CN111610437B - 动态制动电路、基于该电路的状态检测和故障处理方法 - Google Patents

动态制动电路、基于该电路的状态检测和故障处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种动态制动电路、基于该电路的状态检测和故障处理方法，设计了动态制动电路，并基于该系统提出一种状态检测电路，其利用主控处理器通过状态检测电路得到对应动态制动模块的工作状态，快速有效的控制动态制动模块；且设计了上、下两路动态制动模块，采用不同制动能耗电阻以适应不同的制动能耗要求；在动态制动过程中，主控处理器通过算法检测功率电路中是否存在功率器件“短路损坏”，存在“短路损坏”时切换动作动态制动单元。

Description

动态制动电路、基于该电路的状态检测和故障处理方法
技术领域
本发明属于动态制动控制领域，具体涉及一种用于状态检测及故障处理的动态制动电路，及利用该电路进行状态检测和故障处理的方法。
背景技术
伺服驱动器在机床、自动化和机器人应用场合中当需要进行停机过程时，由于减速度过大(往往发生在垂直轴)或伺服功率单元损坏不能提供制动力，需要由动态制动单元限制电机减速度实现安全停机，防止出现人员伤害或机械损坏。
然而，现有的动态制动方案通常采用开环控制的方法，利用主控处理器根据当前的工况发出“开”或“关”指令给动态制动单元，然后加入“延时”等待来保证动态制动单元动作，但动态制动单元是否真正“打开”或“关闭”无法得知。并且，在伺服驱动器上“使能”时，这一加入的“延时”时间太短会导致制动没完全打开就开通主模块的功率器件，造成伺服驱动器的损坏；过长会导致动态制动动作滞后，大大影响制动效果。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术无法对动态制动单元的工作状态进行有效检测，以及“延时”时间的控制短板缺陷，提供一种用于状态检测及故障处理的动态制动电路，及利用该电路进行状态检测和故障处理的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种用于状态检测及故障处理的动态制动电路，包括功率模块，所述功率模块包括第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第四开关管T4、第五开关管T5及第六开关管T6，T1、T2及T3构成上桥臂，T4、T5及T6构成下桥臂，T1与T4的连接处、T2与T5的连接处、T3与T6的连接处分别为与电机U、V、W相线连接的U相连接处、V相连接处和W相连接处，所述动态制动电路中还包括第一动态制动模块和第二动态制动模块，其中：
所述第一动态制动模块包括第一制动继电器K1，所述第二动态制动模块包括第二制动继电器K2；K1和K2均设置有两个常开继电触点的输入端，以及与两个常开继电触点相对应的输出端；
所述第一动态制动模块还包括并联连接的第一二极管D1、第二二极管D2和第三二极管D3；所述第二动态制动模块包括并联连接的第四二极管D4、第五二极管D5和第六二极管D6；
D1、D2和D3的阴极连接到K1的第一常开继电触点，与K1的第一常开继电触点对应的第一输出端连接到下桥臂，K1的第二常开继电触点通过第一上拉电阻R11接入5V电源，与K1的第二常开继电触点对应的第二输出端接地，构成第一状态检测模块；
D1、D2和D3的阳极对应的分别与D4、D5和D6的阴极连接，D4、D5和D6的阳极连接到K2，其中，K2的第一常开继电触点连接到上桥臂，与K2的第一常开继电触点对应的第一输出端连接到D4、D5和D6的阳极，K2的第二常开继电触点通过第二上拉电阻R21接入5V电源，与K2的第二常开继电触点对应的第二输出端接地，构成第二状态检测模块；
D1与D4的连接处、D2与D5的连接处、D3与D6的连接处分别为与电机U、V、W相线连接的U相连接处、V相连接处和W相连接处。
本发明提供的一种利用权属动态制动电路进行状态检测的方法，包括以下步骤：
将制动继电器K1和K2作为动态制动电路的状态检测器件；
主控处理器连接到动态制动电路的OUT1引脚、OUT2引脚、IN1引脚和IN2引脚，所述主控处理器发出的“开启”或“关闭”指令经由OUT1引脚或OUT2引脚输出到第一制动继电器K1或第一制动继电器K2，控制K1或K2进入上电或断电状态；
在控制K1或K2进入上电或断电状态后，所述主控处理器经由IN1引脚或IN2引脚对第一动态制动模块内与5V电源连接的故障检测模块输出的电压值U1进行检测，或第二动态制动模块内与5V电源连接的故障检测模块输出的电压值U2进行检测，判断第一动态制动模块或第二动态制动模块是否按照主控处理器发出的指令即时进入开启或关闭状态。
