一种用于伺服电机制动的泄能电路的制作方法

本发明涉及伺服电机制动控制技术领域，具体涉及一种用于伺服电机制动的泄能电路。

背景技术：

与人共融协作机器人采用伺服电机为机械臂各个关节提供动力，在机器人运行过程中，某关节减速制动的工况不可避免。当电机处于减速制动工作状态时，伺服电机工作在发电状态，减速的加速度越大，发电电压越高，若此时正常电源电压依旧作用在伺服电机上，则在电机驱动器逆变电路上的直流侧电压将等于发电电压与供电电源电压之和，远远高于正常工作电压，将导致逆变电路中的功率器件因超过额定工作电压而造成损坏，最终导致电机无法正常驱动。并且，由于电机驱动器逆变电路的直流侧电压大于电源电压，则会造成电流逆向灌入电源中，将会造成电源进入自我保护状态，严重则烧毁电源。

若采用传统的电磁制动方式，即通过机械装置锁住电机的轴，此方案简易操作，但是安装相关机械装置需要足够大的物理空间，这样便会增大与人共融协作机器人的体积和重量，有违该型机器人轻便灵巧的设计初衷，且会严重影响伺服电机的减速控制性能。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

本发明为了克服上述伺服电机在减速制动过程中因发电而造成不良影响的缺陷问题，提供一种用于伺服电机制动的泄能电路，既充分保证了电机控制性能的稳定，又无需额外增大机器人的体积，便于安装；有效保证了与人共融协作机器人可安全运行于减速制动的工作模式。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种用于伺服电机制动的泄能电路，包括直流侧电压实时采样比较模块、继电器控制信号产生模块、继电器控制模块；所述直流侧电压实时采样比较模块的输出端与继电器控制信号产生模块相连，所述继电器控制信号产生模块的输出端与继电器控制模块相连。

进一步地，所述直流侧电压实时采样比较模块将直流侧电压经过电阻分压、运放稳定电压信号后，通过线性光耦进行隔离，隔离后的电压信号再次通过运放进行跟随，得到直流侧电压采样信号，电压采样信号与基准电压vref进行比较，输出控制信号vo。

进一步地，所述直流侧电压实时采样比较模块包括电阻r1、r2、r3、r4、r5、r6，运放u1、u3、u4，线性光耦u2，电容c1；+48v电源电压经过电阻r1、r2接地，电阻r1、r2公共端经过电阻r3与运放u1的反相输入端相连，运放u1的同相输入端接地，运放u1的反相输入端与输出端相连；运放u1的输出端通过电阻r4与线性光耦u2的1脚相连，线性光耦u2的2脚接+5v电源，线性光耦u2的2脚接地，线性光耦u2的4脚与运放u1的输出端相连，线性光耦u2的5脚接地并与运放u3的同相输入端相连，线性光耦u2的6脚与运放u3的反相输入端相连；运放u3的反相输入端分别通过电阻r5、电容c3与运放u3的输出端相连，运放u3的输出端与运放u4的同相输入端相连，运放u4的反相输入端与基准电压vref相连，+5v电源经过电阻r6与运放u4的输出端相连且输出信号输出控制信号vo。

进一步地，所述运放u1为lm358，运放u3为lm358，运放u4为lm339。

进一步地，所述线性光耦为hcnr200。

进一步地，所述继电器控制信号产生模块包括输出控制信号vo、电阻r7、r8、+5v电源、光耦u5、电容c2、+24v电源；+5v电源通过电阻r7与光耦u5的2脚相连，光耦u5的3脚与输出控制信号vo相连，光耦u5的5脚接地，光耦u5的8脚与+24v电源相连，+24v电源与地之间连接有电阻r8、电容c2，电阻r8、电容c2的公共端输出控制信号vo1。

进一步地，所述光耦u5为hcpl-3120。

进一步地，所述继电器控制模块包括输出控制信号vo1、固态继电器u6、二极管d1、d2，电阻r9、+48v电源；固态继u6的输入端分别与输出控制信号vo1和地相连，固态继电器u6的一个输出端接地，固态继电器u6的另一输出端与电阻r9、二极管d2一端相连，电阻r9、二极管d2另一端通过二极管d1与+48v电源相连。

进一步地，所述固态继电器u6的输出端与二极管d2的阳极相连。

进一步地，所述二极管d2的阴极与二极管d1的阴极相连，二极管d1的阳极与+48v电源相连。

(三)有益效果

本发明的有益效果：一种用于伺服电机制动的泄能电路，体积小、结构简单，既充分保证了电机控制性能的稳定，又无需额外增大机器人的体积，便于安装；无需连接伺服电机驱动器，通过机器人控制器作为控制终端，稳定可靠，有效保证了与人共融协作机器人可安全运行于减速制动的工作模式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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为本发明原理框图；

图2为直流侧电压实时采样比较模块电路图；

图3为继电器控制信号产生模块电路图；

图4为继电器控制模块电路图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1，一种用于伺服电机制动的泄能电路，包括直流侧电压实时采样比较模块、继电器控制信号产生模块、继电器控制模块；直流侧电压实时采样比较模块的输出端与继电器控制信号产生模块相连，继电器控制信号产生模块的输出端与继电器控制模块相连。

