CN102904429B - 交流伺服驱动器母线电压的软启动方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流伺服驱动器直流母线的软启动方法，包括：根据三相交流电压获得等周期的同步脉冲信号，该同步脉冲信号的上升沿对应的时刻即为三相交流电压任一个周期的起始时刻；判断输入的三相交流电压的相序，并根据相序确定出三相交流电压中任一相在三相半控整流桥中所对应的可控硅；根据三相交流电压中该任一相的起始时刻，逐步减小其对应的可控硅的移相触发角，并在相应的移相触发角时刻控制所述对应的可控硅导通，使得直流母线的电压逐渐上升，实现软启动。本发明还公开了一种实现软启动的装置。本发明的母线排结构紧凑，减小了驱动器的体积，另外采用FPGA控制软启动过程，省去了专用的集成控制芯片，抗干扰性强、适用范围广。

Description

交流伺服驱动器母线电压的软启动方法及装置

技术领域：

本发明涉及交流伺服驱动器领域，具体涉及到交流伺服驱动器母线电压的软启动方法及装置。

背景技术

目前，交流伺服电机广泛地应用在工业的各个领域，交流伺服电机的控制需要使用交流伺服驱动器。在通用交流伺服驱动器中，一般采用交流—直流—交流的结构，即两相或者三相交流输入电压经过二极管等整流装置转化成直流，在直流正负母线之间，根据伺服驱动器的功率，并连一定容量的滤波电容，它具有滤波和储存能量的作用。当驱动器功率较大的时候，直流侧的滤波电容容量很大。在驱动器上电的一瞬间，为了防止过大的充电电流对驱动器中的保险管、铜排、印制电路板上的导线等造成损坏，同时也为了保护驱动器的整流器件和母线的滤波电容，必须限制上电一瞬间的充电电流。

目前，最常用的软启动方案是在母线充电回路中，串联一定阻值的热敏电阻，如图1。上电后，交流输入电压经过不控整流，再通过串接在母线上的热敏电阻对母线滤波电容进行缓慢充电。当充电结束后，与热敏电阻并联的继电器或者可控硅模块将热敏电阻短路，驱动器进入正常工作状态。该方案的缺点是需要在母线排上串接热敏电阻，这增加了母线排设计的难度和复杂度。此外，和热敏电阻并联的继电器或者可控硅，增加了驱动器的体积，并且使系统的可靠性降低。当驱动器的功率较大时，难以找到合适的继电器。

除此之外，还有另外一种母线电压软启动方式，即整流采用半控整流的方式，通过控制半控整流桥的可控硅开通和关断，控制启动时母线的电流。它省去了母线上的热敏电阻和与热敏电阻并联的继电器或可控硅，使得驱动器结构紧凑，系统更加安全可靠。法国施耐德公司推出的变频器ATV58系列变频器，内部就使用了这种软启动的方式。在软启动过程中，它采用了专用的集成芯片控制半控整流桥。这种方式比较可靠，但是集成芯片外围电路比较复杂，集成芯片价格昂贵，因此，难以在较大范围得到推广使用。

发明内容

本发明的目的之一是提出了一种在大功率交流伺服驱动器母线电压的软启动方法，采用三相半控整流和可控硅移相触发的方法，使用通用的数字控制器控制半控整流桥，从而对直流母线电压进行充电。本发明解决了传统方法中驱动器母线排设计困难、结构冗余的缺点，具有结构紧凑、可靠性高和易于推广的突出特点，可以有效地解决在电网电压不平衡时的缺相和相序检测问题，可靠性高，实用性强。

本发明解决其技术问题采用的方案如下：

一种交流伺服驱动器直流母线的软启动方法，利用三相半控整流桥的其中任一相的可控硅对母线电压进行控制，实现直流母线的软启动，其具体包括：

确定输入的三相交流电压任一个周期的起始时刻，即：根据三相交流电压获得等周期的同步脉冲信号，同步脉冲信号的上升沿对应的时刻即为相电压的正向过零点的时刻，也即三相交流电压任一个周期的起始时刻。

判断输入三相交流电压的相序，并根据相序确定出三相交流电压中任一相在所述三相半控整流桥中所对应的可控硅；

根据三相交流电压中该任一相的起始时刻，逐步减小其对应的可控硅的移相触发角，并在相应的移相触发角时刻控制所述对应的可控硅导通，使得直流母线的电压逐渐上升，实现软启动。

