CN104245251A - 用于机械臂的电子紧急-停止制动电路 - Google Patents

Abstract

一种用于在电力故障时制动周期性旋转的电机的系统的典型实施例，包括：(i)电荷存储电路，用于存储电荷并且在电力故障时将所存储的电荷转换为输出电压；(ii)一个或多个无源电气元件，用于传导电机旋转所感应的电流；以及(iii)电压致动电路，连接至所述无源电气元件和所述电荷存储电路，用于在电机旋转每半个周期时制动所述电机。所述电路是待用的，直到在电力故障时被所述电荷存储电路致动。

Description

用于机械臂的电子紧急-停止制动电路

相关申请

本申请要求2012年4月13日提交的美国专利申请No.13/446,650的权益和优先权，其全部公开通过引用包含于此。

技术领域

在各个实施例中，本发明总地涉及在自动化工业系统中用于产生紧急-停止制动的电子电路。

背景技术

已经在许多工业和制造业环境中配置了自动装置以提高可靠性并节约成本。用于在不同位置之间移动工具的机械臂通常被旋转电机经由低摩擦变速箱驱动。低摩擦变速箱以高输出效率转换旋转运动，但是一般允许电机在紧急停止之后或者电力中断时继续运动足够的时间。此外，低摩擦变速箱可导致如下情况：在紧急停止或电力故障时处于静态位置的上升的机械臂在重力的作用下下降，并可能引起设备损坏或者伤害人类。因此，用于机械臂的电机可以装配有紧急-停止制动器以避免这些危害。

通常，一种类型的紧急-停止制动器使用具有弹簧负载的机电摩擦装置；通过螺线管控制摩擦装置的位置。在紧急停止或者电力损失时，电流停止流过螺线管，引起制动器的啮合并因此使电机停止。然而，这些机电制动器一般在很短的时间内“锁定”电机并且会使位于邻近空间的人类操作者受困。虽然可以使用二次安全电路释放制动器，但是也有可能在释放发生之前伤害操作者。此外，因为二次安全释放电路通常是电池供电的，所以其可靠性降低。另外，机电电机制动器和/或二次安全电路增加了机械系统的重量和成本。

另一制动方法是在紧急情况或电力故障时使电机短路；短路的电机在有限的机械磨损下逐渐变慢。这种方法可以减少使人类操作者受困的风险，并因此避免使用二次安全电路以释放制动器。然而，在紧急停止或电力损失时，通常需要额外的独立的电源(例如，电池)给用于控制和支持制动电路的控制逻辑电路供电(或者直接使电机短路)。额外电源的维护和附加成本体现了使用这种方法的缺点。

因此，需要一种不需要额外的独立的电源就能在紧急停止或电力故障时逐渐降低电机的速度从而防止人类受困的电机制动器。

发明内容

本发明的实施例利用当紧急停止或电力故障时转换为输出电压的存储电荷引起电机制动；输出电压使一个或多个电机绕组短路，从而使电机的速度逐渐降低。这允许电机驱动的机械臂缓慢地返回至重力中间位置和/或允许电机通过对机械臂施加外力而旋转(即，电机的反向驱动)，而不会使人类操作者受困。在一些实施例中，电压致动电路通过电荷存储电路中的存储电荷启动。在电力故障时，电荷存储电路提供电力以使制动电路运行，而无需额外的电源来支持电压驱动电路的启动。此外，通过在电压致动电路和电荷存储电路中使用紧凑且廉价的电子元件，大大降低了系统的重量和成本，同时在紧急情况或者电力故障时电机制动器保持可靠。

因此，在一个方面，本发明涉及一种用于在电力故障时制动周期性旋转的电机的无动力制动系统。在各个实施例中，系统包括电荷存储电路，其用于存储电荷并且在电力故障时将所存储的电荷转换为输出电压；一个或多个无源电气元件，其用于传导电机旋转所感应的电流；以及电压致动电路，其连接至无源电气元件和电荷存储电路，用于制动电机。电压致动电路是待用的，直到在电力故障时被电荷存储电路致动。在一个实施方式中，电压致动电路通过使电流流过电机绕组来使电机绕组短路，从而制动电机。电压致动电路可以每隔电机旋转的半周期或者在电机旋转的整个工作周期被启动。电荷存储电路可以包括电容器；无源电气元件可以包括二极管；以及电压致动电路可以包括晶体管。在一些实施例中，电荷存储电路包括具有击穿电压阈值的齐纳二极管和一个或多个晶体管，晶体管是待用的，直到被高于齐纳击穿阈值电压的足够的电压致动。

