一种用于多自由度运动仿真平台的动态制动装置及方法与流程

1.本发明涉及多自由度运动模拟仿真平台开发技术领域，具体涉及一种用于多自由度运动仿真平台的动态制动装置及方法。


背景技术：

2.随着科技的发展，多自由度运动仿真平台应用的领域越来越广，负载物吨位也越来越大，小到几十公斤，大到几十吨，是科研、教学最好的开发应用平台。
3.为了保障设备和人员的安全，驱动多自由度运动仿真平台运动的伺服电动缸的电机带有制动器，当系统出现故障或者断电时，电机制动器迅速启动，立即抱死电动缸，从而使平台能立即停止运动，保持在当前位置(图1)。由于平台不因自身以及舱体的惯性继续运动，所以传统的制动器是和伺服电机一体设计成型，占用电机总长度的30％，并且是摩擦制动，只能在电机使能或在轴不受外力的情况下使用，如果过多的在电机转动和大惯量情况下使用电机制动器，会使制动器内摩擦片摩擦系数降低，使其安全性降低。运动仿真平台的制动技术在大吨位上一直是制约安全性的最大障碍，也是负载物设备或人员安全的最后保障。
4.同时由于多自由度运动模拟仿真平台是基于伺服器件进行衍生开发的高精度运动平台，其运动复杂性导致其有可能在任何姿态下出现故障卡死，如果没有一个安全的归位系统，运动模拟仿真平台可能卡在一个很不方便人员疏散或者排故的姿态。


