CN116317739A - 过载随动的自锁电动缸及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种过载随动的自锁电动缸及方法，步进电机控制器根据直线位移传感器的信号来精确控制电动缸的运动位移，通过可控的常闭继电器实现步进电机线圈输出的短接，产生的短接制动转矩实现电动缸的自锁。当系统断电时，常闭继电器处于导通状态，通过短接制动转矩实现电动缸电自锁。当系统运行时，控制常闭继电器处于断开状态，电动缸可正常运行。电动缸运行到位后，控制常闭继电器处于导通状态，通过短接制动转矩实现负载的维持。本发明设计简单、成本低，且功耗低，节约了时间与经济成本，并可以实现在过载的情况下随动的功能，提高了电动缸系统的可靠性，具有很强的使用价值。

Description

过载随动的自锁电动缸及方法

技术领域

本发明属于电动缸技术领域，具体涉及一种过载随动的自锁电动缸及方法。

背景技术

用于射电望远镜反射面的电动缸要求具有断电自锁能力和过载随动能力，一般实现自锁的方式主要包含机械自锁和电自锁，机械自锁需要用低效率减速器，以损失系统的效率为代价。电自锁一般需要增加电抱闸等额外设备，增加系统用电功耗。这两种自锁方式均无法实现随动功能，且实现成本高，不能满足使用要求。

故，目前需要解决现有自锁电动缸的设备复杂且无法过载随动的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决现有自锁电动缸的设备复杂且无法过载随动的问题，提出了一种过载随动的自锁电动缸及方法，设计简单、成本低，功耗低，既可以实现自锁功能，又可以在过载情况下实现随动功能，能够较好的满足特种装备上的特殊电动缸的应用。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种过载随动的自锁电动缸，包括交流电源，所述交流电源连接AC/DC变换的输入端，所述AC/DC变换的输出端连接步进电机控制器的输入端，所述步进电机控制器的输出端连接步进电机的输入端，所述步进电机的输出端连接减速机的输入端，所述减速机的输出端连接滚珠丝杠，所述滚珠丝杠上安装有直线位移传感器，用于将滚珠丝杠的反馈位移信息送至步进电机控制器。

进一步地，所述减速机采用行星减速机。

进一步地，其特征在于，所述步进电机采用永磁式步进电机。

一种过载随动的自锁电动缸的实现方法，所述电动缸利用步进电机控制器的电动驱动部分短接步进电机的相线，产生短接制动转矩，所述短接制动转矩经过减速机放大产生自锁力，所述电动缸利用自锁力自锁；当电动缸断电时承受的力大于额定载荷，所述承受的力通过步进电机的传动机构传导到步进电机的输出轴，步进电机的转子克服自锁力产生运动，电动缸过载随动。

进一步地，所述步进电机控制器的电动驱动部分包括常闭继电器，所述电动缸未通电时，常闭继电器将步进电机的相线短接，电动缸自锁；所述电动缸在通电后，步进电机控制器的控制信号为无效态，当电动缸需要开始动作时，由步进电机控制器的控制信号输出为有效态，此时步进电机解除制动状态，电动缸正常运行，当电动缸需要停止动作时，步进电机控制器将控制信号输出为无效态，步进电机保持制动状态，电动缸停止运行，常闭继电器将步进电机的相线短接，电动缸自锁。

进一步地，所述步进电机控制器的电动驱动部分还包括全桥驱动电路、门电路和内部电源；所述全桥驱动电路的驱动信号驱动步进电机；所述门电路的输出端连接常闭继电器的控制端；在断电时，常闭继电器处于导通状态，驱动信号短接；在通电时，门电路控制常闭继电器默认上电无效，常闭继电器处于导通状态，驱动信号短接；所述内部电源的正负极之间连接有电阻。

进一步地，所述电阻采用毫欧级大功率电阻，所述步进电机控制器的GPIO端连接常闭继电器的控制端，所述常闭继电器与全桥驱动电路并联；所述常闭继电器的输出端与步进电机的相线端连接。

进一步地，所述常闭继电器采用常闭固态继电器。

进一步地，所述自锁电动缸的自锁力按照减速机的减速比成倍放大。

一种射电望远镜反射面系统，使用过载随动的自锁电动缸。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供了一种过载随动的自锁电动缸，交流电源经过电源的AC\DC变换，为步进电机控制器提供用于控制步进电机和内部使用的直流电源，步进电机控制器直接控制后端连接的步进电机；自锁力由步进电机和减速机来提供。行星减速机后端连接滚珠丝杠，滚珠丝杠将旋转运动转换成直线运动。滚珠丝杠上安装有用于反馈位移信息的直线位移传感器。直线位移传感器的信号送至步进电机控制器，步进电机控制器根据此信号来精确控制电动缸的运动位移。

