基于一体化伺服电机的STO功能系统及其实现方法

技术领域

本发明属于智能制造中的伺服电机应用技术领域，具体涉及基于一体化伺服电机的STO功能系统及其实现方法。

背景技术

智能制造系统（Intelligent Manufacturing System---IMS）是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化系统，它突出了在制造诸环节中，以一种高度柔性与集成的方式，借助计算机模拟的人类专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动，同时，收集、存储、完善、共享、继承和发展人类专家的制造智能。

智能制造装备应用：1、石油石化智能成套设备——集成开发具有在线检测、优化控制、功能安全等功能的百万吨级大型乙烯和千万吨级大型炼油装置、多联产煤化工装备、合成橡胶及塑料生产装置。2、冶金智能成套设备——集成开发具有特种参数在线检测、自适应控制、高精度运动控制等功能的金属冶炼、短流程连铸连轧、精整等成套装备。3、智能化成形和加工成套设备——集成开发基于机器人的自动化成形、加工、装配生产线及具有加工工艺参数自动检测、控制、优化功能的大型复合材料构件成形加工生产线。4、自动化物流成套设备——集成开发基于计算智能与生产物流分层递阶设计、具有网络智能监控、动态优化、高效敏捷的智能制造物流设备。5、建材制造成套设备——集成开发具有物料自动配送、设备状态远程跟踪和能耗优化控制功能的水泥成套设备、高端特种玻璃成套设备。6、智能化食品制造生产线——集成开发具有在线成分检测、质量溯源、机电光液一体化控制等功能的食品加工成套装备。7、智能化纺织成套装备——集成开发具有卷绕张力控制、半制品的单位重量、染化料的浓度、色差等物理、化学参数的检测仪器与控制设备，可实现物料自动配送和过程控制的化纤、纺纱、织造、染整、制成品等加工成套装备。8、智能化印刷装备——集成开发具有墨色预置遥控、自动套准、在线检测、闭环自动跟踪调节等功能的数字化高速多色单张和卷筒料平版、凹版、柔版印刷装备、数字喷墨印刷设备、计算机直接制版设备（CTP）及高速多功能智能化印后加工装备

电机是以电磁感应现象为基础实现机械能与电能之间的转换以及变换电能的机械，如伺服电机（servo motor）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。

伺服电机可以控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。

STO（安全扭矩关断），在当前现有的分体式伺服电机控制器上有广泛的使用，而在控制与电机一体的集成产品上的实现有一定难度，一体化的伺服电机和控制部分融为一体，紧凑的狭小的空间限制了好多功能的实现。

基于上述问题，本发明提供基于一体化伺服电机的STO功能系统及其实现方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的是针对现有技术的不足，提供基于一体化伺服电机的STO功能系统及其实现方法，解决现有背景技术中所存在的问题。

技术方案：本发明的一方面提供基于一体化伺服电机的STO功能系统，由STO功能小板、驱动板和控制板组成；所述STO功能小板，包括STO隔离输入电路、第一滤波模块、状态输出门模块、状态输出隔离模块和第二滤波模块；所述驱动板，包括电源输入模块、第一电源、第二电源、电子开关、电压转换模块、预驱动模块、输出MOS模块和电机；所述控制板，包括从MCU模块、主MCU模块、接口模块、第一逻辑模块、第二逻辑模块、缓冲模块、外部数据采样模块和第三逻辑模块；其中，STO隔离输入电路将信号经过隔离输入后分为STO1、STO2两路输入信号，STO1、STO2分别与第一滤波模块、第二滤波模块、从MCU模块连接，电源输入模块分别与第一电源、输出MOS模块连接，输出MOS模块与电机连接，第一电源分别与第二电源、电子开关连接，电子开关分别与第一逻辑模块、电压转换模块、预驱动模块连接，第二电源分别与从MCU模块、主MCU模块连接，电压转换模块分别与从MCU模块、状态输出门模块连接，预驱动模块分别与缓冲模块、输出MOS模块连接，第一滤波模块、第二滤波模块分别与第一逻辑模块、第二逻辑模块连接，第一逻辑模块、第二逻辑模块分别与从MCU模块连接，第二逻辑模块分别与缓冲模块、第三逻辑模块连接，状态输出门模块、主MCU模块、缓冲模块、外部数据采样模块分别与从MCU模块连接，主MCU模块分别与接口模块、缓冲模块连接，状态输出门模块与状态输出隔离模块、MCU模块、缓冲模块连接。

本技术方案的，所述STO功能小板、驱动板和控制板之间利用接插件相互连接，插接后整体构成三层结构。

本技术方案的，所述电源输入模块输入为24VDC或48VDC。

本发明的另一方面提供基于一体化伺服电机的STO功能系统的实现方法，包括以下步骤，步骤（1）STO隔离输入电路将信号经过隔离输入后分为两路STO1、STO2输入信号，STO1一路输入信号通过第一滤波模块、第二滤波模块后直接送到第一逻辑模块、第二逻辑模块；步骤（2）STO2另一路进入从MCU模块，由从MCU模块通过电机的状态判断是否继续执行STO的安全策略，允许电机进入工作状态。

本技术方案的，所述步骤（2）中当安全允许时，从MCU模块输出允许信号到第一逻辑模块、第二逻辑模块，开启安全策略，电机进入允许运行的状态，第一逻辑模块的输出控制打开电机驱动的电源电子开关，第二逻辑模块输出电机控制允许信号到门电路缓冲模块，电机进入待机运行状态。

