专利名称：伺服式离合装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及传动技术领域，具体为一种伺服式离合装置。
(二)
背景技术：
离合器是机械传动系统中常用的扭矩传递部件。常见的离合器有磁粉离 合器、电磁离合器、摩擦式或液力式机械离合器等几种。主要功能是隔离主、 从部件的扭矩传递，实现主从部件的逐渐接合/分离，传递工作扭矩。
磁粉离合器在主从部分之间加入了磁粉，通过调节从动部分的激磁电流 就能方便地控制转矩，且转矩随激磁电流呈 一定的线性关系，与激磁电流在 相当广阔的范围内成正比。并且磁粉离合器具有较为迅捷的快速响应性激 磁电流的变化使磁场强度产生相应的变化，其过程无任何宏观的机械动作， 儿乎在接通电源的同时，就有转矩传递。但主从部分的速度差会磨擦发热， 损失能量、通常还需要用水冷却。
电磁式离合器靠线圈的通断电来控制离合器的接合与分离，但传递扭力 不易定量控制。
摩擦式离合器的主动和从动部分依靠摩擦力传递扭矩，给主、从部分施 加接触压力，两者摩擦面相接合，依靠摩擦力传递扭矩；撤消接触压力，两 者摩擦面分离而实现扭矩隔离；逐渐加大或减小接触压力，则可实现两者逐 渐接合或分离。当离合器反复多次离合、主从部分有速差时，其摩擦面之间 频繁地相对滑磨会产生大量的热量，同时相互磨损；离合器完全分离或完全 结合时，摩擦片间摩擦发热停止。此类离合器摩擦片间摩擦发热严重，磨损 也严重，因而摩擦离合器是易损件。另外摩擦式离合器传递扭矩的定量控制 非常困难，操纵控制机械结构也较复杂。液力离合器利用液体作为传动介质， 一般包括输入轴、增速齿轮系、工作液流腔、叶轮、从动轮等，虽然能实现 离合器的功能，但也不能精确控制传递扭矩，并且结构复杂成本过高。
上述离合器都能够控制主从部分扭矩隔离、逐步接合、稳定传递扭矩， 但接合过程会摩擦发热，不能将接合过程的剩余能量回收；虽然磁粉离合器 可在一定程度上调节传递扭矩的大小，并且响应速度达到百毫秒级，但是现
在的离合器均无法满足精确地、宽范围、响应快地控制传递扭矩以及效率高、 体积小、能耗低的要求。
实用新型内容
本实用新型的目的是设计一种伺服式离合装置，实现离合器传递扭矩从
0-100%全范围的高精度、高速响应线性控制，并且，在传递扭矩时，将主从
部分速度差导致的多余能量转变为电能，使用或存储，极少产生热量。
本实用新型设计的伺服式离合装置包括输入轴、第一转子、第二转子、 输出轴、导电滑环、两个位置传感器或者两个位置/速度传感器和伺服驱动器。 离合器的第一转子轴连输入轴，第二转子轴连输出轴，二轴处于同- 直线。 输入轴和输出轴可互换。第一转子和第二转子二者其一嵌有永磁磁极，另--个为绕制在铁芯上的绕组，嵌有永磁磁极的为另一个提供磁场，二者构成永 磁电机。或者第一转子和第二转子二者其一为与外部励磁电源连接的励磁线 圈，为另一个提供磁场，另一个为绕制在铁芯上的绕组，二者构成它励电机。 绕组通过集电环与伺服驱动器连接，第一、第二转子轴上各安装一个位置传 感器或者位置/速度传感器，二位置传感器或者二位置/速度传感器连接伺服 驱动器。伺服驱动器含有扭矩伺服单元和/或速度/位置伺服单元，有与离合 控制单元连接的控制端口，控制端口含有扭矩设定、和/或速度/位置设定及 扭矩限制值设定多种控制信号端口 ，还可有扭矩伺服模式或速度/位置伺服模 式切换信号的控制端口。
