永磁式失電制動器的節電控制裝置的製作方法
2023-11-01 02:30:22
專利名稱：永磁式失電制動器的節電控制裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是永磁製動器的節能及降低發熱量的技術領域。
背景技術：
先進機器人的發展主要朝向高集成度、多傳感器、小重量、大力矩輸 出、節能等方面。現有的機械臂關節內大部分採用永磁無刷直流電機驅動 和諧波減速器作為力矩輸出。然而，對於大多數的先進機器人，關節的負 載力矩大於諧波減速器的無載反驅動力矩。因此大部分的機械臂系統都裝 配了失電制動器，它能夠有效的保證斷電情況下關節仍保持位姿，不至於 產生意想不到的運動從而損壞設備。
無滑環的乾式單板摩擦式永磁製動器主要包括制動器磁鐵、電磁線圈 和銜鐵三部分。制動器失電時銜鐵在永磁力的作用下被吸引到制動器磁鐵 的摩擦面上，產生無滑轉的扭矩。驅動或制動扭矩通過板式彈簧傳遞，運
行時無滑轉，連接後無摩損；通電後電磁線圈產生抵消永磁力的電磁力， 銜鐵在板式彈簧力的作用下離開制動器磁鐵準備下一次的動作，空轉時的 扭矩損失為零。
由於這種失電制動器具備體積小，重量輕，電機正常運轉時無摩擦， 制動響應快等優點，現在的先進機器人越來越青睞於使用。但是，制動器 在正常工作時會消耗較大的功率，這些能量幾乎以熱量形式轉換，制動器 表面溫度會快速升高。同時，機械臂需要輕巧的外形，熱量無法從緊湊的 機械結構中有效的傳導，這樣將導致關節內溫度逐步升高，嚴重影響關節 的電氣性能和電機、諧波減速器的輸出效率。
發明內容
本發明是為了克服現有永磁式失電制動器在通電工作時，會消耗較大 的功率(能量)，這些能量大部分轉換成熱量，使制動器表面溫度會快速升 高的問題。同時，因機器人的機械臂是輕巧的外形，熱量無法從緊湊的機 械結構中有效的傳導，這樣將導致關節內溫度逐步升高，而嚴重影響關節
的電氣性能和電機、諧波減速器的輸出效率。進而提出了一種永磁式失電 制動器的節電控制裝置。
本發明由電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、第一運放 比較器U1、 二路與門比較器U2、電壓放大器U3、第二運放比較器U4、三 極管Bl、場效應管B2、 PWM佔空比調節控制器1組成；
電阻R1的一端連接電源+Vcc端，電阻R1的另一端、電阻R2的一端 連接第一運放比較器U1的反相輸入端，電阻R2的另一端接地，第一運放 比較器U1的同相輸入端連接第二運放比較器U4的反相輸入端並接基準電 源+VDD端，第一運放比較器U1的輸出端連接二路與門比較器U2的一個 輸入端，二路與門比較器U2的另一個輸入端連接PWM佔空比調節控制器 1的輸出端，PWM佔空比調節控制器1的信號輸入端連接第二運放比較器 U4的輸出端，二路與門比較器U2的輸出端連接三極體B1的基極，三極體 Bl的發射極接地，三極體B1的集電極連接電阻R3的一端，電阻R3的另 一端、電阻R4的一端連接場效應管B2的柵極，場效應管B2的漏極連接 電阻R4的另一端並接電源+Vcc端，場效應管B2的源極連接永磁式失電制 動器2的輸入端，永磁式失電制動器2的輸出端、電阻R5的一端連接電壓 放大器U3的正輸入端，電阻R5的另一端連接電壓放大器U3的負輸入端 並接地，電壓放大器U3的輸出端連接第二運放比較器U4的同相輸入端， PWM佔空比調節控制器1設置有電動機控制使能輸入端1-1 。
工作原理
1、 當電機的控制使能信號輸入的同時，PWM佔空比調節控制器1開 始工作。首先控制器輸出恆定的PWM信號，保證制動器在正常驅動電壓 +￥"下工作時的開啟電壓。例如驅動電壓是28V，而制動器正常工作電壓 是24V，則輸出PWM的佔空比24/28 = 86%，PWM的輸出頻率設定為20K。
2、 同時電壓保護電路開始工作，驅動電源+Vcc經過電阻Rl、 R2分壓 後與基準電壓+VDD通過運放比較器Ul進行比較。當+Vcc的電壓小於保 護電壓時，運放比較器U1輸出為低電平0，表明驅動電壓輸入不正常；反 之，運放比較器U1輸出為高電平1，表明在此驅動電壓下制動器能夠工作。
3、 接著PWM佔空比調節控制器1輸出的PWM與電壓保護電路(運
放比較器U1)輸出信號通過兩路與門比較器U2;兩路與門比較器U2的輸 出信號經過三極體B1，這是用來增強場效應管B2的驅動能力；驅動信號 與驅動電源+Vcc相結合，經過R4、 R3分壓後驅動場效應管B2，從而驅動 永磁式失電制動器2。
4、 電壓反饋電路主要通過與永磁式失電制動器2相串聯一小阻值的電 阻R5，通過電壓放大器U3放大電壓後，與基準電壓+VDD通過運放比較 器U4相比較，將比較輸出送入PWM佔空比調節控制器1中用於PWM佔 空比調節。
5、 根據所購買的永磁式失電制動器2設計標準，假設永磁式失電制動 器2打開的時間為T，在PWM佔空比調節控制器1中設定一個定時器，當 永磁式失電制動器2打開時間大於2T時，就可以實時採集運放比較器U4 的輸出電壓，實時自動調節輸出的PWM，通過PI (比例積分)控制加前饋 補償就可以實時調節輸出的PWM，前饋量設定依據實驗確定(舉例以28V 驅動電壓為例，當制動器離銜鐵距離為0.5mm時，所選用制動器的工作電 壓降低至18V剛好維持制動器正常工作，即選用前饋補償的PWM佔空比 18/28=65%)。而實現了永磁式失電制動器2通電動作後再降低供電電壓後 還能保持合閘狀態的目的。
