CN107237848B - 基于智能型驱动器的制动器制动力矩调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于智能型驱动器的制动器制动力矩调控方法，包括以下步骤：提供智能型驱动器，开启制动器，通过智能型驱动器逐渐降低制动器其开启装置的输出开启力，以待制动器缓慢闭合；通过膜片开关阵列观测制动器的闭合状况，在满足制动器闭合的条件下，记录下制动器其开启装置的实际输出力大小，根据制动器机械结构中的杠杆比，推算出制动器实际夹紧力的大小；将制动器闭合过程中的实际夹紧力与所要求的夹紧力作对比，调节制动弹簧的预紧量，以增减所述制动器的实际夹紧力；重复上述操作，直至得到制动器满足所要求的夹紧力，结束对制动器其制动力矩的调整。本发明解决了现有技术无法准确设定制动力矩的问题，进一步避免事故隐患。

Description

基于智能型驱动器的制动器制动力矩调控方法

技术领域

本发明属于工业技术领域，涉及一种基于智能型驱动器的制动器制动力矩调控方法。

背景技术

常闭式电力液压或电磁制动器是工业领域内常用的设备，用以对运动部件实施制动，被广泛应用于起重机小车、大车、起升、变幅装置的制动，风电设备制动，船舶抛锚时防止锚链下锤等工业场合。

常闭式制动器的制动力来源于受压缩的制动弹簧所提供的夹紧力，开启力通常来源于电力液压推动器或电磁铁。在失电状态下，制动器因弹簧提供的夹紧力而闭合，夹紧力的大小决定了制动器制动力矩的大小。根据胡克定律，制动弹簧夹紧力与弹簧的预压缩量成正比，比例系数为弹簧刚度。在已知弹簧刚度的条件下，通过观测制动弹簧的预压缩量，即可推断出制动器摩擦副中的夹紧力，这也是目前此类设备制动力矩的普遍调试方法。

如图1所示，其中制动盘1随整机运动副旋转，摩擦材料2安装在可以小范围运动的机架上，制动盘1与摩擦材料2共同构成制动器的摩擦副3，其作用是将运动能量在摩擦副内耗散，并限制制动盘1的运动。常闭式制动器工作时，制动力矩来自摩擦副，其力矩与制动弹簧4提供的夹紧力成正比，制动器开启装置5则为制动器提供开启力，使需要运动副旋转时制动器可以开启。

另一方面，由于弹簧制造过程中选材、加工工艺等原因，同型号不同制动弹簧的刚度也存在差异，其制动弹簧的预压缩量也难以准确观测，实际使用中往往无法准确设定制动力矩，具体表现为制动力矩过大或不足。实际生产中，制动力矩过大带来的最大危害为制动冲击过大，造成传动链中薄弱环节损坏，也容易引起制动器局部迅速升温、烧毁制动器；而制动力不足则更可能导致无法在预设范围内停止载荷运动，或在防风、防滑等特殊应用场合，设备发生不可预期的运动，造成事故。每年，当遭遇实际生产中的极端恶劣工况时，都有因制动器制动力矩不合适而发生的事故。

随着现代装备自动化程度的提高，在工业制动器场合，也希望可以实现对常闭式制动器中间制动过程的控制，使其在传统常闭式制动器仅有开启和闭合两个工作状态的基础上，实现制动中间过程可控。然而，不同于汽车等场合常用的常开式制动器，常闭式制动器中难以精确预知的制动力矩，也是实现类似控制的最大障碍。

综上所述，本技术领域迫切需要一种可以精确测定制动器制动力矩的测定手段，以满足工业应用中对安全、自动化等的实际要求。

发明内容

为克服现有技术所存在的缺陷，现提供一种基于智能型驱动器的制动器制动力矩调控方法，以解决现有技术无法准确设定制动力矩的问题，进一步避免事故隐患。

为实现上述目的，本发明的解决方案是：提供一种基于智能型驱动器的制动器制动力矩调控方法，包括以下关于动力矩调试过程的步骤：

提供智能型驱动器，开启制动器，通过所述智能型驱动器逐渐降低所述制动器其开启装置的输出开启力，以待所述制动器缓慢闭合；

通过膜片开关阵列观测制动器的闭合状况，在满足所述制动器闭合的条件下，记录下所述制动器其开启装置的实际输出力大小，根据制动器机械结构中的杠杆比，推算出制动器实际夹紧力的大小；

