CN112803397B - 一种机器人的供电控制系统及供电控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人的供电控制系统，包括：驱动器主电路，电源电路，掉电检测电路，单向充电电路和控制电路；在现有的再生制动与动态制动结合的方案的基础上，无需动态制动电路，取而代之为掉电检测电路和单向充电电路，在机器人的电机处于高速转速下突然掉电时，控制电路接收到掉电检测电路检测到的掉电信号，控制驱动器逆变桥的开关切换为再生制动模式，在再生制动模式下系统的机械能转化为电能储存在驱动器母线电容内，并通过单向充电电路向电源母线电容充电。虽然此时电源电路的交流电丢失，但由于驱动器母线电容电压的存在，电源电路依然可以为控制电路供电，直至电机停转。本发明还公开了一种机器人的供电控制方法，具有上述有益效果。

Description

一种机器人的供电控制系统及供电控制方法

技术领域

本发明涉及机器人领域，特别是涉及一种机器人的供电控制系统及供电控制方法。

背景技术

近年来，随着制造业自动化和智能化程度的不断提升，工业机器人迅猛发展，在加工制造领域，工业机器人的应用越来越成熟。其安全性能的好坏起到了至关重要的作用。尤其在机械臂高速运转时，如果此时发生断电情况，机械手臂应该能及时停止避免发生机械碰撞以及其它伤害。

机器人的制动实现方案一般有机械制动、再生制动和动态制动。对于机械制动，一般的实现方式为在电机上安装抱闸，在电源断电情况下，可以使用抱闸制动。再生制动往往是系统必不可少的一部分，一般发生于机械臂减速时，动能转化为电能储存在主电路的母线电容中，当母线电容的电压升高到某一数值时开启再生制动电阻，将电能转化为热能消耗掉，这种制动方式的特点是制动系统的工作需要供电。对于动态制动，往往配合常闭继电器使用，在正常系统供电时，继电器断开。在掉电时，继电器切换到闭合状态，此时系统切换到动态制动状态，将系统的机械能通过动态制动电阻转化为热能消耗掉。

有些系统在维持机械装置的静止位置时需要电机提供较大的输出转矩，这种情况下往往需要抱闸制动。但是在某些应用场合的机器人比如SCARA机器人，静止位置时无需电机提供较大转矩，但是为了防止紧急断电的发生仍然使用了抱闸制动功能。缺点是这种制动方法在高负载高转速时制动对抱闸损伤较大，同时增加抱闸成本较高。

因此在静止位置无需电机提供较大输出转矩，对成本较敏感而又需要防止电源断电的情况发生时，大多数厂商所采取的制动措施为动态制动配合再生制动。

图1为现有技术中的一种机器人的供电控制系统的结构示意图。如图1所示，现有技术中，机器人的供电控制系统主要包括驱动器主电路U1、电源电路U2、动态制动电路U3和控制电路U4；其中，驱动器主电路U1包括与继电器K的第二端连接的驱动器整流桥U11、驱动器母线电容C1、再生制动能量泄放电路U12和驱动器逆变桥U13；电源电路U2包括电源整流桥U21、电源母线电容C2和直流变换器U22；继电器K的第一端、电源整流桥U21的输入端与交流电源连接；直流变换器U22的输出端连接控制电路U4的供电端，控制电路U4的第一控制端与再生制动能量泄放电路U12的IGBT控制端连接，控制电路U4的第二控制端与驱动器逆变桥U13的开关控制端连接，控制电路U4的第三控制端与动态制动电路U3的控制端连接；动态制动电路U3的输出端与电机的输入端连接。驱动器主电路U1负责驱动电机，控制电路U4控制驱动器主电路U1工作，电源电路U2负责为整个系统供电。在系统电网侧交流电掉电情况下，由于电源母线电容C2的电压下降，电源电路U2的输出供电随之消失，因此控制电路U4负责控制驱动器逆变桥U13的驱动信号以及再生制动能量泄放电路U12的IGBT控制信号也随之消失，此时只能切换到动态制动模式达到刹车目的。这种制动方式虽然相比于抱闸制动成本较低，但是增加的动态制动电路U3依然需要额外增加成本，因此不符合某些小型化、低成本方案的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种机器人的供电控制系统及供电控制方法，用于针对在静止位置无需电机提供较大输出转矩，对成本较敏感而又需要防止电源断电的情况发生的场合，提供一种成本较低的在断电情况下延长机器人系统供电时间的方案。