本发明减速机采用效率较高的行星减速机避免了机械自锁。

本发明通过短接步进电机相线产生短接制动转矩实现电动缸的电自锁；设计简单、成本低，且功耗低，节约了时间与经济成本，并可以实现在过载的情况下随动的功能，提高了电动缸系统的可靠性，具有很强的使用价值。

本发明电动缸在断电状态下承受比额定载荷更大的力时，这个力通过传动机构传导到步进电机的输出轴，使转子克服了锁紧力，产生了运动，则步进电机由电动机的功能转换成发电机的功能，由于运动速度和位移均有限，电流不会对电机的线圈造成大的影响，电动缸实现了过载随动功能。

本发明通过常闭继电器实现步进电机的相线短接，且常闭继电器的控制端可控。当电动缸系统断电时，常闭继电器处于导通状态，通过短接制动转矩实现电动缸电自锁。当电动缸系统运行时，控制常闭继电器处于断开状态，电动缸可正常运行。电动缸运行到位后，控制常闭继电器处于导通状态，通过短接制动转矩实现负载的维持。

本发明步进电机控制器的内部电源的正负极之间通过一个毫欧级大功率电阻连接，步进电机内断电前储存的能量在常闭固态继电器闭合后能够通过该毫欧级大功率电阻泄放至负极。

本发明常闭继电器采用常闭固态继电器可以抵抗短接瞬间电机线圈所产生的反向电动势的冲击，并且常闭固态继电器的动作短接时间远低于电机的机械时间常数。

本发明电动缸的自锁力实际来源于步进电机的永磁体，永磁体的磁场强弱直接影响到自锁力的大小。而输出功率大的步进电机永磁体磁场强。另外，电机的自锁力将按减速机的减速比成倍放大。更换不同规格的步进电机和不同减速比的减速器来调节自锁力，简单且成本低。

附图说明

说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的控制系统拓扑结构图。

图2为本发明的电机短接控制电路图。

图3为本发明的常闭继电器与全桥连接示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

一种过载随动的自锁电动缸，包括交流电源，所述交流电源连接AC/DC变换的输入端，所述AC/DC变换的输出端连接步进电机控制器的输入端，所述步进电机控制器的输出端连接步进电机的输入端，所述步进电机的输出端连接减速机的输入端，所述减速机的输出端连接滚珠丝杠，所述滚珠丝杠上安装有直线位移传感器，用于将滚珠丝杠的反馈位移信息送至步进电机控制器。减速机采用行星减速机。步进电机采用永磁式步进电机。

一种过载随动的自锁电动缸的实现方法，电动缸利用步进电机控制器的电动驱动部分短接步进电机的相线，产生短接制动转矩，短接制动转矩经过减速机放大产生自锁力，电动缸利用自锁力自锁；当电动缸断电时承受的力大于额定载荷，承受的力通过步进电机的传动机构传导到步进电机的输出轴，步进电机的转子克服自锁力产生运动，电动缸过载随动。

步进电机控制器的电动驱动部分包括常闭继电器，电动缸未通电时，常闭继电器将步进电机的相线短接，电动缸自锁；电动缸在通电后，步进电机控制器的控制信号为无效态，当电动缸需要开始动作时，由步进电机控制器的控制信号输出为有效态，此时步进电机解除制动状态，电动缸正常运行，当电动缸需要停止动作时，步进电机控制器将控制信号输出为无效态，步进电机保持制动状态，电动缸停止运行，常闭继电器将步进电机的相线短接，电动缸自锁。

步进电机控制器的电动驱动部分还包括全桥驱动电路、门电路和内部电源；全桥驱动电路的驱动信号驱动步进电机；门电路的输出端连接常闭继电器的控制端；在断电时，常闭继电器处于导通状态，驱动信号短接；在通电时，门电路控制常闭继电器默认上电无效，常闭继电器处于导通状态，驱动信号短接；内部电源的正负极之间连接有电阻。