离合控制单元主体为单片机，内含透过功能模块、曲线选定功能模块和 设置模块，透过功能模块和曲线选定功能模块各经其内的模拟/数字开关并联 后接到伺服驱动器的控制端口 ，设置模块内的选择开关接透过功能模块和曲 线选定功能模块的模拟/数字开关，该选择开关为两个功能模块的模拟数字开
关之一提供有效电平，作为功能模块的选通信号；该选择开关可直接设置选 择所接功能模块，同时经单片机与外部控制单元相接，接受外部控制单元的 信号选择所接功能模块。曲线选定功能模块内按编码存储有离合器各种常用 功能流程的扭矩设定、和/或速度/位置设定及扭矩限制值设定、扭矩伺服模 式或速度/位置伺服模式切换多种控制信号的组合曲线；离合控制单元有扭矩
设定、禾n/或速度/位置设定及扭矩限制值设定的多种控制信号输出端口，扭
矩伺服模式或速度/位置伺服模式切换信号的输出控制端口 ；还含有与上位外 部控制单元连接的信号输入端口 。该离合控制单元按设置模块选择开关的设置接受其内或外部控制单元的提供的选通信号，确定其运行的功能模块、并 向伺服驱动器提供控制信号。伺服驱动器按离合控制单元的信号工作于扭矩 伺服或有扭矩限制的速度/位置伺服模式。伺服驱动器经直流母线与外部相关 配套装置相连，相关配套装置含电能存储装置、和/或用电装置、和/或逆变 器、和/或能量泄放装置相连，伺服驱动器还与外部电源相连。
离合控制单元的透过功能模块运行时，外部控制单元提供的扭矩设定信 号、和/或速度/位置设定及扭矩限制值设定信号、扭矩伺服模式或速度/位置 伺服模式切换信号直接透过传递给伺服驱动器；其曲线选定功能模块运行时， 按外部控制单元给定的编码信号，离合控制单元以预存的扭矩设定、和/或速 度/位置设定及扭矩限制值设定、扭矩伺服模式或速度/位置伺服模式切换多 种控制信号的组合变化规律提供给伺服驱动器。
本伺服式离合装置的运行方式如下
本离合器工作于扭矩伺服控制模式，离合控制单元根据外部控制单元指 令，按照期望的扭矩传递规律给伺服驱动器提供扭矩设定信号，伺服驱动器 即根据此设定值进行扭矩伺服控制，对输入轴施加线性跟随设定值的扭矩。 由于作用力与反作用力的关系，在输入轴上的第一转子受到输出轴上的第二 转子的电磁扭矩时，输出轴上的第二转子也受到同样大小的反作用扭矩，此 扭矩即为离合器从输入轴传递到输出轴的扭矩，即主动轴按扭矩设定值的变 化规律向从动轴传递扭矩。
或者本离合器工作于带扭矩限制的速度/位置控制模式，离合控制单元根 据外部控制单元指令、按照期望的输出轴运动规律给伺服驱动器提供速度/ 位置给定信号和扭矩限制值，维持设定的速度/位置值所需扭矩不大于扭矩限 制值时，伺服驱动器按设定的速度/位置变化规律控制第- 、第二转子运行 维持设定的速度/位置运动规律所需扭矩大于扭矩限制值时，伺服驱动器保持 第一、第二转子间的扭矩线性跟随扭矩限制值，第-转子3和第二转子4的 相对速度/位置偏离设定值。
外部控制单元根据运动控制需要，选定离合控制单元运行其透过功能模 块，通过伺服驱动器的控制端口选定其工作于扭矩伺服控制模式或带扭矩限制的速度/位置控制模式；动态改变扭矩设定值、速度/位置设定值、扭矩限制值，控制本离合装置主从部分隔离、或逐渐柔和接合/分离、或稳态运行。 在接合/分离过程中，主动轴转速大于从动轴转速时，第一、第二转子将多余 能量转换为电能送入伺服驱动器，经直流母线被相关配套装置使用或存储。
外部控制单元根据运动控制需要，选定离合控制单元运行其曲线功能模 块并给出编码信号，离合控制单元依据编码信号按预存的曲线变化规律、将 控制信号组合送达伺服驱动器接口，伺服驱动器动态控制第一转子、第二转 子按预定规律运行。