为解决上述技术问题，本发明提供一种机器人的供电控制系统，包括：驱动器主电路，电源电路，掉电检测电路，单向充电电路和控制电路；

其中，所述驱动器主电路的第一端与继电器的第二端连接，所述继电器的第一端与交流电源连接，所述驱动器主电路的第二端与电机连接；所述电源电路的输入端与所述交流电源连接，所述电源电路的输出端与所述控制电路的供电端连接；所述掉电检测电路的第一端与所述交流电源连接，所述掉电检测电路的第二端与所述控制电路的信号输入端连接；所述控制电路的第一控制端与所述再生制动能量泄放电路的开关控制端连接，所述控制电路的第二控制端与所述驱动器逆变桥的开关控制端连接；所述单向充电电路分别与所述驱动器主电路中的驱动器母线电容和所述电源电路中的电源母线电容连接，且构成所述驱动器母线电容到所述电源母线电容的单向充电回路；

所述控制电路用于在接收到所述掉电检测电路检测到的掉电信号后，控制所述驱动器逆变桥的开关切换为再生制动模式。

可选的，所述单向充电电路具体包括：第一二极管与第二二极管；

其中，所述第一二极管的阳极与所述驱动器母线电容的正极连接，所述第一二极管的阴极与所述电源母线电容的正极连接；所述第二二极管的阳极与所述电源母线电容的负极连接，所述第二二极管的阴极与所述驱动器母线电容的负极连接。

可选的，所述单向充电电路还包括：与所述第一二极管串联的第一电阻，以及与所述第二二极管串联的第二电阻。

可选的，所述单向充电电路具体包括第三二极管；

所述第三二极管的阳极与所述驱动器母线电容的正极连接，所述第三二极管的阴极与所述电源母线电容的正极连接；所述电源母线电容的负极与所述驱动器母线电容的负极连接。

可选的，所述掉电检测电路具体包括：第三电阻、第四电阻、光耦合器和第五电阻；

其中，所述第三电阻的第一端与火线连接，所述第四电阻的第一端与零线连接，所述第三电阻的第二端与所述光耦合器的第一输入端连接，所述第四电阻的第二端与所述光耦合器的第二输入端连接，所述光耦合器的正极输出端与所述第五电阻的第二端以及所述控制电路的信号输入端连接，所述第五电阻的第一端与直流电源连接，所述光耦合器的负极输出端接地。

可选的，所述掉电检测电路具体包括：电阻分压电路和隔离运放电路；

其中，所述电阻分压电路的输入端与所述交流电源连接，所述电阻分压电路的输出端与所述隔离运放电路的输入端连接，所述隔离运放电阻的输出端与所述控制电路的信号输入端连接。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种机器人的供电控制方法，基于上述任意一项所述的机器人的供电控制系统，包括：

控制电路在接收到掉电检测电路检测到的掉电信号后，控制驱动器主控电路的驱动器逆变桥的开关切换为再生制动模式。

本发明所提供的机器人的供电控制系统，包括：驱动器主电路，电源电路，掉电检测电路，单向充电电路和控制电路；在现有的再生制动与动态制动结合的方案的基础上，无需动态制动电路，取而代之设置于交流电源和控制电路之间的掉电检测电路，以及分别与驱动器母线电容和电源母线电容连接的单向充电电路，在机器人的电机处于高速转速下突然掉电时，控制电路接收到掉电检测电路检测到的掉电信号，控制驱动器逆变桥的开关切换为再生制动模式，在再生制动模式下系统的机械能转化为电能储存在驱动器母线电容内，并通过单向充电电路向电源母线电容充电。虽然此时电源电路的交流电丢失，但由于驱动器母线电容电压的存在，电源电路依然可以为控制电路供电，直至电机停转。

