CN109933100B - 一种积放控制的制动系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于物流技术领域，具体涉及一种积放控制的制动系统及方法。包括：驱动器，用于根据接收到的脉宽调制信号输出对应的驱动电流至电机；控制器，用于输出脉宽调制信号至所述驱动器；所述控制器，包括用于控制电机减速运行的减速模块、用于控制电机刹车的刹车模块；所述控制器在接收到所述外部制动信号时，首先通过所述减速模块控制电机转子减速运行预设圈数，再通过所述刹车模块控制电机刹车至锁定位置。控制器接到光电信号控制电机先减速运行，使高速运行的电机转速降低以后再对位置锁死进行刹车，既增加了整个系统的定位精度，又满足高速积放运行控制要求。

Description

一种积放控制的制动系统及方法

技术领域

本发明属于物流技术领域，具体涉及一种积放控制的制动系统及方法。

背景技术

电商以及物流企业日处理货物流量越来越大，对输送线输送速度要求越来越高。目前国内外物流积放输送线的输送速度大都在70m/min以下，己越来越不能满足日益增长的流量输送要求。小功率直流伺服电机的刹车制动力有限，当运输的货物重量大于30kg，体积较小、输送速度大于70m/min时，货物从运行到停止所需的制动距离大于300mm，超过货物长度所允许的制动距离，导致货物不能准确停留在指定的刹车位置，无法准确对输送线上货物定位追踪，导致控制错误，致使货物堵塞，造成控制系统失灵，制约行业向高速高效发展。

现有技术中有采用包括位置环控制电路、速度环控制电路和电流环控制电路的三环控制方式控制伺服电机，能够提供足够的刹车驱动力，使用位置模式控制在低速情况下虽可锁定刹车位置。但在货物重量大于30Kg、运输速度大于70m/min的情况下刹车制动，货物的惯性及反向电动势（最高可达母线电压的2倍，此时可能会造成电源的损坏）的冲击会给制动距离和系统稳建造成影响。所以要求既要消除惯性和反电动势干扰，又要使系统平稳快速刹车，普通控制方式难以实现。

发明内容

本申请为了解决上述技术问题，提出了一种积放控制的制动系统，其特征在于，包括：

驱动器，用于根据接收到的脉宽调制信号输出对应的驱动电流至电机；

控制器，用于输出脉宽调制信号至所述驱动器；

所述控制器，包括用于控制电机减速运行的减速模块、用于控制电机刹车的刹车模块；

所述控制器在接收到所述外部制动信号时，首先通过所述减速模块控制电机转子减速运行预设圈数，再通过所述刹车模块控制电机刹车至锁定位置。

上述技术方案中，在积放输送线上货物触发传感器模块发信号给控制器，控制器接到光电信号控制电机先减速运行，使高速运行的电机转速降低以后再对位置锁死进行刹车，既减少惯性又消除大的反电动势，使得货物能够精确停止在指定位置，既增加了整个系统的定位精度，又满足高速积放运行控制要求。

作为优选，所述减速模块用于输出第一脉宽调制信号U₁至所述驱动器；其中，U₁（t）=U₁（t-1）-U_ctrl。

作为优选，所述刹车模块用于输出第二脉宽调制信号U₂至所述驱动器； 所述刹车模块包括位置环控制电路、速度环控制电路、电流环控制电路；所述位置环控制电路根据位置给定值P₀、电机当前位置P_t，基于PID算法控制输出至速度环控制电路的速度给定值V₀；所述速度环控制电路用于根据速度给定值V₀、电机当前转速V_t，控制输出至电流环控制电路的电流给定值I₀；所述电流环控制电路用于根据电流给定值I₀、电机当前电流I_t，控制输出至所述第二脉宽调制信号U₂；其中，所述位置给定值P₀对应于所述锁定位置。

