CN214045482U

CN214045482U - 一种永磁同步电机安全停车设备

Info

Publication number: CN214045482U
Application number: CN202023160035.1U
Authority: CN
Inventors: 谭欣; 邓加凌
Original assignee: CHONGQING VOCATIONAL INSTITUTE OF SAFETY & TECHNOLOGY
Current assignee: CHONGQING VOCATIONAL INSTITUTE OF SAFETY & TECHNOLOGY
Priority date: 2020-12-24
Filing date: 2020-12-24
Publication date: 2021-08-24
Anticipated expiration: 2030-12-24

Abstract

本实用新型公开了一种永磁同步电机安全停车设备，包括：上位机PLC，用于接收电机反电动势检测电路和STO电路反馈的信号，并给人员提供指示；电机反电动势检测电路，用于保证永磁同步电机安全停车的时候输出有效反馈停车信号；STO电路，用于保证永磁同步电机处于扭矩切断状态自由停车；电机封星电路，用于防止外力迫使电机运转造成的部件损坏，进行有效安全停车；永磁同步电机。本实用新型一种永磁同步电机安全停车设备完全采用硬件连接，不需要软件参与，可靠性高，还可以与机器本身的安全停车同时使用，以加强机器的安全性。

Description

一种永磁同步电机安全停车设备

技术领域

本实用新型属于电机控制技术领域，涉及一种永磁同步电机安全停车设备。

背景技术

近年来，随着永磁同步伺服电机在新能源汽车、机床、风电等工业行业的应用越来越广泛，对于电机停车的要求也不断提高，不仅需要对机器的控制系统有更加严谨的制动控制逻辑，对于驱动系统本身的制动要求也有极高要求。在机器和设备突然停电或者意外驱动器报警情况下，很多状况下电机是完全失控状态，这样会导致机器、设备或人受到损害。因此，做到安全停车是非常必要的。

要做到安全停车需要达到以下几项条件：第一，突然断电的状况下，要保证有足够的储备能源可供驱动器执行停车命令；第二，驱动器不能处于损坏状态；第三，伺服电机的编码器需要有效，把电机停车信号通过软件处理再传给上位机PLC，如果因为编码器的损害，那么电机还是处于失控状态。上述几项条件一般需要很高的硬件以及软件要求才能达到，但对于低成本设备和机器，很难承受为达到上述安全需求而大幅增加的硬件成本。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提供一种永磁同步电机安全停车设备，通过检测电机反电动势来判断电机安全停车，结合安全扭矩切断STO电路、电机封星电路，实现可控刹车，防止电机意外启动，技术方案简单且成本较低，解决了现有技术中存在的安全停车需要很高的硬件以及软件要求才能达到，硬件成本很高的问题。

本实用新型所采用的技术方案是，一种永磁同步电机安全停车设备，包括：

上位机PLC，用于接收电机反电动势检测电路和STO电路反馈的信号，并给人员提供指示，说明永磁同步电机是安全停车且扭矩关断状态；

电机反电动势检测电路，用于保证永磁同步电机安全停车的时候输出有效反馈停车信号，结合STO电路触发的反馈信号传输给上位机PLC；

STO电路，用于保证永磁同步电机处于扭矩切断状态自由停车，同时反馈STO电路触发的状态信号给上位机PLC；

电机封星电路，用于防止外力迫使电机运转造成的部件损坏，进行有效安全停车；

永磁同步电机，由输出端U、输出端V、输出端W组成。

进一步地，所述电机反电动势检测电路由电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15，比较器COMP1、比较器COMP2、比较器COMP3、比较器COMP4、比较器COMP5、比较器COMP6，二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6以及开关SW1、开关SW2组成。

