CN103023355B - 基于可控硅整流的伺服智能电源控制电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明为基于可控硅整流的伺服智能电源控制电路及方法，其控制电路包括MCU、信号处理电路、采样电路、ADC转换电路、报警处理电路及可控硅触发电路；采样电路采集交直流母线电压和电流信号，将采集信号提供给信号处理电路及ADC转换电路；信号处理电路对采集信号进行整形及比较处理，为MCU提供对应相交流母线的自然换相点；MCU对来自信号处理电路、ADC转换电路的信号进行处理，通过可控硅触发电路控制可控硅阵列。本发明解决了交流直流整流部分采用不控整流电路而使输出电压不可调，软起动采用热敏电阻而无法连续上电或采用大功率水泥电阻而容易发生二次故障的技术问题。

Description

基于可控硅整流的伺服智能电源控制电路及方法

技术领域

本发明主要应用于整流和逆变分离的单轴或多轴的交流伺服驱动和主轴驱动器中，具体是基于可控硅整流的智能电源的控制电路及方法。

背景技术

随着电力电子技术的不断发展，各种开关器件技术在不断提高。开关型电力电子变换器在最近几十年，已在日常生活、工业、交通、军事设备及尖端科技等领域得到广泛应用。在交流电机变频、变压调速系统中，主要采用交流—直流—交流的拓扑结构。而目前，在交流直流整流部分主要采用不控整流电路，软起动主要采用热敏电阻或大功率水泥电阻充电模式加继电器旁路。在热敏电阻方案中，在连续几次上电后，因热敏电阻过热，致使不能上电（需等待散热后才可再上电）。而在水泥电阻充电方案中，可以解决热敏电阻不能连续多次上电的问题，但在后级电路出现故障如短路、制动故障时，因充电电路不可控，最终烧坏充电电阻，发生二次故障。其次，因为继电器是电磁元件，其工作时对外部造成电磁干扰。另外，因为不控整流电路输出电压不可调，导致用户在使用不同电压等级的伺服驱动时（例如220V交流电），需增减大功率隔离变压器，用来实现电压转换（380V AC—220V AC），从而增加了用户的开支和设备复杂性。更重要的是，在稍大功率的驱动器中（如100A或200A），因为隔离变压器的容量限制（考虑到变压器的成本），导致驱动器在大负载运行时出现直流母线电压下降的情况，影响驱动器性能，甚至无法达到三倍过载能力。

发明内容

本发明提供基于可控硅整流的伺服智能电源控制电路，旨在解决交流直流整流部分采用不控整流电路而使输出电压不可调，软起动采用热敏电阻而无法连续上电或采用大功率水泥电阻而容易发生二次故障的技术问题。

本发明还提供基于可控硅整流的伺服智能电源控制方法，也旨在解决上述技术问题。

本发明控制电路所采用的技术方案如下：基于可控硅整流的伺服智能电源控制电路，包括与电源连接的可控硅阵列、微控制单元MCU、信号处理电路、采样电路、ADC转换电路、报警处理电路及可控硅触发电路，其中微控制单元MCU分别与信号处理电路、ADC转换电路、报警处理电路及可控硅触发电路连接，采样电路分别与信号处理电路、ADC转换电路连接，可控硅触发电路及采样电路分别与可控硅阵列连接；

采样电路用于采集交流母线电压、直流母线电压和电流信号，并将所采集的信号提供给信号处理电路以及ADC转换电路；信号处理电路用于对采样电路所采集的信号进行整形以及比较处理，为微控制单元MCU提供对应相交流母线的自然换相点；ADC转换电路用于对交流母线电压、直流母线电压和直流母线电流进行量化计算；微控制单元MCU用于对来自信号处理电路、ADC转换电路的信号进行处理，然后通过可控硅触发电路控制可控硅阵列。

本发明控制方法所采用的技术方案如下：基于上述控制电路的控制方法，包括以下步骤：

S1、微控制单元MCU初始化；

S2、检测交流母线的电压和缺相是否正常，若正常则转入步骤S3；

S3、开始软起动，首先对可控硅阵列进行自检，并由微控制单元MCU对后级负载进行短路检测，同时对制动电路进行检测，若均正常，则转入步骤S4；

S4、继续软启动，对直流母线上的电容进行充电和电压监测，直至充电电压达到启动门限电压为止，转入步骤S5；若直流母线电压出现相关报警，则进行相关报警处理；

S5、通过电压闭环和PID调节进行相控整流，在相控整流过程中，同时对报警进行实时监测、处理。

优选的，步骤S4在对直流母线上的电容进行充电的过程中，对直流母线上的电容电压进行阶梯上升控制，步骤如下：

S41、对已进入自然换相区域的某相交流母线电压值进行AD转换，并与上一次转换后的直流母线电压值进行求和计算，当交流母线电压值和直流母线电压值之差在阶梯上升电压值范围内时，对相应相的可控硅触发电路输出触发脉冲，控制对应相的可控硅阵列导通；