技术实现要素：

5.本发明提供一种用于多自由度运动仿真平台的动态制动装置及方法，解决现有传统制动技术无法在动态中进行，只能在静态下进行制动的弊端，并且解决了电机体积大、制动器磨损严重、故障率高、安全性差、负载物重心偏移较大导致无法回落到水平状态等问题。
6.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
7.一种用于多自由度运动仿真平台的动态制动装置，所述多自由度运动仿真平台通过多个运动执行机构支撑并驱动平台运动，所述运动执行机构由伺服驱动器和伺服电机构成，包括：plc运动控制器、不间断电源ups以及与多个运动执行机构对应设置的多个第一接触器；
8.所述ups为所述plc运动控制器供电；
9.所述第一接触器连接于伺服驱动器与伺服电机的uvw端之间；
10.所述plc运动控制器与所述第一接触器的控制端连接，用于在运动仿真平台因故障停机时，切断伺服驱动器与伺服电机的uvw端的连接并将伺服电机的uvw端并接，构成反接制动回路，对伺服电机进行动态制动。
11.进一步的，所述动态制动装置还包括，变频器和与多个运动执行机构对应设置的第二接触器；
12.所述ups为所述变频器供电，且所述变频器与第二接触器的控制端与所述plc运动控制器连接；
13.所述ups、变频器、第二接触器及其对应的伺服电机构成变频器控制回路，用于驱动伺服电机按照预设速度回撤电动缸；
14.所述ups、伺服驱动器与伺服电机构成驱动器辅助控制回路，用于采集伺服电机位置数据；
15.所述plc运动控制器分别与所述伺服驱动器、变频器通信连接，用于接收伺服驱动器采集的伺服电机位置数据，用于控制所述变频器工作。
16.进一步的，所述plc运动控制器用于：
17.对比接收到的各个伺服驱动器采集的对应伺服电机的位置数据，若相邻伺服电机的电动缸行程差值大于预设阈值，则将其中较大行程的伺服电机作为目标伺服电机，plc运动控制器控制目标伺服电机与变频器之间的第二接触器闭合，并断开目标伺服电机对应的第一接触器，控制变频器驱动目标伺服电机按照预设速度回撤电动缸。
18.进一步的，plc运动控制器控制较大行程伺服电机与变频器之间的第二接触器闭合，并断开较大行程伺服电机对应的第一接触器后，间隔预设时间后启动变频器，控制变频器驱动较大行程伺服电机按照预设速度回撤电动缸。
19.进一步的，所述plc运动控制器还用于：
20.当目标伺服电机与其相邻的伺服电机的电动缸行程差值小于预设阈值时，断开目标伺服电机对应的第二接触器，闭合对应的第一接触器。
21.进一步的，所述ups的设计容量为一个伺服电机单元容量。
22.基于上述的动态制动装置，本发明还提供一种用于多自由度运动仿真平台的动态制动方法，包括以下步骤：
23.s1，在运动仿真平台因故障停机时，plc运动控制器切断伺服驱动器与伺服电机的uvw端的连接并将伺服电机的uvw端并接，构成反接制动回路；
24.s2，ups为各伺服驱动器供电，伺服驱动器实时获取伺服电机编码器位置数据，并发送给所述plc运动控制器；
25.s3，plc运动控制器对比接收到的各个伺服驱动器采集的对应伺服电机的位置数据，若相邻伺服电机的电动缸行程差值大于预设阈值，则将其中较大行程的伺服电机作为目标伺服电机，plc运动控制器控制目标伺服电机与变频器之间的第二接触器闭合，并断开目标伺服电机对应的第一接触器，控制变频器驱动目标伺服电机按照预设速度回撤电动缸，直至目标伺服电机与其相邻的伺服电机的电动缸行程差值小于预设阈值，则执行步骤s4；
26.s4，plc运动控制器断开目标伺服电机对应的第二接触器，闭合对应的第一接触器，并跳转至步骤s2，直至运动仿真平台静止。
27.本发明的有益效果是：1.将原本安装在伺服电机上的制动器取消，节约电机长度，相对原本多余长度增加到电动缸的行程上，可增大平台运动性能参数。
28.2.将原本安装在伺服电机上的制动器取消，节约成本，约为伺服电机实际价格的10～40％，伺服电机功率越大，占比越大；用rth动态制动技术代替电机制动器，只需增加2个接触器，在一个平台系统上，只需增加一个plc，等同一个电机容量的变频器和ups，对六
自由度3吨以上平台经济效益最大。
29.3.将原本安装在伺服电机上的制动器取消，规避风险，原本电机上的制动器只适合在静态下使用，在动态下使用制动器，会使制动器内部的摩擦片磨损，尤其在大功率电机进行高惯量运动时，磨损尤为突出，致使制动器寿命大大缩减，而且人为不可观察磨损使用情况，使用次数越多，安全风险越大，使用周期较短，更换成本较高；用动态制动技术代替电机制动器，由于采用是的电能制动，规避物理摩擦制动，可长期使用，安全性高，无维护更换成本。
附图说明
30.图1为传统电机制动原理图；
31.图2为本发明实施例提供的一种用于多自由度运动仿真平台的动态制动装置结构原理图。
具体实施方式
32.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
33.图2为本发明实施例提供的一种用于多自由度运动仿真平台的动态制动装置结构原理图。
34.本实施例中所述多自由度运动仿真平台一般包括地基、上平台、动力源(即运动执行机构)、传动机构，所述地基用于为动力源和传动机构提供支撑；所述动力源用于为上平台提供动力，并通过传动机构分别与上平台、地基连接；所述传动机构的两端分别与上平台、地基连接；所述上平台用于承载载体，并带载体实现各种空间运动。所述运动执行机构由伺服驱动器和伺服电机构成。
35.如图2所示，本发明实施例提供的动态制动装置，包括：plc运动控制器、不间断电源ups、变频器以及与多个运动执行机构对应设置的多个第一接触器和第二接触器；
36.所述ups为所述plc运动控制器和变频器供电；
