CN111969895A - 一种电机抱闸失效状态下的安全停机方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电机抱闸失效状态下的安全停机方法及系统。该方法包括：将伺服驱动器切换至速度控制模式，并将速度指令值置零；清空速度环比例‑积分控制器的积分输出；判断当前定时周期内电机位移是否小于设定阈值；若否，将当前累计定时周期数清零，返回清空速度环比例‑积分控制器的积分输出的步骤；若是，更新当前累计定时周期数；判断当前累计定时周期数是否小于周期阈值；当当前累计定时周期数小于周期阈值时，返回清空速度环比例‑积分控制器的积分输出的步骤，进入下一个定时周期；当当前累计定时周期数不小于周期阈值时，切断电机动力电源，停机完成。本发明可以提高停机过程的自适应性，提高停机过程的安全性能。

Description

一种电机抱闸失效状态下的安全停机方法及系统

技术领域

本发明涉及电机控制领域，特别是涉及一种电机抱闸失效状态下的安全停机方法及系统。

背景技术

伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的电机，具备控制精度高、调速范围广、运行平顺、响应速度快等特点，广泛应用于各类需要高精度运动控制的场合。

伺服系统中，伺服电机通常需要配合相应的伺服驱动器进行使用，伺服驱动器依照位置、速度或转矩控制指令，生成伺服电机所需的电压信号，进而控制电机完成指令动作。通常，伺服电机内部都集成有精密的位置检测元件(例如光电编码器等)，可作为位置或速度反馈元件，将电机的位置或速度信息反馈至伺服驱动器，从而完成相应的闭环控制。

图1是典型的伺服系统控制环路。如图1所示，上位机是向伺服驱动器发送运动指令的设备，例如运动控制器、PLC等。伺服驱动器内部包括了位置、速度和电流控制器，以及位置、速度和电流反馈的检测回路。伺服电机通常由电机本体和编码器组成，电机本体用于实现电能与机械能的转换，编码器通常安装在电机轴端，可以与电机同步旋转，用于检测电机轴的角度(即位置)和转速。各指令与反馈在伺服驱动器内部构成负反馈控制闭环，如图中虚线框所示，由内到外分别为电流环、速度环和位置环，分别用于确保系统的电流、速度和位置能够较好的随指令变化而变化。伺服系统既可以工作在如上图所示的位置模式(此时速度环和电流环作为内环也同时生效)，也可以工作在速度模式或转矩模式(即电流闭环模式)，以速度模式为例，此时位置控制将被忽略，上位机直接生成速度指令，并施加在图1中“速度指令”所在位置。图1中的位置、速度、电流控制器通常采用工业领域常见的P、PI或PID控制器，其中P代表比例，I代表积分，D代表微分。图2是典型的“比例-积分”控制器示意图，通过“指令”减去“反馈”得到“误差e(t)”，“比例-积分”控制器使用e(t)作为输入，分别计算比例输出和积分输出，顾名思义，比例输出与误差e(t)成比例关系，系数为Kp，积分输出则是对e(t)进行积分并乘以固定的系数Ki，两者相加作为控制器的总输出，进而直接施加到控制对象上。在闭环控制中引入“比例-积分”控制器，可以提高系统的响应速度同时抑制稳态误差。

抱闸是一种制动装置，也称为保持制动器，可在电机停止时锁定电机位置，防止电机发生意外转动。抱闸大多集成在伺服电机内部，对于不带抱闸的电机或需要冗余抱闸的场合，也会在电机外部安装抱闸以达到制动的目的。抱闸控制电路通常采用数字输出电路的形式，由伺服驱动器通过下发动作指令来控制抱闸在释放和制动状态间切换。然而由于上述对抱闸的控制方式属于开环控制，抱闸实际的工作状态无法反馈到控制器，所以当抱闸控制系统和抱闸本体中出现电气、机械等故障导致抱闸无法可靠执行控制指令时，会导致制动失效，进而可能由于负载重力等因素的影响，发生设备误动作造成人员或财产损失。

