CN206820679U - 一种新型数控机床用高精度永磁伺服电机驱动装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种新型数控机床用高精度永磁伺服电机驱动装置，包括上位机、控制系统、驱动器、电压电流检测系统、转速/位置检测系统、高精度模数转换器和电源系统。工作时能够完成电流闭环信号传递与控制和转速位置环闭环控制，使伺服电机运行的精准度高，从而使伺服电机的控制精度高，鲁棒性及可靠性高。本新型驱动系统具有高精度、高可靠性、节能等优点，解决了目前数控机床控制精度差，能耗高，信号处理能力落后的问题，能满足伺服电机高速、高精度、大功率、大扭矩、高刚度、高可靠性以及多轴联动等方面的需求，实现机床产业向中高档转型升级，提高市场的竞争力，对目前中国市场数控机床用电机驱动系统的研发和推广具有十分重要的意义。

Description

一种新型数控机床用高精度永磁伺服电机驱动装置

技术领域

本实用新型属于数控机床技术领域，尤其涉及一种数控机床用高精度永磁伺服电机的驱动系统。

背景技术

数控机床和基础制造装备是装备制造业的“工作母机”，一个国家的机床行业技术水平和产品质量，是衡量其装备制造业发展水平的重要标志，《中国制造2025》将数控机床和基础制造装备行业列为中国制造业的战略必争领域之一。数控不仅对全球汽车、航空航天、高端装备制造业等高战略度行业，而且对于纺织服装、建筑材料、工艺制品等传统行业，都起到重要的影响作用。

伺服控制系统作为是数控机床系统的核心系统，关系着数控机床的技术指标。然而，国内数控机床的控制精度，鲁棒性，可靠性等关键技术指标与国外存在着巨大差距，这严重制约着我国机床行业的快速发展；因此，本实用新型研制的数控机床用高精度永磁伺服电机驱动装置非常有必要。本实用新型旨在突破一些伺服电机驱动关键技术，提高伺服电机的控制精度，鲁棒性，可靠性等指标，集成创新出一批具有自主知识产权的伺服电机驱动系统，并在各类数控机床上推广应用，实现数控机床整体性能、功能的升级换代，进而推进装备制造业转型升级。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种提高伺服电机的控制精度，鲁棒性及可靠性的数控机床用高精度伺服电机驱动装置。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种新型数控机床用高精度永磁伺服电机驱动装置，包括上位机、控制系统、驱动器、电压电流检测系统、转速/位置检测系统、高精度模数转换器和电源系统；

所述控制系统具有信号接收处理模块、PWM信号生成模块和控制模块，所述驱动器具有电源转换模块、智能功率模块、高效散热器和安全保护电路，所述电压电流检测系统包括高精度电压/电流传感器和电压电流滤波转换电路，所述转速/位置检测系统包括旋转变压器和转速位置采样滤波转换电路，所述电源系统包括直流电源和交流电源，

所述高精度电压/电流传感器连接到数控机床用伺服电机的电源输入端，用于采集数控机床用伺服电机的电压、电流值，所述高精度电压/电流传感器的输出端连接到所述电压电流滤波转换电路的输入端，所述旋转变压器连接到数控机床用伺服电机的输出端上，用于采集数控机床用伺服电机及负载电机的角速度和角位置，所述旋转变压器的输出端连接至所述转速位置采样滤波转换电路的输入端，所述高精度模数转换器的输入端分别连接到所述电压电流滤波电路的输出端和所述转速位置采样滤波转换电路的输出端，所述高精度模数转换器的输出端连接到所述信号接收处理模块；

所述控制模块通过CAN总线与所述上位机进行双向通讯，用于接收和发送指令，对控制系统进行全局控制，并进行资源的分配与调度；

所述PWM信号生成模块通过外接接口连接到智能功率模块，用于控制智能功率模块，所述智能功率模块连接到数控机床伺服电机的信号端；

所述交流电源连接至所述电源转换模块，所述电源转换模块连接至智能功率模块的电源端，用于交流电源输出的380V交流电转换成稳定的直流500V高压给智能功率模块提供直流母线电压；所述直流电源连接至所述电源转换模块，所述电源转换模块分别连接至高效散热器和安全保护电路的电源端，用于将直流电源输出的24V直流电提供给高效散热器和安全保护电路供电；所述直流电源还连接至所述控制系统的电源端，为控制系统提供5V基础供电。

