CN102001189B - 一种应用于机械曲柄压力机的交流伺服主驱动系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种应用于机械曲柄压力机的交流伺服主驱动系统，包括整流单元、制动单元、充电限流单元、储能电容箱、逆变单元、电流反馈单元、控制单元、信号接口及处理单元，电气设备外部供电单元经过整流单元、制动单元、储能电容箱、逆变单元向伺服电机供电，整流单元与制动单元之间设置充电限流单元，逆变单元至伺服电机的连接电路上设置电流反馈单元，整流单元、充电限流单元、制动单元、电流反馈单元分别设有一路输出至信号接口及处理单元。本发明能量来自于储能电容箱，在无须增加外部电气设备的供电容量前提下即可直接驱动伺服电机，进而直接驱动曲柄；通过直流母线电压的检测及补偿算法的应用，可以抵消波动对控制的扰动，改善控制效果。

Description

一种应用于机械曲柄压力机的交流伺服主驱动系统的控制方法

技术领域

本发明是一种伺服驱动器，应用于曲柄压力机驱动曲柄，为一种应用于机械曲柄压力机的交流伺服主驱动系统。 

背景技术

伺服驱动系统应用于曲柄压力机直接驱动曲柄，代表了曲柄压力机的发展方向。伺服驱动器通过上位控制系统的速度或位置指令控制伺服电机驱动偏心旋转机构，经由连杆或联杆机构将该偏心旋转机构的旋转动力传递给滑块，以驱动该滑块上下运动。通用伺服驱动器通过减速机构降低转速进而提高扭矩的方式驱动曲柄，其具有以下问题： 

1)由于存在减速机构进而引入的间隙误差影响到滑块运动的控制精度；如往复摆动，这是伺服压力机比较普遍的工作曲线，由于减速机构中齿轮咬合的间隙导致其从正传至反转的过程中必然有一段是伺服弥补间隙而滑块未有位移的过程，这直接影响到滑块单边的定位，也就是伺服无法准确的控制滑块运动的精度。 

2)由于没有飞轮储能，其需要伺服驱动器瞬时输出足够大的电流以驱动伺服电机输出对应的扭矩，而能够达到要求的通用伺服驱动器功率通常又远远大于普通异步电机的功率，对电气设备的供电容量提出特别要求。 

发明内容

本发明要解决的问题是：提供一种应用于曲柄压力机直接驱动曲柄的伺服驱动器，能够克服上述通用伺服驱动器存在的问题，进一步提升控制精度、提高工作效率，降低非工作能耗。 

本发明的技术方案为：一种应用于机械曲柄压力机的交流伺服主驱动系统，设置在上位控制系统与伺服电机之间，电气设备外部供电单元提供电源，所述伺服驱动器包括整流单元、制动单元、充电限流单元、储能电容箱、逆变单元、电流反馈单元、控制单元、信号接口及处理单元，信号接口及处理单元为控制单元的一部分，上位控制系统的控制指令经过信号接口及处理单元输入伺服电机，电气设备外部供电单元经过整流单元、制动单元、储能电容箱、逆变单元向伺服电机供电，整流单元与制动单元之间设置充电限流单元，逆变单元至伺服电机的连接电路上设置电流反馈单元，整流单元、充电 限流单元、制动单元、电流反馈单元分别设有一路输出至信号接口及处理单元。 

储能电容箱内设有储能电容，逆变单元内设有逆变器，储能电容通过层叠式直流母线结构，简称层叠母线与逆变器连接，储能电容箱内还设有直流母线电压检测电路，检测层叠母线电压，并输出至信号接口及处理单元。 

作为优选方式，储能电容箱含有6个储能电容，逆变单元含有4个逆变器，其中三个逆变器用于三相逆变，另外一个连接制动单元，储能电容平均分配给用于三相逆变的3个逆变器，逆变器与储能电容按照纵向串行排布，两个储能电容串联构成一组电容模块，所述电容模块置于逆变器的动力端子侧；层叠母线正、负极平行排布，中心点紧贴，边缘对齐。 

进一步的，本发明对储能电容设定保护电容动作的阈值范围： 

1)储能电容箱所配储能电容的额定工作电压决定保护电容动作的阈值最大值； 

2)曲柄压力机的滑块接触工件工作时，伺服电机的转速对应一反电动势，保护电容动作的阈值最小值至少大于所述反电动势10V； 

3)由储能电容容量C决定的储能电容箱瞬时能够输出最大的电能为 

储能电容箱瞬时输出最大电能为曲柄压力机设计冲压能量的105～110％。 

进一步的，将实时直流母线电压与设定的直流母线电压标准值比较后得到一补偿系数，输入控制单元，将控制单元PWM输出的占空比乘以此系数输出后，再通过逆变器输出电流以控制伺服电机，实现将储能电容箱的能量更多的释放到伺服电机上，缩短控制的响应，所述补偿系数＝实时直流母线电压值/直流母线的标准值，实时直流母线电压值通过实际检测得到，直流母线电压的标准值为三相380V经整流后的值：380*1.414＝537V。 

