CN102817947A - 智能型驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能型驱动器，由输入/输出模块、总线通讯模块、嵌入式控制器（ECU）和执行模块组成。ECU负责程序运算；输入/输出模块在ECU控制下，输入、输出开关量与模拟量；总线通讯模块令驱动器与系统总线上其他设备进行数据交互；所述智能型驱动器用于常闭式电液或电磁制动器，所述执行模块依对象分为变频器或直流调压器。本发明利用变频、电子调压及计算机技术对传统常闭式电液或电磁制动器予以智能化改造，使仅有开闭两状态的传统制动器，成为制动力和制动时间可控的智能型制动器，从而1）使制动过程平稳，缓解制动冲击，保护传动链，延长各机构寿命；2）将动能有效耗散于制动器，使制动器具有阻尼功能；3）使制动器节能、降温，延长寿命。

Description

智能型驱动器

技术领域

本发明属于工业领域，具体涉及一种智能型驱动器。

背景技术

常闭式电液或电磁制动器是工业领域内常用的设备，通常用于起重机小车、大车、起升、变幅装置的制动，风电设备制动，船舶抛锚时防止锚链下垂等。其功能是根据司机指令，对运动件实现制动。传统的常闭式制动器仅有开启和闭合功能，没有可控的中间状态。制动器在制动时，存在直接抱死制动盘的现象，会产生巨大的冲击力，也造成制动器局部迅速升温、损坏等。在某些应用场合，例如紧急停车状态，甚至可能造成传动链中薄弱部分的损坏、车轮被磨平等。因此，需要根据被制动对象的运行状态，实时连续调整制动力的大小，针对不同制动对象的不同制动阶段，智能调节制动力的智能制动器，从而实现“防抱死”制动、减摇制动等要求制动力可控的应用领域。

在另外一些应用领域，例如风电设备，由于制动对象巨大，往往还需要在多个位置布置制动器协同工作，因此，需要各制动器能够相互通讯，互通制动状态的智能型制动器。

发明内容

本发明的目的在于提出一种智能型驱动器。

本发明提供的智能型驱动器，由输入/输出模块2、总线通讯模块4、嵌入式控制器5和执行模块6组成，其中：输入/输出模块2的输入端连接开关量、模拟量通道1，输出端连接嵌入式控制器5的输入端，嵌入式控制器5的输出端分别连接总线通讯模块4和执行模块6，总线通讯模块4连接整机通讯总线3；所述智能型驱动器用于常闭电液式或电磁式制动器中，所述执行模块6分为变频器7或直流调压器8，对于电液式制动器，所述执行模块6采用变频器7，变频器7的输出端连接电液式制动器的驱动电机9，采用变频技术，通过变频器7改变驱动电机9的转速，从而改变电压推杆10推力；对于电磁式制动器，所述执行模块6采用直流调压器8，直流调压器8的输出端连接电磁式制动器的电磁线圈15，采用电子调压技术，通过改变电磁线圈15的输入电压，改变其磁力；所述嵌入式控制器5采用电脑控制。

本发明中，通过变频技术，变频器7改变电液式制动器的驱动电机9的输入频率，从而改变其转速，改变推杆推力；通过电子调压技术，直流调压器8改变电磁式制动器的电磁线圈15的输入电压，从而改变其磁力；通过电脑技术，在嵌入式控制器5的控制下实现制动力和制动时间的可控，从而将原来只有开启和闭合功能，中间过程不可控的传统常闭式制动器，成为中间过程可控的智能型制动器。

本发明中，所述嵌入式控制器5采用 PLC控制器、单片机系统或工业计算机系统数字计算机中任一种。

本发明中，所述变频器7采用交直交变频技术或交交变频技术，利用IGBT、Power-Mosfet进行PAM调节、PWM调节或SPWM调节，转换频率。

本发明中，所述直流调压器8采用可控硅整流技术、PWM调制技术等技术手段，实现输出可控直流电压的目的。

本发明提出的智能型驱动器在常闭式电液制动器中的应用，所述常闭式电液制动器由驱动电机9、电液推杆10、支架11、制动盘12、制动摩擦材料13和制动弹簧14组成，制动摩擦材料13安装在可运动的支架11上，驱动电机9连接电液推杆10，驱动电液推杆10动作，电液推杆10顶端与支架11铰接，制动弹簧14位于支架11与制动摩擦材料13之间，一对制动摩擦材料13之间是制动盘12；驱动电机9的输入端连接变频器7。