直流侧电压实时采样比较模块将直流侧电压经过电阻分压得到适用于运放工作的电压信号，经过运放稳定电压信号后，通过线性光耦进行隔离，隔离后所得到的电压信号再次通过运放进行跟随，得到最终的直流侧电压采样信号，电压采样信号与基准电压vref进行比较，若大于基准电压，则输出控制信号vo。

结合图2，直流侧电压实时采样比较模块包括电阻r1、r2、r3、r4、r5、r6，运放u1、u3、u4，线性光耦u2，电容c1；+48v电源电压经过电阻r1、r2接地，电阻r1、r2公共端经过电阻r3与运放u1的反相输入端相连，运放u1的同相输入端接地，运放u1的反相输入端与输出端相连；运放u1的输出端通过电阻r4与线性光耦u2的1脚相连，线性光耦u2的2脚接+5v电源，线性光耦u2的2脚接地，线性光耦u2的4脚与运放u1的输出端相连，线性光耦u2的5脚接地并与运放u3的同相输入端相连，线性光耦u2的6脚与运放u3的反相输入端相连；运放u3的反相输入端分别通过电阻r5、电容c3与运放u3的输出端相连，运放u3的输出端与运放u4的同相输入端相连，运放u4的反相输入端与基准电压vref相连，+5v电源经过电阻r6与运放u4的输出端相连且输出信号输出控制信号vo。运放u1可以为lm358，运放u3可以为lm358，运放u4可以为lm339；线性光耦u2可以为hcnr200。

继电器控制信号产生模块将直流侧电压实时采样比较模块输出控制信号vo经过驱动光耦隔离放大后，输入机器人控制器的i/o口，机器人控制器在识别该信号后，输出控制信号vo1。

结合图3，继电器控制信号产生模块包括输出控制信号vo、电阻r7、r8、+5v电源、光耦u5、电容c2、+24v电源；+5v电源通过电阻r7与光耦u5的2脚相连，光耦u5的3脚与输出控制信号vo相连，光耦u5的5脚接地，光耦u5的8脚与+24v电源相连，+24v电源与地之间连接有电阻r8、电容c2，电阻r8、电容c2的公共端输出控制信号vo1。光耦u5可以为hcpl-3120。

结合图4，继电器控制模块包括输出控制信号vo1、固态继电器u6、二极管d1、d2，电阻r9、+48v电源；固态继u6的输入端分别与输出控制信号vo1和地相连，固态继电器u6的一个输出端接地，固态继电器u6的另一输出端与电阻r9、二极管d2一端相连，电阻r9、二极管d2另一端通过二极管d1与+48v电源相连。固态继电器u6的输出端与二极管d2的阳极相连，二极管d2的阴极与二极管d1的阴极相连，二极管d1的阳极与+48v电源相连。

在+48v电源的输出端加上了二极管d1，当固态继电器出现常开故障时，即使伺服电机发电，使得直流侧电压高于电源电压，也不会出现电流倒灌进电源的现象，从而最大程度上保护了电源的正常工作。当固态继电器正常工作时，若收到机器人控制器的控制信号vo1，固态继电器导通，则整个控制电路即通过制动电阻r9形成泄能回路。

具体工作时，本电路安装于电源与机器人控制器之间，无需与各个关节的电机驱动器相连。

首先对电源电压进行实时采样，将采得的电压信号进行调理后，与基准电压vref相比较，其中，通过计算采样电压的缩放比例，将伺服电机控制器的最大工作电压按此比例进行缩放，得到实际的基准电压。若实测电压高于基准电压，则输出相应的控制信号vo，该信号进入机器人控制器。

然后由机器人控制器对该输入信号进行逻辑判断，若判断为真，则输出一个继电器的控制信号用以闭合继电器。

继电器选用了一种更高性能的固态继电器(solidstaterelays,以下简写成“ssr”)，它是一种全部由固态电子元件组成的新型无触点开关器件,它利用电子元件(如开关三极管、双向可控硅等半导体器件)的开关特性,可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的,因此又被称为“无触点开关”。固态继电器是一种四端有源器件,其中两个端子为输入控制端,另外两端为输出受控端.它既有放大驱动作用,又有隔离作用,很适合驱动大功率开关式执行机构,较之电磁继电器可靠性更高,且无触点、寿命长、速度快,对外界的干扰也小。十分适用于与人共融协作机器人用的伺服电机制动泄能电路。

最后，一个由电源、制动电阻和继电器串联而成的泄能电路导通，此时制动电阻迅速消耗电能，高出控制器正常工作电压的电能将会通过制动电阻进行释放，直到直流侧电压恢复正常工作电压，继电器关断，功率电阻停止消耗电能。

综上所述，本发明实施例，用于伺服电机制动的泄能电路，通过实时采样直流侧电压，然后与基准电压进行比较，得到的控制信号，经过驱动光耦后输入机器人控制器；机器人控制器自主进行逻辑判断，最终输出ssr的控制信号，用来控制泄能电路的工作与否。根据电路的实际运用场合，选择制动电阻合适的阻值以及功率，即可完成伺服电机减速制动时的泄能工作，有效解决了因电机制动发电对控制器和电源所带来的危害，且不影响机器人控制器和电机驱动器的工作性能。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。