更进一步地，反电动势检测电路的电路结构，具体为：

电阻R4一端与永磁同步电机的输出端U相连，电阻R4的另一端与电阻R9的分压连接到比较器COMP1的同相输入端，比较器COMP1的输出端连接到二极管D1的阳极；电阻R5一端与永磁同步电机的输出端V相连，电阻R5的另一端与电阻R8的分压连接到比较器COMP2的同相输入端，比较器COMP2的输出端连接到二极管D2的阳极；电阻R6一端与永磁同步电机的输出端W相连，电阻R6的另一端与电阻R7的分压连接到比较器COMP3的同相输入端，比较器COMP3的输出端连接到二极管D3的阳极；二极管D1、二极管D2、二极管D3的阴极均与开关SW1一端相连，开关SW1与上位机PLC相连；比较器COMP1、比较器COMP2、比较器COMP3的反向输入端均与正参考电压相连；电阻R10一端与永磁同步电机的输出端U相连，电阻R10的另一端与R15的分压连接到比较器COMP4的反相输入端，比较器COMP4的输出端连接到二极管D4的阳极；电阻R11一端与永磁同步电机的输出端V相连，电阻R11的另一端与电阻R14的分压连接到比较器COMP5的反相输入端，比较器COMP5的输出端连接到二极管D5的阳极；电阻R12一端与永磁同步电机的输出端W相连，电阻R12的另一端与电阻R13的分压连接到比较器COMP6的反相输入端，比较器COMP6的输出端连接到二极管D6的阳极；二极管D4、二极管D5、二极管D6的阴极均与开关SW2一端相连，开关SW2与上位机PLC相连；比较器COMP4、比较器COMP5、比较器COMP6的正向输入端均与负参考电压相连。

进一步地，STO电路由IGBT上桥驱动器电路、IGBT下桥驱动器电路、STO检测电路上桥、STO检测电路下桥、接触器控制电路、二极管D7、二极管D8、开关SW3、开关SW4、晶体管T1、晶体管T2组成。

更进一步地，STO电路的电路结构，具体为：

外部24V电源通过开关S1与IGBT上桥驱动器电路供电电源和STO检测电路上桥相连；外部24V电源通过开关S2与IGBT下桥驱动器电路供电电源和STO检测电路下桥相连；IGBT上桥驱动器电路控制晶体管T1，IGBT下桥驱动器电路控制晶体管T2；二极管D7的阴极与晶体管T1的集电极相连，二极管D7的阳极与晶体管T1的发射极相连；二极管D8的阴极与晶体管T2的集电极相连，二极管D8的阳极与晶体管T2的发射极相连；STO检测电路上桥信号反馈输出端连接到开关SW3和接触器控制电路，STO检测电路下桥信号反馈输出端连接到开关SW4和接触器控制电路；接触器控制电路输出端控制电机封星电路里面的接触器KM1，开关SW3和SW4分别用于控制反馈STO电路检测信号给上位机PLC。

更进一步地，接触器控制电路内部是一个与门结构的硬件电路。

进一步地，电机封星电路由接触器KM1和电阻R1、电阻R2、电阻R3组成；其中接触器KM1的控制端连接到STO电路的接触器控制电路的输出端，接触器KM1的常开触点一端分别通过电阻R1、电阻R2、电阻R3连接到永磁同步电机的输出端U、输出端V、输出端W，接触器KM1的常开触点的另一端短接。

本实用新型的有益效果是，本实用新型通过检测电机反电动势来判断电机安全停车，结合安全扭矩切断STO电路、电机封星电路，实现可控刹车，防止电机意外启动，电机反电动势检测电路反馈的信号和STO电路触发的反馈信号传输给上位机PLC，提醒人员电机已经安全停车，并可以执行某些维护工作，技术方案简单且成本较低；且该技术方案完全采用硬件连接，不需要软件参与，可靠性高，还可以与机器本身的安全停车同时使用，以加强机器的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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是本实用新型永磁同步电机安全停车设备的框图。

图2是本实用新型永磁同步电机安全停车设备的电气连接图。

图3是本实用新型永磁同步电机短路时电机电流和转速的关系曲线图。

图4是本实用新型永磁同步电机短路时电机转矩和转速的关系曲线图。

图5是本实用新型永磁同步电机短路时电机转速和时间的关系曲线图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型提供一种永磁同步电机安全停车设备，包括：

