(10)申请公布号
(43)申请公布日 (21)申请号 201610013442.9
(22)申请日 2016.01.11
G05B 19/04(2006.01)
(71)申请人华东理工大学
地址200237 上海市徐汇区梅陇路130号
(72)发明人栾伟玲 张晓霓 韩延龙 姜懿峰
孙柯
(74)专利代理机构上海新天专利代理有限公司
31213
代理人
王敏杰
(54)发明名称
(57)摘要
本发明揭示了一种核电站机械臂及耐辐射两
相步进电机驱动器，所述驱动器包括电路板，电路
板上设有电子元器件；所述驱动器内的电子元器
件上贴有防辐射材料，整个电路板外部由防辐射
分、CAN 总线收发器、电流反馈部分、双H 桥MOSFET
驱动电路；所述电源部分、CAN 总线收发器、电流
反馈部分、双H 桥MOSFET 驱动电路与控制芯片的
不同引脚相连。本发明提出的核电站机械臂及耐
辐射两相步进电机驱动器，可有效提高装置的辐
射抗性。(51)Int.Cl.
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书2页 说明书6页 附图3页CN 105511328 A 2016.04.20
C N 105511328
A
1.一种耐辐射两相步进电机驱动器，其特征在于，所述驱动器包括：电路板(103)、电子元器件(101)；
所述电子元器件(101)包括主控制芯片、电源部分、CAN总线收发器、电流反馈部分、双H 桥MOSFET驱动电路；所述电源部分、CAN总线收发器、电流反馈部分、双H桥MOSFET驱动电路与主控制芯片的不同引脚相连；
所述CAN总线收发器作为一个信息化接口，实现驱动器与驱动器之间、驱动器与总控制器之间的通讯；由于该动力执行机构包括3个自由度，所以需要三台驱动器间相互协调配合；当控制器收到命令后，通过CAN接口分别给予三台驱动器不同的控制信号，以使三台步进电机相互独立地转动，完成预定动作；
作为对辐射敏感的功率元件，采用耐辐射能力强的8个MOSFET搭建电路，与集成度高的驱动芯片相比，其耐辐射能力大大提高；同时，将组成H桥的8个MOSFET管及电压转换元器件分立在电路板四周，利用垂直空间节省电路板面积，增强器件的散热能力；
所述驱动器选用封装小、的电子元器件组成电路，布局紧凑，电路板的体积为120cm3，重量为90g；部分芯片上有钨/氧化铝贴片材料；
所述驱动器内的电子元器件上贴有防辐射材料，该防辐射材料为局部屏蔽用的钨基合金(102)； 整个电路板外部由防辐射外壳包裹，电路板的防辐射外壳为双层结构，分别为重金属屏蔽层及中子有机复合屏蔽层；电路板外部先由中子有机屏蔽层(104)包裹，中子有机屏蔽层(104)外被重金属屏蔽层(105)包裹；
整个电路板外部加装防辐射屏蔽盒，屏蔽盒外壳为双层结构，分别为重金属屏蔽层及中子有机复合屏蔽层；中子屏蔽层(105)在最外侧，重金属屏蔽层(104)在内侧，能有效吸收中子层屏蔽产生的次级γ射线；
所述中子有机复合屏蔽层材料为以耐高温环氧树脂为基体的复合材料，提高单位厚度的有机材料中子屏蔽性能；重金属屏蔽层材料为钨基复合材料，提高单位厚度的伽马射线屏蔽率，当中子穿过最外层有机复合层时，其中子能量将被慢化成热中子，部分热中子被吸收；产生的次级γ射线能量很低，穿过有机层后将被重金属屏蔽层有效的阻挡，防止其进入屏蔽盒体内部对电子器件产生损害；而对于较强的单一γ射线，虽然有机层屏蔽效果有限，但内层的重金属防护层能起到良好的屏蔽效果；
所述中子有机屏蔽层的材料为耐高温B4C/环氧树脂中子屏蔽复合材料，采用一种氨基酚三官能团环氧树脂作为基体材料，具有较好的高温力学性能，且密度小、耐高能辐照、粘度低和耐化学介质腐蚀；但由于环氧树脂值较高，固化过程中容易出现爆聚现象，且固化后韧性较差，选用液体羧基橡胶作为增韧剂；含硼化合物具有较好的中子屏蔽性能，选用设定比例的B4C颗粒作为填料，采用浇铸冷却固化成型的方法，能在200℃以上环境中使用；
所述主控制芯片还连接有辐射感应器；所述电路板外的防辐射外壳的至少一面设计为可调节结构；防辐射外壳至少包括一个可调面，可调面连接一驱动机构，驱动机构连接主控制芯片；主控制芯片根据辐射感应器感应到的辐射强度，通过所述主控制芯片控制驱动机构，从而控制防辐射外壳处于打开状态还是闭合状态。
