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申请/专利权人：清正源华(北京)科技有限公司

摘要：本发明涉及一种基于GaNSiC功率器件的模块化高速电主轴驱动器，其包括一个以上能级联扩展的高速电主轴驱动器模块，每个所述高速电主轴驱动器模块都为一个最小单元驱动器独立模块；所述最小单元驱动器独立模块输出三相电压、电流，经过功率滤波器模块传输至高速电主轴电机，控制所述高速电主轴电机工作；最小单元驱动器独立模块包括母线保护电路、母线制动电路、GaN半桥电路、过温保护电路、直流母线输入接口、24V逻辑电源输入接口、模块级联RJ11接口和CPU模块。本发明提高了高速电主轴的开关频率，减小了驱动器输出电流的谐波，降低了高速电主轴运行时的温度，提高了机床的加工精度。

主权项：1.一种基于GaNSiC功率器件的模块化高速电主轴驱动器，其特征在于：包括一个以上能级联扩展的高速电主轴驱动器模块，每个所述高速电主轴驱动器模块都为一个最小单元驱动器独立模块；所述最小单元驱动器独立模块输出三相电压、电流，经过功率滤波器模块传输至高速电主轴电机，控制所述高速电主轴电机工作；所述最小单元驱动器独立模块包括母线保护电路、母线制动电路、GaN半桥电路、过温保护电路、直流母线输入接口、24V逻辑电源输入接口、模块级联RJ11接口和CPU模块；外部输入的功率直流电经所述直流母线输入接口接入至所述母线制动电路，经所述母线制动电路为所述GaN半桥电路、母线保护电路和过温保护电路供电；外部输入的直流24V逻辑电通过所述24V逻辑电源输入接口接入，为所述CPU模块工作提供能量；所述母线保护电路在所述CPU模块的控制下，当母线电压、电流超过预先给定电压、电流时进行保护工作；所述母线制动电路在所述CPU模块的控制下工作，当所述高速电主轴电机进行突然减速时或紧急制动时会出现母线电压突然被提升的情况，此时所述母线制动电路进行工作；所述GaN半桥电路设置有三个，组成一个三相两电平的逆变器，把输入的功率直流电逆变成三相交流电输出，经所述功率滤波器模块控制所述高速电主轴电机工作；所述过温保护电路实时检测所述最小单元驱动器独立模块的温度，并传输至所述CPU模块，当所述最小单元驱动器独立模块内部的温度超出设定温度值时，由所述CPU模块控制所述过温保护电路进行过温保护；所述模块级联RJ11接口与所述CPU模块连接，实现与其他的所述最小单元驱动器独立模块进行信息传输；两个以上的所述最小单元驱动器独立模块之间通过所述模块级联RJ11接口进行级联后，构成高速电主轴驱动扩展模块组，该扩展模块组内部通过功率和通讯连接成为一个系统，驱动所述高速电主轴电机运行；位于所述高速电主轴驱动扩展模块组外部设置有开关电源模组和显示控制器；所述高速电主轴驱动扩展模块组分别与所述开关电源模组、显示控制器进行信息交互，由所述开关电源模组给模块化的高速电主轴驱动扩展模块组提供能量，并由所述高速电主轴驱动扩展模块组监控所述开关电源模组的电源状态；所述开关电源模组包括24V逻辑开关电源、功率逻辑开关电源和另一模块级联RJ11接口；所述24V逻辑开关电源和功率逻辑开关电源通过所述另一模块级联RJ11接口与所述高速电主轴驱动扩展模块组进行实时通讯；相邻的两所述最小单元驱动器独立模块之间通过电缆直接将所述直流母线输入接口、24V逻辑电源输入接口对应连接，实现所有的所述最小单元驱动器独立模块共同利用功率直流输入母线及24V控制逻辑电源；相邻的两所述最小单元驱动器独立模块之间通过外部通讯线直接插入所述模块级联RJ11接口，将所有的所述最小单元驱动器独立模块级联为一个整体后再与外部进行通讯连接。

