何新鋒（1973—）
畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)熱力發(fā)動機(jī)專業(yè)，研究方向是交流異步電機(jī)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(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)動的設(shè)備上大大簡化了機(jī)械傳動設(shè)計，提高了設(shè)備的傳動精度，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。但是對于一些特殊的行業(yè)應(yīng)用，如電子軸傳動印刷設(shè)備、多軸傳動紡織設(shè)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(shè)備在意外斷電時，各電機(jī)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(yán)重問題。當(dāng)這些設(shè)備使用傳統(tǒng)的機(jī)械集中傳動時，由于機(jī)械傳動軸的固定聯(lián)結(jié)，使得設(shè)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(guān)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(yīng)商進(jìn)行了各自的技術(shù)研發(fā)，目前已經(jīng)有一些廠家開始陸續(xù)推出了帶斷電安全同步停車技術(shù)的運(yùn)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(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，功率開關(guān)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(guān)斷和導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)了對交流電機(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

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(dāng)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U_DC-n，伺服系統(tǒng)正常工作時，直流母線實(shí)際電壓在U_DC-n上下一定范圍內(nèi)波動，如果交流電機(jī)在制動發(fā)電過程中，U_DC>制動保護(hù)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(dāng)設(shè)備意外斷電時，U_DC快速跌落，當(dāng) U_DC<U_DC-Pf時，伺服驅(qū)動器將根據(jù)用戶的設(shè)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U_DC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(jī)進(jìn)入發(fā)電機(jī)模式，設(shè)備中的機(jī)械能通過電機(jī)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(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，仍舊處于電動機(jī)模式的伺服電機(jī)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(yīng)關(guān)系，直到所有的伺服電機(jī)完成減速停車的過程。

    3.4 斷電同步停車實(shí)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(jī)實(shí)現(xiàn)安全同步停車。

圖3  斷電同步停車過程曲線