上位机PLC 1，即上位机可编程逻辑控制器；

电机反电动势检测电路2，采用纯硬件设计，永磁同步电机5在动态刹车状态通过检测电机反电动势检测电路2，经合理运放使用保证永磁同步电机5安全停车的时候输出有效反馈停车信号，结合STO电路3触发的反馈信号传输给上位机PLC 1，上位机PLC 1根据输入的反馈信号判断系统永磁同步电机5是否静止和安全扭矩关断，提醒人员永磁同步电机5已经安全停车，并可以执行某些维护工作；

STO电路3，即永磁伺服电机驱动器安全扭矩切断电路，永磁伺服电机驱动器采用IGBT(绝缘栅双极型晶体管)作为功率转换开关电路，通过上、下桥驱动电路供电电源控制IGBT的脉冲宽度调制(PWM)，当STO电路3工作，切断上、下桥驱动电路供电电源，导致脉冲宽度调制(PWM)关断，达到永磁同步电机5扭矩关断，保证永磁同步电机5处于扭矩切断状态自由停车，同时反馈STO电路3触发的状态信号给上位机PLC 1；

电机封星电路4，采用硬件方式进行刹车，永磁同步电机5停车后，电机封星电路4不动，防止外力迫使电机运转造成的机器、机械等部件损坏；保证在系统电源切断时候可以及时根据系统需求，合理选择动态吸收电阻进行有效安全停车；

永磁同步电机5。

如图2所示，本实用新型永磁同步电机安全停车设备的工作原理及电路详细动作经过是：

(1)上位机PLC 1用来接收STO电路3和电机反电动势检测电路2反馈的信号，并给人员提供指示，说明永磁同步电机5是安全停车且扭矩关断状态；

(4)电机反电动势检测电路2由电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15，比较器COMP1、比较器COMP2、比较器COMP3、比较器COMP4、比较器COMP5、比较器COMP6，二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6以及开关SW1、开关SW2组成；

永磁同步电机5的输出端U与电阻R4一端相连，电阻R4的另一端与电阻R9的分压连接到比较器COMP1的同相输入端，比较器COMP1的输出端连接到二极管D1的阳极；永磁同步电机5的输出端V与电阻R5一端相连，电阻R5的另一端与电阻R8的分压连接到比较器COMP2的同相输入端，比较器COMP2的输出端连接到二极管D2的阳极；永磁同步电机5的输出端W与电阻R6一端相连，电阻R6的另一端与电阻R7的分压连接到比较器COMP3的同相输入端，比较器COMP3的输出端连接到二极管D3的阳极；二极管D1、二极管D2、二极管D3的阴极均与开关SW1一端相连，开关SW1与上位机PLC 1相连；比较器COMP1、比较器COMP2、比较器COMP3的反向输入端均与正参考电压相连；

永磁同步电机5的输出端U与电阻R10一端相连，电阻R10的另一端与R15的分压连接到比较器COMP4的反相输入端，比较器COMP4的输出端连接到二极管D4的阳极；永磁同步电机5的输出端V与电阻R11一端相连，电阻R11的另一端与电阻R14的分压连接到比较器COMP5的反相输入端，比较器COMP5的输出端连接到二极管D5的阳极；永磁同步电机5的输出端W与电阻R12一端相连，电阻R12的另一端与电阻R13的分压连接到比较器COMP6的反相输入端，比较器COMP6的输出端连接到二极管D6的阳极；二极管D4、二极管D5、二极管D6的阴极均与开关SW2一端相连，开关SW2与上位机PLC 1相连；比较器COMP4、比较器COMP5、比较器COMP6的正向输入端均与负参考电压相连；

(3)STO电路3由IGBT上桥驱动器电路(BLOCK1)、IGBT下桥驱动器电路(BLOCK2)、STO检测电路上桥(BLOCK3)、STO检测电路下桥(BLOCK4)、接触器控制电路(BLOCK5)、二极管D7、二极管D8、开关SW3、开关SW4、晶体管T1、晶体管T2组成；

