CN109994299A - 一种恒流抱闸系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于舵机抱闸系统设计领域，提供了一种恒流抱闸系统，其包括依序串接于电源端和地线之间的抱闸器和开关单元，还包括电流检测单元以及负反馈调节单元；通过负反馈调节单元反馈调节流经抱闸器的电流，使其始终工作于最优工作电流的恒定状态；并在抱闸器发生短路时，控制开关单元关断以保护抱闸系统，从而延长了系统寿命，降低了故障率，提高了系统的自保能力以及工作可靠性。
Description
技术领域
本发明属于舵机抱闸系统设计领域，尤其涉及一种恒流抱闸系统。
背景技术
中大型机器人的舵机系统中一般都设有抱闸，舵机正常工作时，抱闸松开，而当舵机断电时，抱闸抱紧，使机器人关节不会因为系统断电而自然下垂或倒下。
传统的抱闸系统采用电流开环控制，并不能够保证抱闸器始终工作于恒流受控状态，当流经抱闸器的电流过大时，温度上升过高容易损伤器件从而导致抱闸器寿命大大缩短。此外，当抱闸器由于外界原因短路时，抱闸系统无自保功能，由于电流突然增大，其周边元器件很容易被大面积损坏。抱闸系统故障会使机器人关节无法实现抱闸而变形垂落，导致机器人倒下造成其他部件的损坏，甚至造成其周边人员的损伤。
因此，传统的抱闸系统存在寿命短、容易损坏、无自保功能以及可靠性低的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种恒流抱闸系统，旨在解决现有的抱闸系统寿命短、容易损坏、无自保功能以及可靠性低的问题。
本发明提供了一种恒流抱闸系统，包括抱闸器和开关单元，所述抱闸器和所述开关单元依序串接于电源端和地线之间，所述恒流抱闸系统还包括电流检测单元和负反馈调节单元；
所述电流检测单元串接于所述开关单元的输出端和所述地线之间，用于检测流经所述抱闸器的电流大小；
所述负反馈调节单元与所述开关单元的输出端及受控端相连接且构成一个闭环负反馈回路，并输出反馈信号至所述抱闸器，以调节所述电流大小；
其中，所述负反馈调节单元包括控制模块，所述控制模块串接于所述闭环负反馈回路，用于控制所述开关单元输出的电流值。
优选地，所述电流检测单元包括第二电阻，所述第二电阻的第一端接所述开关单元的输出端，所述第二电阻的第二端接地。
优选地，所述负反馈调节单元包括第一电阻，所述控制模块的输入端连接在所述开关单元的输出端与所述第二电阻之间的节点，所述控制模块的输出端通过所述第一电阻与所述开关单元的受控端连接。
优选地，所述恒流抱闸系统还包括第三电阻和第一电容，所述第三电阻的第一端与所述第一电容的第一端以及所述开关单元的受控端共接，所述第三电阻的第二端与所述第一电容的第二端以及所述开关单元的输出端共接。
优选地，所述恒流抱闸系统还包括第四电阻，所述第四电阻连接于所述开关单元的受控端与所述电源端之间。
优选地，所述控制模块为脉宽调制控制器。
优选地，所述控制模块包括运算放大器、第六电阻、第七电阻、第八电阻以及第二电容；所述运算放大器的同相输入端分成两路，一路通过所述第六电阻连接于所述开关单元的输出端与所述第二电阻的公共连接端，另一路通过所述第二电容接地；所述运算放大器的反向输入端分成两路，一路通过所述第七电阻与所述运算放大器的输出端连接，另一路通过所述第八电阻接地。
优选地，所述恒流抱闸系统还包括第五电阻和第一二极管，所述第五电阻的第一端与所述抱闸器的第一端以及所述电源端共接，所述第一二极管的阳极接所述抱闸器的第二端，所述第一二极管的阴极接所述第五电阻的第二端。
优选地，所述开关单元包括至少一三极管，所述三极管的发射极、集电极以及基极分别对应所述开关单元的输入端、输出端以及受控端。
优选地，所述开关单元包括至少一场效应管，所述场效应管的漏极、源极以及栅极分别对应所述开关单元的输入端、输出端以及受控端。
本发明提供的恒流抱闸系统通过负反馈调节单元的闭环负反馈设计，反馈调节流经抱闸器的电流，使该电流处于预设阈值内，即抱闸器始终工作于始终工作于最优工作电流的恒定状态，避免了因各种不稳定因素导致流经抱闸器的电流升高时，系统温度升高对抱闸器及系统其他电子元器件造成的损伤；此外，在抱闸器发生短路时，控制开关单元关断以保护抱闸系统；从而，延长了系统寿命，降低了故障率，提高了系统的自保能力以及工作可靠性。