作为本发明的改进，所述判断输入三相交流电压的相序的具体过程为：

将三相交流电压的电压周期平均分成六个子周期，每个子周期中所述三路同步脉冲存在一个状态组合，根据六个子周期对应的六个状态组合出现的顺序，即可判断出三相交流电压的相序。

作为本发明的改进，在相应的移相触发角时刻产生触发脉冲串，从而控制所述对应的可控硅导通。

作为本发明的改进，所述触发脉冲串先进行隔离和功率放大后，再触发可控硅导通。

本发明的目的之二在于提出一种交流伺服驱动器直流母线的软启动装置，其利用三相半控整流桥的其中任一相的可控硅对母线电压进行控制，实现直流母线的软启动，具体包括：

同步脉冲信号生成模块，其根据输入的三相交流电压产生等周期的同步脉冲信号；

同步脉冲信号相位检测模块，其用于确定所述同步脉冲信号的上升沿，进而获得三相交流电压的正向过零点的时刻；

同步脉冲信号相序检测模块，其用于判断输入三相交流电压的相序，并根据相序确定出三相交流电压中任一相在所述三相半控整流桥中所对应的可控硅；

触发脉冲产生模块，其根据设定的逐步减小的移相触发角产生相应的触发脉冲串，控制对应的可控硅导通，使得直流母线的电压逐渐上升，实现软启动。

作为本发明的改进，该装置还包括隔离和功率放大模块，其用于对触发脉冲串进行隔离和功率放大后，再触发可控硅导通。

本发明中的相序可以为正序或逆序。

本发明检测出输入交流电压的相序和相位，移相角生成模块利用相序和相位，产生移相脉冲触发脉冲，触发脉冲经过最后的脉冲功率放大模块驱动可控硅，完成对可控硅的控制，实现半控整流和软启动过程。

本发明中可控硅的移相触发角，可以通过设定一些固定的导通角开环控制，也可以通过检测母线电压，根据母线电压反馈的瞬时值计算可控硅的导通角，实现闭环控制。

本发明中的输入交流电压经过电阻分压、二极管整流和电压比较器，比较器的输出经过光耦隔离，光耦的输出引脚输出的信号即为与三相输入交流电压等周期的周期性脉冲信号。同步脉冲信号的上升沿对应着相电压的正向过零点，下降沿对应着相电压的负向过零点。

本发明中三路周期性同步脉冲信号的状态组合，将一个电压周期分成六个小的周期，六个小周期对应着三路同步脉冲六种不同的状态组合。没有三相输入电压的情况下，记为状态0。根据七种状态出现的顺序，可以判断输入三相电压的相序，即正序、逆序或者三相输入电压异常。

本发明中根据所述同步脉冲信号正向过零点，确定输入相电压一个周期的起始时刻。根据检测的输入电压相序判断，当三相输入电压正常时，开始产生触发脉冲，三相半控整流桥工作。在软启动的过程中，只需要控制某一相可控硅导通即可。为了防止软启动充电电流过大，控制可控硅的触发控制角缓慢减小，从而使母线电压逐渐上升。

本发明中根据得到的移相角，控制脉冲串在一个周期的起始时刻。在本发明中，可以采用FPGA产生脉冲串触发可控硅。每个脉冲串有几个周期的方波，方波的频率根据脉冲信号的幅值和脉冲变压器的参数参数确定。

本发明中得到的脉冲信号可以经过光耦进行功率放大，然后通过通过脉冲变压器与可控硅模块相连接。

本发明控制电路简单可靠，不需要热敏电阻，母线排结构紧凑，减小了驱动器的体积，另外采用FPGA控制软启动过程，省去了专用的集成控制芯片，抗干扰性强、适用范围广，可以推广至其它种类例如单片机、ARM等数字控制器。的。

附图说明

下面将结合附图及实施方式对本发明做进一步说明，附图中：

图1是现有技术中的交流伺服驱动器中三相整流和软启动电路示意图，R、S、T是三相输入交流电压，P表示直流母线的正极，N表示直流母线的负极。

图2是本实施例各个不同模块之间连接图和整流电路图。R、S、T是三相输入交流电压，G1、K1表示R相对应的桥臂的可控硅的栅极和阴极，G2、K2表示S相对应的桥臂的可控硅的栅极和阴极，G3、K3表示T相对应的桥臂的可控硅的栅极和阴极。