将所述制动器闭合过程中的实际夹紧力与所要求的夹紧力作对比，根据实际要求，调节制动弹簧的预紧量，以增减所述制动器的实际夹紧力；

重复上述操作，直至得到所述制动器满足所要求的夹紧力，结束对所述制动器其制动力矩的调整。

优选地，在等待所述制动器缓慢闭合以致观测所述制动器闭合状况的过程具体包括：

通过所述智能型驱动器令所述制动器的开启装置输出全额开启力，令所述制动器处于开启状态；

将所述制动器其开启装置的输出力降低一个小量，并维持该输出力一段时间，期间判断所述制动器的摩擦副是否闭合；

若所述制动器仍处于开启状态，则将所述开启装置的输出力再降低一个小量，并判断所述摩擦副是否闭合；

若所述制动器闭合，则通过所述智能型驱动器记录并存储闭合状态时所述制动器其开启装置的输出力。

优选地，还包括以下关于动力矩控制过程的步骤：

待完成所述调试过程后，根据所述制动器的工作原理，在所述制动器的工作过程中，其摩擦副内实际的夹紧力为制动弹簧夹紧力减去制动器开启装置提供的开启力；

当所述制动器的开启力小于所述制动弹簧的夹紧力时，改变所述制动器的开启力以改变所述摩擦副内的夹紧力及正压力，并根据摩擦定理，所述制动力矩与所述摩擦副的正压力成正比，进而使得所述制动力矩可控。

优选地，所述智能型驱动器包括输入/输出模块、嵌入式控制器、执行模块以及人机接口模块，所述嵌入式控制器根据指令以及预先录入的分析处理程序，分别对电力液压式或电磁式智能型驱动器发出驱动指令，并将其设备运行状态、实际夹紧力以及各类保护反馈信号的信息通过显示设备、总线数据、开关量模拟量信号进行输出。

优选地，所述嵌入式控制器的分析处理程序，在使用过程中独立运行，且通过所述人机接口模块预先录入，以在离线和在线条件下进行编辑、修改和调试。

优选地，所述膜片开关阵列包括膜片开关阵列贴片以及信号采集处理单元，所述膜片开关阵列贴片包括多个膜片开关，每个所述膜片开关包含正负膜片开关电极，当所述膜片开关的两侧均有物体接触时，两侧电极在压力作用下接触，该开关接通；所述膜片开关的电极间设有有绝缘的膜片开关电极弹性支撑，在所述膜片开关的至少一侧没有物体接触时，电极在所述膜片开关电极弹性支撑的作用下相互分离，以致开关断开。

优选地，所述信号采集处理单元用于驱动和采集所述膜片开关阵列的输出开闭状况信号，并根据预先存储的程序，判断所述制动器的摩擦副内各处的开闭状态，再据此判断所述摩擦副的整体开闭状态，最后通过数据总线以及所述输入/输出模块反馈。

优选地，所述制动器的所述摩擦副内通过信号判读装置采集所述膜片开关阵列中各所述膜片开关的通断状态，进而配合程序判断出所述摩擦副的开闭状态，并以开关量、模拟量或总线通讯信号输出。

本发明基于智能型驱动器的制动器制动力矩调控方法的有益效果包括：

1)本发明的调控方法，可以直接测得摩擦副内实际的夹紧力，较之目前在工业实践中普遍使用的通过读取制动弹簧预压缩量推算夹紧力的方法，回避了制动器制动弹簧普遍存在的刚度误差引入的夹紧力推算误差，使制动器制动力矩的测量更为精确；

2)本发明的调控方法利用膜片开关阵列测试制动器开闭状态，体现了制动器摩擦副实际工作过程，可以在已经安装完成的制动器摩擦副内测试夹紧力。与使用压力传感器测试压力的方法相比，膜片开关厚度极薄，无需替换摩擦副中原有器件(压力传感器测试时需要拆除制动盘，换以压力传感器)，操作灵活度明显提高；