本伺服式离合装置通过伺服控制按设定值传递扭矩，具有以下的优点
① 输入轴和输出轴之间的扭矩传递为线性控制，非线性度可控制在5% 以内；
② 输入轴和输出轴间半联动过程产生的能量可以回收再利用；没有主从 单元间的摩擦导致的能量损耗，发热小，效率高；
③ 转动部件间无机械摩擦，具有出色的耐久性和可靠性；
④ 在扭矩伺服模式，传递扭矩的大小与输入轴、输出轴的速度无关；
(D扭矩控制响应迅速，响应时间可达毫秒级；
⑥ 离合操控灵活、平滑、无冲击，适合半联动控制
⑦ 本伺服式离合器有多种工作方式
a) 输入轴转速等于输出轴转速，输入轴送入的能量，全部传递给输 出轴；
b) 输入轴转速高于输出轴转速，输入轴送入的能量， 一部分传递给 输出轴，多余部分转变为电能进入伺服驱动器；
C)输入轴转速低于输出轴转速，输入轴送入的能量，全部传递给输 出轴，同时伺服驱动器消耗来自供电系统的电能，将之转变为机 械能输出到输出轴；
d) 加载方式，即针对输入轴施加大小精确受控、方向可变的扭矩负 载；
e) 制动方式，即第一、第二转子轴其一固定不动，对另一轴施加与 转动方向相反的制动扭矩；
f) 驱动方式，即第一、第二转子轴其一固定不动，对另--轴施加与 转动方向相同的驱动扭矩；
伺服驱动器配套电能存储装置、和/或用电装置、和/或逆变器、禾n/
或能量泄放装置，以实现对回收能量的处置。
◎可限制主从部分接合扭矩最大值，使主从部分免受过大扭矩的损害。
⑩可将常见的主从部分运行规律预存于离合控制单元，按外部控制单元
编码选定运行，操控简化。
图l为本实用新型伺服式离合装置实施例1的结构示意图2为本实用新型伺服式离合装置实施例2的结构示意图1和2中标号为1、输入轴，2、 A位置传感器，3、第一转子，4、
第二转子，5、集电环，6伺服驱动器，7、B位置传感器，8、输出轴，9、 相关配套装置，10、离合控制单元。
图3为本实用新型伺服式离合装置实施例1的离合控制单元结构框图； 图中标号为11、透过功能模块，12、设置模块，13、曲线选定功能模块。
具体实施方式
实施例1
本实用新型伺服式离合装置实施例1的结构如图1所示，输入轴1连接
第一转子3，第一转子3为外转子，内嵌永磁磁极，其内为第二转子4，第二 转子4为内转子，为绕制在铁芯上的绕组，第二转子4连接本装置的输出轴 8。输入轴l、输出轴8处于同一直线。第一转子3为第二转子4提供径向磁 场。本实施例第一转子3内嵌的永磁磁极及第二转子4的铁芯和绕组构成永 磁同步电机、开关磁阻电机、或直流电机。第一转子3上安装有A位置传感 器2。第二转子4轴上安装有B位置传感器7， A位置传感器2与B位置传感 器7经求差运算器后连接伺服驱动器6，或者直接连接内含求差运算器的伺 服驱动器6。 二传感器2、 7获得的位置信号经过求差运算后作为第一、第二 转子3、 4的相对位置信号送入伺服驱动器6。伺服驱动器6通过集电环5与 第二转子4的绕组连接，伺服驱动器6为含有扭矩伺服单元的伺服驱动器， 伺服驱动器6具有与离合控制单元10连接的扭矩设定信号控制端口 ，工作于 扭矩伺服模式。伺服驱动器6经直流母线与相关配套装置9连接，该装置包 括电能存储装置、用电装置、逆变器、能量泄放装置，伺服驱动器还连接外 部电源。