图3是本实施例的同步信号检测电路，R、S、T是三相输入交流电压，Rin、Sin和Tin表示三相交流输入电压经过同步信号检测模块之后的脉冲信号。

图4是本实施例三相输入R、S和T相序为正序时，根据三相同步脉冲信号Rin、Sin和Tin将一个交流电压周期分成六个状态Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6的示意图。六个不同时间段内不同的三路脉冲信号对应着特定的状态。纵坐标表示幅值，单位为伏V。横坐标表示时间，单位是秒S。

图5是本实施例三相输入R、S和T相序为反序时，根据三相同步脉冲信号Rin、Sin和Tin将一个交流电压周期分成六个状态Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6的示意图。六个不同时间段内不同的三路脉冲信号对应着特定的状态。纵坐标表示幅值，单位为伏V。横坐标表示时间，单位是秒S。

图6是本实施例的正序和反序的状态机示意图。不同的相序，六个不同的状态转换顺序不一样。其中，001、100和010等表示三相同步脉冲信号Rin、Sin和Tin的状态值。0表示该相脉冲信号为低电平，1表示该相脉冲信号为高电平。

图7是本实施例的三相输入电压R、S、T和R相触发脉冲波形示意图。A点表示发控制角α为120°的时刻，B点表示触发控制角α为210°的时刻。纵坐标表示幅值，单位为伏V。横坐标表示时间，单位是秒S。

图8是本实施例方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细介绍。但是，下述实施例仅是说明性的，并不构成对本发明的限定。

本实施例的交流伺服驱动器直流母线的软启动方法包括：

步骤1：产生和三相交流电压等周期的同步脉冲信号。

如图3，输入交流电压R、S、T经过电阻分压、二极管整流和比较器，比较器的输出经过光耦隔离，光耦的输出引脚Rin、Sin、Tin输出周期性的脉冲信号，见图4。当某一相电压为正时，该相光耦输出半个周期的高电平，当该相电压为负时，该相光耦输出半个周期的低电平。

步骤2：确定输入的三相交流电压任一个周期的起始时刻，即：根据三相交流电压获得等周期的同步脉冲信号，同步脉冲信号的上升沿对应的时刻即为相电压的正向过零点的时刻，也即三相交流电压任一个周期的起始时刻。

步骤3：检测输入三相交流电压的相序，并根据相序确定出三相交流电压中任一相在所述三相半控整流桥中所对应的可控硅。

在实际情况中，三相输入电压连接的顺序可能出现两种情况：正序（如图4）和反序（如图5）。当三相输入电压的相位是A、B、C时，即A的相位超前B的相位120°,B的相位超前C的相位120°，为正相序。当三相输入电压的相位是A、C、B时，即A的相位超前C的相位120°,C的相位超前B的相位120°，为反向序。在输入交流电源的一个周期，根据三个光耦输出的周期性同步脉冲信号Rin、Sin、Tin的高低电平，可以将一个周期平均分成六个子周期，每个子周期中三路同步脉冲存在一个状态组合，将这六种状态编码为1、2、3、4、5、6。当没有三相输入的情况下，记为状态0。根据七种状态出现的顺序，可以判断输入三相电压的相序。光耦的同步脉冲输出信号Rin、Sin、Tin连接至数字控制器的引脚，在数字控制器中采用了状态机的方法，对实时状态进行检测。根据检测，判断三相输入相序。如果检测到光耦输出不是1、2、3、4、5、6这六种状态或者是几种状态出现的顺序和正序反序都不一致，则可能是没有输入或者是某一相电压缺失，状态值为0。相序检测的具体算法见图6。

步骤4：根据三相交流电压中任一相的起始时刻，逐步减小其对应的可控硅的移相触发角α，并在相应的移相触发角α时刻产生触发脉冲串。可以设定一些固定的导通角开环控制，也可以通过检测母线电压，根据母线电压反馈的瞬时值计算可控硅的导通角，实现闭环控制。