附图说明
图1是本发明提供的恒流抱闸系统的模块结构示意图。
图2是本发明第一实施例提供的恒流抱闸系统的示例电路图。
图3是本发明第二实施例提供的恒流抱闸系统的示例电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1示出了本发明提供的恒流抱闸系统的模块结构，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
上述一种恒流抱闸系统，包括抱闸器600和开关单元500，抱闸器600和开关单元500依序串接于电源端100和地线之间，该恒流抱闸系统还包括电流检测单元200和负反馈调节单元300。
电流检测单元200串接于开关单元500的输出端和地线之间，用于检测流经抱闸器600的电流大小。
负反馈调节单元300与开关单元500的输出端及受控端相连接且构成一个闭环负反馈回路，并输出反馈信号至抱闸器600，以调节流经抱闸器600的电流大小。
其中，负反馈调节单元300包括一控制模块400，该控制模块400串接于上述闭环负反馈回路，用于控制开关单元500输出的电流值。
作为本发明一实施例，由于抱闸器600、开关单元500以及电流检测单元200依序串接于电源端100和地线之间，因此，电流检测单元200检测到的电流值也即是流经抱闸器600和开关单元500的电流大小。电流检测单元200起到了实时检测流经抱闸器600的电流大小的作用，以便电流大小不在预设阈值内时可及时采取相应的动作及措施。
同时，通过负反馈调节单元300输出反馈信号给抱闸器600，以根据电流检测单元200检测到的电流值进一步调节流经抱闸器600的电流大小，使其处于预设阈值内。当所述电流大小超过预设阈值时或低于预设阀值时，控制开关单元500的输出电流值，使其在预设电流值范围内保持相对恒定状态；当抱闸器600短路时，电流检测单元200则会检测到较大的电流值，则通过负反馈调节单元300控制开关单元以限制流经抱闸器600和开关单元500的电流大小，或者直接使开关单元500关断以保护整个恒流抱闸系统。其中，预设阈值为抱闸器的最优工作电流区间，其具体范围可根据不同的抱闸器而进行设定。
图2示出了本发明第一实施例提供的恒流抱闸系统的示例电路，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
作为本发明一实施例，开关单元500包括三极管Q1，三极管Q1的发射极、集电极以及基极分别为开关单元500的输入端、输出端以及受控端。在本实施例中，所采用的是PNP型的三极管，当然，也可以是NPN型的三极管。若换成NPN型的三极管，则三极管的集电极、发射极以及基极分别为开关单元500的输入端、输出端以及受控端。开关单元500也可以为场效应管等其他电子开关，场效应管的漏极、源极以及栅极分别为开关单元500的输入端、输出端以及受控端。
作为本发明一实施例，电流检测单元200包括第二电阻R2，第二电阻R2的第一端接三极管Q1的集电极，第二电阻R2的第二端接地。当然，电流检测单元200也可以是霍尔传感器或者电流检测集成芯片，只要能达到检测流经抱闸器600和开关单元500的电流大小的功能即可。
作为本发明一实施例，负反馈调节单元300还包括第一电阻R1，控制模块400的输入端连接于三极管Q1的集电极与第二电阻R2之间的节点，控制模块400的输出端通过第一电阻R1与三极管Q1的基极连接，构成负反馈回路。其中，三极管Q1的集电极与第二电阻R2的连接端为反馈输入端，三极管Q1的基极串接第一电阻R1后的端子为反馈输出端。
作为本发明一实施例，上述恒流抱闸系统还包括第三电阻R3、第四电阻R4以及第一电容C1，第三电阻R3的第一端与第一电容C1的第一端以及三极管Q1的基极共接，第三电阻R3的第二端与第一电容C1的第二端以及三极管Q1的集电极共接；第四电阻R4连接在三极管Q1的基极与电源端100之间。
