专利名称：交流伺服装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种交流伺服装置，特别是一种低压交流伺服装置，属于机电装置领域。
交流伺服装置包括交流伺服电动机及其驱动器。现有技术中，交流伺服装置都是由动力电网供电，供电电压为交流220V或交流380V，常采用下述二种工作方式，一种是先经变压器变成160V-220V的三相线电压，再经整流、滤波变成300V-360V的直流母线电压，最后由伺服控制电路通过驱动电路控制逆变电路的通断实现对交流伺服电动机供电；另一种是不经变压器直接将电网电压整流、滤波变成400V-460V的直流母线电压，然后由伺服控制电路通过驱动电路控制逆变电路的通断实现对交流伺服电动机供电。但是经常会有一些场合，或是不具有三相交流电网供电条件，如野外作业，或是由于安全的考虑不允许使用额定电压超过安全电压以上的电压供电，从而限制了交流伺服装置的应用，使其无法实现对运动控制目标的灵敏、准确控制，影响生产质量及效率的提高。
本实用新型的目的是提供一种采用低压供电的交流伺服装置，使其能够在没有动力电网供电的情况下，通过电池或低压发电机供电而进行正常工作。
本实用新型的目的是通过以下措施实现的。
一种交流伺服装置，由永磁交流伺服电动机和交流伺服驱动器构成，永磁交流伺服电动机包括定子铁芯组件、定子绕组、转子芯组件、磁钢、转子主轴，磁钢固定于转子芯组件上，转子主轴穿过转子芯组件与其紧密连接，构成一体，并在由定子铁芯组件和定子绕组组成的定子中转动，两者之间有一定气隙；交流伺服驱动器包括逆变电路、整流电路、滤波电路、伺服控制电路、驱动电路。交流伺服驱动器还具有高频振荡电路和稳压电路，采用12V～36V的低压直流电源供电，低压直流电源向高频振荡电路和逆变电路提供直流电压，经高频振荡电路变换成高频振荡电压，再依次经串联的整流电路、滤波电路、稳压电路形成一稳定的电压输出给伺服控制电路，来自永磁交流伺服电动机的反馈信号也输入给伺服控制电路，伺服控制电路的输出接驱动电路，驱动电路驱动逆变电路，逆变电路的输出接永磁交流伺服电动机，对其进行控制。
高频振荡电路由电阻R1-R15、电容C5-C9、振荡芯片IC、场效应管T7、T8组成，直流电压分别经由电阻R1-R3、R4-R6组成的分压电路分压后接入振荡芯片IC的输入端，电阻R7、电容C5用于调节振荡频率，振荡芯片IC的两个输出端分别经二个相同的功率放大支路后，输出高频振荡电压，两功率放大支路分别经串联的电阻R8或R9、电容C6或C7与场效应管T7或T8的栅极相接，场效应管T7或T8的漏极、源极与输出端B或A之间有一个由电阻R12-R13或R14-R15和电容C8或C9组成的保护电路，在场效应管T7、T8的栅极与地之间分别加偏置电阻R10、R11。
逆变电路由大功率智能模块T1-T6、电解电容C1、高频无感电容C2-C4组成，每两个大功率智能模块串联构成一路，每路并联一个高频无感电容，直流电压经电解电容C1滤波给大功率智能模块T1-T6供电，大功率智能模块T1-T6的栅极与驱动电路的输出相接，大功率智能模块T2、T6、T4的发射极与大功率智能模块T5、T3、T1的集电极的连接端接永磁交流伺服电动机的U、V、W端，驱动电路为栅极驱动电路。
永磁交流伺服电动机，其定子铁芯组件为36槽，定子绕组采用单层交叉绕组，每槽3匝，每匝12-19根导线并绕，形成三相、18个端点的9条支路，每3个支路并联成一相，三相接成星形或三角形。
每二块磁钢组成一个磁极，共组成六个磁极，磁钢材料为钕铁硼稀土永磁材料。
磁钢采用表面为圆弧面、底面为平面的扇形体，其圆弧面的正投影为平行四边形。
本实用新型与现有技术相比具有以下优点由于整个装置不需要电网供电，可以成功地应用于低电压、大电流的场合中，从而保证了交流伺服装置在没有电网供电如移动设备、野外作业或由于安全原因不能引入高压的场合中的应用，具有调速范围宽、起制动速度快、定位精度高等特点，可在低压供电的情况下实现了对运动控制目标的灵敏、准确控制，有助于生产质量及效率的提高。另外，由于永磁交流伺服电动机结构的改进，使其较之现有技术具有低反电动势、转矩系数和力矩过载倍数大、低速转矩脉动小等优点，进一步增加了其在低电压、大电流场合作业的可靠性。
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的描述
图1为本实用新型交流伺服装置的原理框图。
图2为图1中的高频振荡电路的电路图。
图3为图1中的逆变电路的电路图。