当同步信号检测模块和相序检测模块检测到三相输入电压正常时，开始触发可控硅导通，三相半控整流模块工作。在软启动的过程中，只需要控制某一相可控硅导通即可。为了防止软启动充电电流过大，控制可控硅的触发控制角α从210°到120°缓慢减小，触发控制角的范围为90°。如图7，A点对应触发控制角α为120°，B点对应触发控制角α为210°，在软启动的过程中，移相触发脉冲从B点不断地往A点移动。

步骤5：触发脉冲串先进行隔离和功率放大后，再触发可控硅导通。数字控制器产生的脉冲信号经过光耦进行功率放大，然后通过通过脉冲变压器与可控硅模块相连。

本实施例的交流伺服驱动器直流母线的软启动装置包括五个具体的模块：同步脉冲信号生成模块、同步脉冲信号相位检测模块、同步脉冲信号相序检测模块、触发脉冲产生模块和脉冲信号隔离和功率放大模块。

该装置根据同步信号检测和电网相序模块检测出输入交流电压的相序和相位，移相角生成模块利用相序和相位产生移相脉冲触发脉冲，触发脉冲经过最后的脉冲功率放大模块驱动可控硅，完成对可控硅的控制，实现半控整流和软启动过程。各个模块的功能如下：

同步脉冲信号生成模块，用于产生和三相交流电压等周期的同步脉冲信号。

如图3，同步脉冲信号生成模块包括三路分别依次串联的电阻、二极管、比较器和光耦隔离器，三路输入交流电压R、S、T经过电阻分压、二极管整流和比较器，比较器的输出经过光耦隔离，光耦的输出引脚Rin、Sin、Tin输出周期性的脉冲信号，见图4。当某一相电压为正时，该相光耦输出半个周期的高电平，当该相电压为负时，该相光耦输出半个周期的低电平。

同步脉冲信号相位检测模块，用于确定输入的三相交流电压任一个周期的起始时刻，即：根据三相交流电压获得等周期的同步脉冲信号，同步脉冲信号的上升沿对应的时刻即为相电压的正向过零点的时刻，也即三相交流电压任一个周期的起始时刻。

同步脉冲信号相序检测模块，用于检测接入驱动器输入端三相电压的相序，并根据相序确定出三相交流电压中任一相在所述三相半控整流桥中所对应的可控硅。

在实际情况中，三相输入电压连接的顺序可能出现两种情况：正序（如图4）和反序（如图5）。当三相输入电压的相位是A、B、C时，为正相序，当三相输入电压的相位是A、C、B时，为反向序。在输入交流电源的一个周期，根据三个光耦输出Rin、Sin、Tin的高低电平，可以将一个周期分为六种状态，将这六种状态编码为1、2、3、4、5、6。当没有三相输入的情况下，记为状态0。根据七种状态出现的顺序，可以判断输入三相电压的相序。光耦输出的同步脉冲信号Rin、Sin、Tin连接至数字控制器的引脚。在数字控制器中采用了状态机的方法，对实时状态进行检测。根据检测，判断三相输入相序。如果检测到光耦输出不是1、2、3、4、5、6这六种状态或者是几种状态出现的顺序和正序反序都不一致，则可能是没有输入或者是出现了缺相现象，状态值为0。其中，具体算法见图6。

触发脉冲产生模块，用于计算可控硅的触发控制角。可以设定一些固定的导通角开环控制，也可以通过检测母线电压，根据母线电压反馈的瞬时值计算可控硅的导通角，实现闭环控制。

当同步信号检测模块和相序检测模块检测到三相输入电压正常时，开始触发可控硅导通，三相半控整流模块工作。在软启动的过程中，只需要控制某一相可控硅导通即可。在本方案中，软启动时，触发A相可控硅导通。为了防止软启动充电电流过大，控制可控硅的触发控制角α从210°到120°缓慢减小，触发控制角的范围为90°。如图7，A点对应触发控制角α为120°，B点对应触发控制角α为210°，在软启动的过程中，移相触发脉冲从B点不断地往A点移动。

在母线电压上升的过程中，对母线电压进行采样，根据设定的的软启动控制规律来控制触发控制角α。触发控制角α有两种方法控制：开环控制和闭环控制。开环控制不需要对母线电压进行采样，预先在程序中设定一系列的随时间逐渐减小的触发控制角。闭环控制根据检测到的母线电压，与程序中给定的母线电压进行比较，得出误差，利用误差对触发控制角进行控制，实现软启动过程中母线电压的PID控制。