本发明特别设置了储能电容箱，周期性的从外部获取能量，存储备用，为后级的逆变单元储存能量。通过整流单元的整流及储能电容的平滑，在储能电容上得到接近于直流的电压。储能电容箱设有直流母线电压检测电路，实时检测直流母线电压；通过低分布电感的层叠式直流母线结构连接逆变单元与储能电容，并通过三者之间合理的布置最大限度的降低分布电感，低分布电感有利于降低由于逆变单元功率器件开关产生的脉动电压，脉动电压为L*di/dt，其中L为母线的杂散电感，功率器件开关会产生电流尖刺，而且随着输出电流增大，载波频率升高，电流变化率di/dt也越大，过高的脉动电压会对母线上工作的器件产生电应力损伤，抑制脉动电压可以很好的延长器件寿命，提高其 工作的可靠性。通过对直流母线电压实时检测，一方面可以完整的描绘实际工况条件下直流母线电压的波动，而后通过设置合理的保护电容动作的阈值，蓄积供电电源及伺服电机制动回馈的电能，以提供逆变单元瞬时输出的电能；另一方面可以通过补偿算法将直流母线电压折算到PWM占空比的参数中，提高控制的响应周期及精度。 

本发明的优点是：1、能量来自于储能电容箱，因此在无须增加外部电气设备的供电容量前提下即可直接驱动伺服电机，进而直接驱动曲柄；2、由于逆变单元瞬时大电流的输出，会使直流母线电压产生比较明显的波动，通过直流母线电压的检测及补偿算法的应用，可以抵消波动对控制的扰动，从而改善控制效果。 

附图说明

图1为本发明的电气框图。 

图2为本发明的储能电容箱、逆变单元及层叠母线局部设计示意图。 

图3为本发明母线电压检测电路的信号采集电路原理图。 

图4为本发明母线电压检测电路的信号调理电路原理图。 

具体实施方式

本发明提供一种应用于机械曲柄压力机的交流伺服主驱动系统。该伺服驱动器配合伺服电机可直接取代离合器与大转动惯量飞轮的传统压力机工作方式，配合上位控制系统可以完成复杂的加工曲线。 

如图1，本发明设置在上位控制系统与伺服电机之间，电气设备外部供电单元提供电源，所述伺服驱动器包括整流单元、制动单元、充电限流单元、储能电容箱、逆变单元、电流反馈单元、控制单元、信号接口及处理单元，电气设备外部供电提供交流电源经整流单元转变为直流电源，直流电源经由控制单元给定的PWM控制信号控制的逆变单元转变为电压可调的交流电源以驱动伺服电机。充电限流单元限制储能电容充电瞬间的大电流。当直流母线电压过高时，制动单元动作将电能通过电阻消耗。电流反馈单元采集伺服电机的相电流并送到控制单元处理。 

储能电容箱内的储能电容通过层叠式直流母线结构，简称层叠母线与逆变单元内的逆变器连接，如图2。储能电容箱内设有直流母线电压检测电路，检测直流母线电压，输出至信号接口及处理单元。储能电容箱含有多个储能电容，逆变单元含有多个逆变器，且储能电容平均分配给各逆变器，逆变器与储能电容按照纵向串行排布；层叠母线按照 正、负极平行排布，边缘对齐。储能电容串联连接，储能电容的位置紧靠逆变器。 

本发明包括以下特点1)、具有直流母线电压实时检测的储能电容箱；2)、逆变单元与储能电容、层叠母线的低分布电感设计。本发明无须增加电气设备的供电容量；几乎可以设定任意的加工曲线，提高工作效率，节能且经济可行。 

本发明储能电容箱的直流母线电压检测电路采用霍尔效应电流传感器，串联在层叠母线中电阻的电流流经霍尔效应电流传感器原边，在副边产生对应比例的电流，流经直流母线电压检测电路的检测电阻R51，如图3的信号采集电路，产生检测电压经调理滤波电路，如图4的信号调理电路，进入控制单元的信号接口及处理单元，控制单元采用DSP，信号接口采用A/D端口，控制单元定时读取电压数据作为直流母线电压的实时数据。 

本发明对储能电容设置工作电压，可根据如下条件设定保护储能电容的动作阈值范围，即确定最大值与最小值： 

1)储能电容箱所配储能电容的额定工作电压决定保护电容动作的阈值最大值； 

2)曲柄压力机的滑块接触工件工作时伺服电机的转速，对应此时的反电动势，直流母线电压的阈值最小值必须至少大于其10V，也就是保护电容动作的阈值最小值至少大于所述反电动势10V，保证其PWM调节时死区对于实际输出电压的衰减； 