作为优选，所述控制器还包括计算模块；所述计算模块，用于根据所述外部制动信号和电机当前位置P_t计算所述位置给定值P₀。

作为优选，所述控制器在接收到所述外部制动信号时，首先通过所述减速模块控制电机转子减速运行一圈，再通过所述刹车模块控制电机刹车至锁定位置。

作为优选，所述驱动器包括保护单元；所述保护单元用于在检测到母线电压大于预设值时接入泄放电阻。

作为优选，所述驱动器包括能量回收单元。

本发明还提供了一种积放控制的制动方法，其特征在于，包括：

减速步骤，控制电机减速运行预设圈数；

刹车步骤，控制电机刹车至锁定位置。

上述技术方案中，在积放输送线上货物触发传感器模块发信号给控制器，控制器接到光电信号控制电机先减速运行，使高速运行的电机转速降低以后再对位置锁死进行刹车，既减少惯性又消除大的反电动势，使得货物能够精确停止在指定位置，既增加了整个系统的定位精度，又满足高速积放运行控制要求。

作为优选，所述减速步骤中，输出第一脉宽调制信号U₁至所述驱动器；其中，U₁（t）=U₁（t-1）-U_ctrl。

作为优选，所述刹车步骤中，输出第二脉宽调制信号U₂至所述驱动器；所述刹车步骤中，采用位置环控制电路、速度环控制电路和电流环控制电路控制电机刹车至锁定位置；所述位置环控制电路根据位置给定值P₀、电机当前位置P_t，基于PID算法控制输出至速度环控制电路的速度给定值V₀；所述速度环控制电路根据速度给定值V₀、电机当前转速V_t，控制输出至电流环控制电路的电流给定值I₀；所述电流环控制电路根据电流给定值I₀、电机当前电流I_t，控制输出至所述第二脉宽调制信号U₂；其中，所述位置给定值P₀对应于所述锁定位置。

本申请具有下述有益效果：

1.上述技术方案中，在积放输送线上货物触发传感器模块发信号给控制器，控制器接到光电信号控制电机先减速运行，使高速运行的电机转速降低以后再对位置锁死进行刹车，既减少惯性又消除大的反电动势，使得货物能够精确停止在指定位置，既增加了整个系统的定位精度，又满足高速积放运行控制要求。

2.刹车模块通过位置环对电机进行PID调节，能够减少位置跟踪的稳态误差，减少反向电动势。

3.刹车产生的反电动势电流通过泄放电阻释放，减小反电动势的冲击，更加安全。

附图说明

图1本发明的实施例一的驱动装置示意图。

具体实施方式

这里使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不意图限制本发明。 除非另外定义，否则本文使用的所有术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。 将进一步理解的是，常用术语应该被解释为具有与其在相关领域和本公开内容中的含义一致的含义。 本公开将被认为是本发明的示例，并且不旨在将本发明限制到特定实施例。

实施例一

一种积放控制的制动系统，适用于采用输送线对机场、码头、工厂自动化等场合的标准件进行积放运输的场合。能够在输送线处于高速输送的情况下，将已知外形的货物准确的停留在传感器模块的位置上，从而实现对输送线上货物的精确定位追踪，降低系统控制失败率，减少输送货物堵塞。

本实施例的驱动装置包括驱动器和控制器。驱动器，用于根据接收到的脉宽调制信号输出对应的驱动电流至电机以控制电机的转动。脉宽调制信号可以为SPWM信号或者SVPWM信号，本实施例中采用SVPWM信号进行调制。驱动器的功率逆变器根据输入的SVPWM输出对应的三相交流电至电机，以驱动电机转动。

控制器包括外部信号输入端口用于接收安装在积放输送线上感应货物位置的位置传感器的信号。例如，位置传感器可以为安装在积放输送线上对应位置的光电传感器，当货物被光电传感器检测到时，光电传感器发送外部制动信号至控制器，控制器在接收到光电传感器发送的外部制动信号以后进行制动，使得货物中心刚好停止在光电传感器的位置上。

控制器包括减速模块和刹车模块，减速模块输出第一脉冲调制信号U₁至驱动器以控制电机减速运行；刹车模块输出第二脉冲调制信号U₂至驱动器以控制电机执行刹车操作，使得电机刹车在锁定位置。本实施例中电机的锁定位置是指使得运输线上的货物中心恰好位于光电传感器上时的电机位置。