对于可控硅模块，采用脉冲串进行触发。每个脉冲串有4个周期的方波，方波的频率为10kHz，如图7所示。

脉冲信号隔离和功率放大模块，用于将移相角生成模块产生的触发脉冲进行功率放大，用放大后的触发脉冲即可可靠地触发可控硅模块。采用光耦和脉冲变压器进行功率放大。FPGA发送的脉冲信号经过光耦进行功率放大，然后通过通过脉冲变压器与可控硅模块相连。

Claims (4)

1.一种交流伺服驱动器直流母线的软启动方法，利用三相半控整流桥其中任一相的可控硅对母线电压进行控制，实现直流母线的软启动，其特征在于，该方法具体包括：

确定输入的三相交流电压任一个周期的起始时刻，即：根据三相交流电压获得等周期的同步脉冲信号，其中所述输入的三相交流电压经过电阻分压、二极管整流和电压比较器后的输出信号经光耦隔离，光耦输出的信号即为与三相输入交流电压等周期的同步脉冲信号，该同步脉冲信号的上升沿对应的时刻即为相电压的正向过零点的时刻，也即三相交流电压任一个周期的起始时刻；

判断输入的三相交流电压的相序，并根据相序确定出三相交流电压中任一相在所述三相半控整流桥中所对应的可控硅；

根据所述三相交流电压中该任一相的起始时刻，逐步减小其对应的可控硅的移相触发角，并在相应的移相触发角时刻产生触发脉冲串，控制所述对应的可控硅导通，使得直流母线的电压逐渐上升，实现软启动；

其中所述可控硅的导通通过设定固定的导通角进行开环控制实现，或通过检测母线电压并根据母线电压反馈的瞬时值计算可控硅的导通角进行闭环控制而实现；

所述判断输入三相交流电压的相序的具体过程为：将三相交流电压的电压周期平均分成六个子周期，每个子周期中三路同步脉冲存在一个状态组合，根据六个子周期对应的六个状态组合出现的顺序，即可判断出三相交流电压的相序。

2.根据权利要求1所述的交流伺服驱动器直流母线的软启动方法，其特征在于，所述触发脉冲串先进行隔离和功率放大后，再触发可控硅导通。

3.一种交流伺服驱动器直流母线的软启动装置，其利用三相半控整流桥其中任一相的可控硅对母线电压进行控制，实现直流母线的软启动，其特征在于，该软启动装置包括：

同步脉冲信号生成模块，其根据输入的三相交流电压产生等周期的同步脉冲信号，所述同步脉冲信号生成模块生成同步脉冲信号的具体过程为：输入的三相交流电压经过电阻分压、二极管整流和电压比较器后的输出信号经光耦隔离，光耦输出的信号即为与三相输入交流电压等周期的同步脉冲信号；

同步脉冲信号相位检测模块，其用于确定所述同步脉冲信号的上升沿，进而获得所述三相交流电压的正向过零点的时刻；

同步脉冲信号相序检测模块，其用于判断输入的所述三相交流电压的相序，并根据相序确定出三相交流电压中任一相在所述三相半控整流桥中所对应的可控硅，所述同步脉冲信号相序检测模块判断输入三相交流电压的相序的具体过程为：将三相交流电压的电压周期平均分成六个子周期，每个子周期中三路同步脉冲存在一个状态组合，根据六个子周期对应的六个状态组合出现的顺序，即可判断出三相交流电压的相序；

触发脉冲产生模块，其根据设定的逐步减小的移相触发角产生相应的触发脉冲串，控制对应的可控硅导通，使得直流母线的电压逐渐上升，实现软启动；

其中所述可控硅的导通通过设定固定的导通角进行开环控制实现，或通过检测母线电压并根据母线电压反馈的瞬时值计算可控硅的导通角进行闭环控制而实现。

4.根据权利要求3所述的交流伺服驱动器直流母线的软启动装置，其特征在于，该装置还包括隔离和功率放大模块，其用于对触发脉冲串进行隔离和功率放大后，再触发可控硅导通。