S42、对直流母线电流值进行多次连续转换处理，求取加权平均值；

S43、检测直流母线的当前直流电压值和当前直流电流值；通过当前直流电压值和当前直流电流值进行判断，若当前直流电流值为零、当前直流电压值为零或当前直流电压值未变，则判断整流电路出现故障；若当前直流电流值不为零而当前直流电压值为零，则判断负载过大或负载短路故障；若当前直流电流值不为零，当前直流电压值大于上一次电压值，则判断电路正常，进行下一充电循环周期；

按步骤S41-43重复，直至充电电压达到启动门限电压为止。

优选的，步骤S5所述相控整流的步骤具体如下：

S51、检测当前相的实际交直流母线电压值，将所述实际交直流母线电压值与直流母线理论电压值求和；

S52、采用PID调节算法对步骤S51的求和结果进行处理，计算出当前相延迟导电角；

S53、通过外部转换电路提供的相位信号计算出自然换相角，将步骤S52所述的当前相延迟导电角与自然换相角进行求和，得到当前相的导电角；然后通过可控硅触发电路控制可控硅阵列，从而控制直流母线电压恒定。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明采用可控硅整流方案，通过采样电路对各重要信号进行采样，提供给信号处理电路整形处理，同时提供给ADC转换器进行数值化，然后供给MCU。MCU通过相关计算，对信号是否正常进行判断，若正常，对触发单元或制动单元发出控制信号，控制单元执行相关的指令，同时显示相关的状态信息；若不正常，则进入相关的报警处理，同时显示相关状态信息。

2、本发明智能软启动可代替现有的软启动电路，并实现智能启动保护，避免二次故障。智能软起动无充电电阻，可以减少电源发热。其次，可以实现输出直流电压可调，满足用户应用中同一交流输入电压、不同输出电压等级用电设备的需求。更重要的是，在交流220V电压等级的驱动中采用可控硅相控整流，可以保证其容量范围内电压恒定不变，无论多大电流等级（一般220V电压等级的最大为200A）的驱动，均能轻易达到三倍过载能力，且无需隔离变压器。

附图说明

图1是本发明结构框图；

图2是本发明控制程序流程图；

图3是本发明相控整流控制流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本发明基于可控硅整流的伺服智能电源控制电路，包括微控制单元MCU、信号处理电路、采样电路、ADC转换电路、报警处理电路、显示电路及CSR触发电路（即可控硅触发电路），其中微控制单元MCU分别与信号处理电路、ADC转换电路、报警处理电路、显示电路及CSR触发电路连接，采样电路分别与信号处理电路、ADC转换电路连接，CSR触发电路及采样电路分别与CSR阵列（即可控硅阵列）连接。MCU通过连接信号处理电路、采样电路，报警处理电路和CSR触发电路，并通过CSR触发电路连接CSR阵列，构成一个完整的控制系统。当然，其中还包括为系统供电的开关电源。

所述采样电路主要由运算放大器及其外围电路构成，用于采集交流母线电压、直流母线电压和电流信号，并将所采集的信号提供给信号处理电路以及ADC转换电路。其中运算放大器用来对采集的信号进行放大处理，属于常用电路。

所述信号处理电路，主要由相连接的求和电路和比较电路构成，先进行求和运算，再进行比较处理，用于对相关信号进行整形以及比较处理，为MCU提供对应相交流母线的自然换相点。

所述ADC转换电路，主要用于对交流母线电压、直流母线电压和直流母线电流进行量化计算，以便MCU实现对交流母线电压、直流母线电压和直流母线电流的监测。

报警处理电路主要由软件完成，辅以相关的接口电路，主要用于完成系统的所有报警检测及相关报警信息输出，其中包括交流欠压、过压、缺相，直流欠压、过压、过流，负载短路和整流故障以及制动故障等。显示电路用于显示系统状态信息及报警信息。

如图2、3所示，本发明基于可控硅整流的伺服智能电源控制方法，包括以下步骤：

S1、在上电时，MCU初始化。

S2、MCU初始化后，检测交流母线的电压和缺相是否正常，即图2的报警检测1，若正常则转入步骤S3；

S3、开始软起动，首先对可控硅阵列进行自检，并由微控制单元MCU对后级负载进行短路检测，同时对制动电路进行检测，若均正常，则转入步骤S4；

S4、继续软启动，对直流母线上的电容进行充电和电压监测，直至充电电压达到启动门限电压为止，转入步骤S5；若直流母线电压出现相关报警，则进行相关报警处理，即图2的报警检测2，包括CSR自诊断、短路及制动故障的检测。在对直流母线上的电容进行充电的过程中，为了避免冲击电流过大，需要对直流母线上的电容电压进行阶梯上升控制，即：

S41、首先对已进入自然换相区域的某相交流母线电压值进行AD转换，并与上一次转换后直流母线电压值（在第一次充电时此值为零）进行求和计算，当交流母线电压值和直流母线电压值之差在阶梯上升电压值范围内时，对相应相的CSR触发电路输出触发脉冲，控制对应相的CSR阵列导通。

