TWI773479B

TWI773479B - 繼電器安全系統及機械手臂控制器

Info

Publication number: TWI773479B
Application number: TW110129533A
Authority: TW
Inventors: 張順凱; 陳毅弘; 黃彥舜
Original assignee: 上銀科技股份有限公司
Priority date: 2021-08-10
Filing date: 2021-08-10
Publication date: 2022-08-01
Also published as: TW202307888A

Abstract

本發明所提供的繼電器安全系統包括繼電器、緊停裝置、觸發偵測電路、黏點偵測電路及斷電電路。緊停裝置用以產生緊停信號。觸發偵測電路連接繼電器及緊停裝置，且用以將緊停信號轉換成觸發信號。黏點偵測電路連接觸發偵測電路及繼電器，且用以偵測繼電器產生的黏點信號，並依據觸發信號及黏點信號產生斷電信號。斷電電路連接緊停裝置、繼電器及黏點偵測電路，且接收斷電信號，並依據斷電信號斷開繼電器的電源。

Description

繼電器安全系統及機械手臂控制器

本發明與機電設備的控制器有關，特別是指一種機械手臂控制器及繼電器安全系統。

繼電器(Relay)廣泛應用於自動控制領域，例如機械手臂、機械設備或其他機電設備。但繼電器的機械接點會隨著使用的溫度及電氣條件等因素，導致常開接點與共同接點黏合在一起，而形成黏點或死吸的狀態。

台灣第M472196號新型專利揭露一種繼電器接點故障偵測系統，其透過控制迴路單元的設計來觸發控制系統發出警報，而不允許再次啟動控制系統。其另一實施例是透過保護迴路單元來斷開內部控制低電壓源的電力。因此，該專利需隨時偵測繼電器的狀態，且透過切斷內部控制低電壓源的傳輸來切斷高壓電源的運作，而無法單獨切斷內部控制低電壓源及高壓電源的傳輸路徑。但其在兩繼電器的其中一者出現接點異常時就進行警報來禁止下一次啟動，並無法直接斷開繼電器的電源。此外，若兩繼電器同時發生異常時，該專利未給予解決教示。

中國第CN101427335號專利揭露一種電源控制裝置及繼電器的異常檢測方法，其透過電容元件的充電規劃來判斷繼電器的狀態。

中國第CN109216113A號公開案揭露一種繼電器裝置，其透過在繼電器內部設置控制部，控制部包括故障偵測部及切換控制部，這種方式需重新設計繼電器結構且由於增設控制部，因此，體積應較一般繼電器更大，而不利於裝設在有限空間的控制器內。

有鑑於上述缺失，本發明的其中一個目的乃在於提供一種繼電器安全系統及應用繼電器安全系統的機械手臂控制器，其可在繼電器出現接點異常時斷開繼電器的相關電源，以提高繼電器使用的安全。

緣是，依據本發明所提供的繼電器安全系統包括繼電器、緊停裝置、觸發偵測電路、黏點偵測電路及斷電電路。緊停裝置用以產生緊停信號。觸發偵測電路連接繼電器及緊停裝置，且用以將緊停信號轉換成觸發信號。黏點偵測電路連接觸發偵測電路及繼電器，且用以偵測繼電器產生的黏點信號，並依據觸發信號及黏點信號產生斷電信號。斷電電路連接緊停裝置、繼電器及黏點偵測電路，且接收斷電信號，並依據斷電信號斷開繼電器的電源。

本發明提供一種機械手臂控制器，包括繼電器安全系統。

如此，本發明的繼電器安全系統及應用繼電器安全系統的機械手臂控制器可透過緊停裝置產生的緊停信號來讓觸發偵測電路驅動黏點偵測電路判斷繼電器是否有黏點異常，並在有黏點異常時透過斷電電路斷開繼電器的相關電源，以提高繼電器使用安全，此外，透過緊停裝置亦可達成測試繼電器是否有黏點異常的問題，來提高繼電器使用的可靠度。

10:繼電器安全系統

11:繼電器

111:線圈

113:常開接點

115:常閉接點

117:共同接點

13:緊停裝置

131:保險絲

133:緊停開關單元

15:觸發偵測電路

151:輸入保護單元

17:黏點偵測電路

19:斷電電路

191:第一開關單元

193:第二開關單元

195:光耦合器

197:輸出保護單元

30:負載

OPA1:第一運算放大器

OPA2:第二運算放大器

Q1:第一N通道電晶體

Q2:第二N通道電晶體

Q3:第一P通道電晶體

Q4:第二P通道電晶體

V_S1:第一電源

V_S2:第二電源

V_D:輸出端

有關繼電器安全系統的詳細構造、特點與其製作方法將於以下的實施例予以說明，然而，應能理解的是，以下將說明的實施例以及圖式僅只作為示例性地說明，其不應用來限制本發明的申請專利範圍，其中：圖1是本發明的繼電器安全系統的組成方塊示意圖。