作为本发明一实施例，控制模块400为脉宽调制控制器U2，脉宽调制控制器U2可根据第二电阻R2检测到的电流值进行电压调节。
以下对本实施例提供的恒流抱闸系统进行进一步地详细说明：
三极管Q1各级电流满足以下公式：
IC＝βIB，IE＝IC+IB；
由此可知，IE＝(1+1/β)IC；
其中，β为三极管Q1的放大倍数，IB为三极管Q1基极的电流，IC为三极管Q1集电极的电流，IE为三极管Q1发射极的电流。
三极管Q1的放大倍数β一定，且其值远大于1，即IE≈IC；而集电极电流IC也即流经抱闸器600的电流，发射极电流IE也即流经第二电阻R2的电流，因此，通过检测第二电阻R2的电流变化即可间接检测抱闸器600的电流变化。
实际使用中，不同的抱闸器、电子元器件、导线和空气温度湿度等均会对电路参数产生影响，在本实施例中，不同的工作环境下，使电路工作稳定所需的反馈信号(以反馈电压放大比为例)也不同。
本实施例提供的恒流抱闸系统在投入使用前通过控制模块400调节反馈电压放大比，使流经抱闸器600的电流大小处于预设阈值内，即抱闸器600的最优工作电流范围内。
具体调节方法为：根据电流检测单元200检测到的电流变化状态，调节控制模块400，改变反馈电压放大比，当第二电阻R2检测到的电流大小处于预设阈值内时，则表示当前的反馈电压放大比是所需求的。本实施例中，控制模块400的脉宽调制控制器U2采用TL2844芯片，当第二电阻R2检测到的电流变化过快时，调小脉宽，而当第二电阻R2检测到的电流变化过慢时，调大脉宽，直至找到电流大小达到预设阈值时的脉冲占空比，也即反馈电压放大比。
控制模块400与三极管Q1的集电极通过第一电阻R1后再与三极管Q1的基极连接，以构成一个闭环负反馈回路，自动动态地调节三极管Q1的输出电流：当流经第二电阻R2的电流增大，即流经抱闸器600的电流增大时，电流经过负反馈，使反馈输出端电流值逐渐减小；当流经第二电阻R2的电流减小，即流经抱闸器600的电流减小时，电流经过负反馈，使反馈输出端电流值逐渐增大；如此使流经抱闸器600的电流大小处于预设阈值，即抱闸器600的电流处于最优工作电流范围内切始终保持恒定，保障抱闸器600的正常工作。
当抱闸器600发生短路时，流经第二电阻R2的电流值迅速增大，经过反馈关闭三极管Q1，以此保证三极管Q1及其周边器件不受损伤，当抱闸器600的短路故障解除后，电路恢复正常工作状态。
上述第三电阻R3用于稳定及调整三极管Q1基极的电压和电流；第一电容C1用于滤波，同时与第三电阻R3组成RC延时电路，用于对三极管Q1进行延时；第四电阻R4作为三极管Q1的上拉电阻，保护三极管Q1不被高压损坏，提高其抗高压性能。
此外，本实施例提供的恒流抱闸系统还包括第五电阻R5和第一二极管D1，第五电阻R5的第一端与抱闸器600的第一端以及电源端VCC共接，第一二极管D1的阳极接抱闸器600的第二端，第一二极管D1的阴极接第五电阻R5的第二端。电源端100还包括与电源VCC正向串联的第二二极管D2，在电源VCC接反时截止以保护电路。当上述恒流抱闸系统电流较大时，抱闸器600会存储较大能量，通过第五电阻R5和第一二极管D1提供续流卸放过剩能量的回路，以确保三极管Q1不会存在过压损坏的风险；当上述恒流抱闸系统的电流较小时，第五电阻R5和第一二极管D1可省去。
图3示出了本发明第二实施例提供的恒流抱闸系统的示例电路，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
本实施例提供的恒流抱闸系统与第一实施例不同的是，控制模块400串接于第一电阻R1和地线GND之间，包括：运算放大器U3、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8以及第二电容C2；运算放大器U3的同相输入端分为两路，一路通过第六电阻R6连接于三极管Q1与第二电阻R2的连接线之间，另一路通过第二电容C2接地；运算放大器U3的反向输入端分成两路，一路通过第七电阻R7与运算放大器U3的输出端连接，另一路通过第八电阻R8接地。