在设备正常运行状态下，抱闸通常处于释放状态，电机可以自由旋转。而在停机过程中，通常先由伺服驱动器控制电机减速至静止，电机保持出力以抵消负载力矩，此时将抱闸切换到制动状态，待抱闸动作完成后，驱动器切断电机的动力电输出，改由抱闸的摩擦力抵消负载力矩，使设备继续保持静止，至此，停机过程正常结束。这里将停机过程正常结束定义为“切断电机动力电输出后，设备能够保持静止状态”。若发生抱闸制动失效，则驱动器切断电机动力电源后，抱闸的摩擦力矩可能不足以抵消负载力矩，进而造成设备误动作，不能正常完成停机过程。

针对上述抱闸制动失效导致无法正常停机的问题，部分电机控制器制造商在产品中设计了抱闸失效检测功能，并在工业机器人、电梯等安全性能要求较高的产品中进行了应用。当系统检测到抱闸失效后，常见的处理方法有如下几类：

(1)发出报警信号，保持电机出力避免设备坠落，等待设备维护人员介入；

(2)启用冗余抱闸或其他安全装置，将设备保持在安全状态；

(3)按照预先设定的策略，控制设备运行到安全姿态，然后完成停机。

但是上述抱闸制动失效后的处理方法有如下缺陷：

(1)对于发出报警信号通知人为介入的方案，此时驱动器不能断电，需要保持电机出力以维持设备姿态，并未完成停机过程。此外，维护人员要在设备通电状态下靠近设备甚至进入设备的运行范围内，有较大的安全隐患；

(2)若采用冗余安全装置，虽然能完成停机，但增加了设备制造成本和维护难度；

(3)控制设备运行到安全姿态是更为安全的处理方法，但需要预先设置安全策略，对于工业机器人等运行姿态千差万别的设备，要针对工作姿态进行单独配置，难以批量管理，维护成本较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种电机抱闸失效状态下的安全停机方法及系统，以提高停机过程的自适应性，提高停机过程的安全性能。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种电机抱闸失效状态下的安全停机方法，包括：