离合控制单元10主体为单片机，内含透过模块功能模块11、曲线选定 功能模块13和设置模块12，透过功能模块11和曲线选定功能模块13各经 其内的模拟/数字开关并联后接伺服驱动器的控制端口，设置模块12内的选 择开关接透过功能模块和曲线选定功能模块的模拟/数字开关，为二者之一提
供有效电平，作为功能模块的选通信号；该选择开关可直接控制选择，还与 外部控制单元相接，可接受外部控制单元的功能模块选择信号。曲线选定功 能模块内按编码存储有离合器各种常用功能流程的扭矩设定、和/或速度/位 置设定及扭矩限制值设定、扭矩伺服模式或速度/位置伺服模式切换多种控制
信号的组合曲线；如本离合器柔和接合过程、或柔和脱离过程、或其它常规 操控过程对扭矩等各种设定值的组合。离合控制单元有扭矩设定、和/或速度 /位置设定及扭矩限制值设定的多种控制信号输出端口 ，扭矩伺服模式或速度 /位置伺服模式切换信号的输出控制端口 ；还含有与上位外部控制单元连接的 信号输入端口。
该离合控制单元10按设置模块的选择开关接受其内设置的或外部控制 单元的提供的选通信号，确定运行的功能模块。其透过功能模块运行时，外 部控制单元提供的扭矩设定信号、和/或速度/位置设定及扭矩限制值设定信 号、扭矩伺服模式或速度/位置伺服模式切换信号直接透过传递给伺服驱动器 6;其曲线选定功能模块运行时，按外部控制单元给定的编码信号，离合控制 单元选定对应的预存曲线组合信号，以预存的扭矩设定、和/或速度/位置设 定及扭矩限制值设定、扭矩伺服模式或速度/位置伺服模式切换多种控制信号 的组合变化规律提供给伺服驱动器6。
本实施例中，上述的离合控制单元10的功能可通过多种线路实现，本例 结构如附图3所示，包括透过功能模块ll、曲线选定功能模块13、设置模块 12。透过功能模块ll内含A模拟/数字开关，该模块一侧与上位外部控制单 元连接的输入信号端口连接，另一侧经A模拟/数字开关与伺服驱动器6连接 的控制信号输出端口连接；曲线选定功能模块13主体为单片机，也含有B模 拟/数字开关，该模块一侧与上位外部控制单元连接的输入信号端口连接，接 受编码选择信号，另一侧经B模拟/数字开关与透过功能模块11并联接至伺 服驱动器6连接的控制信号输出端口。设置模块12含选择开关，其为三种状 态的设置选择开关，如图3所示高电平Vcc、或接地GND或单片机单元，该 选择开关经所接非门直接为透过功能模块11或曲线选定功能模块13提供二 选一的选通信号，或者由单片机单元依据外部编码选择信号为透过功能模块 11和曲线选定功能模块13的A、 B模拟/数字开关提供二选---'的选通信号。
本装置也可以设计成第 一转子3安装铁芯和绕组，而第二转子4上安装 永磁磁极，伺服驱动器6通过集电环5与第一转子3的绕组连接。
本装置还可以设计成第一转子3安装铁芯和绕组，而第二转子4则为励磁线圈，经集电环与外部励磁电源连接，产生电磁场，提供给第一转子3。
伺服驱动器6通过集电环5与第一转子3的绕组连接。第二转子4安装铁芯 和绕组，而第一转子3为励磁线圈的情况与之相似。
本离合装置实施例输入轴1连接外部动力机构，为主动部分，输出轴8 连接负载，为从动部分。输入轴1与输出轴8可互换，即输出轴8连接外部 动力机构，为主动部分，输入轴l连接负载，为从动部分。
本伺服式离合装置的第一、第二转子3、 4也可按相关结构构成开关磁阻 电机、或直流电机，其它结构与上述相同。
所述A、 B位置传感器2、 7可以是带有UVW信号的增量式光电编码器、 或绝对式光电编码器或磁编码器或其它形式的位置传感器。