本发明提出的智能型驱动器在常闭式电磁制动器中的应用，常闭式电磁制动器由电磁线圈15、支架11、制动摩擦材料13、制动弹簧14和拉杆16组成，支架11位于拉杆16和电磁线圈15之间，支架11与拉杆16的一端固定连接，制动摩擦材料13装于支架11上。电磁线圈15的输入端连接直流调压器8。

本发明提出的智能型驱动器在现有的和新开发各型常闭式制动器中的应用，现有的和新开发各型常闭式电液制动器的驱动电机9的输入端加装智能型驱动器，或在现有的和新开发各型常闭式电磁式制动器的电磁线圈15输入端加装智型驱动器，即能使制动器的制动力和制动时间依照嵌入式控制器5的控制，进行有级或无级调整，即随心所欲的给出制动力和制动时间，实现制动器智能化。

本发明中，所述执行模块6基于嵌入式控制器5进行控制，通过可控的变频技术或电子调压技术，使弹簧闭合后制动摩擦材料13不是瞬时压向制动盘12，而是根据需要，服从所述的嵌入式控制器5内程序的指挥，使制动摩擦材料13逐步闭合锁紧制动盘12。

本发明中，基于嵌入式控制器5的控制，输出与制动弹簧14输出力相适应的开启力，通过调紧制动弹簧14的方式，在不改变制动器结构的情况下，加大制动力，保证制动器工作正常。

本发明中，基于嵌入式控制器5的控制，依据制动器的开启力小于保持力的特点，下调电液推杆电机9的输入频率或电磁线圈15的输入电压，在相对较低的频率或电压下，使制动器仍保持开启状态，实现节能、降温。

本发明中，输入/输出模块2和总线通讯模块4与整机控制系统中运行、反馈或控制设备进行信息交互，包括数字量、模拟量及各种通讯协议，令制动过程成为系统过程。

本发明提出的智能型驱动器的制动过程，具体步骤如下：

(1)、根据总线通讯模块、输入/输出模块传递的整机数字量、模拟量、各种通讯协议的信息，判断是否有制动信号；

若判断结果为是，则执行步骤(2)，若判断结果为否，结束制动器制动的执行；

(2)、判断是否为正常制动信号，

若判断结果为是，进行快速制动，若判断结果为否，执行步骤(3)；

(3)、判断是否为整机故障紧急制动，

若判断结果为是，执行步骤(4)，若判断结果为否，快速制动并报警；

(4)、判断是否为有级平缓制动，

若判断结果为是，进行有级平缓制动，若判断结果为否，进行无级平缓制动。

本发明中，常闭式制动器的制动力来自制动弹簧14，电液推杆10或电磁线圈15产生与制动弹簧14作用相反的力。智能型驱动器通过变频技术或电子调压技术控制推杆力和磁力，使弹簧14带动制动摩擦材料13（有较大摩擦系数且耐热）不是瞬时压向制动盘12，而是根据需要，服从所述的嵌入式控制器5内程序的指挥，执行有级或无级的平缓制动，使制动摩擦材料13逐步闭合锁紧制动盘12。

对任意制动器，在不改变其结构的情况下，加大弹簧力虽可提高制动力，但常因推杆10或电磁线圈15的开启力不足而打不开，智能型驱动器通过变频或电子调压来加大开启力，即提高了安全裕度。

由于制动器开启后，所需保持力小于开启力，在制动初期，嵌入式控制器5控制执行模块6输出的打开频率或打开电压，使驱动电机9全速运转或电磁线圈15吸合；制动器开启后，根据标定的频率值或电压值，调低变频器7的输出频率或直流调压器8的输出电压至保持频率或保持电压，使制动器仍可保持开启状态。频率或电压下降后，各种损耗随之减少，有利延长制动器使用寿命，根据制动器上的实测，温度由70℃降为60℃，能量损耗可减少1/3。

针对需要多点协同制动的对象，嵌入式控制器5将自身的驱动信号编制为总线数据，通过总线通讯模块4，在整机通讯总线3上发送，同时，从整机通讯总线3上接受其他制动器和其他控制设备发出的信号，根据控制对象的需求，调整电液式或电磁式制动器输出的制动力，满足适应各种制动场合的需要。另外，通过输入/输出模块和总线通讯模块与整机传递信息，包括数字量、模拟量及各种通讯协议，嵌入式控制器5通过反馈控制及时调整电液式制动器电机9的输入频率或电磁式制动器电磁铁15的输入电压，从而改变制动力和制动时间，此功能在防抱死制动中尤为重要。

