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何新鋒（1973—）
畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)，研究方向是交流異步電機(jī)的參數(shù)識(shí)別及伺服控制。貝加萊工業(yè)自動(dòng)化上海有限公司.
1 技術(shù)背景
近年來(lái)隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，機(jī)械設(shè)備制造業(yè)的技術(shù)水平也提升較快，高性能的伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)逐漸在紡織、印刷、包裝等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。伺服系統(tǒng)的應(yīng)用在多軸驅(qū)動(dòng)的設(shè)備上大大簡(jiǎn)化了機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)，提高了設(shè)備的傳動(dòng)精度，拓展了設(shè)備的運(yùn)行速度，使設(shè)備真正實(shí)現(xiàn)了靈活高效的柔性傳動(dòng)。但是對(duì)于一些特殊的行業(yè)應(yīng)用，如電子軸傳動(dòng)印刷設(shè)備、多軸傳動(dòng)紡織設(shè)備等，使用伺服控制的電子軸傳動(dòng)雖然帶來(lái)很多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但卻必須解決設(shè)備在意外斷電時(shí)，各電機(jī)安全同步停車的問(wèn)題，否則會(huì)給生產(chǎn)安全和產(chǎn)品質(zhì)量帶來(lái)嚴(yán)重問(wèn)題。當(dāng)這些設(shè)備使用傳統(tǒng)的機(jī)械集中傳動(dòng)時(shí)，由于機(jī)械傳動(dòng)軸的固定聯(lián)結(jié)，使得設(shè)備無(wú)論是正常工作狀態(tài)還是意外斷電狀態(tài)時(shí)，各個(gè)傳動(dòng)單元都可以“自動(dòng)”的保持原來(lái)的位置關(guān)系而不必做特殊處理。基于這些行業(yè)的特殊需求，國(guó)內(nèi)外主流的伺服傳動(dòng)供應(yīng)商進(jìn)行了各自的技術(shù)研發(fā)，目前已經(jīng)有一些廠家開(kāi)始陸續(xù)推出了帶斷電安全同步停車技術(shù)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)器的能源系統(tǒng)
交流伺服驅(qū)動(dòng)器的電源系統(tǒng)根據(jù)實(shí)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(dòng)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(dāng)伺服系統(tǒng)正常工作時(shí)，功率開(kāi)關(guān)器件根據(jù)來(lái)自DSP處理器板的控制信號(hào)控制大功率輸出器件的關(guān)斷和導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)了對(duì)交流電機(jī)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(jī)四象限運(yùn)行
交流伺服系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行時(shí)，根據(jù)實(shí)際的工作狀態(tài)，交流電機(jī)通常會(huì)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速，此時(shí)電機(jī)工作在全部的四個(gè)象限。當(dāng)交流電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速大于伺服驅(qū)動(dòng)器的設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子電流的相位反相，幾乎變化180度，電機(jī)從電動(dòng)機(jī)狀態(tài)變成了發(fā)電機(jī)狀態(tài)。在同樣的工況下，不同類型的交流電機(jī)發(fā)電的效率也不同。通常交流永磁伺服電機(jī)由于內(nèi)含永磁體結(jié)構(gòu)，無(wú)需勵(lì)磁，剩磁穩(wěn)定，發(fā)電效果往往好于利用勵(lì)磁剩磁發(fā)電的交流變頻電機(jī)。
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(gè)基本條件，否則無(wú)法確保斷電停車功能一定會(huì)成功。
(1) 設(shè)備由多個(gè)直流母線電壓相同的伺服系統(tǒng)共同驅(qū)動(dòng)，各個(gè)伺服的直流母線必須并聯(lián)
(2) 設(shè)備中必須有一個(gè)機(jī)械慣量大，正常運(yùn)行時(shí)儲(chǔ)備最多機(jī)械能的電機(jī)作為主控軸
(3) 斷電停車過(guò)程中所有電機(jī)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(guò)程
當(dāng)伺服系統(tǒng)使用“交直交”電壓源型電源系統(tǒng)時(shí)，直流母線中和斷電停車功能相關(guān)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(cè)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(dòng)器正常啟動(dòng)和斷電同步停車過(guò)程中直流母線電壓的變化如圖2所示。當(dāng)伺服驅(qū)動(dòng)器正常上電后，經(jīng)過(guò)10～20ms左右的充電過(guò)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(shí)，直流母線實(shí)際電壓在UDC-n上下一定范圍內(nèi)波動(dòng)，如果交流電機(jī)在制動(dòng)發(fā)電過(guò)程中，UDC>制動(dòng)保護(hù)電壓，伺服驅(qū)動(dòng)器打開(kāi)制動(dòng)泄放電路，將直流母線上多余的能量消耗在外部制動(dòng)電阻上，降低直流母線電壓。當(dāng)設(shè)備意外斷電時(shí)，UDC快速跌落，當(dāng) UDC<UDC-Pf時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器將根據(jù)用戶的設(shè)定啟動(dòng)斷電同步停車功能。此時(shí)由于電流換向，伺服檢測(cè)時(shí)間延遲等原因UDC還會(huì)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(dòng)器原來(lái)的位置和速度閉環(huán)控制方式，控制交流電機(jī)進(jìn)入發(fā)電機(jī)模式，設(shè)備中的機(jī)械能通過(guò)電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器的逆變電路轉(zhuǎn)化為電能，儲(chǔ)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(guò)不停的閉環(huán)調(diào)節(jié)伺服電機(jī)的減速度，維持直流母線的電壓穩(wěn)定。機(jī)械設(shè)備中慣量較小，仍舊處于電動(dòng)機(jī)模式的伺服電機(jī)可以通過(guò)共享直流母線上的電能同步保持各電子軸的位置對(duì)應(yīng)關(guān)系，直到所有的伺服電機(jī)完成減速停車的過(guò)程。
3.4 斷電同步停車實(shí)例
圖3為使用貝加萊一體化開(kāi)發(fā)工具AutomationStudio采集到的紡織行業(yè)斷電同步停車的過(guò)程曲線。從圖中可以看到，直流母線電壓在開(kāi)始斷電的時(shí)刻經(jīng)過(guò)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(kāi)始回升，共直流母線的伺服驅(qū)動(dòng)器利用直流母線上的電能控制各個(gè)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)安全同步停車。
圖3 斷電同步停車過(guò)程曲線
貝加萊公司生產(chǎn)的ACOPOS和ACOPOSmulti伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)器不僅可以支持傳統(tǒng)的交流永磁同步電機(jī)，還可以支持交流異步變頻電機(jī)實(shí)現(xiàn)斷電同步停車功能。另外ACOPOS驅(qū)動(dòng)器還內(nèi)置了DC-DC直流母線轉(zhuǎn)換電源，當(dāng)設(shè)備意外斷電同步停車功能激活時(shí)，驅(qū)動(dòng)器可以將直流母線上的電能轉(zhuǎn)化輸出到PLC、傳感器、人機(jī)面板等外設(shè)上，真正保證了整個(gè)系統(tǒng)的可靠安全停車。
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