本发明还提供一种机器人的供电控制方法，具有上述有益效果，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的一种机器人的供电控制系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种机器人的供电控制系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种掉电检测电路的电路图；

图4为本发明实施例提供的另一种掉电检测电路的电路图；

图5为本发明实施例提供的一种电机FOC控制框图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种机器人的供电控制系统及供电控制方法，用于针对在静止位置无需电机提供较大输出转矩，对成本较敏感而又需要防止电源断电的情况发生的场合，提供一种成本较低的在断电情况下延长机器人系统供电时间的方案。

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。

图2为本发明实施例提供的一种机器人的供电控制系统的结构示意图。

如图2所示，本发明实施例提供的机器人的供电控制系统包括：驱动器主电路U1，电源电路U2，掉电检测电路U5，单向充电电路和控制电路U6；

其中，驱动器主电路U1的第一端与继电器K的第二端连接，继电器K的第一端与交流电源连接，驱动器主电路U1的第二端与电机连接；电源电路U2的输入端与交流电源连接，电源电路U2的输出端与控制电路U6的供电端连接；掉电检测电路U5的第一端与交流电源连接，掉电检测电路U5的第二端与控制电路U6的信号输入端连接；控制电路U6的第一控制端与再生制动能量泄放电路U12的开关控制端连接，控制电路U6的第二控制端与驱动器逆变桥U13的开关控制端连接；单向充电电路分别与驱动器主电路U1中的驱动器母线电容C1和电源电路U2中的电源母线电容C2连接，且构成驱动器母线电容C1到电源母线电容C2的单向充电回路；

控制电路U6用于在接收到掉电检测电路U5检测到的掉电信号后，控制驱动器逆变桥U13的开关切换为再生制动模式。

本发明实施例提供的机器人的供电控制系统在图1所示的现有技术中的机器人的供电控制系统的基础上，无需动态制动电路，取而代之的是，在交流电网侧增加掉电检测电路U5，同时在驱动器主电路U1的驱动器母线电容C1与电源电路U2的电源母线电容C2之间设置单向充电电路。基于此，假设机器人机械臂的电机正处于高速转速下，突然断电，掉电检测电路U5检测到系统发生电网侧掉电，通知控制电路U6，控制电路U6改变对驱动器主电路U1的控制逻辑(具体为对再生制动能量泄放电路U12的开关的控制逻辑及驱动器逆变桥U13的控制逻辑，可以参照现有技术中控制电路U6控制进行再生制动的控制逻辑)，使得系统进入再生制动模式，电机的机械能转化为电能储存于驱动器母线电容C1内，使驱动器母线电容C1的电压仍维持在较高水平。此时驱动器母线电容C1通过单向充电电路向电源母线电容C2充电，虽然此时电源电路U2输入端的交流电丢失，但由于驱动器母线电容C1的电压的存在，电源电路U2依然可以正常工作，为控制电路U6提供电源，直至驱动器母线电容C1放电完毕，而通过设计驱动器母线电容C1的电容值和电源母线电容C2的电容值，保证在驱动器母线电容C1放电完毕之前电机已经停转。

在具体实施中，为了达到驱动器母线电容C1向电源母线电容C2单向充电、电流不倒灌的效果，单向充电电路的连接方式很关键。

具体地，单向充电电路具体包括：第一二极管D1与第二二极管D2；其中，第一二极管D1的阳极与驱动器母线电容C1的正极连接，第一二极管D1的阴极与电源母线电容C2的正极连接；第二二极管D2的阳极与电源母线电容C2的负极连接，第二二极管D2的阴极与驱动器母线电容C1的负极连接。进一步的，单向充电电路还可以包括与第一二极管D1串联的第一电阻，以及与第二二极管D2串联的第二电阻。视电路需要设计第一二极管D1、第二二极管D2、第一电阻和第二电阻的参数。