本实施例中，控制模块400的电压增益满足以下公式：
Au＝1+R7/R8；
其中，Au为控制模块400的电压增益，R7为第七电阻R7的阻值，R8为第八电阻R8的阻值。
控制模块400的电压增益Au即为反馈电压放大比，本实施例通过调节第七电阻R7和第八电阻R8的阻值来调节反馈电压放大比，使流经抱闸器600的电流处于其稳定工作电压范围并保持恒定状态。
综上，本发明实施例提供的恒流抱闸系统通过负反馈调节单元的闭环负反馈设计，反馈调节流经抱闸器的电流，使该电流处于预设阈值内，即抱闸器始终工作于最优工作电流的恒流状态，避免了电流不稳定升高时，系统温度升高对抱闸器及系统其他电子元器件造成的损伤；此外，在抱闸器发生短路时，控制开关单元关断以保护抱闸系统；从而，延长了系统寿命，降低了故障率，提高了系统自保能力以及工作可靠性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种恒流抱闸系统，包括抱闸器和开关单元，所述抱闸器和所述开关单元依序串接于电源端和地线之间，其特征在于，所述恒流抱闸系统还包括电流检测单元和负反馈调节单元；
所述电流检测单元串接于所述开关单元的输出端和所述地线之间，用于检测流经所述抱闸器的电流大小；
所述负反馈调节单元与所述开关单元的输出端及受控端相连接且构成一个闭环负反馈回路，并输出反馈信号至所述抱闸器，以调节所述电流大小；
其中，所述负反馈调节单元包括控制模块，所述控制模块串接于所述闭环负反馈回路，用于控制所述开关单元输出的电流值。
2.如权利要求1所述的恒流抱闸系统，其特征在于，所述电流检测单元包括第二电阻，所述第二电阻的第一端接所述开关单元的输出端，所述第二电阻的第二端接地。
3.如权利要求2所述的恒流抱闸系统，其特征在于，所述负反馈调节单元包括第一电阻，所述控制模块的输入端连接于所述开关单元的输出端与所述第二电阻之间的节点，所述控制模块的输出端通过所述第一电阻与所述开关单元的受控端连接。
4.如权利要求1所述的恒流抱闸系统，其特征在于，所述恒流抱闸系统还包括第三电阻和第一电容，所述第三电阻的第一端与所述第一电容的第一端以及所述开关单元的受控端共接，所述第三电阻的第二端与所述第一电容的第二端以及所述开关单元的输出端共接。
5.如权利要求1所述的恒流抱闸系统，其特征在于，所述恒流抱闸系统还包括第四电阻，所述第四电阻连接在所述开关单元的受控端与所述电源端之间。
6.如权利要求1所述的恒流抱闸系统，其特征在于，所述控制模块为脉宽调制控制器。
7.如权利要求2所述的恒流抱闸系统，其特征在于，所述控制模块包括运算放大器、第六电阻、第七电阻、第八电阻以及第二电容；所述运算放大器的同相输入端分成两路，一路通过所述第六电阻连接于所述开关单元的输出端与所述第二电阻的公共连接端，另一路通过所述第二电容接地；所述运算放大器的反向输入端分成两路，一路通过所述第七电阻与所述运算放大器的输出端连接，另一路通过所述第八电阻接地。
8.如权利要求1所述的恒流抱闸系统，其特征在于，所述恒流抱闸系统还包括第五电阻和第一二极管，所述第五电阻的第一端与所述抱闸器的第一端以及所述电源端共接，所述第一二极管的阳极接所述抱闸器的第二端，所述第一二极管的阴极接所述第五电阻的第二端。
9.如权利要求1至8任一项所述的恒流抱闸系统，其特征在于，所述开关单元包括至少一三极管，
所述三极管的发射极、集电极以及基极分别对应所述开关单元的输入端、输出端以及受控端。
10.如权利要求1至8任一项所述的恒流抱闸系统，其特征在于，所述开关单元包括至少一场效应管，
所述场效应管的漏极、源极以及栅极分别对应所述开关单元的输入端、输出端以及受控端。
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| CN113017666A (zh) * | 2021-02-05 | 2021-06-25 | 明峰医疗系统股份有限公司 | 一种诊断床防坠制动电路及ct扫描床 |
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