也可在第一转子3和第二转子4之间安装相对位置检测装置以取代A、 B 位置2、 7，该相对位置检测装置与伺服驱动器6连接，直接输出两个转子相 对位置的信号给伺服驱动器6。
实施例2
本实用新型伺服式离合装置实施例2的结构如图2所示，其第一转子3 和第二转子4相对，保持气隙，其它结构与实施例l相同。二者构成轴向磁 路结构，两个转子之间的气隙磁场方向为轴向。
实施例3
本伺服式离合装置实施例3的结构与实施例1或2大部分相同，不同处 为其第一转子3上改为安装A位置/速度传感器2，第二转子4轴上改为安 装B位置/速度传感器7， A位置/速度传感器2与B位置/速度传感器7经求 差运算器后连接伺服驱动器6，或者两个位置和速度传感器接入内含求差运 算器的伺服驱动器6。 二传感器2、 7获得的的位置和速度信号分别经过求差 运算后作为第一、第二转子3、 4的相对位置和速度信号送入伺服驱动器6; 伺服驱动器6为含有扭矩限制值的速度/位置伺服单元的伺服驱动器，伺服驱 动器6具有与离合控制单元10连接速度/位置设定信号和扭矩限制信号的控 制端口 ，工作于有扭矩限制值的速度/位置伺服模式。
本例也可在第一转子3和第二转子4之间安装相对位置检测装置和两个 速度传感器以取代A、 B位置/速度传感器2、 7，该相对位置检测装置与伺服 驱动器6连接，直接输出二转子相对位置的信号给伺服驱动器6，两个速度 传感器信号仍经过求差运算后作为第一、第二转子3、 4的速度信号送入伺服 驱动器6。
本实用新型伺服式离合装置实施例3的运行方式如下
伺服驱动器6工作于带扭矩限制的速度/位置伺服控制模式，离合控制单 元10给出的速度/位置设定值为0，并动态设置扭矩限制值。本离合装置工 作在此模式下，当负载扭矩不大于扭矩限制值时，第一转子3和第二转于4
相对静止；当伺服驱动器6维持第一转子3和第二转子4相对静止所需扭矩 大于扭矩限制值时，伺服驱动器6给电机绕组的电流矢量使第一、第二转子 3、 4间的相互作用扭矩等于设置的扭矩限制值，第二转子3和第一转子4发 生速差而滑动。 实施例4
本伺服式离合装置实施例4的结构与实施例3大部分相同，不同处为
伺服驱动器6为含有扭矩伺服单元和带扭矩限制值的速度/位置伺服单元的 伺服驱动器，伺服驱动器6具有与离合控制单元IO连接的多种控制端口，控 制端口含有扭矩设定、速度/位置设定、扭矩限制值设定控制信号端口，还有 扭矩伺服模式或速度/位置伺服模式切换信号的控制端口 。伺服驱动器6工作 于扭矩伺服模式或有扭矩限制值的速度/位置伺服模式。
本实用新型伺服式离合装置实施例4的运行方式如下离合控制单元10
按外部指令通过伺服驱动器6控制端口动态选定其工作模式扭矩伺服控制
模式或带扭矩限制的速度/位置伺服控制模式。确定工作模式后，则本离合
装置如上述实施例1和2所述在两种模式下根据离合控制单元10的设定信号 按各种方式运行。
权利要求1、一种伺服式离合装置，包括输入轴、输出轴，其特征在于输入轴(1)连接第一转子(3)，输出轴(8)连接第二转子(4)，输入轴(1)输出轴(8)在同一直线上；第一转子(3)和第二转子(4)其一嵌有永磁磁极，另一为绕制在铁芯上的绕组，或者第一转子(3)和第二转子(4)二者其一为与外部励磁电源连接的励磁线圈，另一个为绕制在铁芯上的绕组，第一转子(3)和第二转子(4)构成电机；第一转子(3)上安装有A位置传感器(2)第二转子(4)轴上安装有B位置传感器(7)，A位置传感器(2)与B位置传感器(7)