CN106814678A - 一种利用能耗制动实现转台超速保护的安全装置 - Google Patents

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麻恒进
葛力彬
孟凡军
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
    • G05B19/05—Programmable logic controllers, e.g. simulating logic interconnections of signals according to ladder diagrams or function charts
    • G05B19/058—Safety, monitoring

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Abstract

本发明公开了一种利用能耗制动实现转台超速保护的安全装置，包括控制***，所述控制***包括频压变换电路、PLC控制器、制动联锁电路、驱动器、电机和位置传感器，所述驱动器的输出端和制动联锁电路的输入端电性连接，所述制动联锁电路的输出端和电机的输入端电性连接，所述电机的输出端和位置传感器的输入端电性连接。本发明利用PLC控制器实现超速判断，启动能耗制动联锁动作，能耗制动联锁机构利用直流或交流电机可逆原理，将运动部件自身的能量通过电机的发电能力转化为热能，使运动轴自动停止从而保护转台及其负载，其动作快速、可靠，能够明显减小制动距离，而且制动距离可以得到量化。

Description

一种利用能耗制动实现转台超速保护的安全装置
技术领域
本发明涉及数控惯导测试设备技术领域，尤其涉及一种利用能耗制动实现转台超速保护的安全装置。
背景技术
电动运动控制***的应用非常广泛，如转台、电梯、机器人等，其运行安全性也越来越受到重视。一般的电动运动控制***一般包括：控制器、驱动器、电机、机械结构、位置检测装置，通过闭环控制原理完成需要的各种类型运动，如点到点定位运动，速率运动，摇摆运动等。由于闭环运动控制***的特性受到诸如负载特性、控制算法以及部件失效等不确定因素的影响，不可避免地会出现设备失控的现象，因此电动控制***的安全保护机制对于***的正常运行和承载物的安全是必要的；
现有的安全保护检测机制一般包括多级电气限位检测和各种故障信号检测，都是通过断开闭环***、切断电源来实现，如果转动部件惯量很大，在高速失控后动能很大，在***状态下，遇到机械限位装置会产生很大的冲击力，如果不及时对其进行制动往往会将机械限位破坏，进而造成转台线缆及被试产品的损坏，而且这些检测都以整个***可靠运行为前提，一旦***不稳定安全保护检测机制就可能失效；
对于独立于***的安全保护措施一般为机械式电磁抱闸。电磁抱闸有其明显的局限性，比如磨损，运动冲击大及结构复杂、重量增加等。一方面，由于机械磨损的原因电磁抱闸的制动效果随着时间的推移会有变化，另一方面，对一些大型紧凑的结构框架安装电磁离合装置往往比较困难，甚至是不可能的。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种利用能耗制动实现转台超速保护的安全装置。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种利用能耗制动实现转台超速保护的安全装置，包括控制***，所述控制***包括频压变换电路、PLC控制器、制动联锁电路、驱动器、电机和位置传感器，所述驱动器的输出端和制动联锁电路的输入端电性连接，所述制动联锁电路的输出端和电机的输入端电性连接，所述电机的输出端和位置传感器的输入端电性连接，所述位置传感器的输出端和频压变换电路的输入端电性连接，所述频压变换电路的输入端和PLC控制器电性连接，所述PLC控制器的输出端和制动联锁电路的输入端电性连接。
优选地，所述PLC控制器为可编程逻辑控制器。
优选地，所述电机为电动和发电双用电机。
优选地，所述PLC控制器的输入端和频压变换器的输出端电性连接。
本发明中利用可编程逻辑控制器（PLC）接收实时速率信号和限速设定信号，通过比较后输出数字量逻辑开关信号；制动联锁电路可将电动机置于能耗制动状态，从而实现电动机超速后自动迅速停止运行的保护功能，数字脉冲形式的位置编码信号包含旋转编码器、光栅、磁栅等位置传感器输出的正交方波增量式编码信号，频率范围为0-20MHz。速率检测模块采用频压变换原理将编码信号转换为实时速率信号，为0-10V模拟信号，利用通用可编程逻辑控制器（PLC）接收速率信号转换生成的0-10V模拟信号，同时接收现场可调的限速设定模拟信号，实现实时速率信号和限速设定信号的接收和逻辑处理，具有高可靠性和灵活性，制动联锁电路使电机在电动机和发电机两种状态之间的切换，并依靠互斥原理排除两种状态同时出现的可能性，能够明显减小制动距离，并可量化制动距离，该发明利用电动机的可逆原理产生制动力矩，提供了一种能够有效地控制制动距离，在转台出现超速的非正常状态，在短距离内立即使运动轴制动的利用能耗制动实现转台超速保护的安全装置，一方面保护装置结构尺寸小、重量轻，免维护；另一方面也可使制动平缓，减小运动冲击，从而避免机械结构因受大的冲击受损或特性发生变化。本发明主要由三部分组成，即：速率检测模块，超速判定模块和能耗制动模块。
附图说明
图1为本发明提出的一种利用能耗制动实现转台超速保护的安全装置的连接框图；
