CN101969294A - 可实现能量回馈的交流伺服驱动器 - Google Patents

可实现能量回馈的交流伺服驱动器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种可实现能量回馈的交流伺服驱动器，包括功率单元和控制单元，功率单元包括依次连接的过压保护模块、噪声滤波器、三相输入交流电抗器、PFC校正再生制动模块和伺服驱动模块，PFC校正再生制动模块与伺服驱动模块之间还设有软启动模块和储能滤波电容；控制单元包括数字信号处理器、接口电路模块、直流母线电压检测模块、电压采样模块和两个电流采样模块，接口电路模块、直流母线电压检测模块、电压采样模块和电流采样模块分别连接于数字信号处理器和功率单元之间。本交流伺服驱动器可实现电网中能量的回馈，也可对电网的三相交流电进行整流和滤波，有效减少电网产生的污染，既节能又环保。

Description

可实现能量回馈的交流伺服驱动器
技术领域
本发明涉及交流伺服驱动器领域，特别涉及一种可实现能量回馈的交流伺服驱动器。
背景技术
随着电力电子技术的发展及非线性用电负载负荷的增加，越来越要求用电设备对电网无污染，即要求在电源的输入侧加入功率因数校正功能。目前国内在中小容量系统中大都采用能耗制动方式，实现电机的运行。该方法虽然简单，但浪费能量，降低了系统的效率，电阻发热严重，影响系统的其他部分正常工作、限制了制动性能的提高等缺点。因此能耗制动方式只能用于几十千瓦以下的中小容量系统。同时，由于电阻发热，导致环境温度升高，将会影响系统的可靠性；另一方面，能源越来越紧张的情况要求能将电机的制动能量回馈电网以节约能源。
目前，国内常采用整流后加滤波电容的整流电路，虽然电路简单，但是存在很多问题，如：输入电流谐波大，污染电网，干扰其它用电设备；输入电流有效值大，增加了电网传输损耗；能量只能单向流动，电机负载制动能量无法回馈电源，造成能量的浪费。如果电动机制动频繁或长期带位势负载运行，则能量浪费严重。
在国外，德国西门子公司已经推出了电机四象限运行的电压型交-直-交变频器，日本富士公司也成功研制了电源再生装置，如RHR系列、FRENIC系列电源再生单元，它把有源逆变单元从变频器中分离出来，直接作为变频器的一个外围装置，可并联到变频器的直流侧，将再生能量回馈到电网中。同时，已见到国外有四象限电压型交-直-交变频器及电网侧脉冲整流器等的研制报道。国外的一些公司推出的回馈型制动单元可以把97％的再生能量回馈电网，在需要频繁制动的场合，节电明显；热损耗较能耗制动大大降低，改善了工作环境，不会污染电网和干扰其他设备；这些回馈型制动单元内部装有电抗器和噪声滤波器，可直接和380V电网驳接使用，大大改善了使用制动电阻造成的高温环境，提高了电机运行的稳定性能和质量。但是这些产品需要增加额外的处理环节，间接增加了成本，其价格昂贵，因此也难以在较大范围得到推广应用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种可实现能量回馈的交流伺服驱动器，该驱动器可将再生能量回馈电网，有效减少电网的污染。
本发明的技术方案为：一种可实现能量回馈的交流伺服驱动器，包括功率单元和控制单元，功率单元包括依次连接的过压保护模块、噪声滤波器、三相输入交流电抗器、PFC校正再生制动模块和伺服驱动模块，过压保护模块、噪声滤波器、三相输入交流电抗器和PFC校正再生制动模块组成伺服电源，过压保护模块的输入端与三相交流电源连接，伺服驱动模块的输出端与电机连接，PFC校正再生制动模块与伺服驱动模块之间还设有软启动模块和储能滤波电容；控制单元包括数字信号处理器、接口电路模块、直流母线电压检测模块、电压采样模块和两个电流采样模块，接口电路模块设于数字信号处理器的PWM输出端并分别与PFC校正再生制动模块的输入端和伺服驱动模块的输入端连接，直流母线电压检测模块设于数字信号处理器的A/D输入端并分别与伺服驱动模块的输入端和PFC校正再生制动模块的输入端连接，电压采样模块设于数字信号处理器的A/D输入端并与三相输入交流电抗器的输入端连接，两个电流采样模块的采样值分别来源于PFC校正再生制动模块和伺服驱动模块；
