CN105207453B - 一种驱动器并联扩容方法及结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种驱动器并联扩容方法及结构，方法包括步骤：确定需要并联的驱动器的个数；将待并联的驱动器的其中一台确定为主驱动器，其余为从驱动器；主驱动器发出同步脉冲信号，从驱动器接收同步脉冲信号，并将自身三角载波与主驱动器的三角载波进行相位同步；主驱动器通过总线通信端口请求每个从驱动器的输出电流，以实现电流均分算法，满足电机控制需求；将主驱动、从驱动器的输出端口分别串联电抗器后并联，进而连接伺服电机的驱动控制输入端口，则实现驱动器并联扩容。本发明可降低对功率管开关特性的一致性要求，容易实现模块化，同时缩短开发周期。

Description

一种驱动器并联扩容方法及结构

技术领域

本发明涉及高性能大功率伺服驱动技术领域中的伺服驱动器并联扩容技术，特别是一种基于三角载波同步技术的驱动器并联扩容方法及结构。

背景技术

大功率伺服压力机对伺服驱动器的容量提出了越来越高的要求，有效的驱动器扩容技术可缩短开发周期，满足伺服压力机等大功率场合。

工程上广泛应用的并联扩容技术是功率管直接并联技术，如IGBT并联，其具有简单易行的优点，但同时也存在功率管开关时刻不一致、对驱动电路要求高、均流效果差等缺陷，且开发周期长，无法实现模块化扩容。功率管并联技术的相关文献有：株洲变流技术国家工程研究中心于2013年9月27日申请，并于2014年2月5日公开，公开号为CN1035560655A的中国发明专利申请《基于多功率半导体器件并联的驱动器及其系统》，该文主要解决了驱动信号延迟、抖动等问题，但却无法克服功率器件特性差异导致的开通时刻不一致问题，也无法实现模块化扩容。

发明内容

本发明要解决的技术问题为，基于三角载波同步技术提出一种驱动器并联扩容方法及结构，降低对功率管开关特性的一致性要求，容易实现模块化，同时缩短开发周期。

本发明采取的技术方案具体为：一种驱动器并联扩容方法，包括以下步骤：

1)确定需要并联的驱动器的个数:定义所需驱动器总容量为P_total，单台驱动器容量为P_per，则需要并联的驱动器个数为其中n≥2，η为容量折损系数，0.7≤η≤0.85；

2)将待并联的驱动器的其中一台确定为主驱动器，其余为从驱动器；

选择所述主驱动器上的一个端口作为同步脉冲信号输出端口，各从驱动器上的一个端口作为同步脉冲信号输入端口，主驱动器的同步脉冲信号输出端口分别连接各从驱动器的同步脉冲信号输入端口；

分别选择主驱动器及各从驱动器上的一个端口作为总线通信端口，主驱动器、从驱动器通过总线通信端口进行总线连接通信；

3)主驱动器发出同步脉冲信号，从驱动器接收同步脉冲信号，并将自身三角载波与主驱动器的三角载波进行相位同步；

4)主驱动器通过总线通信端口请求每个从驱动器的输出电流，以实现电流均分算法：

将得到的从驱动器的输出电流与主驱动器自身输出电流相加，得到电机实际总电流

定义电机总电流指令值将电机总电流指令值与电机实际总电流送入PI调节器，得到总参考电压则n个并联的驱动器中，每个驱动器校正前的参考电压将第k个从驱动器的指令电流平均值与实际电流i_q(k)送入PI调节器，得到第k个从驱动器的参考电压补偿值则第k个从驱动器的参考电压值

主驱动器向第k个从驱动器发送参考电压指令上述k为驱动器编号；

5)将主驱动器的输出端口U、V、W与每个从驱动器的输出端口U、V、W都分别串联电抗器，然后按照U、V、W端口分别对应并联，进而连接伺服电机的U、V、W端口中的相应端口，则实现驱动器并联扩容。

本发明基于现有的三角载波同步技术，从驱动器接收到主驱动器发出的同步脉冲信号后，即可进行并完成自身三角载波与主驱动器三角载波的同步。所述驱动器为现有伺服电机驱动器产品。三角载波同步技术用于驱动器并联时，可保证不同驱动器之间同一位置的开关管具有相同的脉冲信号，但要求同步信号具有传送延迟小、抗干扰能力强的特点。本发明使用光信号传送同步脉冲，克服了传送延时及电磁干扰引起的三角波信号不同步，从而减小系统环流，保证稳定性。步骤5)中所述电机总电流指令值根据电机控制需求定义，为现有技术。

进一步的，本发明中，主驱动器发送同步脉冲信号的时刻为主驱动器内部三角载波信号的最低点。主驱动器与从驱动器之间通过百兆光纤传输同步脉冲信号，可减小同步脉冲信号的传输延迟。主从驱动器内部的三角载波在同步前相位具有不确定性，主驱动器每隔100个三角载波周期向从驱动器发送一次同步脉冲信号，从驱动器接收到该同步脉冲信号后，将调整自身三角载波相位，使其与主机三角载波相位一致。

