CN114115081B - 一种高功率密度伺服驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高功率密度伺服驱动器，属于伺服驱动技术领域，解决了现有的伺服驱动器体积较大、散热较差、功率密度低的问题。一种高功率密度伺服驱动器，包括依次连接的控制板、功率板和散热片，所述功率板的正面布置功率器件，背面布置驱动器件和第一散热条，所述第一散热条与所述散热片连接。本发明的高功率密度伺服驱动器采用独特的两层塔式布局结构和散热形式，采用两层布局结构实现三层布局的功能，既能够解决三层塔式布局结构的体积大，又能够解决两层塔式布局结构中的干扰和散热问题。此外，上述高功率密度伺服驱动器采用的两层塔式布局结构还能够提升伺服驱动器的功率密度，减小了体积和重量。

Description

一种高功率密度伺服驱动器
技术领域
本发明属于伺服驱动技术领域，尤其涉及一种高功率密度伺服驱动器。
背景技术
伺服驱动器是航空航天等领域最重要的执行机构，由于体积、重量等指标是航空航天飞行器的核心竞争力之一，因此对满足体积小、重量轻要求的高功率密度伺服驱动器的需求极为旺盛与迫切。
伺服驱动器通常包括负责数字型号处理和调制解调的控制板以及负责功率器件驱动和逆变的功率板。其中，控制板的布局形式采用双面布局，功率板采用铝基板进行单面布局布线。
具体来说，布局形式分为以下三种，第一种形式采用三层塔式结构，即伺服驱动器包括控制板、驱动板和功率板，这种布局形式是为了解决功率板的电磁干扰对采样信号、驱动信号等弱信号的干扰，但是，此种布局的伺服驱动器体积特别大；第二种形式采用两层塔式结构，包括控制板和功率驱动板，由于驱动部分和功率部分集成到一块功率驱动板上，会导致驱动器的体积特别大、布局布线困难、三相功率线缆出线困难，很容易产生寄生干扰，散热较差，而且，功率驱动板上的电磁干扰很容易传递到控制板上；第三种布局还处于实验室开发阶段，将控制部分、驱动部分和功率部分集成到一个电路板上，该种布局形式体积大、干扰严重，无法应用到工程领域。同时，上述三种布局形式还存在功率密度低的问题。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提一种高功率密度伺服驱动器，解决了现有技术中伺服驱动器体积较大、散热较差、功率密度低的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种高功率密度伺服驱动器，包括依次连接的控制板、功率板和散热片，所述功率板的正面布置功率器件，背面布置驱动器件和第一散热条，所述第一散热条与所述散热片连接。
进一步地，所述控制板上设有控制芯片和控制接口，所述控制接口位于所述控制板的左端。
进一步地，所述功率板设在所述控制板的下方，所述功率板和所述控制板通过排针连接。
进一步地，所述功率板的左侧设有连接排针，所述控制板的背面对应位置设有排母，所述连接排针和所述排母连接。
进一步地，所述功率板的右侧设有供电电源排针、PE排针和三相动力线排针；所述控制板的相应位置设有电源连接口、PE连接口和三相动力线连接口，分别与所述功率板的供电电源排针、PE排针和三相动力线排针连接。
进一步地，所述第一散热条设有两个，两个所述第一散热条分别位于所述驱动器件的两边。
进一步地，所述散热片包括基板和第二散热条，所述第二散热条设在所述基板上，所述散热片通过所述第二散热条与所述功率板(3)的第一散热条焊接连接。
进一步地，所述散热片还包括保护条，两个所述保护条分别对称设在所述散热片长度方向的两边且平行于所述第二散热条。
进一步地，还包括外壳，所述外壳为下表面开口的空心长方体，所述外壳的上板位于所述控制板的上方，外壳的四个侧板与所述散热片连接。
