一种直流电磁铁控制机械臂应用上的可靠控制电路的制作方法

1.本实用新型涉及电磁铁技术领域，更具体地，涉及一种直流电磁铁控制机械臂应用上的可靠控制电路。


背景技术：

2.电磁铁的定义：是一种通电产生电磁的装置；在铁芯的外部缠绕与其功率相匹配的导电绕组，这种通有电流的线圈像磁铁一样具有磁性，它也叫做电磁铁(electromagnet)；我们通常把它制成条形或蹄形状，以使铁芯更加容易磁化；另外，为了使电磁铁断电立即消磁，我们往往采用消磁较快的的软铁或硅钢材料来制做；这样的电磁铁在通电时有磁性，断电后磁就随之消失；电磁铁在我们的日常生活中有着极其广泛的应用，由于它的发明也使发电机的功率得到了很大的提高。
3.电磁铁可以分为直流电磁铁和交流电磁铁两大类型，如果按照用途来划分电磁铁，主要可分成以下五种:（1）牵引电磁铁
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主要用来牵引机械装置、开启或关闭各种阀门，以执行自动控制任务；（2）起重电磁铁
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用作起重装置来吊运钢锭、钢材、铁砂等铁磁性材料；（3）制动电磁铁
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主要用于对电动机进行制动以达到准确停车的目的；（4）自动电器的电磁系统
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如电磁继电器和接触器的电磁系统、自动开关的电磁脱扣器及操作电磁铁等；（5）其他用途的电磁铁
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如磨床的电磁吸盘以及电磁振动器等。
4.目前，很多工业或医疗行业的设备上会用到很多机械臂，需要对机械臂进行固定或移动动作恢复；常用的机械臂固定方式有机械锁扣的方式、电机制动的方式、电磁铁锁定的方式；但机械锁扣的方式需要人工操作、不够智能，而电机制动的方式由于电机成本相对较高、电机控制也相对复杂，相较之下，采用电磁铁锁定固定机械臂显得更加地简单便捷。
5.采用电磁铁对机械臂进行固定和移动动作恢复的实现，其前提是需要将被控制的机械臂采用铁件类金属件；在低压电路应用部分，用到的是直流电磁铁；电磁铁控制机械臂动作的原理是：当直流电磁铁带电时，电磁铁产生磁性，可吸附在机械臂上起到固定或锁定作用；当直流电磁铁失电时，电磁铁磁性消失，进而实现解锁机械臂恢复机械臂的可移动性；更简单地讲，是通过对电磁铁进行上电和失电控制实现对机械臂的锁定与解锁。
6.目前，通常用到的直流电磁铁的力矩从几牛米到几千牛米不等，工作电压相对来说12v或24v的比较常见，而对应于电磁铁的控制单元一般为3.3v的弱电信号，这样就需要用到不同电平的切换控制。而针对直流电磁铁的控制应用电路，目前普遍的控制电路和控制方法相对简单，控制单元与直流电磁铁之间没有隔离、可靠性不高，一旦直流电磁铁侧出现故障会造成控制单元存在被损坏的安全隐患。另外电磁铁属于感性元器件，如果控制电路设计不好，会引起控制单元电平波动造成整个系统电路工作异常或元器件损坏。


技术实现要素：

7.为了解决现有技术中存在的不足，本实用新型提供了一种直流电磁铁控制机械臂应用上的可靠控制电路，采用闭环控制的策略，采用模拟与数字电路混合处理电路的方案，
将弱电控制单元与低压直流电磁铁之间的控制电路区分开，降低了弱电控制单元与低压直流电磁铁两者之间的信号干扰，提高了整个系统工作的实时性、可靠性。
8.作为本实用新型的第一个方面，提供一种直流电磁铁控制机械臂应用上的可靠控制电路，包括弱电控制单元、模拟与数字混合处理电路以及低压直流电磁铁；其中，所述弱电控制单元发出一控制信号至所述模拟与数字混合处理电路；所述模拟与数字混合处理电路对所述控制信号进行处理，并将处理后的控制信号发送至所述低压直流电磁铁；所述低压直流电磁铁依据处理后的控制信号产生一反馈信号，并将所述反馈信号发送至所述模拟与数字混合处理电路进行处理；所述模拟与数字混合处理电路将处理后的反馈信号发送至所述弱电控制单元。
9.进一步地，所述模拟与数字混合处理电路包括数字光耦pc1、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、压敏电阻rv1、pnp三极管q1、继电器relay1、肖特基二极管d1以及集成肖特基二极管d2，所述低压直流电磁铁包括线圈l1；其中，