在一些实施例中，系统还包括具有多个晶体管的桥式逆变器，晶体管在电力故障时停用。系统还可以包括逻辑门，其通过控制器和/或指示电力状态的信号来调节，以控制电压致动电路的启动和停用。当逻辑门的输出低于预定的最小电压阈值时，电压致动电路可以被启动，而当逻辑门的输出高于预定的最大电压阈值时，电压致动电路可以停用。

在第二方面，本发明涉及一种在电力故障时产生电机制动的方法。该方法包括将电荷存储在电荷存储元件中，在电力故障时将所存储的电荷转换为输出电压，以及施加电压以通过使电流流过电机绕组来使电机绕组短路，从而制动电机。电机绕组可以每隔电机旋转的半周期或在电机旋转的整个工作周期被短路。在一个实施例中，当电机旋转的速度高于阈值时，电机绕组被短路。

如本文所使用的，术语“大约”意指±10％，在一些实施例中，意指±5％。在整个说明书中引用的“一个示例”、“示例”、“一个实施例”或者“实施例”意指关于该示例所描述的特定特征、结构、或特性包含在当前技术中的至少一个示例中。因此，在整个说明书中各个地方出现的措辞“一个示例中”、“示例中”、“一个实施例”或者“实施例”不必完全指同一个示例。此外，特定的特征、结构、程序、步骤或特性可以以任意合适的方式组合在本技术的一个或多个示例中。本文所提供的标题仅仅为了方便，而不意于限制或者解释要求保护的技术的范围或含义。

附图说明

在附图中，类似的附图标记通常指在不同的视图中的相同的部分。同时，附图不必依比例，其重点通常在于示出本发明的原理。在下面的描述中，参照下面的附图说明本发明的各个实施例，其中：

图1A示意性示出了由电源电路和控制单元调节的电机驱动的机械臂；

图1B示出了给电机提供电力的部分电源电路；

图2示出根据本发明的实施例的在紧急停止或电力故障时产生电机的制动的制动电路；以及

图3示出应用于双电机驱动系统中的制动电路。

具体实施方式

首先参考图1A，其示出了具有机械臂关节102的机械系统100，机械臂关节102被电机104经由变速箱106驱动。电机104的旋转在变速箱106中产生低摩擦运动并且被转换为机械关节102的期望运动以实施物理操作。电机104可以是，例如，单相、双相、或三相AC永磁(PM)电机或者DC PM电机(例如三相无刷DC电机)。在各个实施例中，电机104由电源电路108致动，电源电路108由电源110(例如，110伏或220伏的AC电压)支持并且由控制单元112调节。控制单元112支配电机旋转的速度和方向以在实施机械动作时控制机械臂的不同运动自由度。参照图1B，在一些实施例中，电源电路108包括具有桥式电路(例如，H桥)的逆变器114，逆变器114将输入的DC电压转换为具有可调振幅和频率的输出的AC电压；然后，转换得到的输出电压从桥式电路馈送给电机104以引起旋转。虽然为了简便在此描述了单相电机，但是其他类型的电机(例如双相和三相电机)也在本发明的范围内。

所示的桥式电路具有第一半桥116和第二半桥118，每一个半桥分别具有两个半导体开关120、122和124、126。如果在半导体开关中使用PNP晶体管，可能需要关联的抑制二极管(未示出)来保护电路。在优选实施例中，半导体开关通过N通道电源MOSFET 128实现，如图1C所示；抑制二极管被MOSFET内部的“体二极管”和装置结构的副产品代替。当开关122和124启动而开关120和126停用时，在电机104上施加正电压；当开关120和126启动而开关122和124停用时，电压反转，允许电机的反转运行。由此，电机104的电压极性在所施加的电力循环过程中交替变化。在一些实施例中，电源电路108包括电荷存储电路130以在电源接通(即，电机104装配有电源)时存储电荷；所存储的电荷可以在紧急停止或电力故障时用于支持制动。电荷存储电路130可以具有，例如，一个或多个电容器或能够存储电荷或电能的其他装置。

在紧急停止(“estop”)或电力损失时，由于电力损失而使第一和第二半桥中的半导体开关停用(或关闭)，并且电机系统的电源电路被禁用。参照图2A，电机系统200可以包括下文进一步描述的紧急制动电路202。在各个实施例中，在电机系统200中应用接收电路208以从心跳振荡电路或操作者致动的estop(未示出)接收指示estop或电力故障的紧急信号。接收电路208随后将信号传输至一对施密特触发器门210、212。施密特触发器门210、212通常输出恒定电压，除非输入电压信号变化足以(即，下降至低于预定的阈值)触发改变；施密特触发器门210、212基本上不受噪声的影响。因此，当它们从接收电路208接收到低于阈值的电压信号时，施密特触发器门210、212输出逻辑低的信号以关闭半导体开关214。本地控制器216可以基于其故障检测功能在本地产生ESTOP_ASSET信号218并且将ESTOP_ASSET信号218传输至施密特触发器门212以启动制动电路202。此外，本地控制器126可以在心跳信号中止时通过门220感测远程estop状况信号。在一个实施例中，门220用于模拟开关214的启用和禁用时间。