电阻采用毫欧级大功率电阻，步进电机控制器的GPIO端连接常闭继电器的控制端，常闭继电器与全桥驱动电路并联；常闭继电器的输出端与步进电机的相线端连接。

常闭继电器采用常闭固态继电器。

自锁电动缸的自锁力按照减速机的减速比成倍放大。

一种射电望远镜反射面系统，使用过载随动的自锁电动缸。

实施例

(1)电动缸整体实现

电动缸是一种电动直线执行机构，可以满足高精度直线运动控制要求。

以采用交流220V电源供电的电动缸为例，如图1所示，交流电源经过电源的AC\DC变换，为步进电机控制器提供用于控制步进电机和内部使用的直流电源，控制部分由步进电机控制器实现，步进电机控制器直接控制后端连接的步进电机；自锁力由步进电机和减速机来提供。为了避免机械自锁，减速机采用效率较高的行星减速机。行星减速机后端连接滚珠丝杠，滚珠丝杠将旋转运动转换成直线运动。滚珠丝杠上安装有用于反馈位移信息的直线位移传感器。直线位移传感器的信号送至步进电机控制器，步进电机控制器根据此信号来精确控制电动缸的运动位移。

电动缸自锁，是指电动缸在停止时，受到外接的拉力或压力，电动缸的位移均没有发生改变的情况。

在通电时，步进电机输出轴具有静止扭矩，自锁状态由静止扭矩来维持，步进电机处于输入电能不做功的状态，输入电能通过步进电机转换成了热能。本发明实现了通电状态下，通过步进电机控制器控制常闭继电器使步进电机相线保持短路状态，产生的短接制动转矩为步进电机提供所需的自锁状态，减少电动缸系统的功耗，提升电动缸系统的可靠性。在断电时，步进电机输出轴失去静止扭矩的情况下，依然具有一定的短接制动转矩来达到电机自锁的状态，此短接制动转矩是由步进电机本身设计参数决定的。

(2)电动缸断电自锁实现

步进电机控制器的驱动部分如图2设计，图中(U12、U13、U16、U17)和(U14、U15、U18、U19)组成两个全桥驱动电路，其中U12、U13、U14和U15为PMOS管，U16、U17、U18和U19为NMOS管，通过(U12、U13、U16、U17)的信号A1、A2和(U14、U15、U18、U19)的信号B1、B2驱动两相步进电机的两相。

U21、U22、U23和U24为常闭固态继电器；在断电时，U22将B1与B2短接，U23将A1与A2短接，实现了两相步进电机的相线短接；U21将B1、B2与24VG-A短接，U24将A1、A2与24VG-A短接，24VG-A与24VGND之间通过一个毫欧级大功率电阻连接，两相步进电机内断电前储存的能量在常闭固态继电器闭合后通过该毫欧级大功率电阻泄放至24VGND。

常闭继电器采用固态继电器可以抵抗短接瞬间步进电机线圈所产生的反向电动势的冲击，并且短接的时间远低于两相步进电机的机械时间常数。

当电动缸工作到指定位置后，切断电动缸的供电输入将被切断，这时，固态继电器U21、U22、U23和U24均处于断电状态，即两相步进电机的两相均被短连至24VGND，则两相步进电机的定子绕组形成了切割永磁体的状态，产生了能够锁紧转子的锁紧力。

这种锁紧力经过两相步进电机后端的减速器而得到进一步的放大，最终使得电动缸实现了额定拉力或压力的断电自锁功能。

如图3所示，全桥的输出A1和A2由两个常闭固态继电器进行控制，使A1和A2在默认状态下均与24VG短接，在不需要自锁时，步进电机控制器通过GPIO信号打开常闭继电器，使全桥的输出信号与24VG断开。

(3)电动缸通电锁紧实现

电动缸在通电状态下，有时需要在固定位置处承载，通常的作法是通过步进电机控制器为步进电机提供电源，由步进电机控制器的电机控制芯片控制全桥驱动输出，使电机输出静止扭矩，这样虽然能够起到固定位置带电锁紧的作用，但是由于电流在电机绕组中持续存在，而电机并不旋转，使得绝大部分电能转换成了热能，电机温升较高且能耗较大。

为了起到节能降温的作用，设计了图2中的门电路U1，配合电机控制芯片开展工作。

在此硬件条件下，步进电机控制器的工作流程如下：步进电机控制器加电后，由于固态继电器U21、U22、U23、U24的控制端受U1控制，上电默认状态为无效，则电机处于锁紧状态。当需要运动时，首先，使能固态继电器ZS-D端，则A1与A2断开，B1与B2断开，这时全桥处于断开状态；然后使能电机控制芯片，则电机控制芯片控制全桥驱动处于输出状态；步进电机控制器根据运动指令向电机控制芯片发出控制信号，电机控制芯片根据控制信号控制全桥的工作；电机控制芯片断开全桥驱动的使能端，则电机控制芯片控制全桥处于不输出状态；最后，控制固态继电器U21、U22、U23、U24处于闭合状态，由短接制动转矩实现步进电机的自锁，无需电动缸系统为维护负载状态而输出额外电流，降低电动缸系统的功耗。

