专利名称：用于有刷直流电机的制动控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及伺服控制领域，特别涉及在伺服控制系统中用于有刷直流电机的制动 控制器。
背景技术：
在现有技术中，许多运动范围有限的运动机构由于某种原因，致使正常运行的电 机容易出现跑飞等现象，如果不加以控制，就极有可能致使负载机构或重要设备严重损坏， 造成巨大损失，因此，对出现跑飞的电机加以制动是必要的。
传统的制动方法往往是采用机械装置或电磁装置对电机轴进行抱死，利用抱死机 构对电机轴的摩擦力使电机逐渐减速并最终停止，上述方法的缺陷是，在电机制动过程中， 由于原控制电路驱动电流持续作用于电机电枢，而在电机输出端又加载制动力矩，极易使 电机内流过的电流迅速增大，从而烧毁电机。而且该方法对电机的制动时间和制动距离依 赖于抱死装置与电机轴之间的摩擦系数及电机输出轴的转速和力矩，因而也具有很大的不 确定性，对很多安全性能要求极高的运动机构而言，很难满足故障情况下的制动要求。
因此，如何解决在电机发生跑飞等故障时，对其能够进行及时有效安全的制动控 制，便成为亟待解决的技术问题。发明内容
本发明的目的是提供一种用于有刷直流电机的制动控制器，以解决在电机发生跑 飞等故障时，对其能够进行及时有效安全的制动控制的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种有刷直流电机制动控制器，与所述有刷 直流电机相连接，对所述电机进行制动控制，其特征在于，该制动控制器包括主控芯片、光 耦模块、功率驱动器、继电器和控制反馈模块；其中，
所述主控芯片，与所述控制反馈模块、光耦模块和功率驱动器相耦接，用于当接收 到所述控制反馈模块发送的限位开关信号或故障恢复信号，根据所述限位开关信号或故障 恢复信号控制所述功率驱动器或光耦模块；
所述光耦模块，与所述主控芯片和继电器相耦接，用于接收所述主控芯片发送的 光耦控制信号并产生继电器切换控制信号给所述继电器；
所述功率驱动器，与所述主控芯片和继电器相耦接，用于接收所述主控芯片发送 的制动控制信号并将该制动控制信号放大后给所述继电器；
所述继电器，与所述电机、光耦模块和功率驱动器相耦接，用于接收所述光耦模块 发送的所述继电器切换控制信号，对该继电器连接的控制电路进行切断或恢复处理，或接 收所述功率驱动器发送的制动控制信号对所述电机进行控制；
所述控制反馈模块，与所述限位开关、电机和主控芯片相耦接，用于对所述电机进 行测速监测或电机所负载的机构的位置检测，当监测所述电机所负载的机构运动范围达到 限位开关的位置时，则产生限位开关信号给所述主控芯片，并采集电机运动速度数据给所述主控芯片进行运算对电机进行制动控制。
进一步地，所述控制反馈模块，进一步包括测速器、位置传感器、加速度传感器和 限位开关模块；所述测速器、位置传感器和加速度传感器分别与所述限位开关模块相连接， 所述测速器、位置传感器和加速度传感器分别用于对所述电机进行速度、位置和加速度的 监测，并将所检测的电机的速度、位置或加速度数据给主控芯片进行运算，用于对所述电机 的制动控制。所述限位开关模块用于对电机所负载的机构运动范围进行检测，当电机所负 载的机构运动范围达到所述限位开关模块的位置时，限位开关模块则发送限位开关信号给 主控芯片。
进一步地，所述测速器，进一步为测速陀螺仪。
进一步地，所述限位开关模块，进一步为机械限位开关、光电限位开关或具有位置 信号转化为电信号的开关器件。
进一步地，所述继电器，进一步为电磁继电器、固态继电器或电子线路切换装置。
进一步地，所述功率驱动器，进一步为DRV8432功率驱动器。
进一步地，所述有刷直流电机，进一步为具有脉冲宽度调制的调速方式的有刷直 流电机。
进一步地，所述主控芯片，进一步为具有现场可编程门阵列方式的控制芯片、单片 机、具有数字信号处理器的控制芯片或高性能RISC处理器的控制芯片。
进一步地，所述控制反馈模块还包括故障恢复模块，该故障恢复模块与所述主控 芯片和电机相耦接，用于在故障恢复后，由手动或自动方式对故障的恢复情况进行确认并 产生故障恢复信号发送给所述主控芯片；
所述主控芯片，还用于接收到所述故障恢复信号后，发送光耦控制信号，并控制所 述光耦模块发送所述继电器切换控制信号以控制所述继电器中连接的控制线路发生切换。