进一步地，所述保护条的外侧沿长度方向设有凸起和凹槽，所述凸起和凹槽形成卡扣部，所述外壳对应的两个侧板的内表面设有台阶部，所述台阶部能够与所述卡扣部扣合。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
a)本发明的高功率密度伺服驱动器采用独特的两层塔式布局结构和散热形式，采用两层布局结构实现三层布局的功能，既能够解决三层塔式布局结构的体积大，又能够解决两层塔式布局结构中的干扰和散热问题。此外，上述高功率密度伺服驱动器采用的两层塔式布局结构还能够提升伺服驱动器的功率密度，减小了体积和重量。
b)本发明的功率板的背面设有第一散热条，第一散热条通过锡焊连接散热片，一方面能够固定功率板，另一方面实现功率板和散热片的有效固定，实现良好的散热效果。
c)本发明的散热片通过第二散热条与功率板的第一散热条连接，实现散热片与功率板的连接，使得功率板与散热片之间有足够的空间来放置电子元器件，提升伺服驱动器的功率密度。
d)本发明的散热片设有保护条，一方面能够保护内侧的连接器插针和电子元器件，避免外部异物或多余物进入印制电路板内部；另一方保护条与外壳的台阶部通过过盈配合连接，起到固定外壳的作用，保护整个驱动器内部的电子元器件。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例的高功率密度伺服驱动器的总体布局示意图；
图2为本发明实施例的控制板和功率板的爆炸图；
图3为本发明实施例的功率板的正面具体布局示意图；
图4为本发明实施例的功率板的背面具体布局示意图；
图5为本发明实施例的功率板与散热片的连接示意图；
图6为本发明实施例的散热片的主视图；
图7为图5中A部分的局部放大图；
图8为本发明实施例的壳体与散热片的连接示意图。
附图标记：
1-外壳；11-台阶部；2-控制板；3-功率板；31-第一散热条；4-散热片；41-基板；42-第二散热条；43-保护条；431-凸起；432-凹槽；44-安装孔；5-电源连接口；6-PE连接口；7-三相动力线连接口；8-控制接口；9-连接排针。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”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。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在……上方”、“下”和“在……上”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。
为了便于描述，设定图1中的左侧为“左”，相对方向为“右”，上方为“上”，相对方向为“下”。
本发明的一个实施例，如图1至图8所示，公开了一种高功率密度伺服驱动器，包括依次连接的控制板2、功率板3和散热片4，功率板3的正面布置功率器件，背面布置驱动器件和第一散热条31，第一散热条31与散热片4连接。
与现有技术相比，本实施例提供的高功率密度伺服驱动器为独特的两层塔式布局结构，采用两层布局结构实现三层布局的功能，既能够解决三层塔式布局结构的体积大，又能够解决两层塔式布局结构中的干扰和散热问题。此外，上述高功率密度伺服驱动器采用的两层塔式布局结构还能够提升伺服驱动器的功率密度，减小了体积和重量。
具体地，控制板2上设有控制芯片和控制接口8，控制接口8设在控制板2的左端。
进一步地，控制接口8包括通信接口、离散IO接口和模拟接口，控制芯片实现控制律解算、位置控制、速度控制、数据存储、故障信息处理和实时状态申报等功能。
进一步地，功率板3置于控制板2下方，功率板3和控制板2通过排针连接。
具体地，功率板3的左侧设有一排连接排针9，控制板2的背面对应的位置固定有排母，连接排针9与排母连接，以连接功率板3和控制板2，同时实现功率板3和控制板2之间的信号的传递和采集。
