CN116093888B - 一种工业机器人功率模块保护系统 - Google Patents

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Abstract

本申请提出工业机器人功率模块保护系统，通过设置隔离电路和与非门、或门等逻辑电路，当IPM功率模块过温或过流时，由隔离电路输出低电平过温或过流保护信号，同时由处理器模块采集低电平过温或过流保护信号，过温或过流保护信号通过或门逻辑转换输出高电平信号，或门输出脚与PWM缓冲模块使能脚相连，当或门输出高电平时，PWM缓冲模块下使能，关断输出PWM驱动信号，从而关断IPM功率模块中IGBT；且IPM功率模块的过温或过流信号发出到执行保护动作的过程通常微秒级；本申请设计合理、结构简单，整个保护过程微秒级，能够快速执行对功率模块的过温或过流保护动作，在行业中具有很好的实用价值。

Description

一种工业机器人功率模块保护系统
技术领域
本申请涉及电路设计技术领域，尤其是涉及一种工业机器人功率模块保护系统。
背景技术
IPM功率模块（Intelligent Power Module，智能功率模块）是一种先进的功率开关器件，具有GTR(大功率晶体管)高电流密度、低饱和电压和耐高压的优点,以及MOSFET(场效应晶体管)高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。IPM功率模块内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，使用起来方便，不仅减小了系统的体积以及开发时间，也极大增强了系统的可靠性，适应当今功率器件的发展方向—模块化、复合化和功率集成电路(PIC)，在电力电子领域得到了越来越广泛的应用。
工业机器人，尤其是涉及生产线上高速作业的机器人臂，由于其需要高速运动的同时还需将每次运动的数据、目标物拾取等数据进行传输，因此对于功率模块的保护很为重要。功率模块是功率电力电子器件按一定的功能组合再灌封成的一个模块。尤其涉及多轴工业机器人，每个轴都需要1个IPM功率模块来驱动电机，数量可达多个，随着机器人轴数的增多，IPM功率模块的保护变得更为重要。
由于工业机器人轴数不断增多，驱动工业机器人的功率变大，一旦工业机器人长时间运行，工业机器人的驱动模块就会温度过高或电流过大，从而导致IPM功率模块受到破坏，进而使工业机器人受到损伤。
发明内容
为了实现对工业机器人系统功率模块的快速保护，减小工业机器人受到损伤的可能性，本申请提供了一种工业机器人功率模块保护系统。
本申请提出了一种工业机器人功率模块保护系统，其结构包括IPM功率模块、隔离电路、逻辑电路、处理器模块和PWM模块；系统正常运行时，所述处理器模块连接控制所述PWM模块，所述PWM模块向IPM功率模块发送PWM驱动信号；对于系统中设置多个电机的情形，对应每个电机设置一IPM功率模块，对应每个IPM功率模块设置一PWM模块和一隔离电路；所述IPM功率模块出现过温或过流情形时，所述IPM功率模块连接隔离电路发送过温信号和过流信号，通过隔离电路输出低电平的过温保护信号和过流保护信号，所述逻辑电路接收所有隔离电路的低电平过温保护信号和过流保护信号，通过逻辑电路计算得到高电平信号；
同时，所述处理器模块采集所有隔离电路输出的低电平过温保护信号和过流保护信号，所述处理器模块接收到低电平信号执行保护控制，向所述逻辑电路的输出端发送PWM使能信号；所述逻辑电路连接所述PWM模块输出高电平PWM使能信号，控制所述PWM模块关断向IPM功率模块发送的PWM驱动信号，进而使得IPM功率模块中的IGBT关断，达到过温或过流等异常情形下对IPM功率模块的保护操作。