进一步地，所述主控芯片，与所述控制反馈模块中的测速器、限位开关模块以及功 率驱动器相耦接，用于当接收到所述控制反馈模块发送的限位开关信号后，通过光耦对继 电器进行控制，使电机控制线路发生切换，并根据所述测速器测量的速度值产生与所述电 机速度成比例变化的电机制动控制信号，给所述功率驱动器进行放大。
与现有技术相比，本发明所述的一种有刷直流电机制动控制器，达到了如下效 果
I)本发明所述的一种有刷直流电机制动控制器的制动时间和制动距离可根据具 体要求、实际转速和实际力矩，按照相应的算法进行调控，制动时间和制动距离可调。
2)本发明所述的一种有刷直流电机制动控制器，制动原理简单，实施方便；硬件电 路简单，所需器件少，成本低廉，功率驱动芯片驱动能力强，安全性高、保护性强；
3)本发明所述的一种有刷直流电机制动控制器，采用继电器控制电路，切换速度 快，且制动过程中，原控制电路被切断，仅制动控制电路作用于电机，避免控制信号同时作 用于电机，而引起电机内部电流过大，甚至被烧毁，具有速度环和位置环，可对电机进行有 效地制动控制或系统容错控制。
图1是本发明实施例所述的一种用于有刷直流电机的制动控制器的结构框图。
图2是图1所述的制动控制器的具体结构电路框图。
图3是采用本发明实施例所述的一种用于有刷直流电机的制动控制器的具体实 施结构框图。
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员 应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以 名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在 通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定 于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所 述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性 耦接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电 性耦接于所述第二装置，或通过其他装置或耦接手段间接地电性耦接至所述第二装置。说 明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本发明的一般原则为目 的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明所述制动控制器，与有刷直流电机(可以是为具有PWM (Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)调速方式的有刷直流电机)以及原控制器输出的电机控 制信号相连接，对所述电机进行制动控制，所述制动控制器包括主控芯片101、光耦模块 102、功率驱动器103、继电器104以及控制反馈模块105 ;其中，
所述主控芯片101，与所述控制反馈模块105、光耦模块102和功率驱动器103相 耦接，用于当接收到所述控制反馈模块105发送的限位开关信号或故障恢复信号，根据所 述限位开关信号或故障恢复信号控制光耦模块102。并用于接收所述控制反馈模块105发 送的测速数据，产生相应的制动控制信号，给所述功率驱动器103进行放大。
在具体实施例中，所述主控芯片101所采用的芯片可以是FPGA (Field -Programmable Gate Array,即现场可编程门阵列)芯片，DSP (Digital SignalProcessing, 即数字信号处理器)芯片，也可以是ARM(Advanced RISC Machines,即高性能RISC处理器) 芯片，以及单片机等，在此不作出限定。
所述光耦模块102，与所述主控芯片101和继电器104相耦接，用于接收所述主控 芯片101发送的光耦控制信号并产生继电器切换控制信号给所述继电器104。
所述功率驱动器103，与所述主控芯片101和继电器104相耦接，用于接收所述主 控芯片101发送的制动控制信号并对该制动控制信号放大后给所述继电器104。
所述继电器104，与所述电机、光耦模块102和功率驱动器103相耦接，用于接收所 述光耦模块102发送的继电器切换控制信号，对该继电器104连接的控制电路进行切断或 恢复处理；或接收功率驱动器103发送的制动控制信号，用于对电机的制动控制。