进一步地，功率板3的右侧设有供电电源排针、保护地(PE)排针和三相动力线排针；控制板2的相应位置设有电源连接口5、PE连接口6和三相动力线连接口7，分别与功率板的供电电源排针、保护地(PE)排针和三相动力线排针连接。
本实施例中，PE排针位于供电电源排针和三相动力线排针之间，能够隔离供电电源和三相动力线，避免供电电源和三相动力线之间的相互干扰。
本实施例中，排针之间的间距为2.0mm。
本实施例中，功率板3以电力电子器件、驱动芯片为核心，实现功率放大等功能，通过三相正弦PWM(脉宽调制)信号来控制永磁同步电机，最终将电能转换为机械能。
本实施例中，如图3所示，功率板3的正面布置6个功率器件及电压转换电路、逻辑保护电路、温度传感器和自恢复保险丝等器件。
优选地，设定功率板的长为L1、宽度为L2。
功率器件a和功率器件f组成功率电路A，即A相功率电路；功率器件b和功率器件e组成功率电路B，即B相功率电路；功率器件c和功率器件d组成功率电路C，即C相功率电路；且功率器件a和功率器件f之间、功率器件b和功率器件e之间、功率器件c和功率器件d之间的间距为l1；A相功率电路、B相功率电路和C相功率电路之间的间距为l2，B相功率电路放置在印制板的正中央。
本实施例中，功率器件采用该对称式布局形式，使得A相、B相、C相功率电路到电机的印制板线迹拥有相同的高度、宽度和长度，使得三相动力线之间的寄生电感保持一致，避免因印制板线迹的寄生电感不同带来的控制不稳定问题，同时也使得整体布局显得整洁和美观，减小了印制板重复布线的工作。
进一步地，温度传感器靠近功率器件布置，用于检测功率器件的温度。温度传感器布置的位置是功率板温度最高的位置，一旦检测到功率器件的温度超过设定的阈值就立即采取相应的保护措施，避免温度传感器未采集到电路板或者功率器件的局部最高温度，而导致器件损坏。
进一步地，自恢复保险丝位于母线电源入口和三相驱动的上桥臂之间，防止瞬间大功率负载或者尖峰电压/电流等对其它器件造成损伤。
进一步地，电压转换电路靠近电源入口布置，使得电压转换电路距离电源入口的正极和负极非常近，使得电流具有最小回流路径和最小回流面积，减小该部分电路的干扰。
进一步地，如图4所示，功率板3的背面布置3个驱动电路及电流电压检测单元和第一散热条31。
本实施例中，驱动电路包括驱动芯片和自举电路。功率器件a和功率器件f共用一个驱动芯片和自举电路，即驱动电路A；功率器件b和功率器件e共用一个驱动芯片和自举电路，即驱动电路B；功率器件c和功率器件d共用一个驱动芯片和自举电路，即驱动电路C。其中，驱动电路A、驱动电路B和驱动电路C之间的间距为l2，驱动电路B放置在印制板的正中央，驱动电路A位于驱动电路B的上方，驱动电路C位于驱动电路B的下方，使得驱动电路位于功率电路的背面，且驱动电路处于上桥臂和下桥臂功率器件之间，使得驱动电路到功率电路之间的路径最短。
本实施例中，第一散热条31设有两条，两条第一散热条31分别位于功率器件a、功率器件b和功率器件c所对应的正下方及功率器件d、功率器件e和功率器件f所对应的正下方，使得功率器件的热量直接通过第一散热条31传递到散热片上，避免热量扩散到印制板的其它器件上，增加总体发热量。
优选地，每条第一散热条31的尺寸为L1×(6-8)mm，第一散热条31的长度与功率板3的长度相同，贯穿整个功率板3的长度方向，宽度根据功率板3的背面的器件布置，在考虑功率板3背面的器件的布置的同时，保证散热效果。
本实施例中，电流检测器件设有3个，且与驱动电路一一对应，由于电机控制或伺服控制只需要两相电流即可，因此3个电流检测器件还起到了电流检测冗余备份的作用。