全文数据：基于GaNSiC功率器件的模块化高速电主轴驱动器技术领域本发明涉及一种高速电主轴驱动器，特别是关于一种基于GaNSiC功率器件的模块化高速电主轴驱动器。背景技术目前，市面上主流的高速电主轴驱动器基本采用传统的第二代功率半导体器件IGBT绝缘栅双极型晶体管或MosFET金氧半场效晶体管等，使用第二代带功率半导体器件IGBT、MosFET等构成的高速电主轴驱动器中功率部分输出的电压开关频率较低，且器件损耗较大导致高速电主轴驱动器的整体效率较低。在高速电主轴驱动器驱动高速电主轴在转速较高时，导致输出的电流基波中开关次数较少，输出的载波比较低，以此导致驱动器输出电流的谐波较大，在驱动高速电主轴在高速段时会出现电主轴震动、发热等现象，最终影响到机床在加工工件的加工精度较低。另一方面，现在的机床发展趋势是一台机床可以同时带多轴进行工件加工，以提高加工效率、多维度和多角度加工等。如果采用传统独立式的高速电主轴驱动器就需要很多台独立设备，会出现每台驱动器之间想完成相互的协同控制必须通过机床总控进行通讯协调，导致每个驱动器之间不能及时通讯和增加机床总控的负担。并且由于传统的单台独立设备之间是存在冗余的情况，并不能较好的进行扩展，也导致机床内部的空间利用率较低，这对于现在机床的发展趋势向着高集成化，小体积的发展方向存在较大的缺点。发明内容针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于GaNSiC功率器件的模块化高速电主轴驱动器，其提高了高速电主轴的开关频率，减小了驱动器输出电流的谐波，降低了高速电主轴运行时的温度，提高了机床的加工精度。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于GaNSiC功率器件的模块化高速电主轴驱动器，其包括一个以上能级联扩展的高速电主轴驱动器模块，每个所述高速电主轴驱动器模块都为一个最小单元驱动器独立模块；所述最小单元驱动器独立模块输出三相电压、电流，经过功率滤波器模块传输至高速电主轴电机，控制所述高速电主轴电机工作；所述最小单元驱动器独立模块包括母线保护电路、母线制动电路、GaN半桥电路、过温保护电路、直流母线输入接口、24V逻辑电源输入接口、模块级联RJ11接口和CPU模块；外部输入的功率直流电经所述直流母线输入接口接入至所述母线制动电路，经所述母线制动电路为所述GaN半桥电路、母线保护电路和过温保护电路供电；外部输入的直流24V逻辑电通过所述24V逻辑电源输入接口接入，为所述CPU模块工作提供能量；所述母线保护电路在所述CPU模块的控制下，当母线电压、电流超过预先给定电压、电流时进行保护工作；所述母线制动电路在所述CPU模块的控制下工作，当所述高速电主轴电机进行突然减速时或紧急制动时会出现母线电压突然被提升的情况，此时所述母线制动电路进行工作；所述GaN半桥电路设置有三个，组成一个三相两电平的逆变器，把输入的功率直流电逆变成三相交流电输出，经所述功率滤波器模块控制所述高速电主轴电机工作；所述过温保护电路实时检测所述最小单元驱动器独立模块的温度，并传输至所述CPU模块，当所述最小单元驱动器独立模块内部的温度超出设定温度值时，由所述CPU模块控制所述过温保护电路进行过温保护；所述模块级联RJ11接口与所述CPU模块连接，实现与其他的所述最小单元驱动器独立模块进行信息传输。进一步，所述最小单元驱动器独立模块还包括USB模块、显示控制RJ45接口、PLC连接接口、RS485\CAN接口、地址选择器和数码管显示；所述USB模块、显示控制RJ45接口、PLC连接接口、RS485\CAN接口、地址选择器和数码管显示均与所述CPU模块连接，进行信息交互；所述显示控制RJ45接口用于连接显示控制器，所述PLC连接接口用于和外部的PLC进行通讯；所述RS485\CAN接口用于连接现场总线，进行高速电主轴的远程总线控制；所述地址选择器负责给驱动器一个确定的总线地址，所述数码管显示负责显示驱动器的当前运行及错误状态。进一步，两个以上的所述最小单元驱动器独立模块之间通过所述模块级联RJ11接口进行级联后，构成高速电主轴驱动扩展模块组，该扩展模块组内部通过功率和通讯连接成为一个系统，驱动所述高速电主轴电机运行。