其中外部24V电源通过开关S1与IGBT上桥驱动器电路(BLOCK1)供电电源和STO检测电路上桥(BLOCK3)相连；外部24V电源通过开关S2与IGBT下桥驱动器电路(BLOCK2)供电电源和STO检测电路下桥(BLOCK4)相连；IGBT上桥驱动器电路(BLOCK1)控制晶体管T1，IGBT下桥驱动器电路(BLOCK2)控制晶体管T2；二极管D7的阴极与晶体管T1的集电极相连，二极管D7的阳极与晶体管T1的发射极相连；二极管D8的阴极与晶体管T2的集电极相连，二极管D8的阳极与晶体管T2的发射极相连；STO检测电路上桥(BLOCK3)信号反馈输出端连接到开关SW3和接触器控制电路(BLOCK5)，STO检测电路下桥(BLOCK4)信号反馈输出端连接到开关SW4和接触器控制电路(BLOCK5)，接触器控制电路(BLOCK5)内部是一个与门结构的硬件电路；接触器控制电路(BLOCK5)输出端控制电机封星电路4里面的接触器KM1，开关SW3和SW4分别用于控制反馈STO电路3检测信号给上位机PLC 1；

(4)电机封星电路4由一个接触器KM1和三个电阻(电阻R1、电阻R2、电阻R3)组成；其中接触器KM1的控制端连接到STO电路3的接触器控制电路BLOCK5的输出端，接触器KM1的常开触点一端分别通过电阻R1、电阻R2、电阻R3连接到永磁同步电机5的输出端U、输出端V、输出端W，接触器KM1的常开触点的另一端短接；

(5)永磁同步电机5由输出端U、输出端V、输出端W组成；

其中，输出端U分别连接到电机封星电路4里面的电阻R1的一端、电机反电动势检测电路模块2的电阻R4和电阻R10的一端；输出端V分别连接到电机封星电路4里面的电阻R2的一端、电机反电动势检测电路模块2的电阻R5和电阻R11的一端；输出端W分别连接到电机封星电路4里面的电阻R3的一端、电机反电动势检测电路模块2的电阻R6和电阻R12的一端。

如图3所示，本实用新型的永磁同步电机短路时电机电流和转速的关系曲线图中，电机短路电流I(ω)的大小随电机运行转速ω的升高逐渐增大，并在某一电机运行转速达到峰值，利用电机的动态电流，根据电机运行转速可以计算出瞬时电机制动功率P_diss(ω)，如式(1)所示，然后根据瞬时电机制动功率P_diss(ω)计算出制动扭矩Torque(ω)，如式(2)所示：

式(1)中，Re表示求和；I(ω)为电机短路电流，单位是安培(A)；ω为电机运行转速，单位是弧度每秒(rad/s)；E为反电动势；

其中，电机短路电流I(ω)公式如式(3)所示：

式(3)中，

为虚单位；R为定子电阻；L为定子自感；Pn为额定功率。

如图4所示，本实用新型的永磁同步电机短路时电机转矩和电机运行转速的关系曲线图中，随着电机制动转矩慢慢增大，在某一个速度会得到最大制动扭矩。

如图5所示，本实用新型的永磁同步电机短路时电机转速和时间的关系曲线图中，已知开始永磁同步电机5的转速，和永磁同步电机5加上负载本身转动惯量Ine，根据微分计算的方法可以得到电机减速的大概曲线波形。

本实用新型永磁同步电机安全停车设备，完全采用硬件连接，不需要软件参与，可靠性高；而且还可以与机器本身的安全停车同时使用，以加强机器的安全性，具有结构简单、电路成本低的优点。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。

Claims

1.一种永磁同步电机安全停车设备，其特征在于，包括：

上位机PLC(1)，用于接收电机反电动势检测电路(2)和STO电路(3)反馈的信号，并给人员提供指示，说明永磁同步电机(5)是安全停车且扭矩关断状态；

电机反电动势检测电路(2)，用于保证永磁同步电机(5)安全停车的时候输出有效反馈停车信号，结合STO电路(3)触发的反馈信号传输给上位机PLC(1)；

STO电路(3)，用于保证永磁同步电机(5)处于扭矩切断状态自由停车，同时反馈STO电路(3)触发的状态信号给上位机PLC(1)；

电机封星电路(4)，用于防止外力迫使电机运转造成的部件损坏，进行有效安全停车；

永磁同步电机(5)，由输出端U、输出端V、输出端W组成。

2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机安全停车设备，其特征在于，所述电机反电动势检测电路(2)由电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15，比较器COMP1、比较器COMP2、比较器COMP3、比较器COMP4、比较器COMP5、比较器COMP6，二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6以及开关SW1、开关SW2组成。

