CN2768309Y - 一种直接传动式开关磁阻伺服电动机装置 - Google Patents
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Abstract
一种直接传动式开关磁阻伺服电动机装置，采用三相12/8结构开关磁阻电动机、三相不对称桥式功率变换器及以TMS320系列数字信号处理器DSP为核心的全数字控制器组成，开关磁阻电动机定子绕组为四极线圈串联连接方式，定子线圈绕制成线圈同时通电时定子极形成NSNSNSNSNSNS极性的方式，开关磁阻伺服电动机可直接传动负载，不需要减速器传递动力，即可使开关磁阻伺服电动机转子直接传动负载旋转任意圆周角度，其转动惯量小、转矩惯量比大、动态响应快，转子定位迅速、准确，系统结构简单、成本低，维护方便，可做到磁路上各相相互独立和电路上各相相互独立，使用寿命长，可靠性高和容错能力强，具有广泛的实用性。
Description
一、技术领域
本实用新型涉及开关磁阻伺服电动机传动系统，尤其是一种直接传动式开关磁阻伺服电动机装置。
二、背景技术
当前，伺服电动机系统正朝着高可靠性、高精度、响应快、智能化、数字化的方向发展。研发新型的高可靠性、数字化、智能化、高精度伺服电动机系统，已成为电气伺服传动领域前沿性创新研究工作的最新发展趋势和重要方向。
目前国内外广泛应用的伺服电动机系统中，按电动机类型主要分为直流伺服电动机系统和交流伺服电动机系统两大类。由于电刷和换向器等机械滑动机构的存在，使得直流伺服电动机结构复杂，造价偏高，维护困难，寿命短。传统的直流力矩电机(低速直流伺服电机)结构较复杂、转子惯量大、维护要求高，且单位容量体积大，难以满足负载空间位置的限制。交流伺服电动机结构比直流伺服电动机坚固，与同体积的直流伺服电机相比，交流伺服电机启动转矩小，若计及负载的惯量，交流伺服电机系统的动态响应比直流伺服电机系统的慢。交流伺服电动机系统主要有笼型异步伺服电动机系统和永磁同步伺服电动机系统两类。笼型异步伺服电动机系统控制方案上采用矢量变换控制，但实现矢量变换计算复杂，且其低速力矩小、低速特性不佳。永磁同步伺服电动机其转子上装有产生恒定磁场的永磁材料，惯量较大，系统的动态响应特性欠佳。如果转子磁通发生变化，则可能导致其气隙的有效磁场增加或减少，永磁同步伺服电动机的运行状态将发生变化，会影响其伺服传动的精确性和稳定性。国内外学者正尝试用无换向器电动机系统和步进电动机系统实现伺服传动。永磁式无换向器电动机与电励磁式无换向器电动机结构上和制造工艺上均比步进电动机复杂。而步进电动机系统一般采用转子位置开环控制，转子定位精度不高。
三、发明内容
鉴于已有技术存在的问题，本实用新型的目的是提供一种结构简单、造价低、维护方便、使用寿命长、可靠性高、转子定位精度高的直接传动式开关磁阻伺服电动机装置。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：直接传动式开关磁阻伺服电动机装置是由三相12/8结构开关磁阻电动机d、三相不对称桥式功率变换器及TMS320系列数字信号处理器DSP为核心的全数字控制器组成的机电一体化电动机传动系统。三相12/8结构开关磁阻电动机定子e的每个极上绕有集中式线圈，其线圈中心线互成90°的四个线圈相串联构成一相绕组，三相12/8结构开关磁阻电动机定子e的线圈绕制成线圈同时通电时定子极形成NSNSNSNSNSNS极性的方式。功率变换器主电路拓扑为三相不对称桥式，功率变换器设有六只主开关和六只续流二极管。三相不对称桥式功率变换器的每一相分别与三相12/8结构开关磁阻电动机的每一相绕组相连。控制器采用以TMS320系列数字信号处理器DSP为核心的全数字控制器。TMS320系列数字信号处理器DSP控制三相不对称桥式功率变换器各相主开关的通断，使供电电源经三相不对称桥式功率变换器向开关磁阻电动机各相定子绕组循序通电。电机上设有转子位置检测器，转子位置检测器的输出端与TMS320系列数字信号处理器DSP芯片的捕获引脚相连，功率变换器设有电流检测器，电流检测器的输出端与TMS320系列数字信号处理器DSP芯片的A/D转换引脚相连，TMS320系列数字信号处理器DSP为核心的全数字控制器设有驱动电路和保护电路，驱动电路的输入端与TMS320系列DSP芯片上的I/O口相连，驱动电路的输出端分别与三相不对称桥式功率变换器的主开关的触发端相连，电流检测器的输出端还与保护电路的输入端相连，保护电路的输出端与驱动电路的输入端相连。TMS320系列数字信号处理器DSP为核心的全数字控制器还包括TMS320系列DSP芯片、时钟电路、硬件看门狗电路、键盘显示电路。功率变换器的主开关可选用功率MOSFET。根据需要TMS320系列数字信号处理器DSP为核心的全数字控制器上可设有外扩存储器。根据需要转子位置检测器的输出端与TMS320系列数字信号处理器DSP芯片的捕获引脚之间设有隔离电路；根据需要驱动电路的输入端与TMS320系列DSP芯片上的I/O口之间设有隔离电路；根据需要电流检测器的输出端与TMS320系列数字信号处理器DSP芯片的A/D转换引脚之间设有隔离电路。