优选的，本发明中主驱动器内的同步脉冲信号宽度为200ns，从驱动器仅检测同步脉冲信号的边沿，可防止信号衰减。

本发明中，主从驱动器之间的电流采集通信可采用EtherCAT(以太网现场总线)总线形式，即主、从驱动器的总线通信端口通过EtherCAT总线进行通信。主驱动器要在一个三角载波周期内完成每台从驱动器的电流采集，并向每台从驱动器发送参考电压指令因此，每台从驱动器需要与主驱动器通信两次，每次传输16比特的数字量，如使用EtherCAT总线完成一次收发需要的时间为5us左右。

现有的伺服电机驱动器产品，一般皆包含有用于电机闭环控制的位置环、转速环和电流环，以及SVPWM(空间矢量脉宽调制)模块。为了使得并联扩容后的系统结构更加精简，本发明中仅主驱动器中保留电流环，主、从驱动器中皆保留SVPWM模块。

相应的，本发明还公开一种电机驱动器并联扩容结构，其包括1个主驱动器和1个以上从驱动器，主驱动器上设有同步脉冲输出端口和总线通信端口，从驱动器上分别设有同步脉冲信号输入端口和总线通信端口；各从驱动器的同步脉冲输入端口分别连接主驱动器的同步脉冲输出端口；各从驱动器的总线通信端口分别与主驱动器的总线通信端口相连；

主驱动器和从驱动器的驱动信号输出端皆分别包括U、V、W端口，电机驱动控制输入端包括U、V、W端口；主驱动器的输出端口与每个从驱动器的输出端口皆分别串联电抗器后按照U、V、W端口分别对应并联，进而连接伺服电机的U、V、W端口中的相应端口。

本发明的有益效果为：能够有效扩展驱动器容量，克服了功率管直接并联扩容技术存在的对功率管及驱动电路特性要求高等问题，具体表现为：

1)通过调整并联驱动器的个数可调整并联扩容后的整体容量；

2)在通用驱动器的基础上仅需增加同步信号端口、总线端口及输出端电抗器即可实现并联扩容，实现简单，开发周期短；

主从驱动器之间的电流均分不再依赖于功率管的开关特性，而是通过主驱动器内部的电流均分控制器进行调节，易于实现。

附图说明

图1所示为本发明原理结构框图；

图2所示为三角载波同步原理及同步脉冲信号产生示意图；

图3所示为主驱动器内部电流均分算法控制框图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例进一步描述。

参考图1至图3，本发明的驱动器并联扩容方法，包括以下步骤：

1)确定需要并联的驱动器的个数:定义所需驱动器总容量为P_total，单台驱动器容量为P_per，则需要并联的驱动器个数为其中n≥2，η为容量折损系数，0.7≤η≤0.85；

2)将待并联的驱动器的其中一台确定为主驱动器，其余为从驱动器；

选择所述主驱动器上的一个端口作为同步脉冲信号输出端口，各从驱动器上的一个端口作为同步脉冲信号输入端口，主驱动器的同步脉冲信号输出端口分别连接各从驱动器的同步脉冲信号输入端口；

分别选择主驱动器及各从驱动器上的一个端口作为总线通信端口，主驱动器、从驱动器通过总线通信端口进行总线连接通信；

3)主驱动器发出同步脉冲信号，从驱动器接收同步脉冲信号，并将自身三角载波与主驱动器的三角载波进行相位同步；

4)主驱动器通过总线通信端口请求每个从驱动器的输出电流，以实现电流均分算法：

将得到的从驱动器的输出电流与主驱动器自身输出电流相加，得到电机实际总电流

定义电机总电流指令值，将电机总电流指令值与电机实际总电流送入PI调节器，得到总参考电压则n个并联的驱动器中，每个驱动器校正前的参考电压将第k个从驱动器的指令电流平均值与实际电流i_q(k)送入PI调节器，得到第k个从驱动器的参考电压补偿值则第k个从驱动器的参考电压值

主驱动器向第k个从驱动器发送参考电压指令上述k为驱动器编号；

5)将主驱动器的输出端口U、V、W与每个从驱动器的输出端口U、V、W都分别串联电抗器，然后按照U、V、W端口分别对应并联，进而连接伺服电机的U、V、W端口中的相应端口，则实现驱动器并联扩容。

本发明基于现有的三角载波同步技术，从驱动器接收到主驱动器发出的同步脉冲信号后，即可进行并完成自身三角载波与主驱动器三角载波的同步。所述驱动器为现有伺服电机驱动器产品。

本发明中，主驱动器发送同步脉冲信号的时刻为主驱动器内部三角载波信号的最低点。主驱动器与从驱动器之间通过百兆光纤传输同步脉冲信号，可减小同步脉冲信号的传输延迟。参考图2，主从驱动器内部的三角载波在同步前相位具有不确定性，主驱动器每隔100个三角载波周期向从驱动器发送一次同步脉冲信号，从驱动器接收到该同步脉冲信号后，将调整自身三角载波相位，使其与主机三角载波相位一致。