将伺服驱动器切换至速度控制模式，并将速度指令值置零；

清空速度环比例-积分控制器的积分输出；

判断当前定时周期内电机位移是否小于设定阈值；

当前定时周期内电机位移不小于设定阈值时，将当前累计定时周期数清零，返回清空速度环比例-积分控制器的积分输出的步骤；

当当前定时周期内电机位移小于设定阈值时，更新当前累计定时周期数；

判断当前累计定时周期数是否小于周期阈值；

当当前累计定时周期数小于周期阈值时，返回清空速度环比例-积分控制器的积分输出的步骤，进入下一个定时周期；

当当前累计定时周期数不小于周期阈值时，切断电机动力电源，停机完成。

可选的，所述将伺服驱动器切换至速度控制模式，并将速度指令值置零，之后还包括：

将停机完成计数器清零；所述停机完成计数器用于记录累计定时周期数。

可选的，所述清空速度环比例-积分控制器的积分输出，之后还包括：

启动定时计时器；所述定时计时器的计时时间段为所述定时周期。

可选的，所述判断当前定时周期内电机位移是否小于设定阈值，之前还包括：

判断所述定时计时器是否完成计时；

当所述定时计时器完成计时时，判断当前定时周期内电机位移是否小于设定阈值；

当所述定时计时器未完成计时时，继续监测所述定时计时器状态，返回判断所述定时计时器是否完成计时的步骤。

可选的，所述当当前定时周期内电机位移小于设定阈值时，更新当前累计定时周期数，具体包括：

将停机完成计数器的计数加1。

本发明还提供一种电机抱闸失效状态下的安全停机系统，包括：

初始化模块，用于将伺服驱动器切换至速度控制模式，并将速度指令值置零；

控制器积分输出清空模块，用于清空速度环比例-积分控制器的积分输出；

电机位移判断模块，用于判断当前定时周期内电机位移是否小于设定阈值；

累计定时周期数清零模块，用于当前定时周期内电机位移不小于设定阈值时，将当前累计定时周期数清零，返回所述控制器积分输出清空模块；

累计定时周期数更新模块，用于当当前定时周期内电机位移小于设定阈值时，更新当前累计定时周期数；

周期阈值判断模块，用于判断当前累计定时周期数是否小于周期阈值；

定时周期更新模块，用于当当前累计定时周期数小于周期阈值时，返回所述控制器积分输出清空模块，进入下一个定时周期；

停机模块，用于当当前累计定时周期数不小于周期阈值时，切断电机动力电源，停机完成。

可选的，还包括：

停机完成计数器清零模块，用于在将伺服驱动器切换至速度控制模式，并将速度指令值置零之后，将停机完成计数器清零；所述停机完成计数器用于记录累计定时周期数。

可选的，还包括：

定时计时器启动模块，用于在清空速度环比例-积分控制器的积分输出之后，启动定时计时器；所述定时计时器的计时时间段为所述定时周期。

可选的，还包括：

定时计时器计时完成判断模块，用于在判断当前定时周期内电机位移是否小于设定阈值之前，判断所述定时计时器是否完成计时；

所述电机位移判断模块用于当所述定时计时器完成计时时，判断当前定时周期内电机位移是否小于设定阈值；

监测模块，用于当所述定时计时器未完成计时时，继续监测所述定时计时器状态，返回所述定时计时器计时完成判断模块。

可选的，所述累计定时周期数更新模块具体包括：

停机完成计数器更新单元，用于将停机完成计数器的计数加1。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明安全停机的基本思路为，开始执行安全停机过程后，使伺服系统工作在速度环控制模式，速度指令值设置为0，将速度环“比例-积分”控制器的积分输出清零，并开始监测规定时间内的电机位移，若位移大于设定阈值，则重复上述过程；若规定时间内的电机位移小于设定阈值，则可以退出停机过程并切断电机动力电源，完成停机。本发明在电机抱闸失效状态下可以实现安全停机，使停机过程安全可靠，不需要人员介入，无需引入额外的安全装置或安全策略，具备较强的自适应特性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为伺服系统控制环路示意图；

图2为比例-积分控制器示意图；

图3为本发明电机抱闸失效状态下的安全停机方法的流程示意图；

图4为本发明电机抱闸失效状态下的安全停机系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图3为本发明电机抱闸失效状态下的安全停机方法的流程示意图。如图3所示，本发明电机抱闸失效状态下的安全停机方法包括以下步骤：

步骤100：将伺服驱动器切换至速度控制模式，并将速度指令值置零。本发明采用停机完成计数器记录累计定时周期数，此时将停机完成计数器清零。

步骤200：清空速度环比例-积分控制器的积分输出。本发明采用定时计时器对定时周期进行计时，此时启动定时计时器。

步骤300：判断当前定时周期内电机位移是否小于设定阈值。如果否，执行步骤400；如果是，执行步骤500。通过实时监测电机的位移，判断在定时计时器计时完成时，当前定时周期内电机位移是否小于设定阈值。

步骤400：将当前累计定时周期数清零。返回步骤200。当电机位移不小于设定阈值时，将停机完成计数器清零，同时重新启动定时计时器，重新开始对电机的停机过程进行监测。

步骤500：更新当前累计定时周期数。此时停机完成计数器加1，得到更新后的累计定时周期数。

步骤600：判断当前累计定时周期数是否小于周期阈值。如果是，返回步骤200，进入下一个定时周期；如果否，执行步骤700。当累计定时周期数未到达周期阈值时，重新启动定时计时器，进入下一个定时周期的监测。