本发明的有益效果在于：

本发明是一种新型工业制动器用智能型驱动器，结构简单，稳定性好，通过智能型驱动器实时控制常闭式电液或电磁制动器的动作，实现了对制动力与制动时间的控制，该智能型驱动器可以使制动器的制动过程平稳，缓解制动时的冲击，从而保护制动器前端传动链上的各机构（如减速箱，联轴器等），延长其保养周期和使用寿命。由于制动力可控，实现了制动过程也是吸收能量过程，即使制动器具有阻尼功能，从而扩大其使用场所，如用于行走机构制动时的“防抱死”；起重机小车制动时的防货物摇摆的“防摇”；船舶抛锚时防止锚链下垂等。由于制动器开启力大于保持力，通过智能化可以在开启后按需提供小于开启力的保持力，从而降低电液推杆或电磁铁的温升，减小能耗，延长使用寿命。

附图说明

图1是本发明的结构图示。

图2是实施例1应用本发明的电液式制动器的结构图示。

图3是实施例1应用本发明的电磁式制动器的结构图示。

图4是本发明的控制程序流程图。

图中标号：1为开关量、模拟量通道；2为输入/输出模块；3为整机通讯总线；4为总线通讯模块；5为嵌入式控制器；6为执行模块；7为变频器；8为直流调压器；9为驱动电机；10为电液推杆；11为支架；12为制动盘；13为制动摩擦材料；14为制动弹簧；15为电磁线圈；16为拉杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方案作进一步详细的说明。

实施例1：如图1所示，本发明是一种工业制动器用智能型驱动器，所述智能型驱动器由执行模块6、嵌入式控制器5、输入/输出模块2和总线通讯模块4组成。其中所述执行模块6分为变频器7和直流调压器8两种，所述总线通讯模块4与整机通讯总线3连接，所述输入/输出模块与整机开关量、模拟量通道连接，所述嵌入式控制器5采用 PLC控制器、单片机或工业计算机，所述的变频器7采用交直交变频技术或交交变频技术，转换各种频率，所述的直流调压器8采用交流变直流技术，输出可变的直流电压。

如图2所示，本实施方式包括智能型驱动器和常闭式电液制动器，常闭式电液制动器由驱动电机9、电液推杆10、支架11、制动盘12、制动摩擦材料13和制动弹簧14组成，驱动电机9驱动电液推杆10动作，电液推杆10顶端与支架11铰接，制动弹簧14位于支架11与制动摩擦材料13之间，一对制动摩擦材料13之间是制动盘12。驱动电机9的输入端连接智能型驱动器的变频器7。

如已周知，对于电液式制动器，制动器的制动力来自制动弹簧14，制动弹簧14通过制动摩擦材料13对制动盘12施加制动力，支架11把电液推杆10的推力传递给制动机构，产生与制动弹簧14作用力相反的力。电液推杆10里叶轮与驱动电机9相连，推杆力来自于叶轮甩油作用产生的流场压力，其大小与转速有关。

如图3所示，本实施方式包括智能型驱动器和常闭式电磁制动器，常闭式电磁制动器由电磁线圈15、支架11、制动摩擦材料13、制动弹簧14、拉杆16组成，支架11位于拉杆16和电磁线圈15之间，支架11与拉杆16的一端固定连接，制动摩擦材料13装于支架11上。电磁线圈15的输入端连接智能型驱动器的直流调压器8。

与电液式制动器类似，对于电磁式制动器，制动器的制动力也来自制动弹簧14，制动弹簧14通过制动摩擦材料13施加制动力，拉杆16把电磁线圈15的吸合力传递给制动机构，产生与制动弹簧14作用力相反的力。

本发明的原理是利用变频技术、电子调压技术和电脑技术，通过智能型驱动器，输出可控电，变频器7改变对电液式制动器电液推杆10上驱动电机9供电的输入频率或直流调压器8改变电磁式制动器电磁线圈15的输入电压，同时，运用电脑编程控制技术，通过嵌入式控制器5控制变频器7或直流调压器8，使它们根据需要输出不同的频率或电压，以及持续时间，从而实现制动力有级或无级调整，即随心所欲的给出制动力和制动时间，实现制动器智能化，使弹簧不是瞬时一次压向制动盘，而是根据需要通过智能型驱动器控制电液推杆10和电磁线圈15。改变驱动电机9的输入频率，即改变电液推杆10里叶轮的转速，推杆力来自于叶轮甩油作用产生的流场压力，从而使推杆推力可控，可以使弹簧力逐步闭合锁紧制动盘12；对于电磁式制动器，类似原理，改变电磁线圈15的输入电压，即改变电磁线圈与衔铁的吸合力，所以吸合力变化，也可以使弹簧力逐步闭合锁紧制动盘。如图4所示，制动过程主要包括以下步骤：