10.所述弱电控制单元的输出端连接所述数字光耦pc1的第1脚，所述数字光耦pc1的第2脚连接数字地dgnd，所述数字光耦pc1的第3脚连接模拟地agnd，所述数字光耦pc1的第4脚分别连接第一电阻r1的一端和第二电阻r2的一端，其中，所述第一电阻r1的另一端连接至第一电源端vcc1，所述第二电阻r2的另一端连接至所述pnp三极管q1的基极，所述pnp三极管q1的发射极连接至第一电源端vcc1，所述pnp三极管q1的集电极分别连接所述继电器relay1的第5脚和肖特基二极管d1的负极，其中所述继电器relay1的第2脚和肖特基二极管d1的正极均连接至模拟地agnd；
11.所述继电器relay1的第1脚为触点公共端com，所述触点公共端com接第一电源端vcc1，所述继电器relay1的第3脚为常开触点no，所述常开触点no分别接所述线圈l1的一端和压敏电阻rv1的一端；所述继电器relay1的第4脚为常闭触点nc，通电时，触点公共端com和常闭触点nc断开，触点公共端com和常开触点no闭合导通；
12.所述线圈l1的另一端分别连接所述压敏电阻rv1的另一端、弱电控制单元的反馈输入端、第三电阻r3的一端以及集成肖特基二极管d2的第3脚，所述第三电阻r3的另一端分别连接所述第四电阻r4的一端和模拟地agnd；
13.所述集成肖特基二极管d2的第1脚分别接数字地dgnd和第四电阻r4的另一端，第2脚接第二电源端vcc2。
14.进一步地，所述继电器relay1包括主线圈，所述主线圈的两端分别为所述继电器relay1的第2脚和第5脚。
15.进一步地，所述集成肖特基二极管d2由二个串联的肖特基二极管组成，其中一个肖特基二极管的负极和另一个肖特基二极管的正极相连。
16.进一步地，所述第四电阻r4为磁珠或0欧姆电阻。
17.进一步地，所述弱电控制单元为mcu。
18.本实用新型提供的直流电磁铁控制机械臂应用上的可靠控制电路具有以下优点：采用闭环控制的策略，采用模拟与数字电路混合处理电路的方案，将弱电控制单元与低压直流电磁铁之间的控制电路区分开，降低了弱电控制单元与低压直流电磁铁两者之间的信号干扰，提高了整个系统工作的实时性、可靠性。
附图说明
19.附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。
20.图1为本实用新型提供的直流电磁铁控制机械臂应用上的可靠控制电路的结构框图。
21.图2为本实用新型提供的直流电磁铁控制机械臂应用上的可靠控制电路具体实施方式的结构示意图。
22.图3为本实用新型提供的直流电磁铁控制机械臂应用上的可靠控制电路具体实施方式的工作原理图。
具体实施方式
23.为更进一步阐述本实用新型为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型提出的直流电磁铁控制机械臂应用上的可靠控制电路其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。显然，所描述的实施例为本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。
24.在本实施例中提供了一种直流电磁铁控制机械臂应用上的可靠控制电路，如图1所示，包括弱电控制单元1、模拟与数字混合处理电路2以及低压直流电磁铁3；其中，所述弱电控制单元1发出一控制信号至所述模拟与数字混合处理电路2；所述模拟与数字混合处理电路2对所述控制信号进行处理，并将处理后的控制信号发送至所述低压直流电磁铁3；所述低压直流电磁铁3依据处理后的控制信号产生一反馈信号，并将所述反馈信号发送至所述模拟与数字混合处理电路2进行处理；所述模拟与数字混合处理电路2将处理后的反馈信号发送至所述弱电控制单元1。
25.优选地，如图2所示，所述模拟与数字混合处理电路2包括数字光耦pc1、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、压敏电阻rv1、pnp三极管q1、继电器relay1、肖特基二极管d1以及集成肖特基二极管d2，所述低压直流电磁铁3包括线圈l1；其中，
26.所述弱电控制单元1的输出端连接所述数字光耦pc1的第1脚，所述数字光耦pc1的第2脚连接数字地dgnd，所述数字光耦pc1的第3脚连接模拟地agnd，所述数字光耦pc1的第4脚分别连接第一电阻r1的一端和第二电阻r2的一端，其中，所述第一电阻r1的另一端连接至第一电源端vcc1，所述第二电阻r2的另一端连接至所述pnp三极管q1的基极，所述pnp三极管q1的发射极连接至第一电源端vcc1，所述pnp三极管q1的集电极分别连接所述继电器relay1的第5脚和肖特基二极管d1的负极，其中所述继电器relay1的第2脚和肖特基二极管d1的正极均连接至模拟地agnd；