进一步地，电流检测电路与电流检测器件相对应，即一路电流检测器件配备一路电流检测电路，共用一个模数转换和运算放大器。电流检测电路布置在驱动电路C的下端，使得电路检测电路远离功率器件，且具有独立的模拟电路参考平面，极大地减少了功率器件对电路检测电路采集精度和准确性的干扰。
进一步地，电压检测电路与电流检测电路位于同一个区域。
进一步地，第一散热条31为在功率板3背面镀的一层L1×(6-8)mm的铜条。第一散热条31采用锡焊与散热片4连接，由于焊锡的导热系数比导热硅脂、导热片等材料高很多，能够达到快速将热量导出的效果，另一方面，焊锡能够固定散热片4。
进一步地，散热片4包括基板41和一个或多个第二散热条42，第二散热条12设在基板41上，散热片4通过第二散热条42与功率板3的第一散热条31连接。
本实施例中，功率板3的背面设有第一散热条31，第一散热条31通过锡焊连接散热片4，一方面能够固定功率板3，另一方面实现功率板3和散热片4的有效固定，实现良好的散热效果。
本实施例中，基板41为长方形板，第二散热条42为长条板，第二散热条42的长边平行于基板41的短边，多个第二散热条42相互平行且沿基板41的长度方向布置，使得功率板3和散热片4之间有足够的空间来布置电子元器件，提升功率板3的功率密度。
本实施例中，第二散热条42的数量与第一散热条31的数量相同，设有2条。
进一步地，为了避免应力集中，同时增加第二散热条42与基板41连接的强度，第二散热条42的长度方向与基板41采用圆弧过渡连接。
进一步地，本实施例的散热片4还设有保护条43，两个保护条43分别对称设在散热片4长度方向的两边且平行于第二散热条42，使得保护条43能够保护位于两条保护条43之间的连接器插针和电子元器件，避免外部异物或多余物进入功率板3的内部。
进一步地，本实施例的散热片4在四角还设有安装孔44，以便在安装散热片4时便于固定散热片4的位置。
进一步地，本实施例的高功率密度伺服驱动器还设有外壳1。外壳1为下表面开口的空心长方体，外壳1的上板位于控制板1的上方，外壳1的四个侧板与散热片4连接，使得散热片4能够封住外壳的下表面，将控制板2和功率板3收拢在外壳1和散热片4之间，从而形成完整的保护结构。
进一步地，外壳1的上表面设有多个孔，孔的位置及数量与功率板上电源接口5、PE接口6、三相动力线连接口及控制接口8对应，使得电源接口5、PE接口6、三相动力线连接口及控制接口8能够与外接的连接线连接。
进一步地，外壳1的四角为内凹的结构，从而避开散热片4的安装孔44，便于本实施例的伺服驱动器的安装。
进一步地，如图7和图8所示，保护条43的外侧沿长度方向设有凸起431和凹槽432，凸起431和凹槽432形成卡扣部。外壳1对应的两个侧板的内表面设有台阶部11，台阶部11能够与卡扣部扣合，从而连接外壳1与散热片4，在外壳1和散热片4之间形成封闭的保护结构，保护整个伺服驱动器内部的电子元器件。
进一步地，保护条43的内侧沿长度方向与基板41采用圆弧过渡连接，以避免应力集中，增加保护条43与基板41的连接强度。
本实施例中，散热片4以铝合金为基材，表面镀镍，在不影响散热片4的散热性能的条件下，能够防止散热片4的氧化。
本实施例中，功率器件设置在功率板3的正面，驱动器件布置在功率板3的背面，且功率板3的背面留出两条用于与散热片4连接的第一散热条31，用于与第二散热条42焊接。本实施例的散热片结构使得功率板3能够采用普通电路板材料，而不一定需要使用铝基板，实现了功率板3上的电子元器件的双面布局布线，减小了功率板3的体积和重量，继而减小了伺服驱动器的体积和重量，同时提高了伺服驱动器的功率密度。