制动步骤一、根据总线通讯模块、输入/输出模块传递的整机数字量、模拟量、各种通讯协议的信息，判断是否有制动信号，

判断结果为是，执行制动步骤二，判断结果为否，结束制动器制动的执行，

制动步骤二、判断是否为正常制动信号，

判断结果为是，进行快速制动，判断结果为否，执行制动步骤三，

制动步骤三、判断是否为整机故障紧急制动，

判断结果为是，执行制动步骤四，判断结果为否，快速制动并报警，

制动步骤四、判断是否为有级平缓制动，

判断结果为是，进行有级平缓制动，判断结果为否，进行无级平缓制动。

增加本智能型驱动器后，由于制动力可控，制动过程实质是耗能过程，它使运动件的机械能，通过制动摩擦材料13与制动盘12的摩擦生热耗掉，由此使制动过程平缓，消除因过急制动产生的冲击、过载荷以及噪音，有效保护传动链上各运动件的正常运行，延长其使用寿命。摩擦过程中，制动摩擦材料13的温升较高，为此需采用粉末冶金烧结式新型制动材料。

增加本智能型驱动器后，由于制动力可控，可以加大弹簧制动力，提高安全裕度。这是由于制动器为提高安全裕度，虽可压紧制动弹簧14以加大制动力，但常发生开启力不足而打不开，智能型驱动器可以采用变频或调压控制的手段提高电液推杆10的推力或电磁线圈15的吸合力，使制动器可以正常开启，由此可以提高制动器的效力。

由于制动器开启后，所需保持力小于开启力，在制动初期，嵌入式控制器5控制执行模块6输出的打开频率或打开电压，使驱动电机9全速运转或电磁线圈15吸合；制动器开启后，根据标定的频率值或电压值，按需调低变频器7的输出频率或直流调压器8的输出电压至保持频率或保持电压，控制电液推杆10或电磁线圈15提供小于开启力的保持力，使制动器仍可保持开启状态。频率或电压下降后，各种损耗随之减少：降低电液推杆和电磁铁的温升，减小制动器的能耗，有利延长制动器使用寿命，根据制动器上的实测，温度由70℃降为60℃，能量损耗可减少1/3。如图4所示，嵌入式控制器5中，开启过程主要包括以下步骤：

开启步骤一、检测是否有制动器开启信号，判断结果为是，全速开启制动器，并进入开启步骤二，判断结果为否，则返回初始状态，

开启步骤二、判断是否调制保持频率/保持电压，

判断结果为是，下降电液式制动器驱动电机9的频率或电磁式制动器电磁线圈15的电压，判断结果为否，则返回等待下次判断。

针对需要多点协同制动的对象，嵌入式控制器5将自身的驱动信号编制为总线数据，通过总线通讯模块4，在整机通讯总线3上发送，同时，从整机通讯总线3上接受其他制动器和其他控制设备发出的信号，根据控制对象的需求，调整电液式或电磁式制动器输出的制动力，满足适应各种制动场合的需要。另外，通过输入/输出模块和总线通讯模块与整机传递信息，包括数字量、模拟量及各种通讯协议，嵌入式控制器5通过反馈控制及时调整电液式制动器电机9的输入频率或电磁式制动器电磁铁15的输入电压，从而改变制动力和制动时间，此功能在防抱死制动中尤为重要。

Claims (12)

1.一种智能型驱动器，由输入/输出模块(2)、总线通讯模块(4)、嵌入式控制器(5)和执行模块(6)组成，其特征在于：输入/输出模块(2)的输入端连接开关量、模拟量通道(1)，输出端连接嵌入式控制器(5)的输入端，嵌入式控制器(5)的输出端分别连接总线通讯模块(4)和执行模块(6)，总线通讯模块(4)连接整机通讯总线(3)；所述智能型驱动器用于常闭电液式或电磁式制动器中，所述执行模块(6)分为变频器(7)或直流调压器(8)，对于电液式制动器，所述执行模块(6)采用变频器(7)，变频器(7)的输出端连接电液式制动器的驱动电机(9)，采用变频技术，通过变频器(7)改变驱动电机(9)的转速，从而改变电压推杆(10)推力；对于电磁式制动器，所述执行模块(6)采用直流调压器(8)，直流调压器(8)的输出端连接电磁式制动器的电磁线圈(15)，采用电子调压技术，通过改变电磁线圈(15)的输入电压，改变其磁力；所述嵌入式控制器(5)采用电脑控制。