步骤700：切断电机动力电源，停机完成。当累计定时周期数到达周期阈值时，说明设备已经静止，则可以退出停机过程，切断电机动力电源，此时停机完成。

本发明在检测到抱闸失效时，采用安全停机的方式实现电机的停机过程。首先使伺服系统工作在速度环控制模式，速度指令值设置为0(该操作可以不需要上位机参与，伺服驱动器可自行将指令值固定为0)，并将速度环“比例-积分”控制器的积分输出清零，此时速度误差为0，即速度比例输出也为0，因此将速度积分输出清零的操作将导致速度控制器总输出为0，也就是转矩指令为0，电机不再输出转矩，由于抱闸失效，设备将在负载转矩的作用下发生位移，一旦设备开始运动，速度“比例-积分”控制器将重新生效，自动调整电机输出转矩来平衡负载转矩，设备将运动一小段距离后重新恢复静止。积分输出清零的同时，启动安全停机定时器，监测定时器计时周期内的电机位移，若位移大于设定阈值，说明机械结构当前无法自行保持静止状态，则重复上述过程，设备将在每个定时周期内都运动一小段位移，直至能够自行保持静止，将原本加速坠落的过程变为缓慢柔和落下的过程；最终，若连续指定数量的定时器计时周期内的电机位移均小于设定阈值，说明设备已经静止，则可以退出停机过程并切断电机动力电路，完成停机。

上述停机过程中，伺服系统始终工作在速度闭环状态，每个定时周期内速度闭环会自动调整转矩输出，从而确保停机过程缓和可控，不会因为设备姿态变化造成加速坠落。

对应上述过程，本发明还提供了一种电机抱闸失效状态下的安全停机系统，图4为本发明电机抱闸失效状态下的安全停机系统的结构示意图。如图4所示，本发明电机抱闸失效状态下的安全停机系统包括以下结构：

初始化模块201，用于将伺服驱动器切换至速度控制模式，并将速度指令值置零。

控制器积分输出清空模块202，用于清空速度环比例-积分控制器的积分输出。

电机位移判断模块203，用于判断当前定时周期内电机位移是否小于设定阈值。

累计定时周期数清零模块204，用于当当前定时周期内电机位移不小于设定阈值时，将当前累计定时周期数清零，返回控制器积分输出清空模块202。

累计定时周期数更新模块205，用于当当前定时周期内电机位移小于设定阈值时，更新当前累计定时周期数。

周期阈值判断模块206，用于判断当前累计定时周期数是否小于周期阈值。当当前累计定时周期数小于周期阈值时，返回控制器积分输出清空模块202，进入下一个定时周期。

停机模块207，用于当当前累计定时周期数不小于周期阈值时，切断电机动力电源，停机完成。

作为另一实施例，本发明电机抱闸失效状态下的安全停机系统还包括：

停机完成计数器清零模块，用于在将伺服驱动器切换至速度控制模式，并将速度指令值置零之后，将停机完成计数器清零；所述停机完成计数器用于记录累计定时周期数。

作为另一实施例，本发明电机抱闸失效状态下的安全停机系统还包括：

定时计时器启动模块，用于在清空速度环比例-积分控制器的积分输出之后，启动定时计时器；所述定时计时器的计时时间段为所述定时周期。

作为另一实施例，本发明电机抱闸失效状态下的安全停机系统还包括：

定时计时器计时完成判断模块，用于在判断当前定时周期内电机位移是否小于设定阈值之前，判断所述定时计时器是否完成计时。

所述电机位移判断模块用于当所述定时计时器完成计时时，判断当前定时周期内电机位移是否小于设定阈值。

监测模块，用于当所述定时计时器未完成计时时，继续监测所述定时计时器状态，返回判断所述定时计时器是否完成计时的步骤。

作为另一实施例，本发明电机抱闸失效状态下的安全停机系统中，所述累计定时周期数更新模块205具体包括：

停机完成计数器更新单元，用于将停机完成计数器的计数加1。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种电机抱闸失效状态下的安全停机方法，其特征在于，包括：