优选的，所述隔离电路包括过温保护VOT隔离电路和过流保护VFO隔离电路，所述IPM功率模块输出过温信号到VOT隔离电路，通过VOT隔离电路处理输出过温保护信号；所述IPM功率模块输出过流信号到VFO隔离电路，通过VFO隔离电路处理输出过流保护信号。
优选的，所述VOT隔离电路包括一比较器和光耦OP3元件，所述IPM功率模块输出的过温信号传送至所述比较器，比较器将温度与预先设定的阈值进行比较，若温度超过阈值，则比较器输出低电平信号，比较器连通光耦OP3使得光耦OP3导通，VOT隔离电路输出低电平的过温保护信号。
优选的，所述VFO隔离电路包括一PNP三极管VT2和光耦OP4元件，所述IPM功率模块输出的过流信号传送至PNP三极管VT2，过流信号为低电平信号，使得PNP三极管VT2导通，PNP三极管VT2连通光耦OP4使得OP4导通，VFO隔离电路输出低电平的过流保护信号。
优选的，所述逻辑电路包括与非门和或门，所有VOT隔离电路和VFO隔离电路均连接至所述与非门；所述VOT隔离电路向所述与非门输出过温保护信号，VFO隔离电路向所述与非门输出过流保护信号，与非门将过温保护信号与过流保护信号组合为一个保护信号输出给或门；同时所述或门接收母线过流信号，所述或门的输出端连接所述处理器模块发送来的PWM使能信号。
优选的，所述保护系统还设置一PWM缓冲电路，所述PWM缓冲电路的输入端连接所述或门的输出端，接收高电平PWM使能信号，使得所述PWM缓冲电路下使能，所述PWM缓冲电路连接所述PWM模块，控制PWM模块关断输出PWM驱动信号给IPM功率模块，进而控制关断IGBT。
优选的，所述与非门采用两个4通道两输入与非门，所述或门采用一个3通道三输入或门。
优选的，所述保护系统还设置一寄存器，所述处理器模块通过所述寄存器采集所有隔离电路发送的过温保护信号和过流保护信号，所述寄存器的输入端连接所有VOT隔离电路和VFO隔离电路的输出端，接收多个过温保护信号和过流保护信号，将多个并行信号转为串行信号发送给所述处理器模块。
优选的，所述寄存器采用8位并行负载移位寄存器，寄存器通讯使能SH/LD、时钟CLK、时钟使能CLK-INH以及串行数据QH四根信号线与所述处理器模块通信。
优选的，所述与非门采用两个SN74LVC00进行设置；所述或门采用一个CD74HC4075进行设置；PWM缓冲电路采用一个MC74VHCT541进行设置；寄存器采用两个SN74HC165进行设置。
综上所述，本申请工业机器人功率模块保护系统具有如下有益效果：通过设置隔离电路和与非门、或门等逻辑电路，
当IPM功率模块过温或过流时，由隔离电路输出低电平过温或过流保护信号，同时由处理器模块采集低电平过温或过流保护信号，过温或过流保护信号通过或门逻辑转换输出高电平信号，或门输出脚与PWM缓冲电路使能脚相连，当或门输出高电平时，PWM缓冲电路下使能，关断输出PWM驱动信号，从而关断IPM功率模块中IGBT；且IPM功率模块的过温或过流信号发出到执行保护动作的过程通常微秒级；
可知，该功率模块保护系统设计新颖合理、结构相对简单，整个保护过程微秒级，能够快速执行对功率模块的过温或过流保护动作，在行业中具有很好的实用价值。
附图说明
附图1是所述功率模块保护系统的示意框图。
附图2是实施例1所述VOT隔离电路的示意框图。
附图3是实施例1所述VFO隔离电路的示意框图。
附图4是实施例2所述与非门的示意框图一。
附图5是实施例2所述与非门的示意框图二。
附图6是实施例2所述或门的示意框图。
附图7是实施例2所述PWM缓冲电路的示意框图。