控制器在接收到外部制动信号时，首先通过减速模块控制电机转子减速运行预设圈数，使得高速运行的电机转速降低至某一低速度值。再通过刹车模块控制电机刹车至锁定位置。

减速模块输出的第一减速模块输出第一脉宽调制信号U₁为：

U₁（t）=U₁（t-1）-U_ctrl

其中，U₁（t）为t时刻的输出，U₁（t-1）为t-1时刻的输出，U_ctrl为预设的常量。因此，第一脉宽调制信号U₁能够用于输出的负控制量给驱动器，使得电机线性减速。U_ctrl可以为预设的一个或者多个减速常量中的一个或者多个。U_ctrl和减速运行的圈数也可以根据积放传输线的运行速度来确定，来使得减速模块控制电机转子减速运行以后积放传输线的运行速度低于70m/min（例如50m/min）。本实施例中，U_ctrl为预设的多个减速常量中的最大值，控制器在接收到外部制动信号时，通过减速模块控制电机转子减速运行一圈再进行刹车，使得电机能够在刹车之前尽快脱离高速运行的状态。控制器通过安装在电机上的转子位置传感器（例如，光编码器或者磁编码器）检测电机位置及旋转角度。控制器在接收到外部制动信号时，首先启动减速模块控制电机转子减速运行，同时通过转子位置传感器检测电机转动圈数，当电机转动圈数达到预设圈数时切换至刹车模块进行控制，由刹车模块输出第二脉宽调制信号U₂至驱动器。作为优选，控制器还包括计算模块，用于根据转子位置传感器计算电机的转子位置及旋转角度，根据安装在电机上的电流传感器计算电机电流大小。

刹车模块包括位置环控制电路、速度环控制电路、电流环控制电路，采用三环控制结构进行控制。其中，电流环是内环，速度换和位置环是外环。当电机转动圈数达到预设圈数时，控制器还通过计算模块计算货物的当前位置与锁定位置之间的距离，并根据该距离计算锁定位置对应的位置给定值发送给位置环控制电路。位置环控制电路根据位置给定值P₀、电机当前位置P_t（由计算模块根据转子位置传感器的检测结果计算得出），基于PID算法控制输出至速度环控制电路的速度给定值V₀。

速度环控制电路根据位置环控制电路输出的速度给定值V₀、电机当前转速V_t（由计算模块根据转子位置传感器的检测结果计算得出），控制输出至电流环的电流给定值I₀。速度换控制电路可以采用PID算法控制输出的电流给定值I₀，也可以仅仅根据PD算法控制输出的电流给定值I₀。采用PD算法可以避免调整过量的情况，提高控制的响应速度。

电流环控制电路根据速度环控制电路输出的电流给定值I₀、电机当前电流I_t（由计算模块根据电流传感器的检测结果计算得出），控制输出至第二脉宽调制信号U₂。电流控制电路可以采用PID算法控制输出的第二脉宽调制信号U₂，或者根据电流给定值I₀与电机当前电流I_t之间的偏差大小的不同采用不同的算法进行控制，例如：

当电流给定值I₀与电机当前电流I_t之间的偏差大于预设偏差i₁时，采用线性算法控制U₂（t）=U₂（t-1）-U_ctrl ^‘，其中U_ctrl ^‘为预设常量。

当电流给定值I₀与电机当前电流I_t之间的偏差小于预设偏差i₁时，采用PD算法控制。

当电流给定值I₀与电机当前电流I_t之间的偏差小于预设偏差i₂时，采用PID算法，使得控制具有较高稳定性，其中i₁> i₂。

作为优选，驱动器还包括保护单元。如图1所示，保护单元在检测到母线电压大于预设值时接入泄放电阻R。

作为优选，驱动器还包括能量回收单元，用于回收刹车时的能量。

基于本实施例驱动装置的驱动方法，包括：

减速步骤，控制电机减速运行预设圈数。控制器在接收到外部制动信号时，通过减速模块控制电机转子减速运行一圈再进行刹车，使得电机能够在刹车之前尽快脱离高速运行的状态。

刹车步骤，控制电机刹车至锁定位置。控制器通过安装在电机上的转子位置传感器（例如，光编码器或者磁编码器）检测电机位置及旋转角度。控制器在接收到外部制动信号时，首先启动减速模块控制电机转子减速运行，同时通过转子位置传感器检测电机转动圈数，当电机转动圈数达到预设圈数时切换至刹车模块进行控制，由刹车模块输出第二脉宽调制信号U₂至驱动器。