功率单元中，过压保护模块用于检测三相交流电源的输出电压，防止电压过高，保证功率单元正常工作；噪声滤波器用于消除三相交流电在电网中产生的噪声；三相输入交流电抗器用于消除进出伺服电源的高次谐波和电网中谐波对伺服驱动模块的干扰以及伺服驱动模块对电网电压的污染；PFC校正再生制动模块用于调节整流后的直流母线电压到设定值，改善输入电路的功率因数值；伺服驱动模块用于实现对电机的速度、位置和电流的全数字化控制；软启动模块用于减小电机开机瞬间产生的冲击电流；储能滤波电容用于对整流形成的直流电压进行储能滤波，以给后极负载供给稳定平滑的电压；
控制单元中，数字信号处理器用于完成控制单元内各模块的运算控制、显示和连接通讯；接口电路模块用于将数字信号处理器产生的信号送入功率单元；直流母线电压检测模块用于检测直流母线电压的过压或欠压的情况，并将其信号输送给数字信号处理器；电压采样模块跟随电路对电网电压进行实时采样，并将信号输送给数字信号处理器，以使逆变产生的能量回馈时的电流和电网电压反相同频、整流时电流和电网电压同相同频；电流采样模块实时检测PFC校正再生制动模块输入端的电流或伺服驱动模块输出端的电流，并将其信号输送给数字信号处理器。
所述PFC校正再生制动模块的输出端设有保护报警模块，保护报警模块的输出端与数字信号处理器的I/O端口连接。
所述数字信号处理器为DSP，DSP还与FPGA相连接。
所述数字信号处理器还连接有显示模块和数据储存模块。
所述显示模块为LED显示面板，数据储存模块为EEPROM。
所述PFC校正再生制动模块的输入端通过DC/DC转换模块与开关电源连接。
所述电流采样模块由三个设于PFC校正再生制动模块输入电路上或两个设于伺服驱动模块输出电路上的电流传感器组成。
所述PFC校正再生制动模块和伺服驱动模块还分别与DC/DC转换电路相连。
本交流伺服驱动器使用时，其硬件系统的工作原理是：电网的三相交流电源接入后，首先经过过压保护模块和噪声滤波器，然后通过三相输入交流电抗器和PFC校正再生制动模块来进行功率因数校正和直流母线电压的提升，其后经过软启动模块、储能滤波电容、最后通过伺服驱动模块(IGBT)输出到电机。其中，能量从电源送往负载时，PFC校正再生制动模块工作在PFC整流状态，通过控制电路将输入电流控制成与电源电压同相位的正弦波；用PFC校正再生制动模块完成交流(AC)到直流(DC)的转换，调节整流后的直流母线电压到需要值，同时可以大大改善输入电路的功率因数值；采用三相输入交流电抗器以维持轻载时电流连续、改善谐波干扰以及交流电源输入端的功率因数值(PF)，同时也保证输出的直流电压Vdc稳定，且具有较好的动态响应特性；能量从负载送往电源时，PFC校正再生制动模块工作在能量回馈状态，通过控制单元将输入电流控制成与电源电压反相位的正弦波。
本交流伺服驱动器使用时，其软件算法具体为：PFC校正再生制动模块主要是由直流母线电压环和电流环组成，外环是直流母线电压环，内环是电流环；为了保证电压和电流同步，必需要对三相输入电压进行鉴相；为了保持直流母线稳定，必需要对直流母线电压进行采样；采样后通过电压PI调节器，输出电流指令，再对输入的电流进行采样，把电流反馈和指令进行调节，最后通过IPM(IGBT，即PFC校正再生制动模块)的PWM调制成与输入电压同步的正弦电流；PFC校正再生制动模块可实现整流和能量回馈的功能，实现能量的双向自由流动。PFC校正再生制动模块的控制有两个闭环：直流母线电压Vdc反馈经过电压调节器以保证输出电压恒定，电压调节器的输出作为正弦电流给定的幅值；而正弦电流给定的相位则是根据三相输入电压推导，对三相输入电压进行采样并进行归一化处理，得到与三相输入电压同相位的正弦波信号并与电流幅值给定Im相乘，即可得到最终三相输入电流的给定波形
Figure BDA0000029398770000041