本发明提供的一种利用前述的动态制动电路进行故障处理的方法，包括以下步骤：
在第一、二状态检测模块下，在执行动态制动操作处理时，分别对D1、D4连接处和D3、D6连接处的电流值进行采样，并配合根据故障检测模块输出的电压值而判断得到的第一、二动态制动模块的工作状态，确定第一、二动态制动模块是否出现功率器件的损坏，在动态制动模块出现功率器件损坏的情况下，执行切换动态制动模块的切换，实现动态制动。
实施本发明的一种动态制动电路、基于该电路的状态检测和故障处理方法，具有以下有益效果：
1、主控处理器通过检测电路得到动态制动模块当前的工作状态，快速有效的控制动态制动单元；
2、两路动态制动单元中采用不同制动能耗电阻能更好的适应不同的制动能耗要求，同时两路动态制动单元互为补充为系统提供“冗余”，动态制动过程中主控处理器通过算法检测功率电路中是否存在功率器件“短路损坏”，存在“短路损坏”时切换动作动态制动单元，大大提高系统的可靠性。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是动态制动电路的电路图；
图2是功率模块中的上桥臂存在功率器件“短路损坏”时，“短路电流”的流动示意图；
图3是功率模块中的下桥臂存在功率器件“短路损坏”时，“短路电流”的流动示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
实施例1：
为了抑制系统中产生的动态制动电流，本实施例提供了一种保护动态制动电路，请参考图1-动态制动电路的电路图，本发明提供的一种动态制动电路，包括功率模块，所述功率模块包括第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第四开关管T4、第五开关管T5及第六开关管T6，T1、T2及T3构成上桥臂，T4、T5及T6构成下桥臂，T1与T4的连接处、T2与T5的连接处、T3与T6的连接处分别为与电机U、V、W相线连接的U相连接处、V相连接处和W相连接处，其特征在于，所述动态制动电路中还包括第一动态制动模块和第二动态制动模块，其中：
所述第一动态制动模块包括第一制动继电器K1，所述第二动态制动模块包括第二制动继电器K2；K1和K2均设置有两个常开继电触点的输入端，以及与两个常开继电触点相对应的输出端；
所述第一动态制动模块还包括并联连接的第一二极管D1、第二二极管D2和第三二极管D3；所述第二动态制动模块包括并联连接的第四二极管D4、第五二极管D5和第六二极管D6；
D1、D2和D3的阴极连接到K1的第一常开继电触点，与K1的第一常开继电触点对应的第一输出端连接到下桥臂，K1的第二常开继电触点通过第一上拉电阻R11接入5V电源，与K1的第二常开继电触点对应的第二输出端接地，构成第一状态检测模块；
D1、D2和D3的阳极对应的分别与D4、D5和D6的阴极连接，D4、D5和D6的阳极连接到K2，其中，K2的第一常开继电触点连接到上桥臂，与K2的第一常开继电触点对应的第一输出端连接到D4、D5和D6的阳极，K2的第二常开继电触点通过第二上拉电阻R21接入5V电源，与K2的第二常开继电触点对应的第二输出端接地，构成第二状态检测模块；
D1与D4的连接处、D2与D5的连接处、D3与D6的连接处分别为与电机U、V、W相线连接的U相连接处、V相连接处和W相连接处。
D1、D2和D3的阴极通过第一制动能耗电阻R1连接到K1的第一常开继电触点，其中，R1采用热敏电阻。
D4、D5和D6的阳极通过第二制动能耗电阻R2连接到K2的第一常开继电触点对应的第一输出端；其中，R2采用热敏电阻，相同温度下，R1的电阻值为R2电阻值的3-5倍，在动态制动能耗超过预设的额定负载率情况下，通过抑制系统中产生的动态制动电流，保护动态制动电路。
实施例2：
为了将实施例1提供的动态制动电路应用到对制动电路的状态检测，结合图1所示的动态制动电路的电路图，本发明提供的一种利用前述动态制动电路进行状态检测的方法，包括以下步骤：
S1、将制动继电器K1和K2作为动态制动电路的状态检测器件；
S2、主控处理器连接到动态制动电路的OUT1引脚、OUT2引脚、IN1引脚和IN2引脚，所述主控处理器发出的“开启”或“关闭”指令经由OUT1引脚或OUT2引脚输出到第一制动继电器K1或第一制动继电器K2，控制K1或K2进入上电或断电状态；例如：经由OUT1经由输出“1”控制继电器K1，进入“关闭”状态。