基于本实施例的驱动装置和驱动方法，在能够实现重量大于30kg的标准件在70-120m/min速度下的高速积放传输，不仅解决了目前制约物流自动化高速积放运行控制的瓶颈，也为物流积放运行控制提供了一种低成本控制装置。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域普通技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改。

Claims (9)

1.一种积放控制的制动系统，其特征在于，包括：

驱动器，用于根据接收到的脉宽调制信号输出对应的驱动电流至电机；

控制器，用于输出脉宽调制信号至所述驱动器；

所述控制器，包括用于控制电机减速运行的减速模块、用于控制电机刹车的刹车模块；

所述控制器在接收到外部制动信号时，首先通过所述减速模块控制电机转子减速运行预设圈数，再通过所述刹车模块控制电机刹车至锁定位置；

所述控制器在接收到所述外部制动信号时，首先通过所述减速模块控制电机转子减速运行一圈，再通过所述刹车模块控制电机刹车至锁定位置。

2.根据权利要求1所述的一种积放控制的制动系统，其特征在于：

所述减速模块，用于输出第一脉宽调制信号U₁至所述驱动器；

其中，U₁（t）=U₁（t-1）-U_ctrl；

所述U₁（t）为t时刻的输出，所述U₁（t-1）为t-1时刻的输出，所述U_ctrl为预设的常量。

3.根据权利要求2所述的一种积放控制的制动系统，其特征在于，包括：

所述刹车模块，用于输出第二脉宽调制信号U₂至所述驱动器；

所述刹车模块包括位置环控制电路、速度环控制电路、电流环控制电路；

所述位置环控制电路，用于根据位置给定值P₀、电机当前位置P_t，基于PID算法控制输出至速度环控制电路的速度给定值V₀；

所述速度环控制电路，用于根据速度给定值V₀、电机当前转速V_t，控制输出至电流环控制电路的电流给定值I₀；

所述电流环控制电路，用于根据电流给定值I₀、电机当前电流I_t，控制所述第二脉宽调制信号U₂；

其中，所述位置给定值P₀对应于所述锁定位置。

4.根据权利要求3所述的一种积放控制的制动系统，其特征在于：

所述控制器，还包括计算模块；

所述计算模块，用于根据所述外部制动信号和电机当前位置P_t计算所述位置给定值P₀。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种积放控制的制动系统，其特征在于：

所述驱动器，包括保护单元；

所述保护单元，用于在检测到母线电压大于预设值时接入泄放电阻。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的一种积放控制的制动系统，其特征在于：

所述驱动器，包括能量回收单元。

7.一种积放控制的制动方法，应用于权利要求1-6中任一项所述的制动系统；其特征在于，包括：

减速步骤，控制电机减速运行预设圈数；

刹车步骤，控制电机刹车至锁定位置。

8.根据权利要求7所述的一种积放控制的制动方法，其特征在于：

所述减速步骤中，输出第一脉宽调制信号U₁至所述驱动器；

其中，U₁（t）=U₁（t-1）-U_ctrl；

所述U₁（t）为t时刻的输出，所述U₁（t-1）为t-1时刻的输出，所述U_ctrl为预设的常量。

9.根据权利要求8所述的一种积放控制的制动方法，其特征在于：

所述刹车步骤中，输出第二脉宽调制信号U₂至所述驱动器；

所述刹车步骤中，采用位置环控制电路、速度环控制电路和电流环控制电路控制电机刹车至锁定位置；

所述位置环控制电路根据位置给定值P₀、电机当前位置P_t，基于PID算法控制输出至速度环控制电路的速度给定值V₀；

所述速度环控制电路根据速度给定值V₀、电机当前转速V_t，控制输出至电流环控制电路的电流给定值I₀；

所述电流环控制电路根据电流给定值I₀、电机当前电流I_t，控制所述第二脉宽调制信号U₂；

其中，所述位置给定值P₀对应于所述锁定位置。

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