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何新鋒（1973—）
畢業(yè)于哈爾濱工程大學熱力發(fā)動機專業(yè)，研究方向是交流異步電機的參數(shù)識別及伺服控制。貝加萊工業(yè)自動化上海有限公司.
1 技術(shù)背景
近年來隨著國內(nèi)經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展，機械設備制造業(yè)的技術(shù)水平也提升較快，高性能的伺服運動控制系統(tǒng)逐漸在紡織、印刷、包裝等行業(yè)得到了廣泛應用。伺服系統(tǒng)的應用在多軸驅(qū)動的設備上大大簡化了機械傳動設計，提高了設備的傳動精度，拓展了設備的運行速度，使設備真正實現(xiàn)了靈活高效的柔性傳動。但是對于一些特殊的行業(yè)應用，如電子軸傳動印刷設備、多軸傳動紡織設備等，使用伺服控制的電子軸傳動雖然帶來很多技術(shù)優(yōu)勢，但卻必須解決設備在意外斷電時，各電機安全同步停車的問題，否則會給生產(chǎn)安全和產(chǎn)品質(zhì)量帶來嚴重問題。當這些設備使用傳統(tǒng)的機械集中傳動時，由于機械傳動軸的固定聯(lián)結(jié)，使得設備無論是正常工作狀態(tài)還是意外斷電狀態(tài)時，各個傳動單元都可以“自動”的保持原來的位置關系而不必做特殊處理。基于這些行業(yè)的特殊需求，國內(nèi)外主流的伺服傳動供應商進行了各自的技術(shù)研發(fā)，目前已經(jīng)有一些廠家開始陸續(xù)推出了帶斷電安全同步停車技術(shù)的運動控制系統(tǒng)。本文以貝加萊公司的ACOPOS及ACOPOSmulti的伺服系統(tǒng)為例具體介紹斷電安全同步停車的技術(shù)原理。
2 交流伺服驅(qū)動器的能源系統(tǒng)
交流伺服驅(qū)動器的電源系統(tǒng)根據(jù)實際控制方式的不同，一般可以分為“交直交”電壓源型逆變電路；“交直交”電流源型逆變電路；“交交”型變頻電路以及泵電源電路等。在中小功率的范圍內(nèi)，大多數(shù)伺服驅(qū)動器使用 “交直交”電壓源型電源系統(tǒng)。典型的電原理圖如圖1所示。當伺服系統(tǒng)正常工作時，功率開關器件根據(jù)來自DSP處理器板的控制信號控制大功率輸出器件的關斷和導通，實現(xiàn)了對交流電機定子電流和電壓的控制。根據(jù)控制方式的不同，其輸出方式由方波輸出逐漸發(fā)展到PWM輸出或SPWM輸出。
圖1 典型的電原理圖
3 斷電安全同步停車工作原理
3.1 交流電機四象限運行
交流伺服系統(tǒng)在驅(qū)動機械設備運行時，根據(jù)實際的工作狀態(tài)，交流電機通常會正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速，此時電機工作在全部的四個象限。當交流電機的實際轉(zhuǎn)速大于伺服驅(qū)動器的設定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子電流的相位反相，幾乎變化180度，電機從電動機狀態(tài)變成了發(fā)電機狀態(tài)。在同樣的工況下，不同類型的交流電機發(fā)電的效率也不同。通常交流永磁伺服電機由于內(nèi)含永磁體結(jié)構(gòu)，無需勵磁，剩磁穩(wěn)定，發(fā)電效果往往好于利用勵磁剩磁發(fā)電的交流變頻電機。
3.2 同步停車條件
使用斷電同步停車功能的交流伺服系統(tǒng)必須滿足下面三個基本條件，否則無法確保斷電停車功能一定會成功。
(1) 設備由多個直流母線電壓相同的伺服系統(tǒng)共同驅(qū)動，各個伺服的直流母線必須并聯(lián)
(2) 設備中必須有一個機械慣量大，正常運行時儲備最多機械能的電機作為主控軸
(3) 斷電停車過程中所有電機的發(fā)電功率之和必須大于系統(tǒng)消耗功率之和
3.3 同步停車控制過程
當伺服系統(tǒng)使用“交直交”電壓源型電源系統(tǒng)時，直流母線中和斷電停車功能相關的主要技術(shù)參數(shù)如下：
其中，UDC-n為直流母線額定電壓（Ｖ）；UDC-Limi為直流母線限制電壓（Ｖ）；UDC-Pf為斷電直流母線檢測電壓（V）；Uoff-Limi為安全同步停車最低電壓（V）。
圖2 直流母線電壓變化圖
伺服驅(qū)動器正常啟動和斷電同步停車過程中直流母線電壓的變化如圖2所示。當伺服驅(qū)動器正常上電后，經(jīng)過10～20ms左右的充電過程，直流母線的電壓初步上升到額定電壓UDC-n，伺服系統(tǒng)正常工作時，直流母線實際電壓在UDC-n上下一定范圍內(nèi)波動，如果交流電機在制動發(fā)電過程中，UDC>制動保護電壓，伺服驅(qū)動器打開制動泄放電路，將直流母線上多余的能量消耗在外部制動電阻上，降低直流母線電壓。當設備意外斷電時，UDC快速跌落，當 UDC<UDC-Pf時，伺服驅(qū)動器將根據(jù)用戶的設定啟動斷電同步停車功能。此時由于電流換向，伺服檢測時間延遲等原因UDC還會有幾十伏的跌落，隨后斷電同步停車控制算法接替了伺服驅(qū)動器原來的位置和速度閉環(huán)控制方式，控制交流電機進入發(fā)電機模式，設備中的機械能通過電機和伺服驅(qū)動器的逆變電路轉(zhuǎn)化為電能，儲存在直流母線上。由圖2可以看到，直流母線電壓逐漸升高。斷電同步停車控制算法通過不停的閉環(huán)調(diào)節(jié)伺服電機的減速度，維持直流母線的電壓穩(wěn)定。機械設備中慣量較小，仍舊處于電動機模式的伺服電機可以通過共享直流母線上的電能同步保持各電子軸的位置對應關系，直到所有的伺服電機完成減速停車的過程。
3.4 斷電同步停車實例
圖3為使用貝加萊一體化開發(fā)工具AutomationStudio采集到的紡織行業(yè)斷電同步停車的過程曲線。從圖中可以看到，直流母線電壓在開始斷電的時刻經(jīng)過幾十毫秒的短暫跌落，隨后在斷電同步停車控制算法的控制下，電壓開始回升，共直流母線的伺服驅(qū)動器利用直流母線上的電能控制各個伺服電機實現(xiàn)安全同步停車。
圖3 斷電同步停車過程曲線
貝加萊公司生產(chǎn)的ACOPOS和ACOPOSmulti伺服驅(qū)動器均內(nèi)置了上述介紹的斷電安全同步停車功能，值得一提的是，該驅(qū)動器不僅可以支持傳統(tǒng)的交流永磁同步電機，還可以支持交流異步變頻電機實現(xiàn)斷電同步停車功能。另外ACOPOS驅(qū)動器還內(nèi)置了DC-DC直流母線轉(zhuǎn)換電源，當設備意外斷電同步停車功能激活時，驅(qū)動器可以將直流母線上的電能轉(zhuǎn)化輸出到PLC、傳感器、人機面板等外設上，真正保證了整個系統(tǒng)的可靠安全停車。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號