将伺服驱动器切换至速度控制模式，并将速度指令值置零；

清空速度环比例-积分控制器的积分输出；

判断当前定时周期内电机位移是否小于设定阈值；

当当前定时周期内电机位移不小于设定阈值时，将当前累计定时周期数清零，返回清空速度环比例-积分控制器的积分输出的步骤；

当当前定时周期内电机位移小于设定阈值时，更新当前累计定时周期数；

判断当前累计定时周期数是否小于周期阈值；

当当前累计定时周期数小于周期阈值时，返回清空速度环比例-积分控制器的积分输出的步骤，进入下一个定时周期；

当当前累计定时周期数不小于周期阈值时，切断电机动力电源，停机完成。

2.根据权利要求1所述的电机抱闸失效状态下的安全停机方法，其特征在于，所述将伺服驱动器切换至速度控制模式，并将速度指令值置零，之后还包括：

将停机完成计数器清零；所述停机完成计数器用于记录累计定时周期数。

3.根据权利要求1所述的电机抱闸失效状态下的安全停机方法，其特征在于，所述清空速度环比例-积分控制器的积分输出，之后还包括：

启动定时计时器；所述定时计时器的计时时间段为所述定时周期。

4.根据权利要求3所述的电机抱闸失效状态下的安全停机方法，其特征在于，所述判断当前定时周期内电机位移是否小于设定阈值，之前还包括：

判断所述定时计时器是否完成计时；

当所述定时计时器完成计时时，判断当前定时周期内电机位移是否小于设定阈值；

当所述定时计时器未完成计时时，继续监测所述定时计时器状态，返回判断所述定时计时器是否完成计时的步骤。

5.根据权利要求2所述的电机抱闸失效状态下的安全停机方法，其特征在于，所述当当前定时周期内电机位移小于设定阈值时，更新当前累计定时周期数，具体包括：

将停机完成计数器的计数加1。

6.一种电机抱闸失效状态下的安全停机系统，其特征在于，包括：

初始化模块，用于将伺服驱动器切换至速度控制模式，并将速度指令值置零；

控制器积分输出清空模块，用于清空速度环比例-积分控制器的积分输出；

电机位移判断模块，用于判断当前定时周期内电机位移是否小于设定阈值；

累计定时周期数清零模块，用于当当前定时周期内电机位移不小于设定阈值时，将当前累计定时周期数清零，返回所述控制器积分输出清空模块；

累计定时周期数更新模块，用于当当前定时周期内电机位移小于设定阈值时，更新当前累计定时周期数；

周期阈值判断模块，用于判断当前累计定时周期数是否小于周期阈值；当当前累计定时周期数小于周期阈值时，返回所述控制器积分输出清空模块，进入下一个定时周期；

停机模块，用于当当前累计定时周期数不小于周期阈值时，切断电机动力电源，停机完成。

7.根据权利要求6所述的电机抱闸失效状态下的安全停机系统，其特征在于，还包括：

停机完成计数器清零模块，用于在将伺服驱动器切换至速度控制模式，并将速度指令值置零之后，将停机完成计数器清零；所述停机完成计数器用于记录累计定时周期数。

8.根据权利要求6所述的电机抱闸失效状态下的安全停机系统，其特征在于，还包括：

定时计时器启动模块，用于在清空速度环比例-积分控制器的积分输出之后，启动定时计时器；所述定时计时器的计时时间段为所述定时周期。

9.根据权利要求8所述的电机抱闸失效状态下的安全停机系统，其特征在于，还包括：

定时计时器计时完成判断模块，用于在判断当前定时周期内电机位移是否小于设定阈值之前，判断所述定时计时器是否完成计时；

所述电机位移判断模块用于当所述定时计时器完成计时时，判断当前定时周期内电机位移是否小于设定阈值；

监测模块，用于当所述定时计时器未完成计时时，继续监测所述定时计时器状态，返回所述定时计时器计时完成判断模块。

10.根据权利要求7所述的电机抱闸失效状态下的安全停机系统，其特征在于，所述累计定时周期数更新模块具体包括：

停机完成计数器更新单元，用于将停机完成计数器的计数加1。

Images