27.所述继电器relay1的第1脚为触点公共端com，所述触点公共端com接第一电源端vcc1，所述继电器relay1的第3脚为常开触点no，所述常开触点no分别接所述线圈l1的一端和压敏电阻rv1的一端；所述继电器relay1的第4脚为常闭触点nc，通电时，触点公共端com和常闭触点nc断开，触点公共端com和常开触点no闭合导通；
28.所述线圈l1的另一端分别连接所述压敏电阻rv1的另一端、弱电控制单元1的反馈
输入端、第三电阻r3的一端以及集成肖特基二极管d2的第3脚，所述第三电阻r3的另一端分别连接所述第四电阻r4的一端和模拟地agnd；
29.所述集成肖特基二极管d2的第1脚分别接数字地dgnd和第四电阻r4的另一端，第2脚接第二电源端vcc2。
30.具体地，如图2所示，所述弱电控制单元1发出的控制信号定义为relay_control；所述低压直流电磁铁3产生的反馈信号定义为feedback。
31.本实用新型提供的直流电磁铁控制机械臂应用上的可靠控制电路，一方面可以实现对低压直流电磁铁3的工作指令下达，另一方面可以对低压直流电磁铁3的工作状态进行检测，实现了对低压直流电磁铁3的闭环控制；同时，该可靠控制电路在弱电控制单元1与低压直流电磁铁3的控制上采用了数字光耦pc1和继电器relay1双重信号隔离的方案，降低弱电控制单元1与低压直流电磁铁3两者之间的干扰，有效降低驱动控制的故障率，提高低压直流电磁铁3的工作可靠性；即从弱电控制单元1发出的信号relay_control，通过控制数字光耦pc1的导通与关断来控制继电器relay1的吸合与断开，进而控制低压直流电磁铁3即线圈l1的带电与失电，进而让低压直流电磁铁3处于吸合和断开状态；这样的双重隔离的驱动方案有效降低驱动的故障率，提高低压直流电磁铁3的工作可靠性。
32.需要说明的是，为避免感性负载即低压直流电磁铁3在带电与失电切换时，线圈l1容易产生电压尖峰从而引起feedback电平波动，造成第三电阻r3电流采样不准或者损坏弱电控制单元1，在线圈l1两端并联1个压敏电阻rv1吸收线圈l1的瞬态电压尖峰，同时在传送给弱电控制单元1的信号feedback的传输路径上增加2组集成肖特基二极管d2进一步稳定feedback信号电压，保证信号反馈流对应电路的可靠性。
33.优选地，第一电源端vcc1为模拟电路的电源，第二电源端vcc2为数字电路的电源，第一电源端vcc1和第二电源端vcc2的电压等级不同，第一电源端vcc1的电压等级通常要高于第二电源端vcc2的电压等级，第一电源端vcc1通常为直流电磁铁的12v或24v的工作电压，第二电源端vcc2通常为3.3v的弱电信号。
34.优选地，如图2所示，所述继电器relay1包括主线圈，所述主线圈的两端分别为所述继电器relay1的第2脚和第5脚。
35.优选地，如图2所示，所述集成肖特基二极管d2由二个串联的肖特基二极管组成，其中一个肖特基二极管的负极和另一个肖特基二极管的正极相连。
36.优选地，所述第四电阻r4为磁珠或0欧姆电阻。
37.优选地，所述弱电控制单元1为mcu。
38.优选地，如图3所示，模拟与数字混合处理电路2分为数字电路与模拟电路部分，两部分电路区分开，有效提高两种信号之间的抗干扰能力；另外，整个可靠控制电路包含1组信号控制流和1组信号反馈流两组信号流，同时两组信号流形成了1个闭环控制；其中，信号控制流的信号流向是：从弱电控制单元1发出信号至模拟与数字混合处理电路2，模拟与数字混合处理电路2处理完信号后传送给低压直流电磁铁3；信号反馈流的信号流向是：从低压直流电磁铁3采集对应的信号，经由模拟与数字混合处理电路2进行信号处理，之后返回至弱电控制单元1；这样，两组信号流形成了1个闭环控制，实现对低压直流电磁铁3的动作控制和监视的双控效果。
39.具体地，如图3所示，数字电路部分与模拟电路部分区分开来；其中数字电路部分
包含数字光耦pc1的一次侧（第1脚、第2脚）电路部分、集成肖特基二极管d2电路部分；模拟电路部分包含数字光耦pc1的二次侧（第3脚、第4脚）电路部分、第一电阻r1、第二电阻r2、pnp三极管q1电路部分、继电器relay1电路部分、肖特基二极管d1、压敏电阻rv1以及采样电阻r3；模拟电路的地agnd与数字电路的地dgnd之间是通过第四电阻r4连接在一起；模拟与数字混合处理电路2分为数字电路与模拟电路部分，两部分电路区分开，有效提高了两种信号之间的抗干扰能力。