在控制K1或K2进入上电或断电状态后，所述主控处理器经由IN1引脚或IN2引脚对第一动态制动模块内与5V电源连接的故障检测模块输出的电压值U1进行检测，或第二动态制动模块内与5V电源连接的故障检测模块输出的电压值U2进行检测，判断第一动态制动模块或第二动态制动模块是否按照主控处理器发出的指令即时进入开启或关闭状态。例如，经由OUT1经由输出“1”控制继电器K1，进入“关闭”状态，此时第一动态制动模块工作，IN1引脚的输入由“高”变为“低”，如果在此过程中IN1输入始终为“高”则第一动态制动模块发生故障。
实施例3：
为了在动态制动的过程中，能够及时的进行故障检测，从而避免功率器件发生损坏的情况，本实施例在主控处理器判断对应的动态制动模块并未按照预设的指令进入开启或关闭状态时，将作出以下处理：
1、在主控处理器判断第一动态制动模块并未按照指令执行对应的动作时，则由主控处理器一方面发出“关闭”指令控制K1进入断电状态，另一方面发出“开启”或“关闭”指令经由OUT2引脚输出到第二制动继电器K2，当前，经由IN2引脚输入到主控处理器的电压值U2，判断第二动态制动模块是否即时执行主控处理器发出的指令；
2、在主控处理器判断第二动态制动模块并未按照指令执行对应的动作时，则由主控处理器一方面发出“关闭”指令控制K2进入断电状态，另一方面发出“开启”或“关闭”指令经由OUT1引脚输出到第二制动继电器K1，当前，经由IN1引脚输入到主控处理器的电压值U1，判断第一动态制动模块是否即时执行主控处理器发出的指令；
3、在第一动态制动模块和第二动态制动模块均未按照主控处理器发出的指令及时进入对应工作状态时，由主控处理器发出报警信号给用户。
综上所述，本发明利用前述动态制动电路进行功率电路故障检测的方法，包括以下步骤：
在第一、二状态检测模块下，在执行动态制动操作处理时，分别对D1、D4连接处和D3、D6连接处的电流值进行采样，并配合根据状态检测模块输出的电压值而判断得到的第一、二动态制动模块的工作状态，确定功率电路是否出现功率器件的损坏，在功率电路出现功率器件损坏的情况下，执行切换动态制动模块的切换，实现动态制动。其中，判断是否出现功率器件的损坏，具体是结合对D1、D4连接处和D3、D6连接处的采样得到的电流值，以及故障检测模块输出的电压值，短路电流值综合比较；
将所述短路电流值与驱动器的工作电流进行比较，若所述采样得到的电流值大于驱动器的工作电流，则判断对应的功率模块中出现功率器件损坏的情况。
可参考图2-图3，在第一动态制动模块工作时，继电器K1进入“关闭”状态，如图2所示，此时如T1发生短路损坏，电流的流动方向依次为：VBUS->T1(短路)->ia采样->P1点->D1->R1->K1触点->GND，当前的短路电流值近似为VBUS/R1，在进行故障检测是的时候，假设当前的电流值超过VBUS/R1时，由此可判断T1的故障损坏。
判断T3是否发生短路，也可由上述的同样方式检测，电流回路为VBUS->T3(短路)->ic采样->P3点->D3->R1->K1触点->GND。
在第二动态制动模块工作时，继电器K2进入“关闭”状态，如图3所示，此时如T4发生短路损坏，电流从VBUS->K2触点->R2->D4->P1点->ia采样->T4(短路)->GND形成回路，短路电流值近似为VBUS/R2，这个电流值在超过驱动器的工作电流时，由此可判断T4的故障损坏。T6发生短路损坏可由同样的方式检测，电流回路为VBUS->K2触点->R2->D6->P3点->ic采样->T6(短路)->GND。
实施本发明的一种动态制动电路、基于该电路的状态检测和故障处理方法，主控处理器通过检测电路得到动态制动模块当前的工作状态，快速有效的控制动态制动单元；且，本发明中提供的两路动态制动单元中，采用不同制动能耗电阻能更好的适应不同的制动能耗要求，同时，所述两路动态制动单元互为补充为系统提供“冗余”；最后，在动态制动过程中主控处理器通过算法检测功率电路中是否存在功率器件“短路损坏”，存在“短路损坏”时切换动作动态制动单元，大大提高系统的可靠性。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种动态制动电路，包括功率模块，所述功率模块包括第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第四开关管T4、第五开关管T5及第六开关管T6，T1、T2及T3构成上桥臂，T4、T5及T6构成下桥臂，T1与T4的连接处、T2与T5的连接处、T3与T6的连接处分别为与电机U、V、W相线连接的U相连接处、V相连接处和W相连接处，其特征在于，所述动态制动电路中还包括第一动态制动模块和第二动态制动模块，其中：
所述第一动态制动模块包括第一制动继电器K1，所述第二动态制动模块包括第二制动继电器K2；K1和K2均设置有两个常开继电触点的输入端，以及与两个常开继电触点相对应的输出端；