进一步，相邻的两所述最小单元驱动器独立模块之间通过电缆直接将所述直流母线输入接口、24V逻辑电源输入接口对应连接，实现所有的所述最小单元驱动器独立模块共同利用功率直流输入母线及24V控制逻辑电源；相邻的两所述最小单元驱动器独立模块之间通过外部通讯线直接插入所述模块级联RJ11接口，将所有的所述最小单元驱动器独立模块级联为一个整体后再与外部进行通讯连接；相邻的两所述最小单元驱动器独立模块之间通过所述显示控制RJ45接口进行级联后，与外部显示控制装置连接。进一步，位于所述高速电主轴驱动扩展模块组外部设置有开关电源模组和显示控制器；所述高速电主轴驱动扩展模块组分别与所述开关电源模组、显示控制器进行信息交互，由所述开关电源模组给模块化的高速电主轴驱动扩展模块组提供能量，并由所述高速电主轴驱动扩展模块组监控所述开关电源模组的电源状态。进一步，所述开关电源模组包括24V逻辑开关电源、功率逻辑开关电源和另一模块级联RJ11接口；所述24V逻辑开关电源和功率逻辑开关电源通过所述另一模块级联RJ11接口与所述高速电主轴驱动扩展模块组进行实时通讯。进一步，所述显示控制器包括显示模块TFT-LCD、另一显示控制RJ45接口和按键控制模块，所述另一显示控制RJ45接口和按键控制模块均与所述显示模块TFT-LCD连接；所述显示模块TFT-LCD通过CAN通讯与所述高速电主轴驱动扩展模块组进行信息交互。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明利用第三代功率半导体器件GaN、SiC相比于第二代功率半导体器件IBGT、MosFET等能极大的提高驱动器内部功率电路的开关频率。尤其对于高速电主轴转速超过6万转分钟运行时，高速电主轴需要较大频率的基波。此时如果载波比大于30倍时，输出的电流谐波会非常小，降低了高速电主轴运行时的温度，也极大的提高了机床加工工件时的加工精度。2、对于现在多轴同时加工的机床，可能需要不定数量的高速电主轴驱动器，本发明的可扩展模块是基于最小单元驱动器进行复制扩展搭建而成的，既单个驱动器为最小单元，其既可以单独驱动单个高速电主轴，也可以多个驱动器进行级联扩展成一个模组，使驱动器的级联扩展较为方便。3、本发明的每个驱动器模块之间都是级联进行协同通讯，每个驱动器模块之间都是级联进行协同通讯，通讯采用工业隔离CAN、隔离RS485、工业以太网等通讯协议，通过RJ11、RJ45接口进行轻松的扩展级联，以此完成每个模块间的通讯，很好的解决通讯时长的问题。4、本发明中的可扩展模块功能可以共同利用功率直流输入母线及24V控制逻辑电源，极大的缩小了整体的体积，提高了驱动器的整体大小。5、本发明单个驱动器也可以与一个HMI显示控制器进行连接通讯，由此通过集成的通讯级联模块，可以用一个HMI显示控制器轻松的控制集成系统中扩展的每个驱动器。附图说明图1是本发明的最小单元驱动器机械结构示意图；图2是本发明的最小单元驱动器原理模块示意图；图3是本发明的级联扩展模块机械结构示意图；图4是本发明的级联扩展模块原理模块说明示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。如图1、图2所示，本发明提供一种基于GaNSiC功率器件的模块化高速电主轴驱动器，其基于第三代功率GaN氮化镓和SiC碳化硅器件的高速电主轴模块化驱动器并具有较强可扩展性，特别对于应用中需要同时扩展多个高转速的电主轴转速高于6万转分钟具体较强的适用性。本发明包括一个以上可以进行级联扩展的高速电主轴驱动器模块，每个高速电主轴驱动器模块都为一个最小单元驱动器独立模块17。最小单元驱动器独立模块17输出三相电压、电流，经过功率滤波器模块15传输至高速电主轴电机16，控制高速电主轴电机16进行工作；其中，最小单元驱动器独立模块17和功率滤波器模块15均设置在一壳体内。其中，最小单元驱动器独立模块17包括母线保护电路1、母线制动电路2、GaN半桥电路3、过温保护电路4、直流母线输入接口5、24V逻辑电源输入接口6、USB模块8、显示控制RJ45接口9、PLC连接接口10、RS485\CAN接口11、模块级联RJ11接口12、地址选择器13、数码管显示14和CPU模块7。