本实用新型的有益效果是：直接传动式开关磁阻伺服电动机系统装置由三相12/8结构开关磁阻电动机、三相不对称桥式功率变换器及以TMS320系列数字信号处理器DSP为核心的全数字控制器组成的机电一体化电动机传动系统。开关磁阻伺服电动机直接传动负载，不需要减速器传递动力，即可使开关磁阻伺服电动机转子直接传动负载旋转任意圆周角度。由于开关磁阻电动机采用简单而坚固的无刷、无绕组、无永久磁体的转子结构，由单极性功率变换器供单方向电流激励，可做到磁路上各相相互独立和电路上各相相互独立，该系统具有较高的运行可靠性和容错能力。它的自然机械特性类同串励直流电动机，其低速力矩大。开关磁阻电动机可控参数多，在控制上容易实现电动与制动运行的转换，且每一步都可改变工作参数和工作状态，可频繁启动、制动；特别是与其他类型电动机相比，开关磁阻电动机转子惯量小、具有转矩惯量比大的优点，所以，其动态响应快。因此，将开关磁阻电动机系统研发为直接传动式伺服电动机系统具有广阔的产业化前景。其转子定位迅速、准确，系统成本低，使用寿命长，可靠性高和容错能力强，具有广泛的实用性。
四、附图说明
图1是本实用新型电路原理框图。
图2是本实用新型三相12/8结构开关磁阻电动机截面结构示意图。
五、具体实施方式
下面将结合附图中的实施例对本实用新型作进一步的描述：
本实用新型是一种直接传动式开关磁阻伺服电动机装置，它主要由三相12/8结构开关磁阻电动机、三相不对称桥式功率变换器、TMS320系列数字信号处理器DSP为核心的全数字控制器组成。三相12/8结构开关磁阻电动机的转子f为无刷、无绕组、无永久磁体结构，三相12/8结构开关磁阻电动机的定子e绕组由单极性功率变换器供单方向电流激励，电动机d不带减速器直接传动负载。在三相12/8结构开关磁阻电动机定子的每个极上绕有集中式线圈“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”、“7”、“8”、“9”、“10”、“11”和“12”，其线圈中心线互成90°的四个线圈相串联构成一相绕组，即线圈“1”、“4”、“7”和“10”相串联构成A相绕组，线圈“2”、“5”、“8”和“11”相串联构成B相绕组；线圈“3”、“6”、“9”和“12”相串联构成C相绕组；三相12/8结构开关磁阻电动机定子e的线圈绕制成线圈同时通电时定子极形成NSNSNSNSNSNS极性的方式。功率变换器主电路拓扑为三相不对称桥式，功率变换器设有六只主开关S1、S2、S3、S4、S5、S6和六只续流二极管VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6。三相不对称桥式功率变换器的每一相分别与三相12/8结构开关磁阻电动机的每一相绕组相连。控制器采用以TMS320系列数字信号处理器DSP为核心的全数字控制器，用TMS320系列数字信号处理器DSP为核心的全数字控制器控制三相不对称桥式功率变换器各相主开关的通断，使供电电源经三相不对称桥式功率变换器向开关磁阻电动机各相定子绕组循序通电。电机上设有转子位置检测器，转子位置检测器的输出端与TMS320系列数字信号处理器DSP芯片的三个捕获引脚相连，功率变换器每相设有一个电流检测器，每个电流检测器的输出端分别与TMS320系列数字信号处理器DSP芯片的一个A/D转换引脚相连，功率变换器设有三个电流检测器T1、T2、T3，三个电流检测器的输出端分别与TMS320系列数字信号处理器DSP芯片的三个A/D转换引脚相连。TMS320系列数字信号处理器DSP为核心的全数字控制器设有驱动电路和保护电路，驱动电路的输入端分别与TMS320系列DSP芯片上的6个I/O口相连，驱动电路的输出端分别与三相不对称桥式功率变换器的主开关的触发端相连，即b1与g1相连、b2与g2相连、b3与g3相连、b4与g4相连、b5与g5相连、b6与g6相连，三个电流检测器的输出端还与保护电路的输入端相连，保护电路的输出端与驱动电路的输入端相连。TMS320系列数字信号处理器DSP为核心的全数字控制器还包括TMS320系列DSP芯片、时钟电路、硬件看门狗电路、键盘显示电路。功率变换器的主开关可选用功率MOSFET。根据需要TMS320系列数字信号处理器DSP为核心的全数字控制器上可设有外扩存储器。根据需要转子位置检测器的输出端与TMS320系列数字信号处理器DSP芯片的三个捕获引脚之间分别设有隔离电路；根据需要驱动电路的输入端与TMS320系列DSP芯片上的6个I/O口之间分别设有隔离电路；根据需要三个电流检测器的输出端与TMS320系列数字信号处理器DSP芯片的三个A/D转换引脚之间分别设有隔离电路。