附图8是实施例3所述寄存器的示意框图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1-8及实施例，对本申请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用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请提出了一种工业机器人功率模块保护系统，实现对IPM功率模块的过流保护和过温保护，如附图1所示，其系统结构包括IPM功率模块、隔离电路、逻辑电路、处理器模块和PWM模块；系统正常运行时，处理器模块连接控制PWM模块，PWM模块向IPM功率模块发送PWM驱动信号；对于系统中设置多个电机的情形，对应每个电机设置一IPM功率模块，对应每个IPM功率模块设置一PWM模块和一隔离电路；IPM功率模块出现过温或过流情形时，IPM功率模块连接隔离电路发送过温信号和过流信号，通过隔离电路输出低电平的过温保护信号和过流保护信号，逻辑电路连接所有隔离电路接收过温保护信号和过流保护信号，通过逻辑电路计算得到高电平信号；
同时，隔离电路连接处理器模块发送过温保护信号和过流保护信号，若存在过温保护信号或过流保护信号为低电平信号，则处理器模块接收到低电平信号，将执行保护控制，处理器向逻辑电路的输出端发送PWM使能信号OE#；逻辑电路连接PWM模块输出高电平的使能信号OE#，控制PWM模块关断向IPM功率模块发送PWM驱动信号，进而使得IPM功率模块中的IGBT关断，达到过温或过流等异常状态下对IPM功率模块的保护操作。
这里，IGBT是绝缘栅双极型晶体管，PWM模块是PWM功率驱动模块的简称，用于功率驱动，特点是开、关动作迅速。
在工业机器人系统中，当IPM功率模块出现过流时，IPM功率模块内部首先会关断所有IGBT，IPM功率模块的故障输出脚会输出一固定脉宽的低电平过流信号VFO，此时即使PWM模块向IPM模块发送PWM驱动信号，IGBT仍然保持关断状态。
实施例1
实施例1是本申请工业机器人功率模块保护系统的一种具体实施方式，给出隔离电路的一种具体实现方式，本申请的保护范围包括但不限于该具体实现方式。
实施例1工业机器人功率模块保护系统，隔离电路包括过温保护VOT隔离电路和过流保护VFO隔离电路，IPM功率模块输出过温信号VOT到VOT隔离电路，通过VOT隔离电路处理输出过温保护信号VOT_FAULT；IPM功率模块输出过流信号VFO到VFO隔离电路，通过VFO隔离电路处理输出过流保护信号VFO_FAULT。
当系统温度过高时，IPM功率模块输出过温信号VOT，过温信号VOT的电平随IPM功率模块内部温度升高而升高。进一步优选设计是，如附图2所示，VOT隔离电路包括一比较器和光耦OP3元件，IPM功率模块输出的过温信号VOT传送至比较器，比较器将温度与预先设定的阈值进行比较，若温度超过阈值，则比较器输出低电平信号，比较器连通光耦OP3使得光耦OP3导通，进而VOT隔离电路输出低电平的过温保护信号VOT_FAULT。
进一步优选设计是，如附图3所示，VFO隔离电路包括一PNP三极管VT2和光耦OP4元件，IPM功率模块输出的过流信号VFO传送至PNP三极管VT2，过流信号VFO为低电平信号，使得PNP三极管VT2导通，PNP三极管VT2连通光耦OP4，使得OP4也导通，进而VFO隔离电路输出低电平的过流保护信号VFO_FAULT。
实施例2
实施例2是本申请工业机器人功率模块保护系统的一种具体实施方式，给出逻辑电路的一种具体实现方式，本申请的保护范围包括但不限于该具体实现方式。