在具体实施例中，所述继电器104，可以是电磁继电器、固态继电器、电子线路切换 装置或其它可以利用小电流信号控制大电流线路的切换器件或装置等，在此不作出限定。
所述控制反馈模块105，与所述电机和主控芯片101相耦接，用于对所述电机进行 测速监测和电机所负载的机构的位置检测，当监测电机所负载的机构达到限位开关所在位置，则限位开关模块产生限位开关信号给所述主控芯片101，并检测所述电机运动速度数据 给所述主控芯片101进行运算，用于对所述电机的制动控制。
进一步地，如图2所示，所述控制反馈模块105进一步包括加速度传感器1051、 测速器1052、位置传感器1053、限位开关模块1054以及故障恢复模块1055 ;其中，
所述加速度传感器1051，与所述电机和主控芯片101相耦接，用于对所述电机进 行加速度的监测，并将加速度检测信号发送至所述主控芯片101。
所述测速器1052，与所述电机和主控芯片101相耦接，用于对所述电机进行速度 的监测，并将速度检测信号发送至所述主控芯片101。
在具体实施例中，所述测速器1052可以是测速陀螺仪或其他可以直接或间接测 量速度的传感器件，在此不作出限定。
所述位置传感器1053，与所述电机和主控芯片101相耦接，用于对所述电机进行 位置的监测，并将位置检测信号发送至所述主控芯片101。
所述限位开关模块1054，与主控芯片101相耦接，用于对所述电机所负载的机构 运行范围进行监测，并在该机构到达该限位开关的位置(限位开关的安装位置未画出，需要 根据实际情况安装)时，发送限位开关信号至所述主控芯片101。
在具体实施例中，所述限位开关模块1054应用的限位开关器件可以但不限于是 机械限位开关、光电限位开关或其他可以将位置信号转化为电信号的开关器件。
所述故障恢复模块1055,该故障恢复模块与所述主控芯片和电机相稱接,用于在 故障恢复后，由手动或自动方式对故障的恢复情况进行确认并产生故障恢复信号发送给所 述主控芯片。
具体地，该故障恢复模块1055的输出端与主控芯片101相耦接，如果采用自动方 式对故障恢复情况进行确认，则该故障恢复模块1055的输入端可以连接所述电机，如采用 手动方式对故障的恢复情况进行确认，则该故障恢复模块1055的输入端无需连接。故障恢 复模块1055在确认故障恢复后，用于发送故障恢复信号至所述主控芯片101。
下面为一具体实施例
如图3所示，当电机处于正常工作状态下时，由原控制器(图中并未画出)输出相 应的控制信号到制动控制器10内部的继电器104的B1、B2端口，此时，继电器104处于常 态(继电器切换控制信号为低电平)，此时，端口 BI与Cl连接，端口 B2与C2连接。在这种 情况下，电机受原控制器的电路控制而正常工作，测速器1052实时监测电机当前的转速情 况，并将数据传输至所述主控芯片101，电机所连接的负载机构在正常的工作范围内运动， 不会触碰限位开关1054，限位开关1054输出给主控芯片101的信号始终保持为低电平，因 此，主控芯片101此时没有任何输出信号，相当于在这种情况下，制动控制器10并未工作。
由于原控制器或驱动器故障或反馈信息错误等情况导致当前正常运行的电机跑 飞时，电机所连接的负载机构此时超出了正常的运动范围，进而触碰限位开关模块1054，使 限位开关1054向主控芯片101发出的限位信号为高电平，主控芯片101收到高电平的限位 信号后，一方面立即向光耦模块102发送高电平光耦控制信号，是光耦的输出端发出高电 平的继电器切换控制信号给继电器104，使图3所示的继电器104的Cl与端口 Al连接，C2 与端口 A2连接。此时，直流电机的原控制器的电路被切断，而与制动控制器10的电路相连 接，电机的运动转换在制动控制电路的控制作用下工作。另一方面，主控芯片101不断接收测速器1052所采集的电机实时转速数据，并通过不同的制动控制算法，产生与电机当前转 速相反作用力的占空比不同的PWM (脉冲宽度调制)信号，经功率放大器放大后，输出给继 电器104的Al、A2端，以控制电机使其逐渐减速，并直到测速器1052所检测到电机的转速 为零(即电机停止转动)时，主控芯片101输出的两路制动控制信号也将变为低电平，整个制 动控制过程至此结束。对电机的制动时间和制动距离可由制动控制算法根据实际的需要而 进行相应调整。