40.本实用新型提供的直流电磁铁控制机械臂应用上的可靠控制电路，弱电控制单元1与低压直流电磁铁3之间采用了闭环控制的拓扑结构，保证整个直流电磁铁应用电路的可靠性、可控性、可检测性；一方面，从弱电控制单元1发出的信号（relay_control）经由模拟与数字混合处理电路2的内部控制，可实现让直流电磁铁3处于吸合和断开状态；另一方面，模拟与数字混合处理电路2内部通过第三电阻r3对直流电磁铁3的工作电流进行采样，将电流型信号转换成电压型信号（feedback），作为反馈信号对低压直流电磁铁3的工作状态进行监视。
41.本实用新型提供的直流电磁铁控制机械臂应用上的可靠控制电路的工作原理如下：
42.当弱电控制单元1发出的信号（relay_control）为高电平时，光耦pc1的一次侧（第1脚、第2脚）内的二极管导通发光，光耦pc1的二次侧（第3脚、第4脚）接收到光束后内部三极管导通，光耦pc1的第4脚被拉低至agnd，进而pnp三极管q1导通，使继电器relay1的主线圈（a1、a2）带电，进而继电器relay1的常开触点no闭合，从而使低压直流电磁铁3即线圈l1带电，产生磁力，用于锁定金属件，达到锁定机械臂的作用；
43.相反，当弱电控制单元1发出的信号（relay_control）为低电平时，光耦pc1的一次侧（第1脚、第2脚）内的二极管截止不发光，光耦pc1的二次侧（第3脚、第4脚）未接收到光束内部三极管截止，光耦pc1的4脚被拉高至vcc1，进而pnp三极管q1截止，继电器relay1的主线圈（a1、a2）失电，进而继电器relay1的常开触点no断开，从而使低压直流电磁铁3即线圈l1失电，失去磁力，松开（解锁）金属件，达到解锁机械臂的作用。
44.本实用新型提供的直流电磁铁控制机械臂应用上的可靠控制电路，因为数字光耦pc1具有良好的一二次侧信号隔离效果，加上继电器relay1中主线圈与触点侧也具有信号隔离效果，信号控制流可靠性提高，另外，对于信号反馈流的可靠性控制实现原理如下：
45.通过采样电阻r3对直流电磁铁即线圈l1的工作电流的采样，将电流型信号转换成电压型信号（feedback），作为反馈信号对低压直流电磁铁3的工作状态进行监视；如果此反馈信号有一定的电压值且在正常范围内，说明线圈l1带电；如果此反馈信号电压为零则说明线圈l1失电；同时，一旦检测到反馈信号feedback的电压值超出限制值，说明线圈l1过流，这时候弱电控制单元1可立即通过发出低电平的relay_control信号来断开低压直流电磁铁3的供电；同时，考虑到低压直流电磁铁3为感性负载、电流不能突变，在线圈l1带电和失电切换时，线圈l1两端（1、2脚）容易产生电压尖峰从而引起feedback电平波动，造成电阻r3电流采样不准或者损坏弱电控制单元1，所以在线圈l1两端并联1个压敏电阻rv1吸收线圈l1的瞬态电压尖峰，同时在传送给弱电控制单元1的信号feedback的传输路径上增加2组集成肖特基二极管d2进一步稳定feedback信号电压，保证发送至弱电控制单元1的信号电平在弱电控制单元1的正常工作电平范围内，避免feedback信号电平过高引起弱电控制单
元1损坏，从而保证信号反馈信号流对应电路的可靠性。
46.本实用新型提供的直流电磁铁控制机械臂应用上的可靠控制电路，不管是信号控制流还是信号反馈流的控制实现，其对应的模拟电源和地与数字电源和地都做了区分，并且最终通过第四电阻r4将两个不同的地信号连接在一起，这样所有的模拟信号和数字信号区分开了，避免了不同信号之间的互相干扰，提高了整个控制电路的抗干扰能力。
47.本实用新型提供的直流电磁铁控制机械臂应用上的可靠控制电路，扩展性强，对于大小功率的直流电磁铁应用，通过调节相关元器件（如继电器、r3等）的参数可实现电路的扩展。
48.本实用新型提供的直流电磁铁控制机械臂应用上的可靠控制电路，实现弱电控制单元1对低压直流电磁铁3的可靠控制，保证整个电路系统的正常工作；整个电路简洁明了、设计可靠，适合直流电磁铁大小功率段的拓展应用，适合推广。
49.本实用新型提供的直流电磁铁控制机械臂应用上的可靠控制电路，采用模拟与数字电路混合处理电路的方案，将弱电控制单元1与直流电磁铁3的之间的控制电路区分开，降低了弱电控制单元1与直流电磁铁3两者之间的信号干扰，提高了整个系统工作的实时性、可靠性。
50.以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。