或者，单向充电电路还可以由第三二极管组成；第三二极管的阳极与驱动器母线电容C1的正极连接，第三二极管的阴极与电源母线电容C2的正极连接；电源母线电容C2的负极与驱动器母线电容C1的负极连接。出于降低成本考虑，可以只设置一个二极管实现单向充电。

本发明实施例提供的机器人的供电控制系统，包括：驱动器主电路，电源电路，掉电检测电路，单向充电电路和控制电路；在现有的再生制动与动态制动结合的方案的基础上，无需动态制动电路，取而代之设置于交流电源和控制电路之间的掉电检测电路，以及分别与驱动器母线电容和电源母线电容连接的单向充电电路，在机器人的电机处于高速转速下突然掉电时，控制电路接收到掉电检测电路检测到的掉电信号，控制驱动器逆变桥的开关切换为再生制动模式，在再生制动模式下系统的机械能转化为电能储存在驱动器母线电容内，并通过单向充电电路向电源母线电容充电。虽然此时电源电路的交流电丢失，但由于驱动器母线电容电压的存在，电源电路依然可以为控制电路供电，直至电机停转。

图3为本发明实施例提供的一种掉电检测电路U5的电路图。

在上述实施例的基础上，如图3所示，在本发明实施例提供的机器人的供电控制系统中，掉电检测电路U5具体包括：第三电阻R3、第四电阻R4、光耦合器OC和第五电阻R5；

其中，第三电阻R3的第一端与火线连接，第四电阻R4的第一端与零线连接，第三电阻R3的第二端与光耦合器OC的第一输入端连接，第四电阻R4的第二端与光耦合器OC的第二输入端连接，光耦合器OC的正极输出端与第五电阻R5的第二端以及控制电路U6的信号输入端连接，第五电阻R5的第一端与直流电源连接，光耦合器OC的负极输出端接地。

在实际应用中，根据电路需要设置第三电阻R3、第四电阻R4、光耦合器OC和第五电阻R5的参数。

光耦合器OC可以采用交流光耦。当交流电源正常供电时，光耦合器OC导通，向控制电路U6输出低电平；当交流电源掉电时，光耦合器OC向控制电路U6输出高电平。控制电路U6通过检测高低电平来判断交流电源掉电与否。

光耦合器OC也可以采用直流光耦。当交流电源正常供电时，光耦合器OC向控制电路U6输出方波；当交流电源掉电时，光耦合器OC向控制电路U6持续输出高电平。控制电路U6通过检测掉电检测电路U5是否输出方波信号来判断交流电源掉电与否。

图4为本发明实施例提供的另一种掉电检测电路U5的电路图。

除了图3所示的掉电检测电路U5外，掉电检测电路U5还可以如图4所示，具体可以包括：电阻分压电路U51和隔离运放电路U52；

其中，电阻分压电路U51的输入端与交流电源连接，电阻分压电路U51的输出端与隔离运放电路U52的输入端连接，隔离运放电阻的输出端与控制电路U6的信号输入端连接。

在实际应用中，根据电路需要设置电阻分压电路U51和隔离运放电路U52的参数值。

交流电源经过电阻分压电路U51进行分压后输入隔离运放电路U52，隔离运放电路U52输出信号至控制电路U6，控制电路U6据此判断交流电源掉电与否。

上文详述了机器人的供电控制系统对应的各个实施例，在此基础上，本发明还公开了与上述系统对应的机器人的供电控制方法。

图5为本发明实施例提供的一种电机FOC控制框图。

机器人的供电控制方法可以上述任意一项的机器人的供电控制系统实现，包括：

控制电路在接收到掉电检测电路检测到的掉电信号后，控制驱动器主控电路的驱动器逆变桥的开关切换为再生制动模式。

控制电路对电机的FOC控制(矢量控制)如图5所示，控制电路通过检测交流电机(AC Motor)的电流信号i_α、i_β，经过克拉克变换(Clarke Tr.)后，得到i_Sα、i_Sβ，再经过派克变换(Park Tr.)，得到i_Sq、i_Sd，通过与电流参考值i_Sqref、i_Sdref进行减法运算再进行PI运算后，得到电压参考值V_Sqref、V_Sdref，将之进一步进行派克反变换(Inv.Park Tr.)后得到电压参考值V_Sαref、V_Sβref，将电压参考值V_Sαref、V_Sβref通过SVPWM模块输出开关管的时序以控制驱动器逆变桥的开通关断。