本技术方案的，所述步骤（2）中当电机具备运行条件时，控制信号依次通过缓冲模块、预驱动模块、输出MOS模块后电机运行，同时状态输出门模块部分输出电机状态，通过状态输出隔离模块的隔离电路输出，通知控制用户。

本技术方案的，所述步骤（2）中当STO隔离输入电路部分的信号给出保护，此时STO电路启动硬件保护措施，控制信号STO1一路通过STO隔离输入电路、第一滤波模块、第一逻辑模块、电子开关切断预驱动电源；控制信号STO2另一路通过STO隔离输入电路、第二滤波模块、第二逻辑模块、第三逻辑模块、缓冲模块切断电机控制信号。

与现有技术相比，本发明的基于一体化伺服电机的STO功能系统及其实现方法的有益效果在于：1、控制系统和电机一体化并集成STO的功能；2、一体化的控制，节省成本，时间，空间，集成STO功能更有效的拓展市场；3、在一体化伺服电机上集成STO，兼顾小型化和安全性。

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是本发明的基于一体化伺服电机的STO功能系统的结构示意框图；

图2是本发明的基于一体化伺服电机的STO功能系统的主MCU模块的电气原理图；

图3是本发明的基于一体化伺服电机的STO功能系统的外部数据采样模块的电气原理图；

图4是本发明的基于一体化伺服电机的STO功能系统的实物图；

其中，图中序号如下：10-STO隔离输入电路、11-第一滤波模块、12-状态输出门模块、13-状态输出隔离模块、14-第二滤波模块、20-从MCU模块、21-主MCU模块、22-接口模块、23-第一逻辑模块、24-第二逻辑模块、25-缓冲模块、26-外部数据采样模块、27-第三逻辑模块、31-电源输入模块、32-第一电源、33-第二电源、34-电子开关、35-电压转换模块、36-预驱动模块、37-输出MOS模块、38-电机。

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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“前面”、“后面”、“中间部位”、“内部”、“顶端”、“端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1、图2和图3所示的基于一体化伺服电机的STO功能系统，由STO功能小板、驱动板和控制板组成；

STO功能小板，包括STO隔离输入电路10、第一滤波模块11、状态输出门模块12、状态输出隔离模块13和第二滤波模块14；

驱动板，包括电源输入模块31、第一电源32、第二电源33、电子开关34、电压转换模块35、预驱动模块36、输出MOS模块37和电机38；

控制板，包括从MCU模块20、主MCU模块21、接口模块22、第一逻辑模块23、第二逻辑模块24、缓冲模块25、外部数据采样模块26和第三逻辑模块27；

其中，STO隔离输入电路10将信号经过隔离输入后分为STO1、STO2两路输入信号，STO1、STO2分别与第一滤波模块11、第二滤波模块14、从MCU模块20连接，电源输入模块31分别与第一电源32、输出MOS模块37连接，输出MOS模块37与电机38连接，第一电源32分别与第二电源33、电子开关34连接，电子开关34分别与第一逻辑模块23、电压转换模块35、预驱动模块36连接，第二电源33分别与从MCU模块20、主MCU模块21连接，电压转换模块35分别与从MCU模块20、状态输出门模块12连接，预驱动模块36分别与缓冲模块25、输出MOS模块37连接，第一滤波模块11、第二滤波模块14分别与第一逻辑模块23、第二逻辑模块24连接，第一逻辑模块23、第二逻辑模块24分别与从MCU模块20连接，第二逻辑模块24分别与缓冲模块25、第三逻辑模块27连接，状态输出门模块12、主MCU模块21、缓冲模块25、外部数据采样模块26分别与从MCU模块20连接，主MCU模块21分别与接口模块22、缓冲模块25连接，状态输出门模块12与状态输出隔离模块13、MCU模块20、缓冲模块25连接。

另外，优选的如图4所示STO功能小板、驱动板和控制板之间利用接插件相互连接，插接后整体构成三层结构。

另外，优选的电源输入模块31输入为24VDC或48VDC。

实施例

基于一体化伺服电机的STO功能系统的实现方法，包括以下步骤，

步骤（1）STO隔离输入电路10将信号经过隔离输入后分为两路STO1、STO2输入信号，STO1一路输入信号通过第一滤波模块11、第二滤波模块14后直接送到第一逻辑模块23、第二逻辑模块24；

步骤（2）STO2另一路进入从MCU模块20，由从MCU模块20通过电机的状态判断是否继续执行STO的安全策略，允许电机38进入工作状态。

另外，优选的步骤（2）中当安全允许时，从MCU模块20输出允许信号到第一逻辑模块23、第二逻辑模块24，开启安全策略，电机38进入允许运行的状态，第一逻辑模块23的输出控制打开电机驱动的电源电子开关34，第二逻辑模块24输出电机控制允许信号到门电路缓冲模块25，电机进入待机运行状态。

另外，优选的步骤（2）中当电机具备运行条件时，控制信号依次通过缓冲模块25、预驱动模块36、输出MOS模块37后电机38运行，同时状态输出门模块12部分输出电机状态，通过状态输出隔离模块13的隔离电路输出，通知控制用户。

另外，优选的步骤（2）中当STO隔离输入电路10部分的信号给出保护（外部控制逻辑继电器断开），此时STO电路启动硬件保护措施；

控制信号STO1一路通过STO隔离输入电路10、第一滤波模块11、第一逻辑模块23、电子开关34切断预驱动电源；

控制信号STO2另一路通过STO隔离输入电路10、第二滤波模块14、第二逻辑模块24、第三逻辑模块27、缓冲模块25切断电机控制信号，两路在硬件上是与的关系，不管哪路发生问题，都会启动STO(安全转矩关断)，达到保护人身生命的安全。

需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。