3)本发明中的智能型驱动器采用现代信息技术和电力驱动技术，可以令电力液压式和电磁式常闭式制动器的开启装置输出已知、可控的开启力，这相较于传统制动器开闭装置只有开启和闭合两个工作状态，带来很大益处，令对常闭式制动器的控制成为可能，提高了工业应用的灵活度。

附图说明

图1为现有工业用常闭式制动器的结构原理图；

图2为本发明电力液压式智能型驱动器的结构原理图；

图3为本发明电磁式智能型驱动器的结构原理图；

图4为本发明膜片开关阵列其结构原理的侧面示意图；

图5为对应于图4中A方向所指的平面结构示意图；

图6为对应于图5中单个膜片开关的结构示意图；

图7为对应于图6的截面剖视结构示意图；

图8为本发明膜片开关阵列信号采集电路原理图；

图9为本发明制动器制动力矩调控方法的逻辑流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明进一步加以说明。

常闭式制动器制动力矩的调控方法在具体实施过程中，可以具化为常闭式制动器制动力矩的调试方法和制动力矩的控制方法，具体地：

1.常闭式制动器制动力矩调试方法

本发明首先提供了一种基于智能型驱动器的制动器制动力矩调控方法，常闭式自动器制动力矩调控方法的基础，是对制动器制动力矩的调试。如图9所示，为其基本调试流程，具体根据实施的逻辑关联，又分为两层循环：

第一层：(1)在流程开始后，首先使用智能型驱动器令制动器开启装置输出全额开启力，令制动器处于开启状态；(2)将制动器开启装置的输出力降低一个小量，并维持该输出力一段时间，期间判断制动器摩擦副是否闭合；若制动器仍处于开启状态，则将开启装置的输出力再降低一个小量，并判断摩擦副是否闭合；若制动器闭合，则通过智能型驱动器记录并存储闭合状态时候制动器开启装置的输出力；

第二层：(3)在摩擦副闭合后，对比实际得到的输出力与期望设定的制动器夹紧力，若不满足要求，则相应调紧或条送制动弹簧预紧量，重复第一层中步骤(1)和步骤(2)，继续调整；若满足要求，则常闭式制动力矩调试过程完成。

2.常闭式制动器制动力矩的控制方法

在具体调试了常闭式制动器制动力矩后，制动器的夹紧力固定不变且已知。根据常闭式制动器工作原理，制动器工作过程中，摩擦副内实际的夹紧力为制动弹簧夹紧力减去制动器开启装置提供的开启力。当制动器开启力小于制动弹簧夹紧力时，改变制动器开启力即可改变摩擦副内的夹紧力，及正压力。根据摩擦定理，制动力矩与摩擦副正压力成正比，因此制动器制动力矩可控。

由于智能型驱动器可以驱动制动器开启装置输出已知且连续可控的开启力，则制动器输出的制动力矩也已知且连续可控，这构成了制动过程控制的必要条件。

在满足上述条件后，只需根据自动控制原理，应用各类开环、闭环控制算法和控制策略，在连续域或离散域内即可实现对制动过程的控制。

在上述调控方法中，需要使用智能型驱动器和膜片开关阵列两种核心设备，其具体实施过程如下：

3.智能型驱动器

智能型驱动器的功用，为根据输入/输出模块、数据总线和人机接口的指令，依据一定的预先编写的程序驱动常闭式制动器的开启装置输出已知、可控的开启力。其具体结构如图2和图3所示，根据驱动对象不同，又可具体分为电力液压式智能型驱动器(如图2所示)和电磁式智能型驱动器(如图3所示)，其具体实施方式如下：

如图2所示，其中电力液压推动器叶轮8随电力液压推动器电机9转动，搅动油液7随之运动，从而在电力液压推动器活塞6上产生动压，输出开启力。对于确定的电力液压推动器，其开启力的大小与动压成正比，根据伯努利原理，动压与油液的运动速度有关，即与叶轮8和电机9的转速有关。嵌入式控制器12根据来自人机接口11、数据总线14和输入/输出模块13的指令信号，令变频器10输出适当的驱动频率，调节电机9的转速，以获得已知、可控的开启力。同时，嵌入式控制器12亦对显示及人机接口模块11，输入/输出模块13和数据总线14输出相应反馈信息。