2.一种耐辐射两相步进电机驱动器，其特征在于，所述驱动器包括电路板，电路板上设有电子元器件；
所述驱动器内的电子元器件上贴有防辐射材料，整个电路板外部由防辐射外壳包裹。
3.根据权利要求2所述的耐辐射两相步进电机驱动器，其特征在于：
所述驱动器还包括主控制芯片、电源部分、CAN总线收发器、电流反馈部分、双H桥MOSFET驱动电路；
所述电源部分、CAN总线收发器、电流反馈部分、双H桥MOSFET驱动电路与控制芯片的不同引脚相连。
4.根据权利要求2所述的耐辐射两相步进电机驱动器，其特征在于：
所述主控制芯片还连接有辐射感应器；所述电路板外的防辐射外壳的至少一面设计为可调节结构；防辐射外壳至少包括一个可调面，可调面连接一驱动机构，驱动机构连接主控制芯片；主控制芯片根据辐射感应器感应到的辐射强度，通过所述主控制芯片控制驱动机构，从而控制防辐射外壳处于打开状态还是闭合状态。
5.根据权利要求2所述的耐辐射两相步进电机驱动器，其特征在于：
构成电路的电子元件均为较耐辐射或工艺级别高的芯片元件。
6.根据权利要求2所述的耐辐射两相步进电机驱动器，其特征在于：
所述电子元器件上所贴的防辐射材料为钨与氧化铝的混合物。
7.根据权利要求2所述的耐辐射两相步进电机驱动器，其特征在于：
电路板外部的整体防护屏蔽层采用重金属及有机复合材料双层结构，外层为碳化硼掺杂的有机复合材料层，对中子射线慢化吸收，内层为重金属屏蔽层，采用钨稀土等重金属复合材料，屏蔽中子产生的次级γ射线及环境中存在的高能γ射线，屏蔽壳体能在多场耦合环境中使用。
8.根据权利要求7所述的耐辐射两相步进电机驱动器，其特征在于：
所述有机复合材料选用氨基酚三官能团环氧树脂，并以碳化硼为填充材料，加入设定量的液体羧基橡胶作为增韧剂，制备耐高温欢颜函数值中子复合屏蔽材料，其使用温度达200℃以上，且兼具较好的高温力学性能、耐辐照性能及耐酸碱腐蚀性能。
9.根据权利要求2所述的耐辐射两相步进电机驱动器，其特征在于：
各部分配合能实现电流的比例积分调节和电机的加减速启停，且其驱动的步进电机细分倍数最高可达256。
10.一种核电站机械臂，其特征在于：其包括机械臂本体、权利要求1至9之一所述的耐辐射两相步进电机驱动器。
核电站机械臂及耐辐射两相步进电机驱动器
技术领域
[0001]本发明属于驱动器技术领域，涉及一种电机驱动器，尤其涉及一种耐辐射两相步进电机驱动器。
背景技术
[0002]在目前可利用的可再生能源中，核能是极少数达到工业应用、可以大规模替代化石燃料的能源之一。但核电站中的强辐照环境使得工作人员无法进入其中作业，远距离控制技术是核工业不可缺少的工具。不可避免地，控制系统中的大量元器件将受到强辐射照射，而电子元器件的耐辐射能力往往成为瓶颈。
[0003]驱动系统作为远距离控制中的必要系统，其耐辐照性能至关重要。为保证驱动系统在强辐照环境
下依然能工作，目前通常采用将整块电路板用钨或铅等重金属整体包裹的屏蔽方法，但却因此给驱动系统造成了大量的无用质量，同时削弱了系统的控制性能。[0004]与其他电机相比，步进电机无电刷，电机的寿命仅取决于轴承的寿命，因此具有高可靠性，即使在强辐照环境下仍能保持长时间工作。但与之相对应，相比伺服驱动器等，现有步进电机驱动器控制性能低，而且市售的步进驱动器并不具备通信功能，以上缺点极大限制了步进驱动系统的使用。针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
[0005]本发明所要解决的技术问题是：提供一种耐辐射两相步进电机驱动器，可有效提高装置的辐射抗性。
[0006]此外，本发明还提供一种核电站机械臂，可有效提高装置的辐射抗性。
[0007]为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
[0008]一种耐辐射两相步进电机驱动器，所述驱动器包括：电路板、电子元器件；[0009]所述电子元器件包括主控制芯片、电源部分、CAN总线收发器、电流反馈部分、双H 桥MOSFET驱动电路；所述电源部分、CAN总线收发器、电流反馈部分、双H桥MOSFET驱动电路与主控制芯片的不同引脚相连；