在实施例1的基础之上，实施例2工业机器人功率模块保护系统，如附图4、5、6所示，逻辑电路包括与非门和或门，系统中所有IPM功率模块的VOT隔离电路和VFO隔离电路均连接至与非门；VOT隔离电路向与非门输出过温保护信号VOT_FAULT，VFO隔离电路向与非门输出过流保护信号VFO_FAULT，与非门将过温保护信号VOT_FAULT与过流保护信号VFO_FAULT组合为一个保护信号FAULT输出给或门；比如，机器人系统中设置六个电机时，与非门输出保护信号FAULT_1、FAULT_2、FAULT_3、FAULT_4、FAULT_5、FAULT_6；同时或门接收母线过流信号OC，或门的输出端接收处理器发送来的PWM使能信号OE#。
与非门(NAND gate）是数字电路的一种基本逻辑电路，是与门和非门的叠加，有多个输入和一个输出，若当输入均为高电平（1），则输出为低电平（0）；若输入中至少有一个为低电平（0），则输出为高电平（1）。或门（OR gate）是或电路，或门有多个输入端，一个输出端，只要输入中有一个为高电平时（逻辑“1”），输出就为高电平（逻辑“1”）；只有当所有的输入全为低电平（逻辑“0”）时，输出才为低电平（逻辑“0”）。
对于至多设置六个电机的机器人系统，为满足机器人系统中功率模块的过温过流保护需求，优选的设计是，与非门采用两个4通道两输入与非门，或门采用一个3通道三输入或门，三个输入分别接收两个保护信号FAULT和母线过流信号OC，或门输出端连接PWM使能信号；若三个输入端有一个信号为高电平，则或门输出高电平，从而PWM使能信号被强制拉高。
实施例2工业机器人功率模块保护系统，优选的设计还包括，在保护系统中设置PWM缓冲电路，如附图7所示，PWM缓冲电路的输入端连接或门的输出端，接收高电平的PWM使能信号OE#，使得PWM缓冲电路下使能，PWM缓冲电路连接PWM模块，控制PWM模块关断输出PWM驱动信号给IPM功率模块，进而控制关断IGBT完成对功率模块的过流和过温保护。
实施例3
实施例3是本申请工业机器人功率模块保护系统的一种具体实施方式，在实施例2的基础之上给出该保护系统的一种具体实现方式，本申请的保护范围包括但不限于该具体实现方式。
实施例3工业机器人功率模块保护系统，还设置一寄存器，处理器模块通过寄存器收集所有隔离电路发送的过温保护信号和过流保护信号，寄存器的输入端连接所有VOT隔离电路和VFO隔离电路的输出端，负责接收多个IPM功率模块的过温保护信号和过流保护信号，将多个并行信号转为串行信号发送给处理器模块；若隔离电路发出的保护信号存在低电平信号，则处理器模块接收到低电平信号立即执行保护动作，关断PWM驱动信号输出，使得IPM功率模块中IGBT关断，达到保护功率模块的目的。
优选的设计是，如附图8所示，寄存器采用8位并行负载移位寄存器，寄存器只需通讯使能SH/LD、时钟CLK、时钟使能CLK-INH以及串行数据QH四根信号线与处理器模块通信，即可通过寄存器采集所有隔离电路的过温保护信号和过流保护信号；解决了直接将每个隔离电路的保护信号接入处理器，占用过多处理器引脚的问题。
进一步优选的设计是，处理器模块设置时钟CLK频率为2.5MHz，这是处理器模块对寄存器数据采样的频率，则1个时钟周期为0.4us，1个时钟周期采样1位数据，采集完12路保护信号（最多6个电机时）仅需4.8us，而保护信号最小脉宽为20us，因此不会出现漏采保护信号的情况。
此外，在机器人系统上电时，隔离电路输出的过温或过流保护信号连接下拉电阻和滤波电容，使得IPM功率模块在系统上电时处于保护状态，待系统上电完成后，过温或过流信号则恢复上拉状态；滤波电容负责滤除干扰信号。
本申请的实施例1、实施例2或实施例3中，为了取得最佳功率保护效果，同时尽可能简化保护系统结构，优选设计是，与非门采用两个SN74LVC00进行设置；或门采用一个CD74HC4075进行设置；PWM缓冲电路采用一个MC74VHCT541进行设置；寄存器采用两个SN74HC165进行设置。