(4)电动缸过载随动功能实现

在射电望远镜反射面系统中，当电动缸出现故障后，电动缸无法响应射电望远镜反射面系统的有效指令，但是又无法立刻维修，则将电动缸的电源断掉，由于电动缸在射电望远镜反射面系统中只是一个组件，在其他组件正常运动时，如果故障电动缸锁紧力较大，会导致射电望远镜反射面系统中的刚性结构过载损坏，采用本发明的方法设计的电动缸则可防止此类情况发生。

当电动缸故障断电后，电动缸承受额定载荷，电动缸会因为断电自锁装置而被锁紧，不会影响射电望远镜反射面系统的其他运动部件正常工作。当其他部件运动时，故障电动缸承受了比额定载荷更大的力，这个力通过传动机构传导到步进电机的输出轴，使转子克服了锁紧力，产生了运动，则步进电机由电动机的功能转换成发电机的功能，由于运动速度和位移均有限，电流不会对电机的线圈造成大的影响，这样故障电动缸则实现了过载下的随动功能。

(5)电动缸自锁力的设计

电动缸的自锁力实际来源于步进电机的永磁体，永磁体的磁场强弱直接影响到自锁力的大小。而输出功率大的步进电机永磁体磁场强。

另外，电机的自锁力将按减速机的减速比成倍放大。

因此，更换不同规格的步进电机和不同减速比的减速器是本发明调节自锁力的方法。

最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本发明后依然可对发明的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在发明待批的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种过载随动的自锁电动缸，其特征在于，包括交流电源，所述交流电源连接AC/DC变换的输入端，所述AC/DC变换的输出端连接步进电机控制器的输入端，所述步进电机控制器的输出端连接步进电机的输入端，所述步进电机的输出端连接减速机的输入端，所述减速机的输出端连接滚珠丝杠，所述滚珠丝杠上安装有直线位移传感器，用于将滚珠丝杠的反馈位移信息送至步进电机控制器。

2.根据权利要求1所述的一种过载随动的自锁电动缸，其特征在于，所述减速机采用行星减速机。

3.根据权利要求1所述的一种过载随动的自锁电动缸，其特征在于，所述步进电机采用永磁式步进电机。

4.一种权利要求1-3任一项中所述的过载随动的自锁电动缸的实现方法，其特征在于，所述电动缸利用步进电机控制器的电动驱动部分短接步进电机的相线，产生短接制动转矩，所述短接制动转矩经过减速机放大产生自锁力，所述电动缸利用自锁力自锁；当电动缸断电时承受的力大于额定载荷，所述承受的力通过步进电机的传动机构传导到步进电机的输出轴，步进电机的转子克服自锁力产生运动，电动缸过载随动。

5.根据权利要求4所述的一种过载随动的自锁电动缸的实现方法，其特征在于，所述步进电机控制器的电动驱动部分包括常闭继电器，所述电动缸未通电时，常闭继电器将步进电机的相线短接，电动缸自锁；所述电动缸在通电后，步进电机控制器的控制信号为无效态，当电动缸需要开始动作时，由步进电机控制器的控制信号输出为有效态，此时步进电机解除制动状态，电动缸正常运行，当电动缸需要停止动作时，步进电机控制器将控制信号输出为无效态，步进电机保持制动状态，电动缸停止运行，常闭继电器将步进电机的相线短接，电动缸自锁。

6.根据权利要求4所述的一种过载随动的自锁电动缸的实现方法，其特征在于，所述步进电机控制器的电动驱动部分还包括全桥驱动电路、门电路和内部电源；所述全桥驱动电路的驱动信号驱动步进电机；所述门电路的输出端连接常闭继电器的控制端；在断电时，常闭继电器处于导通状态，驱动信号短接；在通电时，门电路控制常闭继电器默认上电无效，常闭继电器处于导通状态，驱动信号短接；所述内部电源的正负极之间连接有电阻。

7.根据权利要求4所述的一种过载随动的自锁电动缸的实现方法，其特征在于，所述电阻采用毫欧级大功率电阻，所述步进电机控制器的GPIO端连接常闭继电器的控制端，所述常闭继电器与全桥驱动电路并联；所述常闭继电器的输出端与步进电机的相线端连接。

8.根据权利要求4所述的一种过载随动的自锁电动缸的实现方法，其特征在于，所述常闭继电器采用常闭固态继电器。

9.根据权利要求4所述的一种过载随动的自锁电动缸的实现方法，其特征在于，所述自锁电动缸的自锁力按照减速机的减速比成倍放大。

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