图4为本实用新型中的永磁交流伺服电动机的结构图。
图5为本实用新型中的永磁交流伺服电动机的定子绕组展开图。
图6为本实用新型中的永磁交流伺服电动机的转子结构图。
图7为图6的D-D剖面图。
图8为本实用新型中的永磁交流伺服电动机磁钢的主视图。
图9为本实用新型中的永磁交流伺服电动机磁钢的俯视图。
图1显示了一种低压交流伺服装置，它包括一台永磁交流伺服电动机和一台交流伺服驱动器，采用12V-36V的低压直流电源如电池或自备直流发电机供电。交流伺服驱动器包括逆变电路、高频振荡电路、整流电路、滤波电路、稳压电路、伺服控制电路和栅极驱动电路。低压直流电源向高频振荡电路和逆变电路提供一个12V-36V的直流电压，经高频振荡电路变换成高频振荡电压，再依次经串联的整流电路、滤波电路、稳压电路形成稳定的±15V、±5V电压输出给伺服控制电路。来自永磁交流伺服电动机的反馈信号也输入给伺服控制电路，反馈信号包括电流信号、极位信号和转速信号，电流信号可采用电流互感器来检测，极位信号和转速信号可采用装在永磁交流伺服电动机轴上的光电编码器来检测，伺服控制电路根据这些反馈信号对栅极驱动电路进行控制，栅极驱动电路驱动逆变电路，逆变电路的输出接永磁交流伺服电动机，并对其进行控制。整流电路、滤波电路、稳压电路及栅极驱动电路为常规电路，伺服控制电路可采用中国实用新型专利94218389.4中的伺服控制电路。
高频振荡电路如图2所示，由电阻R1-R15、电容C5-C9、振荡芯片IC、场效应管T7、T8组成，振荡芯片IC采用UC3637，场效应管T7、T8采用IRF640。电阻R1-R3、R4-R6对输入的直流电压分别进行分压，经电阻R1-R3分压后分别接振荡芯片IC的6、1、3、5端，经电阻R4-R6分压后分别接振荡芯片IC的6、9、11、5端。电阻R7跨接于振荡芯片IC的18端与地之间，振荡芯片IC的2、8、10端通过电容C5与地相连，电阻R7、电容C5用于调节振荡频率。振荡芯片IC的4、7端为输出端分别经二个相同的功率放大支路进行功率放大后，从A、B端输出一方形高频振荡电压。其中一路是经串联的电阻R9、电容C7与场效应管T8的栅极G相接，在场效应管T8的栅极G与地之间加偏置电阻R11，场效应管T8的源极S经由电容C9和并联的电阻R14、R15组成的保护电路与漏极D相接构成输出端A；另一路是经串联的电阻R8、电容C6与场效应管T7的栅极G相接，在场效应管T7的栅极G与地之间加偏置电阻R10，场效应管T7的源极S经由电容C8和并联的电阻R12、R13组成的保护电路与漏极D相接构成输出端B。
逆变电路如图3所示，由大功率智能模块T1-T6、电解电容C1、高频无感电容C2-C4组成，大功率智能模块T1-T6的参数选为300A、600V，电解电容C1的参数为50V、390μF，高频无感电容C2-C4的电容值应不小于2.5μF。每两个大功率智能模块串联构成一路，每路并联一个高频无感电容，直流电压经电解电容C1滤波给大功率智能模块T1-T6供电。大功率智能模块T1-T6的栅极与栅极驱动电路的输出相连，伺服控制电路通过栅极驱动电路控制大功率智能模块T1-T6的轮流导通顺序和频率，大功率智能模块T2、T6、T4的发射极分别与大功率智能模块T5、T3、T1的集电极相连，其连接端形成90A-300A的电流输出能力，并与永磁交流伺服电动机的U、V、W端相连，对其进行控制。
永磁交流伺服电动机被设计为低反电动势、大电流的交流伺服电动机，其线反电动势范围为12V-36V，额定电流范围为90A-300A，转速范围0-5000转/分，转矩范围3N.m-30N.m。其结构如图4所示，它包括由定子铁芯组件和定子绕组组成的定子4、转子芯组件2、磁钢3、转子主轴1、轴承6、前法兰组件5、后法兰组件7、光电编码器9和端盖8。转子采用如图6和图7所示的结构，转子主轴1穿过转子芯组件2与其紧密连接，构成一体，磁钢3粘接于转子芯组件2上。为减少转矩的脉动，每二块磁钢以折线方式排列组成一个磁极，共组成六极，且N、S极交替排列均匀分布，磁钢材料选用剩磁感应强度Br为1.04特斯拉、矫顽力Hc为7800安培/厘米的钕铁硼稀土永磁材料。图8给出了永磁交流伺服电动机磁钢的主视图，图9给出了永磁交流伺服电动机磁钢的俯视图，磁钢采用表面为圆弧面、底面为平面的扇形体，其圆弧面的正投影为平行四边形，面积S为36×30.5平方毫米，最大厚度8mm。