与伺服驱动器(6)连接；或者，第一转子(3)上安装有A位置/速度传感器(2)，第二转子(4)轴上安装有B位置/速度传感器(7)，A位置/速度传感器(2)与B位置/速度传感器(7)与伺服驱动器(6)连接；伺服驱动器(6)含有扭矩伺服单元或速度/位置伺服单元，具有与离合控制单元(10)连接的控制端口，控制端口包括有扭矩设定或速度/位置设定及扭矩限制值设定控制信号端口，该伺服驱动器(6)工作于扭矩伺服或速度/位置伺服模式；伺服驱动器(6)通过集电环(5)与第一转子(3)或第二转子(4)的绕组连接；伺服驱动器(6)经直流母线与相关配套装置(9)连接，相关配套装置(9)是电能存储装置、和/或用电装置、和/或逆变器、和/或能量泄放装置。
2、 根据权利要求l所述的伺服式离合装置，其特征在于 所述伺服驱动器(6)含有扭矩伺服单元和速度/位置伺服单元，还有扭矩伺服或速度/位置伺服模式切换控制信号端口 。
3、 根据权利要求l所述的伺服式离合装置，其特征在于 所述离合控制单元(10)主体为单片机，内含透过功能模块(11)、曲线选定功能模块(13)和设置模块(12)，曲线选定功能模块(13)内 按编码存储有离合器各种常用功能流程的扭矩设定、和/或速度/位置设定 及扭矩限制值设定、扭矩伺服模式或速度/位置伺服模式切换多种控制信 号的组合曲线；离合控制单元(10)有扭矩设定、禾n/或速度/位置设定及 扭矩限制值设定的多种控制信号输出端口，扭矩伺服模式或速度/位置伺服模式切换信号的输出控制端口 ；还含有与上位外部控制单元连接的信号输入端口；该离合控制单元(10)接受其内的设置信号或外部控制单元的 信号，确定其运行的功能模块。
4、 根据权利要求3所述的伺服式离合装置，其特征在于 所述离合控制单元(10)的透过功能模块(11)内含A模拟,/数字开关，该模块一侧与上位外部控制单元连接的输入信号端口连接，另一侧经 A模拟/数字开关与伺服驱动器(6)连接的控制信号输出端口连接；曲线 选定功能模块(13)主体为单片机，也含有B模拟/数字开关，该模块一 侧与上位外部控制单元连接的输入信号端口连接，另一侧经B模拟/数字 开关与透过功能模块(11)并联接至伺服驱动器(6)连接的控制信号输 出端口；设置模块(12)含选择开关，其为二种状态的设置选择开关，接 高电平Vcc、或接地GND、或单片机单元。
5、 根据权利要求l所述的伺服式离合装置，其特征在于 所述第一转子(3)为外转子，其内为第二转子(4)，第二转子(4〕为内转子。
专利摘要本实用新型为伺服式离合装置，本装置成直线的两个转子轴分别连接输出输入轴。二转子之一嵌有永磁磁极或为励磁线圈，另一为绕组，二者构成电机。绕组与伺服驱动器连接，二转子轴上各安装连接伺服驱动器的位置/速度传感器。伺服驱动器含有扭矩伺服和速度/位置伺服功能，有与离合控制单元连接的控制端口，接受扭矩或速度/位置设定、模式切换信号、扭矩限制设定信号。伺服驱动器与电能存储装置、和/或用电装置等相连。其运行方式为根据需要确定工作模式，动态改变扭矩或速度/位置设定值、扭矩限制值，按给定规律控制主从隔离、或逐渐柔和接合/分离、或稳态运行。在主动轴转速大于从动轴时，多余能量转换为电能使用或存储不发热。
文档编号H02K49/06GK201075814SQ20072007239
公开日2008年6月18日 申请日期2007年7月9日 优先权日2007年7月9日
发明者虹 吕 申请人:上海星之辰电气传动技术有限公司