外部输入的功率直流电经直流母线输入接口5接入至母线制动电路2，经母线制动电路2为GaN半桥电路3、母线保护电路1和过温保护电路4供电；外部输入的直流24V逻辑电通过24V逻辑电源输入接口6接入，为CPU模块7工作提供能量。母线保护电路1在CPU模块7的控制下，当母线电压、电流超过预先给定电压、电流时进行保护工作。母线制动电路2在CPU模块7的控制下，当高速电主轴电机16进行突然减速时或紧急制动时会出现母线电压突然被提升的情况，此时母线制动电路2进行工作，把多余的能量以热能的形式消耗在母线制动电路2中的制动电阻上，从而对母线进行保护。GaN半桥电路3设置有三个，组成一个三相两电平的逆变器，把输入的功率直流电逆变成三相交流电输出，经功率滤波器模块15控制高速电主轴电机16工作，由功率滤波器模块15把驱动器输出高频电压成分滤除，以保护高速电主轴。过温保护电路4实时检测最小单元驱动器独立模块17的温度，并传输至CPU模块7，当最小单元驱动器独立模块17内部的温度超出设定温度值时，由CPU模块7控制过温保护电路4工作，进行过温保护。模块级联RJ11接口12与CPU模块7连接，实现与其他的最小单元驱动器独立模块17进行信息传输。USB模块8、显示控制RJ45接口9、PLC连接接口10、RS485\CAN接口11、地址选择器13和数码管显示14均与CPU模块7连接，进行信息交互。其中，显示控制RJ45接口9用于连接显示控制器，当连接到显示控制器时可以在线进行高速电主轴的监控和控制等；PLC连接接口10用于和外部的PLC进行通讯；RS485\CAN接口11用于连接现场总线，进行高速电主轴的远程总线控制；地址选择器13负责给驱动器一个确定的总线地址，数码管显示14负责显示驱动器的当前运行及错误状态。在一个优选的实施例中，如图3、图4所示，两个以上的最小单元驱动器独立模块17之间通过模块级联RJ11接口12进行级联后，构成高速电主轴驱动扩展模块组23，扩展模块组内部通过功率和通讯连接成为一个系统，驱动相应的高速电主轴电机16运行。相邻的两最小单元驱动器独立模块17之间通过电缆直接将直流母线输入接口5、24V逻辑电源输入接口6对应连接，实现所有的最小单元驱动器独立模块17共同利用功率直流输入母线及24V控制逻辑电源；相邻的两最小单元驱动器独立模块17之间通过外部通讯线直接插入模块级联RJ11接口12，将所有的最小单元驱动器独立模块17级联为一个整体后再与外部进行通讯连接，完成每个最小单元驱动器独立模块17间的通讯。相邻的两最小单元驱动器独立模块17之间通过显示控制RJ45接口9进行级联后，与外部显示控制装置连接。如图4所示，位于高速电主轴驱动扩展模块组23外部还设置有开关电源模组20和显示控制器30。高速电主轴驱动扩展模块组23分别与开关电源模组20、显示控制器30进行信息交互，由开关电源模组20给模块化的高速电主轴驱动扩展模块组23提供能量，并由高速电主轴驱动扩展模块组23监控开关电源模组20的电源状态。由开关电源模组20、高速电主轴驱动扩展模块组23和显示控制器30构成一个集成度较高的高速电主轴驱动器可扩展系统。其中：开关电源模组20包括24V逻辑开关电源21、功率逻辑开关电源22和另一模块级联RJ11接口12；24V逻辑开关电源21和功率逻辑开关电源22通过另一模块级联RJ11接口12与高速电主轴驱动扩展模块组23进行实时通讯。显示控制器30包括显示模块TFT-LCD31、另一显示控制RJ45接口9和按键控制模块32，另一显示控制RJ45接口9和按键控制模块32均与显示模块TFT-LCD31连接；显示模块TFT-LCD31通过CAN通讯与高速电主轴驱动扩展模块组23进行信息交互。上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