如图3所示，其中摩擦材料2安装在衔铁16上，与机架不发生转动，制动盘1与运动副一同转动，制动弹簧4提供夹紧力即制动力矩；电磁铁线圈15为电磁常闭式制动器的开启装置，电磁铁线圈15在通以电流后，其吸合力抵消制动弹簧4的夹紧力，吸引衔铁16向其运动，制动器开启。根据电磁感应定理，电磁铁的吸合力大小与电磁铁线圈15中通的电流成正比。嵌入式控制器12根据来自人机接口11、数据总线14和输入/输出模块13的指令信号，令电子调压器17输出适当的驱动电流，调节电磁铁线圈15中的电流，以获得已知、可控的吸合力。同时，嵌入式控制器12亦对显示及人机接口模块11，输入/输出模块13和数据总线14输出相应反馈信息。

嵌入式控制器12根据来自显示及人机接口模块11、输入/输出模块13和数据总线14的指令，根据预先录入的分析处理程序，对变频器10(电力液压式智能型驱动器)或电子调压器17(电磁式智能型驱动器)发出驱动指令，并将设备运行状态、实际夹紧力、各类保护反馈信号等信息通过显示设备、总线数据、开关量模拟量信号输出。

嵌入式控制器12中的分析处理程序，在使用过程中可以独立运行，且通过显式及人机接口模块11预先录入，并可以在离线和在线条件下编辑、修改、调试。

对电力液压式智能型驱动器而言，其变频器10根据指令输出合适的驱动频率，令电力液压推动器的电机9以所设定的转速运转，使活塞6输出已知、可控的推出力。对电磁式智能型驱动器而言，其电子调压器17根据指令输出合适的驱动电压，对电磁铁线圈15通以适当的电流，使其输出适当的电磁通量，从而使衔铁16上受到的吸合力已知、可控。

4.膜片开关阵列

膜片开关阵列包括膜片开关阵列贴片18和信号采集处理单元/装置26。具体地：

如图4至图7所示，膜片开关阵列贴片18粘贴于制动器摩擦材料2上，位于摩擦副3的制动盘1与摩擦材料2之间。膜片开关阵列包括一组膜片开关19，依照一定规则布置在膜片开关阵列贴片18上。膜片开关19包括膜片开关电极20/21、膜片开关电极连接导线22/23以及膜片开关电极弹性支撑24，当膜片开关19两侧均有物体贴合时，膜片开关电极(+)20和膜片开关电极(-)21相互贴合，开关接通，膜片开关电极连接导线22/23连通；而当膜片开关19至少一侧没有物体贴合时，膜片开关电极(+)20和膜片开关电极(-)21在膜片开关电极弹性支撑24的作用下分离，开关断开，膜片开关电极连接导线22/23切断。因此，使用上述结构的膜片开关阵列可以显示制动器摩擦副的开闭情况。

膜片开关阵列贴片18包括以一定形式布置的膜片开关19，每个膜片开关19包含膜片开关电极(+)20和膜片开关电极(-)21，当膜片开关两侧均有物体接触时，两侧电极在压力作用下接触，该开关接通；膜片开关电极间有绝缘的膜片开关电极弹性支撑24，在膜片开关至少一侧没有物体接触时，电极在弹性支撑24作用下相互分离，该开关断开。膜片开关电极连接导线22/23则将电极与外部电路相连。膜片开关阵列在具体制作时，可以采用光刻、PCB薄板布线等技术，在贴片19上单层、双层或多层铺设上述电极和连接线。

如图8所示，膜片开关阵列贴片18将膜片开关阵列采集信号25传递给膜片开关阵列的信号采集处理单元/装置26，后者通过采集、分析、判断及其他必要数据处理后，将制动器开闭信息通过数据总线14及输入/输出模块13输出。

膜片开关阵列的信号采集处理单元/装置26则用以驱动和采集膜片开关阵列输出的开闭状况信号，并根据预先存储的程序，判断制动器摩擦副内各处的开闭状态，并据此判断摩擦副整体开闭状态，通过数据总线、输入/输出模块反馈。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于智能型驱动器的制动器制动力矩调控方法，其特征在于，包括以下关于动力矩调试过程的步骤：