37.所述第一接触器连接于伺服驱动器与伺服电机的uvw端之间；
38.所述plc运动控制器与所述第一接触器的控制端连接，用于在运动仿真平台因故障停机时，切断伺服驱动器与伺服电机的uvw端的连接并将伺服电机的uvw端并接，构成反接制动回路，对伺服电机进行动态制动；
39.所述变频器与第二接触器的控制端与所述plc运动控制器连接；
40.所述ups、变频器、第二接触器及其对应的伺服电机构成变频器控制回路，用于驱动伺服电机按照预设速度回撤电动缸；
41.所述ups、伺服驱动器与伺服电机构成驱动器辅助控制回路，用于采集伺服电机位置数据；
42.所述plc运动控制器分别与所述伺服驱动器、变频器通信连接，用于接收伺服驱动器采集的伺服电机位置数据，用于控制所述变频器工作。
43.进一步的，所述plc运动控制器用于：
44.对比接收到的各个伺服驱动器采集的对应伺服电机的位置数据，若相邻伺服电机
的电动缸行程差值大于预设阈值，则将其中较大行程的伺服电机作为目标伺服电机，plc运动控制器控制目标伺服电机与变频器之间的第二接触器闭合，并断开目标伺服电机对应的第一接触器，控制变频器驱动目标伺服电机按照预设速度回撤电动缸。在本实施例中，预设阈值为最大行程的15％。
45.进一步的，plc运动控制器控制较大行程伺服电机与变频器之间的第二接触器闭合，并断开较大行程伺服电机对应的第一接触器后，间隔预设时间后启动变频器，控制变频器驱动较大行程伺服电机按照预设速度回撤电动缸。在本实施例中预设时间为50ms。
46.进一步的，所述plc运动控制器还用于：
47.当目标伺服电机与其相邻的伺服电机的电动缸行程差值小于预设阈值时，断开目标伺服电机对应的第二接触器，闭合对应的第一接触器。
48.进一步的，所述ups的设计容量为一个伺服电机单元容量。
49.基于上述的动态制动装置，本发明还提供一种用于多自由度运动仿真平台的动态制动方法，包括以下步骤：
50.s1，在运动仿真平台因故障停机(包括外部供电电源异常、伺服系统报错和外部关联逻辑信号异常等)时，plc运动控制器切断伺服驱动器与伺服电机的uvw端的连接并将伺服电机的uvw端并接，构成反接制动回路。
51.反接制动，是利用伺服电机定子线圈的uvw在和外部驱动器断开时，采用星形接法，即uvw接在一起，此时由于伺服电机转子受外部机械传动使其被动转动时，产生旋转磁场，并切割定子线圈所产生电能，再对uvw进行反接，组合成反接制动系统。
52.按照能量守恒定律，转子的机械动能转化成定子电能、电机热能和溢出的磁场能，如果电机热能足够小的话，理论上电机会几乎禁止不动，由于电机产生的定子电能会随定子线圈内阻发热消耗，所以反接后产生的电能小于转子机械动能，所以电机及电动缸会已很小的速度v1被动下降，起到上平台和负载物无供电无制动器的情况下缓慢下落。
53.整个系统在异常情况或断电情况下先进入反接制动，使其所有伺服电机都进入各自的无外部供电情况下的内耗过程，伺服电机会被动一定速度运行。
54.以六自由度为例，此时所有的伺服电机都在执行反接制动，并受六自由度向下的垂直重力，电机被动缓慢转动，由于平台上的负载中心偏移及变化，使六个轴电机受力不一样，形成电机下降速度不一致，会导致上负载中心偏移越来越大，最后会停止在一个大角度倾斜状态，无法回到水平的安全底位；就需要启用变频器干预，在接入反接制动时，快速采集电机编码器数据，并判断最长轴，使其第一个投入变频器，并快于反接制动速度向下主动运转至轴的最底位。依次循环判断及投入其它轴电机，就能快速的修正上负载中心，使其在平台结构中心受力位置，最终下降到水平安全底位。
55.s2，ups为各伺服驱动器供电，伺服驱动器实时获取伺服电机编码器位置数据，并发送给所述plc运动控制器。
56.系统断电时(平台可能在任何角度状态)，由ups供电下的伺服驱动器弱电控制电源持续有电，继续保持伺服电机编码器位置数据，通信给plc运动控制器进行判断。
57.s3，plc运动控制器对比接收到的各个伺服驱动器采集的对应伺服电机的位置数据，若相邻伺服电机的电动缸行程差值大于预设阈值，则将其中较大行程的伺服电机作为目标伺服电机，plc运动控制器控制目标伺服电机与变频器之间的第二接触器闭合，并断开
目标伺服电机对应的第一接触器，控制变频器驱动目标伺服电机按照预设速度v2回撤电动缸，直至目标伺服电机与其相邻的伺服电机的电动缸行程差值小于预设阈值，则执行步骤s4。
58.由plc输出执行第一接触器及第二接触器(图中的kmn1和kmn2)，切入到变频器控制回路，启动变频器需要延后于50ms，避免同时或超前启动变频器，导致的变频器识别输出缺项故障，而停止工作，根据实际上平台上的负载物重心情况，来调节变频器上的输出到电机的动作频率(一般在2hz～5hz),变频器调节速度v2要大于反接制动时的速度v1，使平台在缓慢下降的同时可调节平台水平程度，不至于在反接制动时，由于负载物的高重心、大偏移和机构的关系，导致电动缸受向上的拉力，在平台缓慢下降时，最后会停在一个大角度倾斜状态，如果无法在短时间内排除故障，使平台回到原点位置，会使平台结构在大角度受力的情况下产生形变风险。
59.s4，plc运动控制器断开目标伺服电机对应的第二接触器，闭合对应的第一接触器，并跳转至步骤s2，直至运动仿真平台呈现水平状态下，缓慢下落至最安全位置。
60.本发明提供的动态制动技术，流程简单、自动化程度高、无循环使用限制、无损耗、成本低，非常适合3吨以上平台系统制动技术。
61.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
62.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。