用于机械臂的电子紧急-停止制动电路制造技术

一种用于在电力故障时制动周期性旋转的电机的系统的典型实施例，包括：(i)电荷存储电路，用于存储电荷并且在电力故障时将所存储的电荷转换为输出电压；(ii)一个或多个无源电气元件，用于传导电机旋转所感应的电流；以及(iii)电压致动电路，连接至所述无源电气元件和所述电荷存储电路，用于在电机旋转每半个周期时制动所述电机。所述电路是待用的，直到在电力故障时被所述电荷存储电路致动。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请本申请要求2012年4月13日提交的美国专利申请No.13/446,650的权益和优先权，其全部公开通过引用包含于此。
在各个实施例中，本专利技术总地涉及在自动化工业系统中用于产生紧急-停止制动的电子电路。
技术介绍
已经在许多工业和制造业环境中配置了自动装置以提高可靠性并节约成本。用于在不同位置之间移动工具的机械臂通常被旋转电机经由低摩擦变速箱驱动。低摩擦变速箱以高输出效率转换旋转运动，但是一般允许电机在紧急停止之后或者电力中断时继续运动足够的时间。此外，低摩擦变速箱可导致如下情况：在紧急停止或电力故障时处于静态位置的上升的机械臂在重力的作用下下降，并可能引起设备损坏或者伤害人类。因此，用于机械臂的电机可以装配有紧急-停止制动器以避免这些危害。通常，一种类型的紧急-停止制动器使用具有弹簧负载的机电摩擦装置；通过螺线管控制摩擦装置的位置。在紧急停止或者电力损失时，电流停止流过螺线管，引起制动器的啮合并因此使电机停止。然而，这些机电制动器一般在很短的时间内“锁定”电机并且会使位于邻近空间的人类操作者受困。虽然可以使用二次安全电路释放制动器，但是也有可能在释放发生之前伤害操作者。此外，因为二次安全释放电路通常是电池供电的，所以其可靠性降低。另外，机电电机制动器和/或二次安全电路增加了机械系统的重量和成本。另一制动方法是在紧急情况或电力故障时使电机短路；短路的电机在有限的机械磨损下逐渐变慢。这种方法可以减少使人类操作者受困的风险，并因此避免使用二次安全电路以释放制动器。然而，在紧急停止或电力损失时，通常需要额外的独立的电源(例如，电池)给用于控制和支持制动电路的控制逻辑电路供电(或者直接使电机短路)。额外电源的维护和附加成本体现了使用这种方法的缺点。因此，需要一种不需要额外的独立的电源就能在紧急停止或电力故障时逐渐降低电机的速度从而防止人类受困的电机制动器。
技术实现思路
本专利技术的实施例利用当紧急停止或电力故障时转换为输出电压的存储电荷引起电机制动；输出电压使一个或多个电机绕组短路，从而使电机的速度逐渐降低。这允许电机驱动的机械臂缓慢地返回至重力中间位置和/或允许电机通过对机械臂施加外力而旋转(即，电机的反向驱动)，而不会使人类操作者受困。在一些实施例中，电压致动电路通过电荷存储电路中的存储电荷启动。在电力故障时，电荷存储电路提供电力以使制动电路运行，而无需额外的电源来支持电压驱动电路的启动。此外，通过在电压致动电路和电荷存储电路中使用紧凑且廉价的电子元件，大大降低了系统的重量和成本，同时在紧急情况或者电力故障时电机制动器保持可靠。因此，在一个方面，本专利技术涉及一种用于在电力故障时制动周期性旋转的电机的无动力制动系统。在各个实施例中，系统包括电荷存储电路，其用于存储电荷并且在电力故障时将所存储的电荷转换为输出电压；一个或多个无源电气元件，其用于传导电机旋转所感应的电流；以及电压致动电路，其连接至无源电气元件和电荷存储电路，用于制动电机。电压致动电路是待用的，直到在电力故障时被电荷存储电路致动。在一个实施方式中，电压致动电路通过使电流流过电机绕组来使电机绕组短路，从而制动电机。电压致动电路可以每隔电机旋转的半周期或者在电机旋转的整个工作周期被启动。电荷存储电路可以包括电容器；无源电气元件可以包括二极管；以及电压致动电路可以包括晶体管。在一些实施例中，电荷存储电路包括具有击穿电压阈值的齐纳二极管和一个或多个晶体管，晶体管是待用的，直到被高于齐纳击穿阈值电压的足够的电压致动。在一些实施例中，系统还包括具有多个晶体管的桥式逆变器，晶体管在电力故障时停用。系统还可以包括逻辑门，其通过控制器和/或指示电力状态的信号来调节，以控制电压致动电路的启动和停用。当逻辑门的输出低于预定的最小电压阈值时，电压致动电路可以被启动，而当逻辑门的输出高于预定的最大电压阈值时，电压致动电路可以停用。在第二方面，本专利技术涉及一种在电力故障时产生电机制动的方法。