和将此给定与实际的输入电流波形相比较，利用PWM调制产生控制信号，这样三相PWM整流电路不仅能够保证最终三相输入电流与三相输入电压同步正弦，还能保证直流母线保持一定的恒定值；当负载回馈能量时，必然使直流母线电压Vdc大于给定值，电压调节器的输出信号值与整流状态时极性相反，从而电流的给定波形和
Figure BDA0000029398770000044
相位也与整流状态时相反(即差180度)，PWM调制结果使输入电流相位正好与电网电压反相，表示电源吸收能量，同时电流波形也是正弦的，功率因数也是接近1。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
本交流伺服驱动器通过三相输入交流电抗器和PFC校正再生制动模块，可实现电网中能量的回馈，也可对电网的三相交流电进行整流和滤波，有效减少电网产生的污染，既节能又环保。
本交流伺服驱动器中，三相输入交流电抗器用来消除进出交流伺服电源的高次谐波和电网中谐波对伺服驱动系统的干扰以及伺服驱动系统对电网电压的污染；PFC校正再生制动模块可以调节整流后的直流母线电压到需要值，同时可以大大改善输入电路的功率因数值，为满足环保节能的要求，实现能量高效率的利用、减小热耗引起的温升、以及保证伺服驱动频繁地长时间地制动时的系统的可靠性，PFC校正再生制动模块包含将电动机减速制动时产生的再生能量回馈到电网的控制及转换，其功率因数较高，接近1。
本交流伺服驱动器与同类产品相比，对电网的要求不高，可较好地适用于380V的电网电压，且其价格低廉，可以大范围的推广应用。
附图说明
图1为本交流伺服驱动器的系统结构示意图。
图2为本交流伺服驱动器的原理示意图。
图3为本交流伺服驱动器的软件算法原理示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本实施例一种可实现能量回馈的交流伺服驱动器，如图1或图2所示，包括功率单元和控制单元，功率单元包括依次连接的过压保护模块、噪声滤波器、三相输入交流电抗器、PFC校正再生制动模块和伺服驱动模块，过压保护模块、噪声滤波器、三相输入交流电抗器和PFC校正再生制动模块组成伺服电源，过压保护模块的输入端与三相交流电源连接，伺服驱动模块的输出端与电机连接，PFC校正再生制动模块与伺服驱动模块之间还设有软启动模块和储能滤波电容；控制单元包括数字信号处理器、接口电路模块、直流母线电压检测模块、电压采样模块和两个电流采样模块，接口电路模块设于数字信号处理器的PWM输出端并分别与PFC校正再生制动模块的输入端和伺服驱动模块的输入端连接，直流母线电压检测模块设于数字信号处理器的A/D输入端并分别与伺服驱动模块的输入端和PFC校正再生制动模块的输入端连接，电压采样模块设于数字信号处理器的A/D输入端并与三相输入交流电抗器的输入端连接，两个电流采样模块的采样值分别来源于PFC校正再生制动模块和伺服驱动模块；
功率单元中，过压保护模块用于检测三相交流电源的输出电压，防止电压过高，保证功率单元正常工作；噪声滤波器用于消除三相交流电在电网中产生的噪声；三相输入交流电抗器用于消除进出伺服电源的高次谐波和电网中谐波对伺服驱动模块的干扰以及伺服驱动模块对电网电压的污染；PFC校正再生制动模块用于调节整流后的直流母线电压到设定值，改善输入电路的功率因数值；伺服驱动模块用于实现对电机的速度、位置和电流的全数字化控制；软启动模块用于减小电机开机瞬间产生的冲击电流；储能滤波电容用于对整流形成的直流电压进行储能滤波，以给后极负载供给稳定平滑的电压；
控制单元中，数字信号处理器用于完成控制单元内各模块的运算控制、显示和连接通讯；接口电路模块用于将数字信号处理器产生的信号送入功率单元；直流母线电压检测模块用于检测直流母线电压的过压或欠压的情况，并将其信号输送给数字信号处理器；电压采样模块跟随电路对电网电压进行实时采样，并将信号输送给数字信号处理器，以使逆变产生的能量回馈时的电流和电网电压反相同频、整流时电流和电网电压同相同频；电流采样模块实时检测PFC校正再生制动模块输入端的电流或伺服驱动模块输出端的电流，并将其信号输送给数字信号处理器(即电流采样模块实时检测回馈逆变器的输出电流，检测值送入数字信号处理器，构成闭环控制回路，以控制回馈逆变器将功率回馈给电网；同时也可监测输入电流，防止输入电流过大超过整流桥所能负荷而烧毁；可以避免诸如因挂接负载(伺服驱动模块)过重、负载(伺服驱动模块)短路、输出配线短路等异常而造成对电源模块的损坏)。