所述上位机包括参数配置系统、状态监测系统和运行控制系统，所述参数配置系统实时对控制系统参数进行合理范围内配置，保障控制系统参数及运行模式满足数控机床配置要求；

所述状态监测系统实时动态显示数控机床伺服电机的各种状态值，直观地显示运行状态；

所述运行控制系统对整个控制系统进行实时控制，包括启动，暂停，加速及减速的控制。

所述高效散热器由高导热散热片和双风扇散热器组成。

上述电压电流滤波电路为带通滤波器，上述旋转变压器为磁阻式旋转变压器，上述高精度模数转换器为逼近型模数转换器。

上述控制系统还包括有通讯模块，该通讯模块用于与其它数控机床伺服电机的驱动系统进行通讯连接。

采用上述方案后，本实用新型的一种新型数控机床用高精度永磁伺服电机驱动装置，工作时，高精度电压/电流传感器和旋转变压器分别感应到伺服电机的电压、电流及伺服电机带动负载电机的角速度和角位置，检测到的信号分别经滤波电路滤波后由高精度模数转换器转换成数字信号给控制系统，控制系统接收此数字信号后进行处理并发出控制信号给驱动器，由驱动器控制数控机床用伺服电机；通过对伺服电机电压、电流、转速及角位置的实时监测数据来驱动伺服电机，实现电流闭环信号传递与控制和转速位置环闭环控制，使伺服电机的控制精度高，鲁棒性及可靠性高。与现有技术相比，本新型的驱动系统，具有高精度、高可靠性、节能等优点，解决了目前数控机床控制精度差，能耗高，信号处理能力落后的问题，能应用于中、高档数控机床，能满足伺服电机高速、高精度、大功率、大扭矩、高刚度、高可靠性以及多轴联动等方面的需求，实现机床产业向中高档转型升级，提高市场的竞争力，对目前中国市场数控机床用电机驱动系统的研发和推广具有十分重要的意义。

附图说明

图1是本实用新型的电路原理框图

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作详细描述。

本实用新型的一种新型数控机床用高精度永磁伺服电机驱动装置，如图1所示，包括上位机1、控制系统2、驱动器3、电压电流检测系统4、转速/位置检测系统5、高精度模数转换器6和电源系统7；其中：

所述上位机1包括参数配置系统、状态监测系统和运行控制系统，所述参数配置系统实时对控制系统参数进行合理范围内配置，保障控制系统参数及运行模式满足数控机床配置要求；所述状态监测系统实时动态显示数控机床伺服电机的各种状态值，直观地显示伺服电机的运行状态；所述运行控制系统对整个控制系统进行实时控制，包括启动，暂停，加速，减速，信号通讯等控制。

所述控制系统2具有信号接收处理模块21、PWM信号生成模块22、控制模块23和通信模块24，所述驱动器3具有电源转换模块31、智能功率模块32、高效散热器33和安全保护电路34，智能功率模块32的型号为三菱PM50RL1A120，最大额定电压为1200V，最大额定电流为50A，此智能功率模块32含有隔离驱动电路和直流电转换为交流电的逆变器，稳定可靠，还具有过压、过流、欠压、高温等保护功能，实现安全运行和故障保护，能够有效实现在控制系统PWM信号的控制下实现直流电的逆变；所述高效散热模块33设置在驱动器3内部，其由高导热散热片和双风扇散热器组成，通过高导热散片与双风扇散热器的配合能够实现驱动器的热量散出，保护驱动器3温度安全，在此高效散热模块的作用下能够保证驱动器在安全温度之内，从而保障智能功率模块32的稳定运行，确保驱动器的合适工作温度；所述安全保护电路34用于保障整个驱动器电路板的电压电流安全性，提高整个系统的鲁棒性及稳定性，确保驱动器在规定的范围内工作。

所述控制模块23通过CAN总线与所述上位机1进行双向通讯，用于接收和发送指令，对控制系统进行全局控制，并进行资源的分配与调度；所述的通讯模块24用于与其它数控机床伺服电机的驱动系统进行通讯连接，利用此通讯模块24能实现各数控机床的双向通讯，数据的传送，以使上位机1能够监测到不同数控机床的运行参数；所述PWM信号生成模块22通过外接接口连接到智能功率模块32，用于控制智能功率模块32，所述智能功率模块32连接到数控机床用的伺服电机100的信号端。