半导体开关214控制紧急制动电路202的启动和停用。在半导体开关214启动时(即，电机204被电源电路驱动，如上所述)，提供至紧急制动电路202的电压将不足以启动它；而在半导体开关214停用时，存储在电荷存储电路222中的电荷被转换成足以启动紧急制动电路202的输出电压。在一个实施例中，紧急制动电路202包括FET并且从电荷存储电路222向FET的门接线端提供电压，由此启动FET开关。在所示的实施例中，紧急制动电路202连接至桥式电路226中的抑制二极管或体二极管224从而产生电机绕组的短路路径。在紧急停止或电力损失时，电机204由于惯性继续旋转；电机旋转感应的电流流过抑制二极管或体二极管224以及紧急制动电路202以使能量耗散从而产生电机制动。因为制动电路202连接至桥式电路中的仅仅一个抑制二极管或体二极管，所感应的电流每隔电机旋转的半周期被导离(并且施加制动)。这种制动的方法具有比整周期制动的方法(整个工作周期)小的工作周期，因此允许电机逐渐地变慢和/或响应于反向驱动。在一些实施例中，制动电路202包括一对晶体管，每一个晶体管连接至桥式电路226中的抑制二极管或体二极管以施加整个工作周期的制动。因此，电机驱动的机械臂可以逐渐地返回至安全重力中间位置并且可以通过外力移动以避免人类操作者受困。施加制动直到不再有通过电机旋转感应的电流(即，电机完全停止)以确保电机系统100的安全。此外，因为制动转矩由电机旋转自感应的电流环流产生，所以制动转矩正比于电机的旋转速率。当制动高速旋转的电机时产生大的转矩，而当制动以低速运行的电机时产生小的转矩。这进一步确保了电机系统200的安全性。

在各个实施例中，紧急制动电路202中的FET与切换通过电机204的驱动电流的半导体晶体管开关(例如，图1B中的120、122、124和126)分开；这使得使制动电路202运行需要明显较少的能量(与将紧急制动电路并入半导体开关相比)，并且制动电路202的运行将在电力损失时更容易维持。在一个实施例中，电荷存储电路222包括电容器和二极管，它们向紧急制动电路202中的FET稳定地提供门电压(例如，大约8.2V)以在紧急停止或电力故障时维持FET门电压。如下的其他电子电路在本发明的范围内：在常规机械操作过程中(即，电源接通)存储电荷或能量并且提供所存储的电荷或能量以启动紧急制动电路202来产生电机制动，而不需要启动桥式电路中的半导体开关。在各个实施例中，仅向快速旋转的关节施加紧急制动。参照图2B，电荷存储电路228可以包括齐纳二极管230和两个晶体管232、234，齐纳二极管230具有例如8.2V的击穿电压。对于缓慢旋转的关节，电机电源总线236的输出通常低于齐纳击穿阈值电压；因此晶体管232关闭。然而，如果关节被足够快地反向驱动而再生高于齐纳击穿阈值电压的足够的电压，电流可以开始流过开关晶体管234的BE结，由此导通晶体管232并且给电容器238充电。然后，经充电的电容器238可以向制动电路202中的FET稳定地提供门电压，如上所述。

参照图3，上述紧急制动电路可以应用在双电机驱动系统300中。检测双电机驱动板303的电力状态的电压信号302和经由驱动板303被本地控制器(未示出)调节的信号304通过一对串联的与非(NAND)门306、308(其可以是施密特触发器门)进行“或”运算。NAND门306、308的输出信号被反馈给双电机驱动板303并且传输至两个半导体开关310、312。开关310、312各自控制紧急制动电路314、316的启动或停用，从而分别制动两个电机318、320。在检测到来自信号302或从本地控制器传输的紧急信号304的电力故障时，半导体开关310、312被关闭并且电荷存储电路322将所存储的电荷转换成用于启动紧急制动电路314、316的输出电压。此外，由两个电机旋转感应的电流可以随后沿着启动的紧急制动电路314、316及其所连接的抑制二极管或体二极管(未示出)再循环，由此使电机绕组短路并且使电机318、320的旋转能量耗散。开关310、312可以在电荷存储电路322的放电过程中吸收峰值电流脉冲(大约300mA)以避免损坏紧急制动电路314、316。在一个实施例中，紧急制动电路314、316分别通过电阻器(具有大约100kΩ的电阻)324、326的充电时间比停用电源桥式电路的禁用时间(大约120ns)慢很多。因此，仅仅在电机损失来自电源桥式电路的电力之后启动制动系统。在一些实施例中，紧急制动电路314、316被设计为使启动时间大约在40ns以内，小于在电源桥式电路中启用半导体开关的最小时间(大约60ns)；这防止紧急制动电路314、316和电源桥式电路中的开关的同时启动，由此确保对电机318、320施加制动。此外，制动电路中使用的电子元件是鲁棒的并且可以具有紧凑的包装和低的成本，从而使电机系统中实施的制动电路是可靠并且经济的。