上述结构中，PFC校正再生制动模块的输出端设有保护报警模块，保护报警模块的输出端与数字信号处理器的I/O端口连接。
数字信号处理器为DSP(本实施例所采用的型号为TMS320F2812)，DSP还与FPGA相连接。
数字信号处理器还连接有显示模块和数据储存模块；显示模块为LED显示面板，数据储存模块为EEPROM。
PFC校正再生制动模块的输入端通过DC/DC转换模块与开关电源连接。
电流采样模块由多个设于三相输入交流电抗器输出电路上的电流传感器组成，电压采样模块由多个设于三相输入交流电抗器输入端电路上的电压传感器组成，伺服电流检测模块由多个设于伺服驱动模块输出电路上的电流传感器组成。
电流采样模块由三个设于PFC校正再生制动模块输入电路上或两个设于伺服驱动模块输出电路上的电流传感器组成，电压采样模块由多个设于三相输入交流电抗器输入端电路上的电压传感器组成。
PFC校正再生制动模块和伺服驱动模块还分别与DC/DC转换电路相连。
本交流伺服驱动器使用时，其硬件系统的工作原理是：电网的三相交流电源接入后，首先经过过压保护模块和噪声滤波器，然后通过三相输入交流电抗器和PFC校正再生制动模块来进行功率因数校正和直流母线电压的提升，其后经过软启动模块、储能滤波电容、最后通过伺服驱动模块(IGBT)输出到电机。其中，能量从电源送往负载时，PFC校正再生制动模块工作在PFC整流状态，通过控制电路将输入电流控制成与电源电压同相位的正弦波；用PFC校正再生制动模块完成交流(AC)到直流(DC)的转换，调节整流后的直流母线电压到需要值，同时可以大大改善输入电路的功率因数值；采用三相输入交流电抗器以维持轻载时电流连续、改善谐波干扰以及交流电源输入端的功率因数值(PF)，同时也保证输出的直流电压Vdc稳定，且具有较好的动态响应特性；能量从负载送往电源时，PFC校正再生制动模块工作在能量回馈状态，通过控制单元将输入电流控制成与电源电压反相位的正弦波；
本交流伺服驱动器使用时，其软件算法具体为：PFC校正再生制动模块主要是由直流母线电压环和电流环组成，外环是直流母线电压环，内环是电流环；为了保证电压和电流同步，必需要对三相输入电压进行鉴相；为了保持直流母线稳定，必需要对直流母线电压进行采样；采样后通过电压PI调节器，输出电流指令，再对输入的电流进行采样，把电流反馈和指令进行调节，最后通过IPM(IGBT，即PFC校正再生制动模块)的PWM调制成与输入电压同步的正弦电流；PFC校正再生制动模块可实现整流和能量回馈的功能，实现能量的双向自由流动。PFC校正再生制动模块的控制有两个闭环：直流母线电压Vdc反馈经过电压调节器以保证输出电压恒定，电压调节器的输出作为正弦电流给定的幅值；而正弦电流给定的相位则是根据三相输入电压推导，对三相输入电压进行采样并进行归一化处理，得到与三相输入电压同相位的正弦波信号并与电流幅值给定Im相乘，即可得到最终三相输入电流的给定波形
Figure BDA0000029398770000071
和
Figure BDA0000029398770000072
将此给定与实际的输入电流波形相比较，利用PWM调制产生控制信号，这样三相PWM整流电路不仅能够保证最终三相输入电流与三相输入电压同步正弦，还能保证直流母线保持一定的恒定值；当负载回馈能量时，必然使直流母线电压Vdc大于给定值，电压调节器的输出信号值与整流状态时极性相反，从而电流的给定波形
Figure BDA0000029398770000073
和
Figure BDA0000029398770000074
相位也与整流状态时相反(即差180度)，PWM调制结果使输入电流相位正好与电网电压反相，表示电源吸收能量，同时电流波形也是正弦的，功率因数也是接近1。