参考图2，本发明中主驱动器内的同步脉冲信号宽度为200ns，从驱动器仅检测同步脉冲信号的边沿，可防止信号衰减。

本发明中，主从驱动器之间的电流采集通信可采用EtherCAT(以太网现场总线)总线形式，即主、从驱动器的总线通信端口通过EtherCAT总线进行通信。主驱动器要在一个三角载波周期内完成每台从驱动器的电流采集，并向每台从驱动器发送参考电压指令因此，每台从驱动器需要与主驱动器通信两次，每次传输16比特的数字量，如使用EtherCAT总线完成一次收发需要的时间为5us左右。

现有的伺服电机驱动器产品，一般皆包含有用于电机闭环控制的位置环、转速环和电流环，以及SVPWM(空间矢量脉宽调制)模块。为了使得并联扩容后的系统结构更加精简，本发明中仅主驱动器中保留电流环，主、从驱动器中皆保留SVPWM模块。

如图1，本发明还公开一种电机驱动器并联扩容结构，其包括1个主驱动器和1个以上从驱动器，主驱动器上设有同步脉冲输出端口和总线通信端口，从驱动器上分别设有同步脉冲信号输入端口和总线通信端口；各从驱动器的同步脉冲输入端口分别连接主驱动器的同步脉冲输出端口；各从驱动器的总线通信端口分别与主驱动器的总线通信端口相连；

主驱动器和从驱动器的驱动信号输出端皆分别包括U、V、W端口，电机驱动控制输入端包括U、V、W端口；主驱动器的输出端口与每个从驱动器的输出端口皆分别串联电抗器后按照U、V、W端口分别对应并联，进而连接伺服电机的U、V、W端口中的相应端口。主驱动器保留位置环和电流环，电机将编码器信号传输至主驱动器中，主驱动器即可获取电机转子位置及当前转速，从而实现相应的闭环控制，可参考现有技术。

本发明能够有效扩展驱动器容量，克服了功率管直接并联扩容技术存在的对功率管及驱动电路特性要求高等问题，具体表现为：

3)通过调整并联驱动器的个数可调整并联扩容后的整体容量；

4)在通用驱动器的基础上仅需增加同步信号端口、总线端口及输出端电抗器即可实现并联扩容，实现简单，开发周期短；

主从驱动器之间的电流均分不再依赖于功率管的开关特性，而是通过主驱动器内部的电流均分控制器进行调节，易于实现。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。上述实施例不以任何方式限制本发明，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种驱动器并联扩容方法，其特征是，包括以下步骤：

1)确定需要并联的驱动器的个数:定义所需驱动器总容量为P_total，单台驱动器容量为P_per，则需要并联的驱动器个数为其中n≥2，η为容量折损系数，0.7≤η≤0.85；

2)将待并联的驱动器的其中一台确定为主驱动器，其余为从驱动器；

选择所述主驱动器上的一个端口作为同步脉冲信号输出端口，各从驱动器上的一个端口作为同步脉冲信号输入端口，主驱动器的同步脉冲信号输出端口分别连接各从驱动器的同步脉冲信号输入端口；

分别选择主驱动器及各从驱动器上的一个端口作为总线通信端口，主驱动器、从驱动器通过总线通信端口进行总线连接通信；

3)主驱动器发出同步脉冲信号，从驱动器接收同步脉冲信号，并将自身三角载波与主驱动器的三角载波进行相位同步；

4)主驱动器通过总线通信端口请求每个从驱动器的输出电流，以实现电流均分算法：

将得到的从驱动器的输出电流与主驱动器自身输出电流相加，得到电机实际总电流

定义电机总电流指令值将电机总电流指令值与电机实际总电流送入PI调节器，得到总参考电压则n个并联的驱动器中，每个驱动器校正前的参考电压将第k个从驱动器的指令电流平均值与实际电流i_q(k)送入PI调节器，得到第k个从驱动器的参考电压补偿值则第k个从驱动器的参考电压值

主驱动器向第k个从驱动器发送参考电压指令上述k为驱动器编号；

5)将主驱动器的输出端口U、V、W与每个从驱动器的输出端口U、V、W都分别串联电抗器，然后按照U、V、W端口分别对应并联，进而连接伺服电机的U、V、W端口中的相应端口，则实现驱动器并联扩容。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，主驱动器发送同步脉冲信号的时刻为主驱动器内部三角载波信号的最低点。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是，主驱动器与从驱动器之间通过百兆光纤传输同步脉冲信号。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，主驱动器每隔100个三角载波周期向从驱动器发送一次同步脉冲信号。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，主驱动器内的同步脉冲信号宽度为200ns，从驱动器仅检测同步脉冲信号的边沿。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是，仅主驱动器中设有电流环，主、从驱动器中皆设有SVPWM模块。