3.根据权利要求2所述的一种永磁同步电机安全停车设备，其特征在于，所述反电动势检测电路(2)的电路结构，具体为：

电阻R4一端与永磁同步电机(5)的输出端U相连，电阻R4的另一端与电阻R9的分压连接到比较器COMP1的同相输入端，比较器COMP1的输出端连接到二极管D1的阳极；电阻R5一端与永磁同步电机(5)的输出端V相连，电阻R5的另一端与电阻R8的分压连接到比较器COMP2的同相输入端，比较器COMP2的输出端连接到二极管D2的阳极；电阻R6一端与永磁同步电机(5)的输出端W相连，电阻R6的另一端与电阻R7的分压连接到比较器COMP3的同相输入端，比较器COMP3的输出端连接到二极管D3的阳极；二极管D1、二极管D2、二极管D3的阴极均与开关SW1一端相连，开关SW1与上位机PLC(1)相连；比较器COMP1、比较器COMP2、比较器COMP3的反向输入端均与正参考电压相连；电阻R10一端与永磁同步电机(5)的输出端U相连，电阻R10的另一端与R15的分压连接到比较器COMP4的反相输入端，比较器COMP4的输出端连接到二极管D4的阳极；电阻R11一端与永磁同步电机(5)的输出端V相连，电阻R11的另一端与电阻R14的分压连接到比较器COMP5的反相输入端，比较器COMP5的输出端连接到二极管D5的阳极；电阻R12一端与永磁同步电机(5)的输出端W相连，电阻R12的另一端与电阻R13的分压连接到比较器COMP6的反相输入端，比较器COMP6的输出端连接到二极管D6的阳极；二极管D4、二极管D5、二极管D6的阴极均与开关SW2一端相连，开关SW2与上位机PLC(1)相连；比较器COMP4、比较器COMP5、比较器COMP6的正向输入端均与负参考电压相连。

4.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机安全停车设备，其特征在于，所述STO电路(3)由IGBT上桥驱动器电路、IGBT下桥驱动器电路、STO检测电路上桥、STO检测电路下桥、接触器控制电路、二极管D7、二极管D8、开关SW3、开关SW4、晶体管T1、晶体管T2组成。

5.根据权利要求4所述的一种永磁同步电机安全停车设备，其特征在于，所述STO电路(3)的电路结构，具体为：

外部24V电源通过开关S1与IGBT上桥驱动器电路供电电源和STO检测电路上桥相连；外部24V电源通过开关S2与IGBT下桥驱动器电路供电电源和STO检测电路下桥相连；IGBT上桥驱动器电路控制晶体管T1，IGBT下桥驱动器电路控制晶体管T2；二极管D7的阴极与晶体管T1的集电极相连，二极管D7的阳极与晶体管T1的发射极相连；二极管D8的阴极与晶体管T2的集电极相连，二极管D8的阳极与晶体管T2的发射极相连；STO检测电路上桥信号反馈输出端连接到开关SW3和接触器控制电路，STO检测电路下桥信号反馈输出端连接到开关SW4和接触器控制电路；接触器控制电路输出端控制电机封星电路(4)里面的接触器KM1，开关SW3和SW4分别用于控制反馈STO电路(3)检测信号给上位机PLC(1)。

6.根据权利要求5所述的一种永磁同步电机安全停车设备，其特征在于，所述接触器控制电路内部是一个与门结构的硬件电路。

7.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机安全停车设备，其特征在于，所述电机封星电路(4)由接触器KM1和电阻R1、电阻R2、电阻R3组成；其中接触器KM1的控制端连接到STO电路(3)的接触器控制电路的输出端，接触器KM1的常开触点一端分别通过电阻R1、电阻R2、电阻R3连接到永磁同步电机(5)的输出端U、输出端V、输出端W，接触器KM1的常开触点的另一端短接。