圖2是延續圖1中繼電器安全系統的硬體電路圖。

以下藉由所列舉的若干實施例配合圖式，詳細說明本發明的技術內容及特徵，本說明書內容所提及的“連接”或“電連接”用語，只是以正常形成電性導通或連接的用語，並非作為限制主張範圍的用意。又，說明書內容所提及的“高輸入”或“低輸入”、“高輸出”或“低輸出”等電性信號準位或位階的形容用語，只是以正常形成電性信號的高低基準的例示描述用語，並非作為限制主張範圍的用意。

為了詳細說明本發明的技術特點所在，茲舉以下的實施例並配合圖式說明如後，其中：如圖1所示，本發明的繼電器安全系統10應用於機械手臂控制器，或其他需要繼電器的環境。

繼電器安全系統10包括繼電器11、緊停裝置13、觸發偵測電路15、黏點偵測電路17及斷電電路19。繼電器11包括線圈111、常開接點113、常閉接點 115及共同接點117。緊停裝置13用以產生緊停信號。其中，觸發偵測電路15、黏點偵測電路17及斷電電路19是設置在電路板(圖中未繪示)。

觸發偵測電路15連接繼電器11的線圈111及緊停裝置13，且用以接收緊停信號。黏點偵測電路17連接觸發偵測電路15及繼電器11的常閉接點115，且用以依據緊停信號及繼電器11的接點信號來產生斷電信號。斷電電路19連接黏點偵測電路17、繼電器11及緊停裝置13，且依據斷電信號斷開繼電器11的電源。

在正常情況下進行供電運作時，繼電器11可以透過常開接點113與共同接點117導通來供應電力至負載，此時，常閉接點115與共同接點117是斷開，而沒有接通。當正常情況下進行斷電運作時，繼電器11的常閉接點115與共同接點117導通，且常開接點113與共同接點117會斷開，而沒有接通，故無法供應電力至負載30。負載30例如機械手臂控制器的其他電路或馬達等。

在發現繼電器11有異常時，繼電器11的常開接點113與共同接點117都是被接通的，也就是常開接點113與共同接點117是吸死或黏住狀態，相同的，常閉接點115與共同接點117則呈現沒有接通的狀態，如此，繼電器11將無法有效地切斷供應至負載的電力。

在這異常狀況下，本發明是透過觸發偵測電路15偵測緊停信號的狀態，並在觸發偵測電路15偵測到緊停信號後，觸發偵測電路15將緊停信號轉換為觸發信號，以將觸發信號傳送至黏點偵測電路17。黏點偵測電路17依據觸發信號運作，以偵測繼電器11的接點狀態。

本實施例中，黏點偵測電路17是偵測常閉接點115的運作狀態，在有緊停信號且常閉接點115與共同接點117是斷開狀態時，表示繼電器的常開接點發生吸死或黏住的異常狀態，異常狀態稱為黏點，隨後，黏點偵測電路17產生斷電信號，而使斷電電路19依據斷電信號斷開繼電器11的電源，以進行檢查及維修等作業。

此外，在有緊停信號，但常閉接點115與共同接點117是連接狀態時，表示繼電器11仍正常。

本實施例中，斷電電路19包括第一開關單元191及第二開關單元193。第一開關單元191連接第一電源V_S1及緊停裝置13，且用以依據斷電信號斷開供電至緊停裝置13，第二開關單元193連接第二電源V_S2及常開接點113，且用以依據斷電信號斷開供電至繼電器11的常開接點113，而斷開繼電器11的相關電源，來達成斷電的目的。

延續前述正常狀態下，在黏點偵測電路17偵測到常閉接點115與共同接點117是斷開狀態時，表示吸死或黏住狀態已解除，因此，繼電器11正常而不會產生斷電信號。

如圖2所示，圖2是延續圖1的實施例，但差異在於應用兩個繼電器11。換言之，其他實施例中，繼電器的數量可以更多，例如三個或三個以上。

緊停裝置13包括保險絲131及連接保險絲131的緊停開關單元133。緊停開關單元133用以作動或觸發來產生緊停信號，但其他實施例中，緊停裝置13也可以透過其他元件或電子電路，以產生緊停信號。

觸發偵測電路15包括輸入保護單元151、第一運算放大器OPA1及第二運算放大器OPA2。黏點偵測電路17包括第一N通道電晶體(N-MOSFET)Q1，且依據觸發信號運作。斷電電路19包括光耦合器195、第二N通道電晶體Q2、第一P通道電晶體(P-MOSFET)Q3、第二P通道電晶體Q4及輸出保護單元197。其中，第一開關單元191及第二開關單元193分別是第一P通道電晶體Q3及第二P通道電晶體Q4。