在各个实施例中，本地控制器可以被提供为软件、硬件或者它们的一些组合。例如，控制器可以是嵌入式微处理器。在一个实施例中，电机控制器包括ARM-9核微控制器、机载RAM和闪速存储器。其他为了电机控制被最优化的和提供必要的外部设备的微控制器(例如脉宽调制定时器)也在本发明的范围内。在另一实施例中，控制器在一个或多个服务器式计算机上实现，所述服务器式计算机例如为具有包含一个或多个处理器的CPU板的PC，所述处理器例如加利福尼亚州圣克拉拉的Intel公司制造的Core Pentium或Celeron系列处理器和伊利诺斯州绍姆堡的Motorola公司制造的POWER PC系列处理器，和/或加利福尼亚州桑尼维尔的AdvancedMicro Devices公司制造的ATHLON线处理器。处理器还可以包括用于存储关于上述方法的程序和/或数据的主存储器单元。存储器可以包括：存在于常用硬件上的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和/或闪速存储器，例如：一个或多个专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)，或者可编程逻辑器件(PLD)。在一些实施例中，可以使用诸如光盘、磁盘和其他常用存储设备的外部RAM和/或ROM提供程序。

对于本地控制器被提供为软件程序的实施例，可以用诸如FORTRAN、PASCAL、JAVA、C、C++、C#、LISP、PERL、BASIC、PYTHON或者任意合适的编程语言的多种高级语言中的任意一种来写程序。此外，软件可以用针对存在于目标设备中的微处理器的汇编语言和/或机器语言来实施。

本文应用的术语和表达用作说明书的术语和表达，并非限制，并且在使用这些术语和表达时也不意于排斥所展示和描述的特征或者其部分的任何等同。此外，已经描述了本发明的特定实施例，对本领域普通技术人员来说，包含本文所公开的构思的其他实施例在不背离本发明的精神和范围的前提下也可以使用。因此，所述的实施例被认为是在所有方面仅作为说明，而不是限制。

Claims (17)

1.一种用于在电力故障时制动周期性旋转的电机的无动力制动系统，所述系统包括：

电荷存储电路，用于存储电荷并且在电力故障时将所存储的电荷转换为输出电压；

至少一个无源电气元件，用于传导电机旋转所感应的电流；以及

电压致动电路，连接至所述无源电气元件和所述电荷存储电路，用于制动所述电机，所述电路是待用的，直到在电力故障时被所述电荷存储电路致动。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电压驱动电路通过使电流流过电机绕组来使所述电机绕组短路，从而制动所述电机。

3.根据权利要求1所述的系统，还包括具有多个晶体管的桥式逆变器，其中，所述晶体管在电力故障时停用。

4.根据权利要求1所述的系统，还包括逻辑门以控制所述电压致动电路的启动和停用。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述逻辑门通过至少一个控制器或者指示电力状态的信号来调节。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，当所述逻辑门的输出低于预定的最小电压阈值时，所述电压致动电路被启动。

7.根据权利要求5所述的系统，其中，当所述逻辑门的输出高于预定的最大电压阈值时，所述电压致动电路停用。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电荷存储电路包括电容器。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述无源电气元件包括二极管。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电压致动电路包括晶体管。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电压致动电路每隔电机旋转的半周期被启动。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电压致动电路在电机旋转的整个工作周期被启动。

12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电荷存储电路包括具有击穿电压阈值的齐纳二极管和至少一个晶体管，其中所述至少一个晶体管是待用的，直到被高于所述齐纳击穿阈值电压的足够的电压致动。

13.一种在电力故障时产生电机制动的方法，所述方法包括：

将电荷存储在电荷存储元件中；

在电力故障时将所存储的电荷转换为输出电压；以及

施加电压以通过使电流流过电机绕组来使所述电机绕组短路，从而制动所述电机。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述电机绕组每隔电机旋转的半周期被短路。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述电机绕组在电机旋转的整个工作周期被短路。

16.根据权利要求13所述的方法，其中，当电机旋转的速度高于阈值时，所述电机绕组被短路。