将本实施例的交流伺服驱动器用于驱动30KW的电机时，电机在额定转速、额定转矩的条件下运行，经过PFC整流后，其相电流波形呈现明显的正弦波状。而采用目前的常用的交流伺服驱动器驱动30KW的电机时，电机在额定转速、额定转矩的条件下运行，未经过PFC整流，其相电流波形为非正弦波状。
如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (8)

1.可实现能量回馈的交流伺服驱动器，其特征在于，包括功率单元和控制单元，功率单元包括依次连接的过压保护模块、噪声滤波器、三相输入交流电抗器、PFC校正再生制动模块和伺服驱动模块，过压保护模块、噪声滤波器、三相输入交流电抗器和PFC校正再生制动模块组成伺服电源，过压保护模块的输入端与三相交流电源连接，伺服驱动模块的输出端与电机连接，PFC校正再生制动模块与伺服驱动模块之间还设有软启动模块和储能滤波电容；控制单元包括数字信号处理器、接口电路模块、直流母线电压检测模块、电压采样模块和两个电流采样模块，接口电路模块设于数字信号处理器的PWM输出端并分别与PFC校正再生制动模块的输入端和伺服驱动模块的输入端连接，直流母线电压检测模块设于数字信号处理器的A/D输入端并分别与伺服驱动模块的输入端和PFC校正再生制动模块的输入端连接，电压采样模块设于数字信号处理器的A/D输入端并与三相输入交流电抗器的输入端连接，两个电流采样模块的采样值分别来源于PFC校正再生制动模块和伺服驱动模块；
功率单元中，过压保护模块用于检测三相交流电源的输出电压，防止电压过高，保证功率单元正常工作；噪声滤波器用于消除三相交流电在电网中产生的噪声；三相输入交流电抗器用于消除进出伺服电源的高次谐波和电网中谐波对伺服驱动模块的干扰以及伺服驱动模块对电网电压的污染；PFC校正再生制动模块用于调节整流后的直流母线电压到设定值，改善输入电路的功率因数值；伺服驱动模块用于实现对电机的速度、位置和电流的全数字化控制；软启动模块用于减小电机开机瞬间产生的冲击电流；储能滤波电容用于对整流形成的直流电压进行储能滤波，以给后极负载供给稳定平滑的电压；
控制单元中，数字信号处理器用于完成控制单元内各模块的运算控制、显示和连接通讯；接口电路模块用于将数字信号处理器产生的信号送入功率单元；直流母线电压检测模块用于检测直流母线电压的过压或欠压的情况，并将其信号输送给数字信号处理器；电压采样模块跟随电路对电网电压进行实时采样，并将信号输送给数字信号处理器，以使逆变产生的能量回馈时的电流和电网电压反相同频、整流时电流和电网电压同相同频；电流采样模块实时检测PFC校正再生制动模块输入端的电流或伺服驱动模块输出端的电流，并将其信号输送给数字信号处理器。
2.根据权利要求1所述可实现能量回馈的交流伺服驱动器，其特征在于，所述PFC校正再生制动模块的输出端设有保护报警模块，保护报警模块的输出端与数字信号处理器的I/O端口连接。
3.根据权利要求1所述可实现能量回馈的交流伺服驱动器，其特征在于，所述数字信号处理器为DSP，DSP还与FPGA相连接。
4.根据权利要求1所述可实现能量回馈的交流伺服驱动器，其特征在于，所述数字信号处理器还连接有显示模块和数据储存模块。
5.根据权利要求4所述可实现能量回馈的交流伺服驱动器，其特征在于，所述显示模块为LED显示面板，数据储存模块为EEPROM。
6.根据权利要求1所述可实现能量回馈的交流伺服驱动器，其特征在于，所述PFC校正再生制动模块的输入端通过DC/DC转换模块与开关电源连接。
7.根据权利要求1所述可实现能量回馈的交流伺服驱动器，其特征在于，所述电流采样模块由三个设于PFC校正再生制动模块输入电路上或两个设于伺服驱动模块输出电路上的电流传感器组成。
8.根据权利要求1所述可实现能量回馈的交流伺服驱动器，其特征在于，所述PFC校正再生制动模块和伺服驱动模块还分别与DC/DC转换电路相连。
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