2.根据权利要求1所述的智能型驱动器，其特征在于通过变频技术，变频器(7)改变电液式制动器的驱动电机(9)的输入频率，从而改变其转速，改变推杆推力；通过电子调压技术，直流调压器(8)改变电磁式制动器的电磁线圈(15)的输入电压，从而改变其磁力；通过电脑技术，在嵌入式控制器(5)的控制下实现制动力和制动时间的可控，从而将原来只有开启和闭合功能，中间过程不可控的传统常闭式制动器，成为中间过程可控的智能型制动器。

3.根据权利要求1所述的智能型驱动器，其特征在于所述嵌入式控制器(5)采用 PLC控制器、单片机系统或工业计算机系统数字计算机中任一种。

4.根据权利要求1所述的智能型驱动器，其特征在于所述的变频器(7)采用交直交变频技术或交交变频技术，利用IGBT、Power-Mosfet进行PAM调节、PWM调节或SPWM调节，转换频率。

5.根据权利要求1所述的智能型驱动器，其特征在于所述直流调压器(8)采用可控硅整流技术或PWM调制技术，实现输出可控直流电压的目的。

6.一种如权利要求1所述的智能型驱动器在常闭式电液制动器中的应用，其特征在于所述常闭式电液制动器由驱动电机(9)、电液推杆(10)、支架(11)、制动盘(12)、制动摩擦材料(13)和制动弹簧(14)组成，制动摩擦材料(13)安装在可运动的支架(11)上，驱动电机(9)连接电液推杆(10)，驱动电液推杆(10)动作，电液推杆(10)顶端与支架(11)铰接，制动弹簧(14)位于支架(11)与制动摩擦材料(13)之间，一对制动摩擦材料(13)之间是制动盘(12)；驱动电机(9)的输入端连接变频器(7)。

7.一种如权利要求1所述的智能型驱动器在常闭式电磁制动器中的应用，其特征在于常闭式电磁制动器由电磁线圈(15)、支架(11)、制动摩擦材料(13)、制动弹簧(14)和拉杆(16)组成，支架(11)位于拉杆(16)和电磁线圈(15)之间，支架(11)与拉杆(16)的一端固定连接，制动摩擦材料(13)装于支架(11)上；电磁线圈(15)的输入端连接直流调压器(8)。

8.一种如权利要求1所述的智能型驱动器在现有的和新开发各型常闭式制动器中的应用，其特征在于现有的和新开发各型常闭式电液制动器的驱动电机(9)的输入端加装智能型驱动器，或在现有的和新开发各型常闭式电磁式制动器的电磁线圈(15)输入端加装智型驱动器，即能使制动器的制动力和制动时间依照嵌入式控制器(5)的控制，进行有级或无级调整，即随心所欲的给出制动力和制动时间，实现制动器智能化。

9.根据权利要求5所述的应用，其特征在于所述执行模块(6)基于嵌入式控制器(5)进行控制，通过可控的变频技术或电子调压技术，使弹簧闭合后制动摩擦材料(13)不是瞬时压向制动盘(12)，而是根据需要，服从所述的嵌入式控制器(5)内程序的指挥，使制动摩擦材料(13)逐步闭合锁紧制动盘(12)。

10.根据权利要求6所述的智能型驱动器，其特征在于基于嵌入式控制器(5)的控制，输出与制动弹簧(14)输出力相适应的开启力，通过调紧制动弹簧(14)的方式，在不改变制动器结构的情况下，加大制动力，保证制动器工作正常。

11.根据权利要求1所述的智能型驱动器，其特征在于基于嵌入式控制器(5)的控制，依据制动器的开启力小于保持力的特点，下调电液推杆电机(9)的输入频率或电磁线圈(15)的输入电压，在相对较低的频率或电压下，使制动器仍保持开启状态，实现节能、降温。

12.根据权利要求1所述的智能型驱动器，其特征在于输入/输出模块(2)和总线通讯模块(4)与整机控制系统中运行、反馈或控制设备进行信息交互，包括数字量、模拟量及各种通讯协议，令制动过程成为系统过程。

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