本發明根據永磁式失電制動器的磁鐵與銜鐵的距離，依據實驗確定永 磁製動器的最小合閘電壓，當距離越大時其合閘電壓越小。通過帶前饋的 PI控制就能夠自動調節制動器的工作電壓，降低用電量，為原用電量的75% 左右，因此，它有效的節省了用電量(能量)，而能較大幅度的降低機械臂 的內部溫度。並具有造價成本低廉、結構簡單的優點。
圖1是本發明的整體電路結構示意圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一結合圖l說明本實施方式，本實施方式由電阻R1、 電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、第一運放比較器U1、 二路與門比 較器U2、電壓放大器U3、第二運放比較器U4、三極體B1、場效應管B2、 PWM佔空比調節控制器1組成；
電阻R1的一端連接電源+Vcc端，電阻R1的另一端、電阻R2的一端 連接第一運放比較器U1的反相輸入端，電阻R2的另一端接地，第一運放 比較器U1的同相輸入端連接第二運放比較器U4的反相輸入端並接基準電 源+VDD端，第一運放比較器U1的輸出端連接二路與門比較器U2的一個 輸入端，二路與門比較器U2的另一個輸入端連接PWM佔空比調節控制器 1的輸出端，PWM佔空比調節控制器1的信號輸入端連接第二運放比較器 U4的輸出端，二路與門比較器U2的輸出端連接三極體B1的基極，三極體 Bl的發射極接地，三極體B1的集電極連接電阻R3的一端，電阻R3的另 一端、電阻R4的一端連接場效應管B2的柵極，場效應管B2的漏極連接 電阻R4的另一端並接電源+Vcc端，場效應管B2的源極連接永磁式失電制 動器2的輸入端，永磁式失電制動器2的輸出端、電阻R5的一端連接電壓 放大器U3的正輸入端，電阻R5的另一端連接電壓放大器U3的負輸入端 並接地，電壓放大器U3的輸出端連接第二運放比較器U4的同相輸入端， PWM佔空比調節控制器1設置有電動機控制使能輸入端1-1。
基準電源+VDD為2.5V 5V之間的穩壓直流源。第一運放比較器Ul、 第二運放比較器U4選用的型號都為LM393， 二路與門比較器U2選用的型 號為NC7SZ08M5，電壓放大器U3選用的型號為INA337,三極體B1選用 的型號為BSS138，場效應管B2選用的型號為NTGS3455， PWM佔空比調 節控制器1選用的型號為FPGA-ALTERA-Cyclone EPlc20，永磁式失電制 動器2的型號為KEB COMBIPERM 06.P1.230的無滑環的乾式單板摩擦式 永磁製動器。
權利要求
1、永磁式失電制動器的節電控制裝置，它由電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、第一運放比較器U1、二路與門比較器U2、電壓放大器U3、第二運放比較器U4、三極體B1、場效應管B2、PWM佔空比調節控制器(1)組成；其特徵在於電阻R1的一端連接電源+Vcc端，電阻R1的另一端、電阻R2的一端連接第一運放比較器U1的反相輸入端，電阻R2的另一端接地，第一運放比較器U1的同相輸入端連接第二運放比較器U4的反相輸入端並接基準電源+VDD端，第一運放比較器U1的輸出端連接二路與門比較器U2的一個輸入端，二路與門比較器U2的另一個輸入端連接PWM佔空比調節控制器(1)的輸出端，PWM佔空比調節控制器(1)的信號輸入端連接第二運放比較器U4的輸出端，二路與門比較器U2的輸出端連接三極體B1的基極，三極體B1的發射極接地，三極體B1的集電極連接電阻R3的一端，電阻R3的另一端、電阻R4的一端連接場效應管B2的柵極，場效應管B2的漏極連接電阻R4的另一端並接電源+Vcc端，場效應管B2的源極連接永磁式失電制動器(2)的輸入端，永磁式失電制動器(2)的輸出端、電阻R5的一端連接電壓放大器U3的正輸入端，電阻R5的另一端連接電壓放大器U3的負輸入端並接地，電壓放大器U3的輸出端連接第二運放比較器U4的同相輸入端，PWM佔空比調節控制器(1)設置有電動機控制使能輸入端(1-1)。
全文摘要
永磁式失電制動器的節電控制裝置，它涉及的是永磁製動器的節能及降低發熱量的技術領域。它是為了克服現有永磁式失電制動器在通電工作時，會消耗較大的功率(能量)，這些能量大部分轉換成熱量，使制動器表面溫度會快速升高的問題。它的PWM佔空比調節控制器的輸出端通過第一運放比較器U1、二路與門比較器U2、三極體B1、場效應管B2連接永磁式失電制動器的一個輸入端，永磁式失電制動器的另一個輸入端通過電壓放大器U3、第二運放比較器U4連接PWM佔空比調節控制器的輸入端，PWM佔空比調節控制器設置有電動機控制使能輸入端。本發明能夠根據永磁式失電制動器的磁鐵與銜鐵的距離，自動調節制動器的工作電壓，降低用電量，為原用電量75％左右。
文檔編號F16D65/22GK101169165SQ20071014438
公開日2008年4月30日 申請日期2007年9月28日 優先權日2007年9月28日
發明者宏 劉, 璐 劉, 奎 孫, 熊根良, 蔣再男, 謝宗武, 金明河, 黃劍斌 申請人:哈爾濱工業大學