所述电压电流检测系统4包括高精度电压/电流传感器41和电压电流滤波转换电路42，高精度电压/电流传感器41连接到伺服电机100的电源输入端，其用于采集伺服电机100的电压、电流信号，所述的高精度电压传感器采用高精度低温漂无感电阻分压，分压后信号经AMC1100隔离放大器，此器件可实现精准电压测量，具有低噪声，超低非线性、误差小的良好性能，5V时最大非线性误差为0.075％，低偏移误差最大值1.5mV，输出信号共模电压被自动调节至3V或者5V低压侧电源，输出信号采用差分电路，可以有效抑制谐波，保证信号稳定性与准确性，所述的高精度电流传感器采用的是LEM的开环高精度高分辨率量程50A电流传感器，具有低偏移、低爬电间隙、快速响应、高精度、高分辨率、非接触测量、抗干扰性、低功耗、低温漂、低零漂的特点，可以检测伺服电机的准确初始电流；所述的电压电流滤波电路42为带通滤波器，通过专用滤波器芯片MAX274设计的高效带通滤波器，能充分滤除带外噪声，提高信噪比，动态性能好，不会引入时钟信号噪声，可用外围电阻调节，具有参数调节方便等优点，能提供高精度纯净的初始电压电流信号；高精度电压/电流传感器41的输出端连接到电压电流滤波转换电路42的输入端，电压电流滤波转换电路42的输出端连接到高精度模数转换器6。

所述转速/位置检测系统5包括旋转变压器51和转速位置采样滤波转换电路52，旋转变压器51连接到伺服电机100的输出端与负载电机200的输入端之间，用于采集数控机床用的伺服电机100及负载电机200的角速度和角位置，运行时旋转变压器51被带动旋转，转动产生相应的编码信号，此旋转变压器51优选采用的是磁阻式旋转变压器,磁阻式旋转变压器是一种基于磁阻变化原理的新型结构高精度角位置传感器，它的功能是以转角或直线位移的一定函数的电气输入或输出来提供转角或直线位移的机械指示，具有成本低、精度高、结构简单、可靠性高、输出电压高及适合高速运行等特点，可为驱动系统提供高精度可靠位置与速度信号；旋转变压器51的输出端连接至转速位置采样滤波转换电路52的输入端。

所述高精度模数转换器6为逼近型模数转换器，其核心芯片为两个低功耗、四通道、16位、最高速率80MSPS,逐次逼近型亚德诺半导体模数转换器芯片ADC，其采用多级差分流水线架构，内置输出纠错逻辑，保证在整个工作温度范围内无失码，通过集成可选的直流校正和正交误差校正(QEC)模块，可校正多个通道之间的直流失调、增益和相位失配，通过可编程时钟与数据对准、生成可编程数字测试码等采用一个差分时钟输入来控制所有内部转换周期，可选的占空比稳定器(DCS)用来补偿较大的时钟占空比波动，同时保持出色的ADC总体性能；所述的高精度模数转换器6的输入端分别连接到电压电流滤波电路52的输出端和转速位置采样滤波转换电路52的输出端，所述高精度模数转换器6的输出端连接到信号接收处理模块21。

所述电源系统7包括直流电源71和交流电源72，所述交流电源72和直流电源71均连接至所述电源转换模块31，所述电源转换模块31连接至智能功率模块32的电源端，该电源转换模块31能将交流电源输出的380V交流电转换成稳定的直流500V高压给智能功率模块32提供直流母线电压，还能将直流电源输出的24V直流电提供给高效散热器33和安全保护电路34供电；所述直流电源71还连接至所述控制系统的电源端，为控制系统提供5V基础供电。

本新型的驱动系统所适用的伺服电机100的主要参数为标称功率：10kW，额定电压：380V，额定电流：30A，额定转速：2500rpm，最大转速：3000rpm，额定转矩：40N.m，峰值转矩：50N.m，冷却方式：强迫风冷；负载电机200的主要参数为标称功率：10kW，额定电压：380V，额定电流：30A，额定转速：3000rpm，最大转速：3500rpm，额定转矩：40N.m，峰值转矩：50N.m，冷却方式：强迫风冷。