永磁交流伺服电动机的的定子4，其定子铁芯组件由厚度为0.5mm、用DW310冷轧硅钢片做成的定子冲片组成，冲为36槽；定子绕组如图5所示，采用单层交叉绕组，每槽3匝，每匝用17根Φ0.9/Φ0.99的导线并绕，形成三相U-X、V-Y、Z-W、18个端点的9条支路，每3个支路并联成一相，三相U-X、V-Y、Z-W接成星形或三角形。本实施例中设计定子有效长度为87mm、内径Φ为84mm，转子有效长度为87mm。永磁交流伺服电动机的前法兰组件5和后法兰组件7安装于定子4两侧，其上各有一个与定子4同轴线安装的轴承6，转子安装在定子4内其主轴1支撑于两轴承6上，转子在定子4中转动，两者之间有一定气隙。端盖8将安装在主轴1上的光电编码器9密封在内，以起到保护作用。在本实施例中设计的低压永磁交流伺服电动机的功率为1.6KW，额定转矩为5N.m、在额定转矩时相电流为117.5A，该电机在0-3200转/分为恒转矩区、在3200转/分时每相的反电动势为9.2V，在3200-5000转/分为恒功率区。由于该装置工作在大电流的情况下，还可采用DXC-449型330×196×72mm的散热片散热，并装两台轴流风机强迫通风。
权利要求1.一种交流伺服装置，由永磁交流伺服电动机和交流伺服驱动器构成，永磁交流伺服电动机包括定子铁芯组件、定子绕组、转子芯组件、磁钢、转子主轴，磁钢固定于转子芯组件上，转子主轴穿过转子芯组件与其紧密连接，构成一体，并在由定子铁芯组件和定子绕组组成的定子中转动，两者之间有一定气隙；交流伺服驱动器包括逆变电路、整流电路、滤波电路、伺服控制电路、驱动电路，其特征在于交流伺服驱动器还具有高频振荡电路和稳压电路，采用12V～36V的低压直流电源供电，低压直流电源向高频振荡电路和逆变电路提供直流电压，经高频振荡电路变换成高频振荡电压，再依次经串联的整流电路、滤波电路、稳压电路形成一稳定的电压输出给伺服控制电路，来自永磁交流伺服电动机的反馈信号也输入给伺服控制电路，伺服控制电路的输出接驱动电路，驱动电路驱动逆变电路，逆变电路的输出接永磁交流伺服电动机，对其进行控制。
2.根据权利要求1所述的交流伺服装置，其特征在于所述的高频振荡电路由电阻R1-R15、电容C5-C9、振荡芯片IC、场效应管T7、T8组成，直流电压分别经由电阻R1-R3、R4-R6组成的分压电路分压后接入振荡芯片IC的输入端，电阻R7、电容C5用于调节振荡频率，振荡芯片IC的两个输出端分别经二个相同的功率放大支路后，输出高频振荡电压，两功率放大支路分别经串联的电阻R8或R9、电容C6或C7与场效应管T7或T8的栅极相接，场效应管T7或T8的漏极、源极与输出端B或A之间有一个由电阻R12-R13或R14-R15和电容C8或C9组成的保护电路，在场效应管T7、T8的栅极与地之间分别加偏置电阻R10、R11。
3.根据权利要求1所述的交流伺服装置，其特征在于所述的逆变电路由大功率智能模块T1-T6、电解电容C1、高频无感电容C2-C4组成，每两个大功率智能模块串联构成一路，每路并联一个高频无感电容，直流电压经电解电容C1滤波给大功率智能模块T1-T6供电，大功率智能模块T1-T6的栅极与驱动电路的输出相接，大功率智能模块T2、T6、T4的发射极与大功率智能模块T5、T3、T1的集电极的连接端接永磁交流伺服电动机的U、V、W端，驱动电路为栅极驱动电路。
4.根据权利要求1所述的交流伺服装置，其特征在于所述的永磁交流伺服电动机，其定子铁芯组件为36槽，定子绕组采用单层交叉绕组，每槽3匝，每匝12-19根导线并绕，形成三相、18个端点的9条支路，每3个支路并联成一相，三相接成星形或三角形。
5.根据权利要求1或4所述的交流伺服装置，其特征在于所述的每二块磁钢组成一个磁极，共组成六个磁极，磁钢材料为钕铁硼稀土永磁材料。
6.根据权利要求5所述的交流伺服装置，其特征在于所述的磁钢采用表面为圆弧面、底面为平面的扇形体，其圆弧面的正投影为平行四边形。
专利摘要一种低压交流伺服装置,由12V～36V直流电源向高频振荡电路和逆变电路提供直流电压,经高频振荡电路变换成高频振荡电压,再依次经串联的整流电路、滤波电路、稳压电路形成一稳定的电压输出给伺服控制电路,来自永磁交流伺服电动机的反馈信号也输入给伺服控制电路,伺服控制电路的输出接驱动电路,驱动电路驱动逆变电路,逆变电路的输出接永磁交流伺服电动机,对其进行控制。该装置工作于没有电网供电或因安全原因不能引入高压的场合中。
文档编号H02K11/00GK2393257SQ99214308
公开日2000年8月23日 申请日期1999年6月22日 优先权日1999年6月22日
发明者刘云辉, 陈雪松, 王文生, 李弟安, 程功良 申请人:冶金工业部自动化研究院