压放大器U3、第二运放比较器U4、三极管B1、场效应管B2、PWM占空比调节控制器(1)组成；

其特征在于电阻R1的一端连接电源+Vcc端，电阻R1的另一端、电阻R2的一端连接第一运放比较器U1的反相输入端，电阻R2的另一端接地，第一运放比较器U1的同相输入端连接第二运放比较器U4的反相输入端并接基准电源+VDD端，第一运放比较器U1的输出端连接二路与门比较器U2的一个输入端，二路与门比较器U2的另一个输入端连接PWM占空比调节控制器(1)的输出端，PWM占空比调节控制器(1)的信号输入端连接第二运放比较器U4的输出端，二路与门比较器U2的输出端连接三极管B1的基极，三极管B1的发射极接地，三极管B1的集电极连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端、电阻R4的一端连接场效应管B2的栅极，场效应管B2的漏极连接电阻R4的另一端并接电源+Vcc端，场效应管B2的源极连接永磁式失电制动器(2)的输入端，永磁式失电制动器(2)的输出端、电阻R5的一端连接电压放大器U3的正输入端，电阻R5的另一端连接电压放大器U3的负输入端并接地，电压放大器U3的输出端连接第二运放比较器U4的同相输入端，PWM占空比调节控制器(1)设置有电动机控制使能输入端(1-1)。