权利要求：1.一种基于GaNSiC功率器件的模块化高速电主轴驱动器，其特征在于：包括一个以上能级联扩展的高速电主轴驱动器模块，每个所述高速电主轴驱动器模块都为一个最小单元驱动器独立模块；所述最小单元驱动器独立模块输出三相电压、电流，经过功率滤波器模块传输至高速电主轴电机，控制所述高速电主轴电机工作；所述最小单元驱动器独立模块包括母线保护电路、母线制动电路、GaN半桥电路、过温保护电路、直流母线输入接口、24V逻辑电源输入接口、模块级联RJ11接口和CPU模块；外部输入的功率直流电经所述直流母线输入接口接入至所述母线制动电路，经所述母线制动电路为所述GaN半桥电路、母线保护电路和过温保护电路供电；外部输入的直流24V逻辑电通过所述24V逻辑电源输入接口接入，为所述CPU模块工作提供能量；所述母线保护电路在所述CPU模块的控制下，当母线电压、电流超过预先给定电压、电流时进行保护工作；所述母线制动电路在所述CPU模块的控制下工作，当所述高速电主轴电机进行突然减速时或紧急制动时会出现母线电压突然被提升的情况，此时所述母线制动电路进行工作；所述GaN半桥电路设置有三个，组成一个三相两电平的逆变器，把输入的功率直流电逆变成三相交流电输出，经所述功率滤波器模块控制所述高速电主轴电机工作；所述过温保护电路实时检测所述最小单元驱动器独立模块的温度，并传输至所述CPU模块，当所述最小单元驱动器独立模块内部的温度超出设定温度值时，由所述CPU模块控制所述过温保护电路进行过温保护；所述模块级联RJ11接口与所述CPU模块连接，实现与其他的所述最小单元驱动器独立模块进行信息传输。2.如权利要求1所述模块化高速电主轴驱动器，其特征在于：所述最小单元驱动器独立模块还包括USB模块、显示控制RJ45接口、PLC连接接口、RS485\CAN接口、地址选择器和数码管显示；所述USB模块、显示控制RJ45接口、PLC连接接口、RS485\CAN接口、地址选择器和数码管显示均与所述CPU模块连接，进行信息交互；所述显示控制RJ45接口用于连接显示控制器，所述PLC连接接口用于和外部的PLC进行通讯；所述RS485\CAN接口用于连接现场总线，进行高速电主轴的远程总线控制；所述地址选择器负责给驱动器一个确定的总线地址，所述数码管显示负责显示驱动器的当前运行及错误状态。3.如权利要求1或2所述模块化高速电主轴驱动器，其特征在于：两个以上的所述最小单元驱动器独立模块之间通过所述模块级联RJ11接口进行级联后，构成高速电主轴驱动扩展模块组，该扩展模块组内部通过功率和通讯连接成为一个系统，驱动所述高速电主轴电机运行。4.如权利要求3所述模块化高速电主轴驱动器，其特征在于：相邻的两所述最小单元驱动器独立模块之间通过电缆直接将所述直流母线输入接口、24V逻辑电源输入接口对应连接，实现所有的所述最小单元驱动器独立模块共同利用功率直流输入母线及24V控制逻辑电源；相邻的两所述最小单元驱动器独立模块之间通过外部通讯线直接插入所述模块级联RJ11接口，将所有的所述最小单元驱动器独立模块级联为一个整体后再与外部进行通讯连接；相邻的两所述最小单元驱动器独立模块之间通过所述显示控制RJ45接口进行级联后，与外部显示控制装置连接。5.如权利要求3或4所述模块化高速电主轴驱动器，其特征在于：位于所述高速电主轴驱动扩展模块组外部设置有开关电源模组和显示控制器；所述高速电主轴驱动扩展模块组分别与所述开关电源模组、显示控制器进行信息交互，由所述开关电源模组给模块化的高速电主轴驱动扩展模块组提供能量，并由所述高速电主轴驱动扩展模块组监控所述开关电源模组的电源状态。6.如权利要求6所述模块化高速电主轴驱动器，其特征在于：所述开关电源模组包括24V逻辑开关电源、功率逻辑开关电源和另一模块级联RJ11接口；所述24V逻辑开关电源和功率逻辑开关电源通过所述另一模块级联RJ11接口与所述高速电主轴驱动扩展模块组进行实时通讯。7.如权利要求6所述模块化高速电主轴驱动器，其特征在于：所述显示控制器包括显示模块TFT-LCD、另一显示控制RJ45接口和按键控制模块，所述另一显示控制RJ45接口和按键控制模块均与所述显示模块TFT-LCD连接；所述显示模块TFT-LCD通过CAN通讯与所述高速电主轴驱动扩展模块组进行信息交互。

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