3)由储能电容容量C决定的储能电容箱瞬时能够输出最大的电能为 

储能电容箱瞬时输出最大电能为曲柄压力机设计冲压能量的105～110％。 

由上面3个条件确定合适的保护电容动作的阈值最大值和最小值，得到阈值范围。 

通常伺服驱动器将上位控制系统的控制信号转换为伺服电机动作信号时采用的控制算法是基于直流母线电压恒定的前提下，设定一个恒定的直流母线电压作为标准值调节PWM输出的占空比。由于曲柄压力机比较特殊的工况，要求伺服驱动器必须瞬时输出很大的电流驱动伺服电机以达到响应的要求。这样会引起储能电容箱中直流母线电压比较明显的波动，这使得通过逆变器按照标准占空比输出的电流波形达不到预期的标准波形，需要控制单元对电流采样后通过若干电流周期的调节达到预期效果。这样会延长伺服电机的响应，削弱控制效果。 

本发明储能电容箱一方面可以提供伺服电机瞬时响应的大电流，并最大程度的削弱对直流母线电压的明显扰动；另一方面将实时直流母线电压与设定的直流母线电压标准值比较后得到一补偿系数，将PWM输出的占空比乘以此系数输出后，再通过逆变器输 出电流以控制伺服电机，也就是补偿PWM占空比后，实现将储能电容箱的能量更多的释放到伺服电机上，缩短控制的响应。如，补偿后的PWM占空比通过占空比的增加就可以弥补由于直流母线电压低于标准值而在伺服电机绕组上得到的低于标准值的电流波形，从而补偿了由于直流母线电压波动对控制的扰动。 

参照图2，本发明的伺服驱动器将储能电容平均分配给逆变单元的各逆变器，使得每个逆变器能够获取的能量比较均衡，实现时应根据逆变单元的结构选择储能电容的数量，例如，选择单桥臂逆变单元，所述单桥臂逆变单元由两个IGBT上下串联而成。最佳的储能电容数量应为6的倍数。此外，采用层叠母线连接储能电容和逆变器，层叠母线的正极、负极及中心点紧贴，几乎没有分布电感，且驱动伺服电机的电流流经的回路面积也最小。由于储能电容耐压有限，需要串联使用。串联的储能电容紧靠逆变单元的驱动模块，不仅可以缩短连接储能电容与驱动模块之间层叠母线的长度，有利于减小分布电感；同时减小驱动伺服电机电流流经的回路减小对外辐射干扰。 

Claims (3)

1.一种应用于机械曲柄压力机的交流伺服主驱动系统的控制方法，所述交流伺服主驱动系统设置在上位控制系统与伺服电机之间，电气设备外部供电单元提供电源，其特征是所述交流伺服主驱动系统包括整流单元、制动单元、充电限流单元、储能电容箱、逆变单元、电流反馈单元、控制单元、信号接口及处理单元，信号接口及处理单元为控制单元的一部分，上位控制系统的控制指令经过信号接口及处理单元输入伺服电机，电气设备外部供电单元经过整流单元、制动单元、储能电容箱、逆变单元向伺服电机供电，整流单元与制动单元之间设置充电限流单元，逆变单元至伺服电机的连接电路上设置电流反馈单元，整流单元、充电限流单元、制动单元、电流反馈单元分别设有一路输出至信号接口及处理单元；储能电容箱内设有储能电容，逆变单元内设有逆变器，储能电容通过层叠式直流母线结构，简称层叠母线与逆变器连接，储能电容箱内还设有直流母线电压检测电路，检测层叠母线电压，并输出至信号接口及处理单元；

将实时直流母线电压与设定的直流母线电压标准值比较后得到一补偿系数，输入控制单元，将控制单元PWM输出的占空比乘以此系数输出后，再通过逆变器输出电流以控制伺服电机，实现将储能电容箱的能量更多的释放到伺服电机上，缩短控制的响应，所述补偿系数＝实时直流母线电压值/直流母线的标准值，实时直流母线电压值通过实际检测得到，直流母线电压的标准值为三相380V经整流后的值：380*1.414＝537V。

2.根据权利要求1所述的一种应用于机械曲柄压力机的交流伺服主驱动系统的控制方法，其特征是储能电容箱含有6个储能电容，逆变单元含有4个逆变器，其中三个逆变器用于三相逆变，另外一个连接制动单元，储能电容平均分配给用于三相逆变的3个逆变器，逆变器与储能电容按照纵向串行排布，两个储能电容串联构成一组电容模块，所述电容模块置于逆变器的动力端子侧；层叠母线正、负极平行排布，中心点紧贴，边缘对齐。

3.根据权利要求1或2所述的一种应用于机械曲柄压力机的交流伺服主驱动系统的控制方法，其特征是根据以下条件，对储能电容设定保护电容动作的阈值范围：

1）储能电容箱所配储能电容的额定工作电压决定保护电容动作的阈值最大值；

2）曲柄压力机的滑块接触工件工作时，伺服电机的转速对应一反电动势，保护电容动作的阈值最小值至少大于所述反电动势10V；

3）由储能电容容量C决定的储能电容箱瞬时能够输出最大的电能为储能电容箱瞬时输出最大电能为曲柄压力机设计冲压能量的105～110%。

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