所述第一动态制动模块还包括并联连接的第一二极管D1、第二二极管D2和第三二极管D3；所述第二动态制动模块包括并联连接的第四二极管D4、第五二极管D5和第六二极管D6；
D1、D2和D3的阴极连接到K1的第一常开继电触点，与K1的第一常开继电触点对应的第一输出端连接到下桥臂，K1的第二常开继电触点通过第一上拉电阻R11接入5V电源，与K1的第二常开继电触点对应的第二输出端接地，构成第一状态检测模块；
D1、D2和D3的阳极对应的分别与D4、D5和D6的阴极连接，D4、D5和D6的阳极连接到K2，其中，K2的第一常开继电触点连接到上桥臂，与K2的第一常开继电触点对应的第一输出端连接到D4、D5和D6的阳极，K2的第二常开继电触点通过第二上拉电阻R21接入5V电源，与K2的第二常开继电触点对应的第二输出端接地，构成第二状态检测模块；
D1与D4的连接处、D2与D5的连接处、D3与D6的连接处分别为与电机U、V、W相线连接的U相连接处、V相连接处和W相连接处。
2.根据权利要求1所述的动态制动电路，其特征在于，D1、D2和D3的阴极通过第一制动能耗电阻R1连接到K1的第一常开继电触点，其中，R1采用热敏电阻。
3.根据权利要求2所述的动态制动电路，其特征在于，D4、D5和D6的阳极通过第二制动能耗电阻R2连接到K2的第一常开继电触点对应的第一输出端；其中，R2采用热敏电阻，相同温度下，R1的电阻值为R2电阻值的3-5倍，在动态制动能耗超过预设的额定负载率情况下，使用第一制动能耗电阻R1能通过抑制系统中产生的动态制动电流，保护动态制动电路。
4.利用如权利要求1-3中任一所述的动态制动电路进行状态检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将制动继电器K1和K2作为动态制动电路的状态检测器件；
主控处理器连接到动态制动电路的OUT1引脚、OUT2引脚、IN1引脚和IN2引脚，所述主控处理器发出的“开启”或“关闭”指令经由OUT1引脚或OUT2引脚输出到第一制动继电器K1或第二制动继电器K2，控制K1或K2进入上电或断电状态；
在控制K1或K2进入上电或断电状态后，所述主控处理器经由IN1引脚或IN2引脚对第一动态制动模块内与5V电源连接的故障检测模块输出的电压值U1进行检测，或第二动态制动模块内与5V电源连接的故障检测模块输出的电压值U2进行检测，判断第一动态制动模块或第二动态制动模块是否按照主控处理器发出的指令即时进入开启或关闭状态。
5.根据权利要求4所述的状态检测的方法，其特征在于，在主控处理器判断第一动态制动模块并未按照指令执行对应的动作时，则由主控处理器一方面发出“关闭”指令控制K1进入断电状态，另一方面发出“开启”指令经由OUT2引脚输出到第二制动继电器K2，控制第二动态制动模块动作，当前，经由IN2引脚输入到主控处理器的电压值U2，判断第二动态制动模块是否即时执行主控处理器发出的指令；
在主控处理器判断第二动态制动模块并未按照指令执行对应的动作时，则由主控处理器一方面发出“关闭”指令控制K2进入断电状态，另一方面发出“开启”指令经由OUT1引脚输出到第二制动继电器K1，控制第一动态制动模块动作，当前，经由IN1引脚输入到主控处理器的电压值U1，判断第一动态制动模块是否即时执行主控处理器发出的指令；
在第一动态制动模块和第二动态制动模块均未按照主控处理器发出的指令及时进入对应工作状态时，由主控处理器发出报警信号给用户。
6.利用如权利要求1-3中任一所述的动态制动电路进行功率电路故障检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
在第一、二状态检测模块下，在执行动态制动操作处理时，分别对D1、D4连接处和D3、D6连接处的电流值进行采样，并配合根据状态检测模块输出的电压值而判断得到的第一、二动态制动模块的工作状态，确定功率电路是否出现功率器件的损坏，在功率电路出现功率器件损坏的情况下，执行切换动态制动模块的切换，实现动态制动。
7.根据权利要求6所述的功率电路故障检测的方法，其特征在于，判断功率电路是否出现功率器件的损坏，具体是结合对D1、D4连接处和D3、D6连接处的采样得到的电流值，以及状态检测模块输出的电压值，进行短路电流值的判断；
将所述短路电流值与驱动器的工作的最大电流值进行比较，若所述采样得到的电流值大于驱动器的工作的最大电流值，则判断对应的功率电路中出现功率器件损坏的情况。
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