本发明采用独特的两层塔式布局结构和散热形式，解决了伺服驱动器体积较大、散热较差且功率密度低的问题，实现了伺服驱动器的小型化设计，提高了伺服驱动器的功率密度、减小了体积和重量。基于该方案的研制产品不但可以用于无人直升机伺服舵机，还可以拓展到惯性导航、导引头、光电吊舱、特种机器人等多个领域，也可以基于高技术研制其它功率等级和电压等级的伺服驱动器。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高功率密度伺服驱动器，其特征在于，由依次连接的控制板（2）、功率板（3）和散热片（4）组成，所述功率板（3）的正面布置功率器件，背面布置驱动电路和第一散热条（31），所述第一散热条（31）与所述散热片（4）连接；所述第一散热条（31）设有两个，两个所述第一散热条（31）分别位于所述驱动电路的两边；
所述功率板（3）的正面包括6个功率器件，分别为功率器件a、功率器件b、功率器件c、功率器件d、功率器件e和功率器件f；所述功率器件a和所述功率器件f组成功率电路A，即A相功率电路；所述功率器件b和所述功率器件e组成功率电路B，即B相功率电路；所述功率器件c和所述功率器件d组成功率电路C，即C相功率电路；且所述功率器件a和所述功率器件f之间、所述功率器件b和所述功率器件e之间、所述功率器件c和所述功率器件d之间的间距为相同；所述A相功率电路、所述B相功率电路和所述C相功率电路之间的间距为相同，所述B相功率电路放置在印制板的正中央；
所述功率板（3）的背面包括3个所述驱动电路，分别为驱动电路A、驱动电路B和驱动电路C；所述功率器件a和所述功率器件f共用所述驱动电路A；所述功率器件b和所述功率器件e共用所述驱动电路B；所述功率器件c和所述功率器件d共用所述驱动电路C；其中，所述驱动电路A、所述驱动电路B和所述驱动电路C之间的间距为l2，所述驱动电路A位于所述驱动电路B的上方，所述驱动电路C位于所述驱动电路B的下方，所述驱动电路B放置在所述印制板的正中央。
2.根据权利要求1所述的高功率密度伺服驱动器，其特征在于，所述控制板（2）上设有控制芯片和控制接口（8），所述控制接口（8）位于所述控制板（2）的左端。
3.根据权利要求1所述的高功率密度伺服驱动器，其特征在于，所述功率板（3）设在所述控制板（2）的下方，所述功率板（3）和所述控制板（2）通过排针连接。
4.根据权利要求3所述的高功率密度伺服驱动器，其特征在于，所述功率板（3）的左侧设有连接排针（9），所述控制板（2）的背面对应位置设有排母，所述连接排针（9）和所述排母连接。
5.根据权利要求3所述的高功率密度伺服驱动器，其特征在于，所述功率板（3）的右侧设有供电电源排针、PE排针和三相动力线排针；所述控制板（2）的相应位置设有电源连接口（5）、PE连接口（6）和三相动力线连接口（7），分别与所述功率板（3）的供电电源排针、PE排针和三相动力线排针连接。
6.根据权利要求1所述的高功率密度伺服驱动器，其特征在于，所述散热片（4）包括基板（41）和第二散热条（42），所述第二散热条（42）设在所述基板（41）上，所述散热片（4）通过所述第二散热条（42）与所述功率板（3）的第一散热条（31）焊接连接。
7.根据权利要求6所述的高功率密度伺服驱动器，其特征在于，所述散热片（4）还包括保护条（43），两个所述保护条（43）分别对称设在所述散热片（4）长度方向的两边且平行于所述第二散热条（42）。
8.根据权利要求7所述的高功率密度伺服驱动器，其特征在于，还包括外壳（1），所述外壳（1）为下表面开口的空心长方体，所述外壳（1）的上板位于所述控制板（2）的上方，外壳（1）的四个侧板与所述散热片（4）连接。
9.根据权利要求8所述的高功率密度伺服驱动器，其特征在于，所述保护条（43）的外侧沿长度方向设有凸起（431）和凹槽（432），所述凸起（431）和凹槽（432）形成卡扣部，所述外壳（1）对应的两个侧板的内表面设有台阶部（11），所述台阶部（11）能够与所述卡扣部扣合。
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