S42、然后，对直流母线电流值进行多次连续转换处理，求取加权平均值。

S43、再检测直流母线的当前直流电压值和当前直流电流值；通过当前直流电压值和当前直流电流值进行判断，若当前直流电流值为零、当前直流电压值为零或当前直流电压值未变，则说明整流电路出现故障；若当前直流电流值不为零而当前直流电压值为零，则说明负载过大或负载短路故障；若当前直流电流值不为零，当前直流电压值大于上一次电压值，则说明电路正常，进行下一充电循环周期。

按S41-43重复，直至充电电压达到启动门限电压为止，转入步骤S5进入正常整流状态。

S5、在软启动完成以后，将进行正常的相控整流，在相控整流过程中，同时对各类报警进行实时监测、处理，即图2的报警检测3，包括交流过压、欠压、缺相，直流过压、欠压、过流、短路及制动故障的检测。在正常整流时，主要运用相控整流的原理，通过电压闭环和PID调节完成。如图3所示，相控整流的步骤具体如下：

S51、检测当前相的实际交直流母线电压值（处在自然换相点的某相交直流母线电压值），将所述实际交直流母线电压值与直流母线理论电压值求和；

S52、采用PID调节算法对步骤S51的求和结果进行处理，计算出当前相延迟导电角；

S53、通过外部转换电路提供的相位信号计算出自然换相角，将步骤S52所述的当前相延迟导电角与自然换相角进行求和，得到当前相的导电角；然后通过CSR触发电路控制CSR阵列，从而控制直流母线电压恒定。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于可控硅整流的伺服智能电源控制电路，包括与电源连接的可控硅阵列，其特征在于，还包括微控制单元MCU、信号处理电路、采样电路、ADC转换电路、报警处理电路及可控硅触发电路，其中微控制单元MCU分别与信号处理电路、ADC转换电路、报警处理电路及可控硅触发电路连接，采样电路分别与信号处理电路、ADC转换电路连接，可控硅触发电路及采样电路分别与可控硅阵列连接；

采样电路用于采集交流母线电压、直流母线电压和电流信号，并将所采集的信号提供给信号处理电路以及ADC转换电路；信号处理电路用于对采样电路所采集的信号进行整形以及比较处理，为微控制单元MCU提供对应相交流母线的自然换相点；ADC转换电路用于对交流母线电压、直流母线电压和直流母线电流进行量化计算；微控制单元MCU用于对来自信号处理电路、ADC转换电路的信号进行处理，然后通过可控硅触发电路控制可控硅阵列。

2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，还包括与微控制单元MCU连接的显示电路。

3.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述信号处理电路包括相连接的求和电路和比较电路。

4.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述采样电路包括用于对采集的信号进行放大处理的运算放大器。

5.基于权利要求1所述控制电路的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、微控制单元MCU初始化；

S2、检测交流母线的电压和缺相是否正常，若正常则转入步骤S3；

S3、开始软起动，首先对可控硅阵列进行自检，并由微控制单元MCU对后级负载进行短路检测，同时对制动电路进行检测，若均正常，则转入步骤S4；

S4、继续软启动，对直流母线上的电容进行充电和电压监测，直至充电电压达到启动门限电压为止，转入步骤S5；若直流母线电压出现相关报警，则进行相关报警处理；

S5、通过电压闭环和PID调节进行相控整流，在相控整流过程中，同时对报警进行实时监测、处理；

步骤S4在对直流母线上的电容进行充电的过程中，对直流母线上的电容电压进行阶梯上升控制，步骤如下：

S41、对已进入自然换相区域的某相交流母线电压值进行AD转换，并与上一次转换后直流母线电压值进行求和计算，当交流母线电压值和直流母线电压值之差在阶梯上升电压值范围内时，对相应相的可控硅触发电路输出触发脉冲，控制对应相的可控硅阵列导通；

S42、对直流母线电流值进行多次连续转换处理，求取加权平均值；

S43、检测直流母线的当前直流电压值和当前直流电流值；通过当前直流电压值和当前直流电流值进行判断，若当前直流电流值为零、当前直流电压值为零或当前直流电压值未变，则判断整流电路出现故障；若当前直流电流值不为零而当前直流电压值为零，则判断负载过大或负载短路故障；若当前直流电流值不为零，当前直流电压值大于上一次电压值，则判断电路正常，进行下一充电循环周期；

按步骤S41-43重复，直至充电电压达到启动门限电压为止。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，步骤S5所述相控整流的步骤具体如下：

S51、检测当前相的实际交直流母线电压值，将所述实际交直流母线电压值与直流母线理论电压值求和；

S52、采用PID调节算法对步骤S51的求和结果进行处理，计算出当前相延迟导电角；

S53、通过外部转换电路提供的相位信号计算出自然换相角，将步骤S52所述的当前相延迟导电角与自然换相角进行求和，得到当前相的导电角；然后通过可控硅触发电路控制可控硅阵列，从而控制直流母线电压恒定。