上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，本说明书（包括摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (5)

1.一种工业机器人功率模块保护系统，其特征在于：其结构包括IPM功率模块、隔离电路、逻辑电路、处理器模块和PWM模块；
系统正常运行时，所述处理器模块连接控制所述PWM模块，所述PWM模块向IPM功率模块发送PWM驱动信号；系统中设置多个电机，对应每个电机设置一IPM功率模块，对应每个IPM功率模块设置一PWM模块和一隔离电路；所述IPM功率模块过温或过流时，所述IPM功率模块连接隔离电路发送过温信号和过流信号，通过隔离电路输出低电平的过温保护信号和过流保护信号，所述逻辑电路接收所有隔离电路的低电平过温保护信号和过流保护信号，通过逻辑电路计算得到高电平信号；
同时，所述处理器模块采集所有隔离电路输出的低电平过温保护信号和过流保护信号，所述处理器模块接收到低电平信号执行保护控制，向所述逻辑电路的输出端发送PWM使能信号；所述逻辑电路连接所述PWM模块输出高电平PWM使能信号，控制所述PWM模块关断向IPM功率模块发送的PWM驱动信号，使得IPM功率模块中的IGBT关断；
所述逻辑电路包括与非门和或门，所有VOT隔离电路和VFO隔离电路均连接至所述与非门；所述VOT隔离电路向所述与非门输出过温保护信号，VFO隔离电路向所述与非门输出过流保护信号，与非门将过温保护信号与过流保护信号组合为一个保护信号输出给所述或门；同时所述或门接收母线过流信号，或门的输出端连接所述处理器发送来的PWM使能信号；
所述隔离电路包括VOT隔离电路和VFO隔离电路，所述IPM功率模块输出过温信号到VOT隔离电路，通过VOT隔离电路处理输出过温保护信号；所述IPM功率模块输出过流信号到VFO隔离电路，通过VFO隔离电路处理输出过流保护信号；
所述VOT隔离电路包括一比较器和光耦OP3元件，所述IPM功率模块输出的过温信号传送至所述比较器，比较器将温度与预先设定的阈值进行比较，若温度超过阈值，则比较器输出低电平信号，比较器连通光耦OP3使得光耦OP3导通，所述VOT隔离电路输出低电平的过温保护信号；
所述VFO隔离电路包括一PNP三极管VT2和光耦OP4元件，所述IPM功率模块输出的过流信号传送至所述PNP三极管VT2，过流信号为低电平信号，使得PNP三极管VT2导通，PNP三极管VT2连通光耦OP4使得OP4导通，所述VFO隔离电路输出低电平的过流保护信号。
2.根据权利要求1所述工业机器人功率模块保护系统，其特征在于：还设置一PWM缓冲电路，所述PWM缓冲电路的输入端连接所述或门的输出端，接收高电平PWM使能信号，使得所述PWM缓冲电路下使能，所述PWM缓冲电路连接所述PWM模块，控制PWM模块关断输出PWM驱动信号给IPM功率模块，进而控制关断IGBT。
3.根据权利要求2所述工业机器人功率模块保护系统，其特征在于：所述与非门采用两个4通道两输入与非门，所述或门采用一个3通道三输入或门。
4.根据权利要求1所述工业机器人功率模块保护系统，其特征在于：还设置一寄存器，所述处理器模块通过所述寄存器采集所有隔离电路发送的过温保护信号和过流保护信号，所述寄存器的输入端连接所有VOT隔离电路和VFO隔离电路的输出端，接收多个过温保护信号和过流保护信号，将多个并行信号转为串行信号发送给所述处理器模块。
5.根据权利要求4所述工业机器人功率模块保护系统，其特征在于：所述寄存器采用8位并行负载移位寄存器，所述寄存器通讯使能SH/LD、时钟CLK、时钟使能CLK-INH以及串行数据QH四根信号线与所述处理器模块通信。
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