本实用新型的一种新型数控机床用高精度永磁伺服电机驱动装置，工作时，高精度电压/电流传感器41检测伺服电机100的电压、电流值，测得的电压、电流值经电压电流滤波转换电路42滤波后至高精度模数转换器6，旋转变压器51检测到伺服电机100及负载电机200的角速度和角位置，测得的位置和速度脉冲信号经转速位置采样滤波转换电路52滤波后至高精度模数转换器6，由高精度模数转换器6的模数转换电路精确地将电压电流滤波转换电路42输出调理的模拟信号和转速位置采样滤波转换电路52调理出来的转速位置脉冲信号均转换成控制系统所需的数字信号，信号接收处理模块21接收后经控制模块23发出控制信号，此控制信号经PWM信号生成模块22发送给智能功率模块32，由智能功率模块32驱动控制伺服电机100，完成电流闭环信号传递与控制和转速位置环闭环控制；并在上位机1上可监测到伺服电机100的运行状态及对伺服电机100运行的参数配置。与现有技术相比，通过电流闭环信号传递与控制和转速位置环闭环控制使伺服电机100运行的精准度高，从而使伺服电机的控制精度高，鲁棒性及可靠性高，则本新型的驱动系统具有高精度、高可靠性、节能等优点，解决了目前数控机床控制精度差，能耗高，信号处理能力落后的问题，能应用于中、高档数控机床，能满足伺服电机高速、高精度、大功率、大扭矩、高刚度、高可靠性以及多轴联动等方面的需求，实现机床产业向中高档转型升级，提高市场的竞争力，对目前中国市场数控机床用电机驱动系统的研发和推广具有十分重要的意义；另外，通过高精度模数转换器6节省了控制系统资源，提升控制系统效率，进而能提高整个驱动系统的控制精度。

以上所述实施例对本实用新型的实施方式做了进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施方式只局限于这些说明。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，而且性质或用途相同，这些都属于实用新型专利的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种新型数控机床用高精度永磁伺服电机驱动装置，其特征在于：包括上位机、控制系统、驱动器、电压电流检测系统、转速/位置检测系统、高精度模数转换器和电源系统；

所述控制系统具有信号接收处理模块、PWM信号生成模块和控制模块，所述驱动器具有电源转换模块、智能功率模块、高效散热器和安全保护电路，所述电压电流检测系统包括高精度电压/电流传感器和电压电流滤波转换电路，所述转速/位置检测系统包括旋转变压器和转速位置采样滤波转换电路，所述电源系统包括直流电源和交流电源，

所述高精度电压/电流传感器连接到数控机床用伺服电机的电源输入端，用于采集数控机床用伺服电机的电压、电流值，所述高精度电压/电流传感器的输出端连接到所述电压电流滤波转换电路的输入端，所述旋转变压器连接到数控机床用伺服电机的输出端上，用于采集数控机床用伺服电机及负载电机的角速度和角位置，所述旋转变压器的输出端连接至所述转速位置采样滤波转换电路的输入端，所述高精度模数转换器的输入端分别连接到所述电压电流滤波电路的输出端和所述转速位置采样滤波转换电路的输出端，所述高精度模数转换器的输出端连接到所述信号接收处理模块；

所述控制模块通过CAN总线与所述上位机进行双向通讯，用于接收和发送指令，对控制系统进行全局控制，并进行资源的分配与调度；

所述PWM信号生成模块通过外接接口连接到智能功率模块，用于控制智能功率模块，所述智能功率模块连接到数控机床伺服电机的信号端；

所述交流电源连接至所述电源转换模块，所述电源转换模块连接至智能功率模块的电源端，用于交流电源输出的380V交流电转换成稳定的直流500V高压给智能功率模块提供直流母线电压；所述直流电源连接至所述电源转换模块，所述电源转换模块分别连接至高效散热器和安全保护电路的电源端，用于将直流电源输出的24V直流电提供给高效散热器和安全保护电路供电；所述直流电源还连接至所述控制系统的电源端，为控制系统提供5V基础供电。

2.根据权利要求1的一种新型数控机床用高精度永磁伺服电机驱动装置，其特征在于：所述上位机包括参数配置系统、状态监测系统和运行控制系统，所述参数配置系统实时对控制系统参数进行最佳控制配置，保障控制系统参数及运行模式满足数控机床配置要求；

所述状态监测系统实时动态显示数控机床伺服电机的各种状态值，直观地显示运行状态；

所述运行控制系统对整个控制系统进行实时控制，包括启动，暂停，加速及减速的控制。

3.根据权利要求1的一种新型数控机床用高精度永磁伺服电机驱动装置，其特征在于：所述高效散热器由高导热散热片和双风扇散热器组成。

4.根据权利要求1的一种新型数控机床用高精度永磁伺服电机驱动装置，其特征在于：上述电压电流滤波电路为带通滤波器，上述旋转变压器为磁阻式旋转变压器，上述高精度模数转换器为逼近型模数转换器。

5.根据权利要求1的一种新型数控机床用高精度永磁伺服电机驱动装置，其特征在于：上述控制系统还包括有通讯模块，该通讯模块用于与其它数控机床伺服电机的驱动系统进行通讯连接。