工作原理：由设置在开关磁阻电动机的转子位置检测器检测转子位置向TMS320系列数字信号处理器DSP芯片发送信号，TMS320系列数字信号处理器DSP芯片根据三个捕获引脚收到的信号，判断出当前转子位置，由三个I/O口发出开关角控制信号，经驱动电路隔离放大后控制三相不对称桥式功率变换器各相主开关的通断，使供电电源经三相不对称桥式功率变换器向开关磁阻电动机各相定子绕组循序通电。用电流检测器检测开关磁阻电动机各相定子绕组中的电流并向TMS320系列数字信号处理器DSP芯片的A/D口发送信号，TMS320系列数字信号处理器DSP芯片根据三个A/D口收到的信号，判断出当前开关磁阻电动机各相定子绕组中的电流大小，由另外三个I/O口发出电流斩波信号，控制各相主开关的通断从而控制开关磁阻电动机各相定子绕组中的电流大小。电流检测器发送的信号同时也送入保护电路，根据需要由保护电路对驱动电路发送封门信号，以保护功率变换器的主开关。键盘和显示器与TMS320系列数字信号处理器DSP芯片的I/O口相连，用于系统的转子位置给定、显示电机实际转速、当前转子位置。系统还装有时钟电路、硬件看门狗电路。根据需要TMS320系列数字信号处理器DSP为核心的全数字控制器上可设有外扩存储器。根据需要转子位置检测器的输出端与TMS320系列数字信号处理器DSP芯片的三个捕获引脚之间分别设有隔离电路；根据需要驱动电路的输入端与TMS320系列DSP芯片上的6个I/O口之间分别设有隔离电路；根据需要三个电流检测器的输出端与TMS320系列数字信号处理器DSP芯片的三个A/D转换引脚之间分别设有隔离电路。
Claims (6)
1.一种直接传动式开关磁阻伺服电动机装置，其特征在于：它由三相12/8结构开关磁阻电动机d、三相不对称桥式功率变换器及TMS320系列数字信号处理器DSP为核心的全数字控制器组成的机电一体化电动机传动系统，三相不对称桥式功率变换器的每一相分别与三相12/8结构开关磁阻电动机的每一相绕组相连，TMS320系列数字信号处理器DSP控制三相不对称桥式功率变换器各相主开关的通断，使供电电源经三相不对称桥式功率变换器向开关磁阻电动机各相定子绕组循序通电，电机上设有转子位置检测器，转子位置检测器的输出端与TMS320系列数字信号处理器DSP芯片的捕获引脚相连，TMS320系列数字信号处理器DSP为核心的全数字控制器的驱动电路的输入端与TMS320系列DSP芯片上的I/O口相连，驱动电路的输出端分别与三相不对称桥式功率变换器的主开关的触发端相连，其保护电路的输入端与电流检测器的输出端相连，保护电路的输出端与驱动电路的输入端相连，TMS320系列数字信号处理器DSP为核心的全数字控制器还包括TMS320系列DSP芯片、时钟电路、硬件看门狗电路、键盘显示电路。
2.根据权利要求1所述的直接传动式开关磁阻伺服电动机装置，其特征在于：三相12/8结构开关磁阻电动机定子e的每个极上绕有集中式线圈，其线圈中心线互成90°的四个线圈相串联构成一相绕组，三相12/8结构开关磁阻电动机定子e的线圈绕制成线圈同时通电时定子极形成NSNSNSNSNSNS极性的方式。
3.根据权利要求1所述的直接传动式开关磁阻伺服电动机装置，其特征在于：功率变换器设有电流检测器，电流检测器的输出端与TMS320系列数字信号处理器DSP芯片的A/D转换引脚相连。
4.根据权利要求1或3所述的直接传动式开关磁阻伺服电动机装置，其特征在于：功率变换器的主开关可选用功率MOSFET。
5.根据权利要求1所述的直接传动式开关磁阻伺服电动机装置，其特征在于：TMS320系列数字信号处理器DSP为核心的全数字控制器上设有外扩存储器。
6.根据权利要求1或3所述的直接传动式开关磁阻伺服电动机装置，其特征在于：TMS320系列数字信号处理器DSP为核心的全数字控制器上设有隔离电路。
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