当电机跑飞并被制动控制器10制动后，如果电机所在的机构或系统对该直流电 机没有非常严格的连续运行的要求，则可以使电机停止工作，然后对引起电机跑飞的原控 制器、驱动器或反馈电路进行维修，维修完毕后，通过故障恢复模块1055对故障恢复情况 确认后，向主控芯片101发送故障恢复信号，主控芯片101接收到该信号后，向光耦102发 送低电平光耦控制信号，光耦102再向继电器104发出低电平的继电器切换控制信号，使继 电器104恢复常态，即端口 BI与Cl连接，端口 B2与C2连接，从而将电机控制权由制动控 制器10交给原控制器；当然，在电机原控制系统故障修护后，可由故障恢复模块1055向主 控芯片101发送故障恢复信号，故障恢复模块1055可通过手动确认的方式，如采用按钮开 关、旋钮开关或拨位开关等开关形式或其它能运用手动方式向主控芯片101发送故障恢复 确认信号的控制方式；也可采用自动方式完成向主控芯片101发送故障恢复确认信号。
当电机跑飞并被制动控制器10制动后，如果电机所在的机构或系统具有非常严 格的连续运行的要求，则电机必须继续工作。此时，制动控制器10可替代原控制器，按照所 需运动要求对电机继续进行控制，使其按照原来的工作状态继续工作，即制动控制器10对 于电机的原控制系统具有一定的容错功能。
为实现上述控制过程，主控芯片101所采用的芯片为FPGA芯片EP2C5T144C6 ； 测速器1052采用测速陀螺仪，型号为L3G4200D ;限位开关模块1054采用HONEYWELL开 关；光耦模块102采用器件PC817 ;功率驱动器103采用芯片DRV8432 ;继电器104采用 HK3FF-DC5V-SHG，故障恢复模块1055采用手动旋钮开关。设原控制信号对BI端产生占空 比80%、频率为20KHz的PWM信号，对B2端产生与BI端频率相同、波形相反的PWM信号，此 时，电机顺时针方向转动。
假设原控制器发生故障，使电机跑飞，原控制器对电机的控制权在FPGA的控制下 交由制动控制器10，制动控制器10然后根据制动控制算法输出相应的控制信号对电机进 行制动。设此时测速陀螺仪检测的电机速度值为60转/分，而制动控制器10输出频率为 20KHz的控制信号产生的反向制动力或力矩与电机转速成正比变化，即对继电器104的A2 端输出频率为20KHz的PWM控制信号占空比为100%时对应电机转速为60转/分，输出占 空比为50%时对应电机转速为O转/分，Al端输出的PWM控制信号与A2端信号频率相同， 波形相反。设此算法制动时间为h，制动距离为Q1，如需改变制动时间和制动距离，只需改 变相应的制动控制算法即可实现。
对电机的制动控制完成后，可在原控制系统故障恢复后，由故障恢复确认模块的 手动旋钮开关向FPGA发送故障恢复信号,使制动控制器将电机控制权交给原控制器。也可 预先将电机正常控制算法写入FPGA的程序存储器，待制动控制器完成制动功能后，立即运 行电机正常控制算法，使电机继续正常运行，以实现控制系统的容错功能。
与现有技术相比，本发明所述的一种有刷直流电机制动控制器，达到了如下效果
I)本发明所述的一种有刷直流电机制动控制器的制动时间和制动距离可根据具 体要求和当前的实际转速、力矩，按照相应的算法进行调控，制动时间和制动距离可调。
2)本发明所述的一种有刷直流电机制动控制器，制动原理和硬件电路简单，所需 器件少，成本低廉，实施方便，功率驱动芯片驱动能力强，安全性高、保护性强。
3)本发明所述的一种有刷直流电机制动控制器，采用继电器控制电路，切换速度 快，且制动过程中，原控制电路被切断，仅制动控制电路作用于电机，避免控制信号同时作 用于电机，而引起电机内部电流过大，甚至被烧毁，具有速度环和位置环，可对电机进行有 效地制动控制或系统容错控制。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明 并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、 修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识 进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发 明所附权利要求的保护范围内。
权利要求