[0010]所述CAN总线收发器作为一个信息化接口，实现驱动器与驱动器之间、驱动器与总控制器之间的通讯；由于该动力执行机构包括3个自由度，所以需要三台驱动器间相互协调配合；当控制器收到命令后，通过CAN接口分别给予三台驱动器不同的控制信号，以使三台步进电机相互独立地转动，完成预定动作；
[0011]作为对辐射敏感的功率元件，采用耐辐射能力强的8个MOSFET搭建电路，与集成度高的驱动芯片相比，其耐辐射能力大大提高；同时，将组成H桥的8个MOSFET管及电压转换元器件分立在电路板四周，利用垂直空间节省电路板面积，增强器件的散热能力；
[0012]所述驱动器选用封装小、的电子元器件组成电路，布局紧凑，电路板的体积为120cm3，重量为90g；部分芯片上有钨/氧化铝贴片材料；
[0013]所述驱动器内的电子元器件上贴有防辐射材料，该防辐射材料为局部屏蔽用的钨
基合金；
[0014]整个电路板外部加装防辐射屏蔽盒，屏蔽盒外壳为双层结构，分别为重金属屏蔽层及中子有机复合屏蔽层；中子屏蔽层在最外侧，重金属屏蔽层在内测，能有效吸收中子层屏蔽产生的次级γ射线。
[0015]所述中子有机复合屏蔽层材料为以耐高温环氧树脂为基体的复合材料，提高单位厚度的有机材料
中子屏蔽性能；重金属屏蔽层材料为钨基复合材料，提高单位厚度的伽马射线屏蔽率，当中子穿过最外层有机复合层时，其中子能量将被慢化成热中子，部分热中子被吸收；产生的次级γ射线能量很低，穿过有机层后将被重金属屏蔽层有效的阻挡，防止其进入屏蔽盒体内部对电子器件产生损害；而对于较强的单一γ射线，虽然有机层屏蔽效果有限，但内层的重金属防护层能起到良好的屏蔽效果；
[0016]所述中子有机屏蔽层的材料为耐高温B4C/环氧树脂中子屏蔽复合材料，采用一种氨基酚三官能团环氧树脂作为基体材料，具有较好的高温力学性能，且密度小、耐高能辐照、粘度低和耐化学介质腐蚀；但由于环氧树脂值较高，固化过程中容易出现爆聚现象，且固化后韧性较差，选用液体羧基橡胶作为增韧剂；含硼化合物具有较好的中子屏蔽性能，选用设定比例的B4C颗粒作为填料，采用浇铸冷却固化成型的方法，能在200℃以上环境中使用；
[0017]所述主控制芯片还连接有辐射感应器；所述电路板外的防辐射外壳的至少一面设计为可调节结构；防辐射外壳至少包括一个可调面，可调面连接一驱动机构，驱动机构连接主控制芯片；主控制芯片根据辐射感应器感应到的辐射强度，通过所述主控制芯片控制驱动机构，从而控制防辐射外壳处于打开状态还是闭合状态。
[0018]一种耐辐射两相步进电机驱动器，所述驱动器包括电路板，电路板上设有电子元器件；
[0019]所述驱动器内的电子元器件上贴有防辐射材料，整个电路板外部由防辐射外壳包裹。
[0020]作为本发明的一种优选方案，所述驱动器还包括主控制芯片、电源部分、CAN总线收发器、电流反馈部分、双H桥MOSFET驱动电路；
[0021]所述电源部分、CAN总线收发器、电流反馈部分、双H桥MOSFET驱动电路与控制芯片的不同引脚相连。
[0022]作为本发明的一种优选方案，所述主控制芯片还连接有辐射感应器；所述电路板外的防辐射外壳的至少一面设计为可调节结构；防辐射外壳至少包括一个可调面，可调面连接一驱动机构，驱动机构连接主控制芯片；主控制芯片根据辐射感应器感应到的辐射强度，通过所述主控制芯片控制驱动机构，从而控制防辐射外壳处于打开状态还是闭合状态。[0023]作为本发明的一种优选方案，构成电路的电子元件均为较耐辐射或工艺级别高的芯片元件。
[0024]作为本发明的一种优选方案，所述电子元器件上所贴的防辐射材料为钨与氧化铝的混合物。
[0025]作为本发明的一种优选方案，电路板外部的整体防护屏蔽层采用重金属及有机复合材料双层结构，外层为碳化硼掺杂的有机复合材料层，对中子射线慢化吸收，内层为重金属屏蔽层，采用钨稀土等重金属复合材料，屏蔽中子产生的次级γ射线及环境中存在的高
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