(1)提供智能型驱动器，开启制动器，通过所述智能型驱动器逐渐降低所述制动器其开启装置的输出开启力，以待所述制动器缓慢闭合；

(2)通过膜片开关阵列观测制动器的闭合状况，在满足所述制动器闭合的条件下，记录下所述制动器其开启装置的实际输出力大小，根据制动器机械结构中的杠杆比，推算出制动器实际夹紧力的大小；

(3)将所述制动器闭合过程中的实际夹紧力与所要求的夹紧力作对比，根据实际要求，调节制动弹簧的预紧量，以增减所述制动器的实际夹紧力；

重复上述操作步骤(1)至(3)，直至得到所述制动器满足所要求的夹紧力，结束对所述制动器其制动力矩的调整。

2.根据权利要求1所述的制动器制动力矩调控方法，其特征在于：在等待所述制动器缓慢闭合以致观测所述制动器闭合状况的过程具体包括：

通过所述智能型驱动器令所述制动器的开启装置输出全额开启力，令所述制动器处于开启状态；

将所述制动器其开启装置的输出力降低一个小量，并维持该输出力一段时间，期间判断所述制动器的摩擦副是否闭合；

若所述制动器仍处于开启状态，则将所述开启装置的输出力再降低一个小量，并判断所述摩擦副是否闭合；

若所述制动器闭合，则通过所述智能型驱动器记录并存储闭合状态时所述制动器其开启装置的输出力。

3.根据权利要求1所述的制动器制动力矩调控方法，其特征在于：还包括以下关于动力矩控制过程的步骤：

待完成所述调试过程后，根据所述制动器的工作原理，在所述制动器的工作过程中，其摩擦副内实际的夹紧力为制动弹簧夹紧力减去制动器开启装置提供的开启力；

当所述制动器的开启力小于所述制动弹簧的夹紧力时，改变所述制动器的开启力以改变所述摩擦副内的夹紧力及正压力，并根据摩擦定理，所述制动力矩与所述摩擦副的正压力成正比，进而使得所述制动力矩可控。

4.根据权利要求2所述的制动器制动力矩调控方法，其特征在于：所述智能型驱动器包括输入/输出模块、嵌入式控制器、执行模块以及人机接口模块，所述嵌入式控制器根据指令以及预先录入的分析处理程序，分别对电力液压式或电磁式智能型驱动器发出驱动指令，并将其设备运行状态、实际夹紧力以及各类保护反馈信号的信息通过显示设备、总线数据、开关量模拟量信号进行输出。

5.根据权利要求4所述的制动器制动力矩调控方法，其特征在于：所述嵌入式控制器的分析处理程序，在使用过程中独立运行，且通过所述人机接口模块预先录入，以在离线和在线条件下进行编辑、修改和调试。

6.根据权利要求2所述的制动器制动力矩调控方法，其特征在于：所述膜片开关阵列包括膜片开关阵列贴片以及信号采集处理单元，所述膜片开关阵列贴片包括多个膜片开关，每个所述膜片开关包含正负膜片开关电极，当所述膜片开关的两侧均有物体接触时，两侧电极在压力作用下接触，该开关接通；所述膜片开关的电极间设有有绝缘的膜片开关电极弹性支撑，在所述膜片开关的至少一侧没有物体接触时，电极在所述膜片开关电极弹性支撑的作用下相互分离，以致开关断开。

7.根据权利要求6所述的制动器制动力矩调控方法，其特征在于：所述信号采集处理单元用于驱动和采集所述膜片开关阵列的输出开闭状况信号，并根据预先存储的程序，判断所述制动器的摩擦副内各处的开闭状态，再据此判断所述摩擦副的整体开闭状态，最后通过数据总线以及输入/输出模块反馈。

8.根据权利要求7所述的制动器制动力矩调控方法，其特征在于：所述制动器的所述摩擦副内通过信号判读装置采集所述膜片开关阵列中各所述膜片开关的通断状态，进而配合程序判断出所述摩擦副的开闭状态，并以开关量、模拟量或总线通讯信号输出。