图2为本发明提出的一种利用能耗制动实现转台超速保护的安全装置的速率检测模块的原理框图；
图3为本发明提出的一种利用能耗制动实现转台超速保护的安全装置的联锁保护电路原理图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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做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。
参照图1-3，一种利用能耗制动实现转台超速保护的安全装置，包括控制***，控制***包括频压变换电路、PLC控制器、制动联锁电路、驱动器、电机和位置传感器，PLC控制器为可编程逻辑控制器，且PLC控制器的输入端和频压变换器的输出端电性连接，可以稳定整体电路的输出电压，制动联锁电路使电机在电动机和发电机两种状态之间的切换，并依靠互斥原理排除两种状态同时出现的可能性，能够明显减小制动距离，并可量化制动距离，驱动器的输出端和制动联锁电路的输入端电性连接，制动联锁电路的输出端和电机的输入端电性连接，电机的输出端和位置传感器的输入端电性连接，位置传感器的输出端和频压变换电路的输入端电性连接，频压变换电路的输出端和PLC控制器电性连接，PLC控制器的输出端和制动联锁电路的输入端电性连接。
本发明中速率检测模块的原理框图如图2所示。频压变换单元100KHz对应10V输出，首先将转台运行最大速度时的位置编码信号经频率调整模块归一化为100KHz以内的方波信号。归一化的方波信号脉冲经微分电路微分后产生负向和正向的尖峰脉冲，输入频压变换单元，触发单稳态触发器控制恒流源对测量电容的充电，变换输出电压值。测量电容上的电压值与位置编码信号的频率成正比，同时该电压信号代表了实时速率的大小。
超速判定模块主要功能是完成速率信号模拟量的读入，与限速设定速率信号比较，判断当前速率是否超速，该部分主要由PLC完成。实时速率信号模拟量由速率检测模块输出，输入PLC模拟量输入通道，限速设定速率信号模拟量由可调电位计进行调整，输入PLC另一模拟量输入通道。在对PLC模拟量输入模块进行标校后，明确模拟量输入对应的PLC内部数字量。PLC程序通过读取实时速率和设定速率对应的数字量，对二者进行比较，如果实时速率数字量大于设定速率数字量，则判定实时速率超速。为了防止实时速率信号由于干扰发生突变或者PLC模拟量输入端口受干扰导致读入速率信号模拟量错误，PLC内部设置了抗干扰措施，比较该次读入和10毫秒后的读入信号，只有这两个信号差值在一定范围内时，才认为速率信号是可信的。超速判定模块同时可将超速信号通过***I/O通路反馈至***，***做出相应的处理。
能耗制动模块主要利用如图3所示的联锁保护电路保证电机在电动机和发电机两种状态之间的切换，并依靠互斥原理排除两种状态同时出现的可能性。主要构成是在驱动器和电机之间接入交流接触器KMX1，在电机与泄放电阻之间接入交流接触器KMX2，***通过控制常闭开关SB1和常开开关SB2控制交流接触器KM0断开或接通电源，进而通过控制KMX1和KMX2开关闭合或断开控制电机的工作状态。具体工作方式如下所述：
控制***接通总电源L后，PLC-Q0.0处于闭合状态，SB1闭合且SB2断开，KM0线包未接通电源，KM0常开触点处于断开状态，常闭触点处于闭合状态，KMX1线包未接通电源，KMX2线包接通电源，此时电机与驱动器之间处于开路状态，电机与泄放电阻处于接通状态，此时电机工作在发电机状态；当SB1闭合且SB2闭合时，KM0线包接通电源，KM0常开触点闭合并保持闭合状态，常闭触点断开，KMX1线包接通电源，KMX2线包断开电源，此时电机与驱动器接通，电机与泄放电阻断开，此时电机工作在电动机状态，可以使执行机构运行。当超速判定模块确认***超速后，PLC通路及时断开，此时KM0线包断开电源，KMX1线包断开电源，KMX2线包接通电源，电机工作迅速切换到发电机状态。此时电机各相电流先增大，后减小。增大是由于速度较高，产生的反电势较高，短接时反电势作用在电枢电感和电枢电阻中，电流激增。随后，产生的反向制动力矩使速度迅速下降，短接电流也随之下降。电机转速则是指数式的下降，直至最终完全停止。制动距离可以通过调整能耗制动电阻的大小根据需要进行调整。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种利用能耗制动实现转台超速保护的安全装置，包括控制***，其特征在于，所述控制***包括频压变换电路、PLC控制器、制动联锁电路、驱动器、电机和位置传感器，所述驱动器的输出端和制动联锁电路的输入端电性连接，所述制动联锁电路的输出端和电机的输入端电性连接，所述电机的输出端和位置传感器的输入端电性连接，所述位置传感器的输出端和频压变换电路的输入端电性连接，所述频压变换电路的输入端和PLC控制器电性连接，所述PLC控制器的输出端和制动联锁电路的输入端电性连接。
2.根据权利要求1所述的利用能耗制动实现转台超速保护的安全装置，其特征在于，所述PLC控制器为可编程逻辑控制器。
3.根据权利要求1所述的利用能耗制动实现转台超速保护的安全装置，其特征在于，所述电机为电动和发电双用电机。
4.根据权利要求1所述的利用能耗制动实现转台超速保护的安全装置，其特征在于，所述PLC控制器的输入端和频压变换器的输出端电性连接。
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