在电机减速控制中，需机器人输出反向力矩，即再生制动。通过改变图5中电流参考值i_Sqref、i_Sdref的大小和正负，即可控制机器人加速或减速。

以上对本发明所提供的一种机器人的供电控制系统及供电控制方法进行了详细介绍。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。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见系统部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (7)

1.一种机器人的供电控制系统，其特征在于，包括：驱动器主电路，电源电路，掉电检测电路，单向充电电路和控制电路；

其中，所述驱动器主电路的第一端与继电器的第二端连接，所述继电器的第一端与交流电源连接，所述驱动器主电路的第二端与电机连接；所述电源电路的输入端与所述交流电源连接，所述电源电路的输出端与所述控制电路的供电端连接；所述掉电检测电路的第一端与所述交流电源连接，所述掉电检测电路的第二端与所述控制电路的信号输入端连接；所述控制电路的第一控制端与再生制动能量泄放电路的开关控制端连接，所述控制电路的第二控制端与驱动器逆变桥的开关控制端连接；所述单向充电电路分别与所述驱动器主电路中的驱动器母线电容和所述电源电路中的电源母线电容连接，且构成所述驱动器母线电容到所述电源母线电容的单向充电回路；

所述控制电路用于在接收到所述掉电检测电路检测到的掉电信号后，控制所述驱动器逆变桥的开关切换为再生制动模式。

2.根据权利要求1所述的供电控制系统，其特征在于，所述单向充电电路具体包括：第一二极管与第二二极管；

其中，所述第一二极管的阳极与所述驱动器母线电容的正极连接，所述第一二极管的阴极与所述电源母线电容的正极连接；所述第二二极管的阳极与所述电源母线电容的负极连接，所述第二二极管的阴极与所述驱动器母线电容的负极连接。

3.根据权利要求2所述的供电控制系统，其特征在于，所述单向充电电路还包括：与所述第一二极管串联的第一电阻，以及与所述第二二极管串联的第二电阻。

4.根据权利要求1所述的供电控制系统，其特征在于，所述单向充电电路具体包括第三二极管；

所述第三二极管的阳极与所述驱动器母线电容的正极连接，所述第三二极管的阴极与所述电源母线电容的正极连接；所述电源母线电容的负极与所述驱动器母线电容的负极连接。

5.根据权利要求1所述的供电控制系统，其特征在于，所述掉电检测电路具体包括：第三电阻、第四电阻、光耦合器和第五电阻；

其中，所述第三电阻的第一端与火线连接，所述第四电阻的第一端与零线连接，所述第三电阻的第二端与所述光耦合器的第一输入端连接，所述第四电阻的第二端与所述光耦合器的第二输入端连接，所述光耦合器的正极输出端与所述第五电阻的第二端以及所述控制电路的信号输入端连接，所述第五电阻的第一端与直流电源连接，所述光耦合器的负极输出端接地。

6.根据权利要求1所述的供电控制系统，其特征在于，所述掉电检测电路具体包括：电阻分压电路和隔离运放电路；

其中，所述电阻分压电路的输入端与所述交流电源连接，所述电阻分压电路的输出端与所述隔离运放电路的输入端连接，所述隔离运放电阻的输出端与所述控制电路的信号输入端连接。

7.一种机器人的供电控制方法，其特征在于，基于权利要求1至6任意一项所述的机器人的供电控制系统，包括：

控制电路在接收到掉电检测电路检测到的掉电信号后，控制驱动器主控电路的驱动器逆变桥的开关切换为再生制动模式。