1.一种用于有刷直流电机的制动控制器，与所述有刷直流电机相连接，对所述电机进行制动控制，其特征在于，该制动控制器包括主控芯片、光耦模块、功率驱动器、继电器和控制反馈模块；其中， 所述主控芯片，与所述控制反馈模块、光耦模块和功率驱动器相耦接，用于当接收到所述控制反馈模块发送的限位开关信号或故障恢复信号，根据所述限位开关信号或故障恢复信号控制所述功率驱动器或光耦模块； 所述光耦模块，与所述主控芯片和继电器相耦接，用于接收所述主控芯片发送的光耦控制信号并产生继电器切换控制信号给所述继电器； 所述功率驱动器，与所述主控芯片和继电器相耦接，用于接收所述主控芯片发送的制动控制信号并将该制动控制信号放大后给所述继电器； 所述继电器，与所述电机、光耦模块和功率驱动器相耦接，用于接收所述光耦模块发送的所述继电器切换控制信号，对该继电器连接的控制电路进行切断或恢复处理，或接收所述功率驱动器发送的制动控制信号对所述电机进行控制； 所述控制反馈模块，与所述限位开关、电机和主控芯片相耦接，用于对所述电机进行测速监测或电机所负载的机构的位置检测，当监测所述电机所负载的机构运动范围达到限位开关的位置时，则产生限位开关信号给所述主控芯片，并采集电机运动速度数据给所述主控芯片进行运算对电机进行制动控制。
2.如权利要求1所述的用于有刷直流电机的制动控制器，其特征在于，所述控制反馈模块，进一步包括测速器、位置传感器、加速度传感器和限位开关模块；所述测速器、位置传感器和加速度传感器分别与所述限位开关模块相连接，所述测速器、位置传感器和加速度传感器分别用于对所述电机进行速度、位置和加速度的监测，并将所检测的电机的速度、位置或加速度数据给主控芯片进行运算，用于对所述电机的制动控制。所述限位开关模块用于对电机所负载的机构运动范围进行检测，当电机所负载的机构运动范围达到所述限位开关模块的位置时，限位开关模块则发送限位开关信号给主控芯片。
3.如权利要求2所述的用于有刷直流电机的制动控制器，其特征在于，所述测速器，进一步为测速陀螺仪。
4.如权利要求2所述的用于有刷直流电机的制动控制器，其特征在于，所述限位开关模块，进一步为机械限位开关、光电限位开关或具有位置信号转化为电信号的开关器件。
5.如权利要求1所述的用于有刷直流电机的制动控制器，其特征在于，所述继电器，进一步为电磁继电器、固态继电器或电子线路切换装置。
6.如权利要求1所述的用于有刷直流电机的制动控制器，其特征在于，所述功率驱动器，进一步为DRV8432功率驱动器。
7.如权利要求1所述的用于有刷直流电机的制动控制器，其特征在于，所述有刷直流电机，进一步为具有脉冲宽度调制的调速方式的有刷直流电机。
8.如权利要求1所述的用于有刷直流电机的制动控制器，其特征在于，所述主控芯片，进一步为具有现场可编程门阵列方式的控制芯片、单片机、具有数字信号处理器的控制芯片或高性能RISC处理器的控制芯片。
9.如权利要求1所述的用于有刷直流电机的制动控制器，其特征在于，所述控制反馈模块还包括故障恢复模块，该故障恢复模块与所述主控芯片和电机相耦接，用于在故障恢复后，由手动或自动方式对故障的恢复情况进行确认并产生故障恢复信号发送给所述主控-H-* I I心片； 所述主控芯片，还用于接收到所述故障恢复信号后，发送光耦控制信号，并控制所述光耦模块发送所述继电器切换控制信号以控制所述继电器中连接的控制线路发生切换。
10.如权利要求2所述的用于有刷直流电机的制动控制器，其特征在于， 所述主控芯片，与所述控制反馈模块中的测速器、限位开关模块以及功率驱动器相耦接，用于当接收到所述控制反馈模块发送的限位开关信号后，通过光耦对继电器进行控制，使电机控制线路发生切换，并根据所述测速器测量的速度值产生与所述电机速度成比例变化的电机制动控制信号，给所述功率驱动器进行放大。
全文摘要
本发明公开了一种用于有刷直流电机的制动控制器，该制动控制器包括主控芯片、光耦模块、功率驱动器、继电器和控制反馈模块；其中，所述控制反馈模块，进一步包括测速器、位置传感器、加速度传感器、限位开关模块和故障恢复模块。本发明解决了在电机发生跑飞等故障时，对其能够进行及时有效安全的制动控制的问题。
文档编号H02P3/08GK103036487SQ201210536940
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月13日 优先权日2012年12月13日
发明者李登静, 李萍 申请人:四川九洲电器集团有限责任公司