该方法包括将电荷存储在电荷存储元件中，在电力故障时将所存储的电荷转换为输出电压，以及施加电压以通过使电流流过电机绕组来使电机绕组短路，从而制动电机。电机绕组可以每隔电机旋转的半周期或在电机旋转的整个工作周期被短路。在一个实施例中，当电机旋转的速度高于阈值时，电机绕组被短路。如本文所使用的，术语“大约”意指±10％，在一些实施例中，意指±5％。在整个说明书中引用的“一个示例”、“示例”、“一个实施例”或者“实施例”意指关于该示例所描述的特定特征、结构、或特性包含在当前技术中的至少一个示例中。因此，在整个说明书中各个地方出现的措辞“一个示例中”、“示例中”、“一个实施例”或者“实施例”不必完全指同一个示例。此外，特定的特征、结构、程序、步骤或特性可以以任意合适的方式组合在本技术的一个或多个示例中。本文所提供的标题仅仅为了方便，而不意于限制或者解释要求保护的技术的范围或含义。附图说明在附图中，类似的附图标记通常指在不同的视图中的相同的部分。同时，附图不必依比例，其重点通常在于示出本专利技术的原理。在下面的描述中，参照下面的附图说明本专利技术的各个实施例，其中：图1A示意性示出了由电源电路和控制单元调节的电机驱动的机械臂；图1B示出了给电机提供电力的部分电源电路；图2示出根据本专利技术的实施例的在紧急停止或电力故障时产生电机的制动的制动电路；以及图3示出应用于双电机驱动系统中的制动电路。具体实施方式首先参考图1A，其示出了具有机械臂关节102的机械系统100，机械臂关节102被电机104经由变速箱106驱动。电机104的旋转在变速箱106中产生低摩擦运动并且被转换为机械关节102的期望运动以实施物理操作。电机104可以是，例如，单相、双相、或三相AC永磁(PM)电机或者DC PM电机(例如三相无刷DC电机)。在各个实施例中，电机104由电源电路108致动，电源电路108由电源110(例如，110伏或220伏的AC电压)支持并且由控制单元112调节。控制单元112支配电机旋转的速度和方向以在实施机械动作时控制机械臂的不同运动自由度。参照图1B，在一些实施例中，电源电路108包括具有桥式电路(例如，H桥)的逆变器114，逆变器114将输入的DC电压转换为具有可调振幅和频率的输出的AC电压；然后，转换得到的输出电压从桥式电路馈送给电机104以引起旋本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在电力故障时制动周期性旋转的电机的无动力制动系统，所述系统包括：电荷存储电路，用于存储电荷并且在电力故障时将所存储的电荷转换为输出电压；至少一个无源电气元件，用于传导电机旋转所感应的电流；以及电压致动电路，连接至所述无源电气元件和所述电荷存储电路，用于制动所述电机，所述电路是待用的，直到在电力故障时被所述电荷存储电路致动。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.04.13 US 13/4466501.一种用于在电力故障时制动周期性旋转的电机的无动力制动系统，
所述系统包括：
电荷存储电路，用于存储电荷并且在电力故障时将所存储的电荷转换
为输出电压；
至少一个无源电气元件，用于传导电机旋转所感应的电流；以及
电压致动电路，连接至所述无源电气元件和所述电荷存储电路，用于
制动所述电机，所述电路是待用的，直到在电力故障时被所述电荷存储电
路致动。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电压驱动电路通过使电
流流过电机绕组来使所述电机绕组短路，从而制动所述电机。
3.根据权利要求1所述的系统，还包括具有多个晶体管的桥式逆变
器，其中，所述晶体管在电力故障时停用。
4.根据权利要求1所述的系统，还包括逻辑门以控制所述电压致动电
路的启动和停用。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述逻辑门通过至少一个控制
器或者指示电力状态的信号来调节。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，当所述逻辑门的输出低于预定
的最小电压阈值时，所述电压致动电路被启动。
7.根据权利要求5所述的系统，其中，当所述逻辑门的输出高于预定
的最大电压阈值时，所述电压致动电路停用。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：迈克尔·萨斯曼，
申请(专利权)人：睿信科机器人有限公司，迈克尔·萨斯曼，
类型：发明
国别省市：美国;US