輸入保護單元151電連接緊停裝置13的輸出端V_D(即緊停裝置13的緊停開關單元133)及第一運算放大器OPA1的反相輸入端，第一運算放大器OPA1的正相輸入端電連接第一電源V_S1，第一運算放大器OPA1的輸出端電連接至第二運算放大器OPA2的反相輸入端。第二運算放大器OPA2的正相輸入端電連接第一電源V_S1。第二運算放大器OPA2的輸出端電連接第一N通道電晶體Q1的閘極(gate)，第一N通道電晶體Q1的源極(source)連接至接地端。第一N通道電晶體Q1的汲極(drain)電連接至繼電器的常閉接點115、第一電源V_S1、第二N通道電晶體Q2的閘極及第一P通道電晶體Q3的閘極。第二N通道電晶體Q2的源極電連接至接地端。第一P通道電晶體Q3的源極電連接第一電源V_S1，輸出保護單元197電連接第一P通道電晶體Q3的汲極及緊停裝置13的輸入端，即緊停裝置13的保險絲131。光耦合器195的一次側電連接第一電源V_S1及第二N通道電晶體Q2的汲極，光耦合器195的二次側電連接第二電源V_S2及第二P通道電晶體Q4的閘極。第二P通道電晶體Q4的源極電連接第二電源V_S2，第二P通道電晶體Q4的汲極電連接繼電器11的常開接點113。緊停裝置13的輸出端V_D電連接繼電器11的線圈111。

本實施例中，輸入保護單元151及輸出保護單元197是相同的組成，其組成包括二極體及瞬態導通二極體，如此，透過輸入保護單元151及輸出保護單元197的設置來避免第二電源V_S2及第一電源V_S1接線錯誤所造成的供電系統(即第二電源V_S2及第一電源V_S1供電環境)發生損壞。

在一般或稱正常供電狀況下，繼電器11的常開接點113連接共同接點117，常閉接點115則是打開，而允許供電至負載。此時，緊停裝置13沒有作動或觸發時，緊停裝置13提供高輸出至第一運算放大器OPA1的反相輸入端，而使第一運算放大器OPA1的輸出端是低輸出，第二運算放大器OPA2的輸出是高輸出，如此，第一N通道電晶體Q1是導通狀態，即第一N通道電晶體Q1的汲極-源極導通，而使第一N通道電晶體Q1的汲極是低輸出，此時，第二N通道電晶體Q2、第一P通道電晶體Q3及第二P通道電晶體Q4的閘極是低輸入，而使第二N通道電晶體Q2截止，第一P通道電晶體Q3及第二P通道電晶體Q4是導通狀態，而持續供電給繼電器11。

當緊停裝置13被作動或觸發時，緊停裝置13提供低輸出至第一運算放大器OPA1的反相輸入端，而使第一運算放大器OPA1的輸出端是高輸出，第二運算放大器OPA2的輸出是低輸出，使得第一N通道電晶體Q1截止，且繼電器11的常閉接點115是連接共同接點117，也就是繼電器11是正常的，因此，第一P通道電晶體Q3及第二P通道電晶體Q4是導通狀態，而可繼續對繼電器供電。

當緊停裝置13被作動或觸發時，緊停裝置13提供低輸出至第一運算放大器OPA1的反相輸入端，而使第一運算放大器OPA1的輸出端是高輸出，第二運算放大器OPA2的輸出是低輸出，第一N通道電晶體Q1截止，且繼電器11的常閉接點115沒有連接共同接點117，表示常開接點113與共同接點117可能發生黏點狀況，也就是繼電器11是異常的，此時，第一P通道電晶體Q3及第二N通道電晶體Q2的閘極是高輸入，而讓第二N通道電晶體Q2導通，致使光耦合器195運作，以讓第二P通道電晶體Q4的閘極是高輸入，而使第一P通道電晶體Q3及第二P通道電晶體Q4是截止(或稱未導通)狀態，來斷開第二電源V_S2及第一電源V_S1的傳輸路徑。

斷電電路19中光耦合器195用以透過第一電源V_S1來控制第二P通道電晶體Q4的閘極電壓，以使斷電電路19能有效同步切換第一P通道電晶體Q3及第二P通道電晶體Q4。又，光耦合器195能有效隔離第一電源V_S1及第二電源V_S2，以避免第一電源V_S1及第二電源V_S2相互影響。

如此，本發明的繼電器安全系統可透過緊停裝置的緊停信號來給予緊停的請求，以透過觸發偵測電路及黏點偵測電路來確認繼電器是否有異常，即黏點問題，並在異常存在時，藉由斷電電路來斷開全部繼電器的相關電源。機械手臂控制器可透過繼電器安全系統來斷開繼電器的電源，以對機械手臂進行維修、保養或更換繼電器。

透過上述實施例說明本領域技術人員可理解本發明的繼電器安全系統的硬體配置的技術及目的，因此，上述關於運算放大器及電晶體(包括N通道電晶體或P通道電晶體)的配置亦能在硬體中透過數量或邏輯元件安排來改變來達成相同的技術及目的，因此，實施例中所說明的運算放大器及電晶體只是以本實施例中的說明，並非作為限制主張範圍的用意。