CN112468023A - 一种用于多电机驱动系统的漏电流抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于多电机驱动系统的漏电流抑制方法，属于装备制造技术领域，在多电机驱动系统加工装备中，基于工业以太网总线的同步机制，在实现各驱动单元PWM波形更新同步，以及电流环、速度环和位置环三环控制同步的基础上，通过改进PWM更新策略，使得物理上相邻的驱动单元轴的共模电压符号相反，进而实现两个驱动单元之间高频漏电流的相互抵消。将该方法应用于多轴运动系统各驱动单元，从而实现多电机驱动系统总漏电流的有效减少。如此，本发明在不增加硬件成本的同时，可以显著的抑制多电机驱动系统运行中产生的漏电流，提高多电机驱动系统运行的可靠性，并且易于工程实现。

Description

一种用于多电机驱动系统的漏电流抑制方法
技术领域
本发明属于装备制造技术领域，具体涉及一种用于多电机驱动系统的漏电流抑制方法。
背景技术
在装备制造领域中，交流伺服进给装置和主轴装置及电机是加工装备的核心驱动和执行单元，加工装备需要多个驱动单元进行联动加工，是典型的多电机驱动系统。交流电机驱动单元多采用空间矢量SVPWM调制方式，功率器件开关时会产生共模电压，电机又存在对地分布电容，共模电压对电机分布电容进行充放电会形成共模电流，这种共模电流也称高频漏电流。高频漏电流会触发三相电源漏电保护装置动作，导致系统不能正常运行，此外，漏电流产生的传导共模电磁干扰(EMI)也会影响其它设备的正常运行。在多电机驱动系统中，漏电流的现象会表现的更加明显，电机侧共模电压和流回系统三相电源的漏电流会随着驱动单元轴数的增加而相应叠加，从而使EMI问题加剧。
如图1和图2所示，目前多是通过优化系统硬件拓扑结构，增加隔离变压器或硬件滤波器来降低多电机驱动系统漏电流，但是存在着占用电柜空间、成本较高的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种用于多电机驱动系统的漏电流抑制方法，其目的在于，在不增加硬件成本的同时，解决多电机驱动系统中流经三相电源及大地的漏电流过大的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于多电机驱动系统的漏电流抑制方法，所述多电机驱动系统包括装备开关组件、电抗器、电源模块、n+1个驱动单元、n+1个电机及上位机装置，n为大于或等于1的整数，其中，所述装备开关组件的输入端与外置电柜漏保开关的输出端连接，所述装备开关组件的输出端与所述电抗器的输入端连接，所述电抗器的输出端与所述电源模块的输入端连接，所述电源模块的输出端与各驱动单元的输入端及所述上位机装置连接，所述各驱动单元的输出端与对应的电机连接，所述上位机装置的通信端与所述各驱动单元的通信端连接，其特征在于，所述方法包括：
S1、调整所述各驱动单元的PWM逆变器开关周期，使所述各驱动单元的PWM逆变器开关周期和总线通讯周期同步；
S2、以调整后的PWM逆变器开关周期的倍数关系控制所述各驱动单元的电流环周期、速度环周期和位置环周期，从而实现所述各个驱动单元电流环、速度环和位置环三环控制同步，以及PWM波形更新同步；
S3、控制物理上相邻的两个驱动单元的输出共模电压符号相反，使得相邻的两个驱动单元及电机流经大地的漏电流相互抵消。
进一步地，S1具体包括：
所述各驱动单元根据总线产生的周期同步中断信号，计算本地时钟与总线基准时钟的偏移值，并依据所述偏移值动态调整所述各驱动单元的PWM逆变器开关周期，使所述各驱动单元的PWM逆变器开关周期和总线通讯周期同步，从而实现各驱动单元的PWM逆变器开关周期同步。
进一步地，S3中，所述控制物理上相邻的两个驱动单元的输出共模电压符号相反，具体包括：
对物理上相邻的两个驱动单元分别实施不同的PWM更新策略，通过软件上对PWM计数器的初始相位和计数方向进行控制，使得所述两个驱动单元PWM输出波形相位相差180°，从而实现所述两个驱动单元的输出共模电压符号相反。
进一步地，在执行S1之前，还包括：
上电初始阶段，所述上位机装置通信端口读取从站设备的信息，配置通讯参数，配置总线同步工作。
进一步地，当n+1为偶数时，由于相邻驱动单元之间的PWM互补关系，流入大地的高频漏电流近似抵消；
当n+1为奇数时，流入大地的高频漏流近似为单个驱动单元及电机的高频漏电流。
进一步地，所述上位机装置及各驱动单元都支持NCUC或EtherCAT工业以太网总线通信协议。
进一步地，所述电源模块输出端分为控制电供电端和母线供电端，所述控制电供电端与各驱动单元的输入控制电供电端及上位机装置供电端连接，所述母线供电端与各驱动单元的母线供电端连接。
进一步地，所述电源模块、上位机装置、各驱动单元及各电机的接地端与装备壳体的接地端相连接，所述装备壳体的接地端与大地相连接。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明基于工业以太网总线的同步机制，在实现各驱动单元PWM周期同步的基础上，通过改进PWM更新策略，使得物理上相邻的驱动单元的共模电压符号相反，进而实现两个驱动单元之间高频漏电流的相互抵消。如此，在不增加硬件成本的情况下，不但保证了厂房的漏保装置可靠运行，而且在加工运行中，大大降低了EMI谐波干扰，提高了整个加工装备的抗干扰能力及可靠性。
(2)本发明中电源模块输出端分为控制电供电端和母线供电端，相比于只有母线供电端的电源模块，由于将强电弱电分开，因此更加安全。
附图说明
图1是现有技术中两个驱动单元的典型拓扑结构示意图；
图2是现有技术中多电机驱动系统典型拓扑结构示意图；
图3是本发明采用的多电机驱动系统结构示意图；
图4是本发明实施例总线通讯周期和驱动单元PWM逆变器开关周期及控制周期同步示意图；其中，(a)为以太网周期同步信号；(b)为驱动单元1的PWM开关周期信号；(c)为轴1单元(包含驱动单元1及电机1)产生的PWM波形；(d)为驱动单元2的PWM开关周期信号；(e)为轴2单元(包含驱动单元2及电机2)产生的PWM波形；(f)为电流控制周期；(g)为位置和速度控制周期，并展示了位置环、速度环及电流环与PWM开关周期的同步关系；
图5为本发明实施例提供的一种用于多电机驱动系统的漏电流抑制方法在电机使能情况下的漏电流波形示意图；其中，(a)为输入三相电压波形；(b)为静态时，系统设备中三相电压通过Y电容及电机中的分布电容流入大地的漏电流波形；(c)为轴1单元(包含驱动单元1及电机1)对大地的漏电流波形；(d)为轴2单元(包含驱动单元2及电机2)对大地的漏电流波形；(e)为轴1、轴2的漏电流高频部分抵消后流入大地的波形。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参见图3，为本发明提供的一种多电机驱动系统，包括装备开关组件、电抗器、电源模块、n+1个驱动单元、n+1个电机及上位机装置，n为大于或等于1的整数；
其中，所述装备开关组件的输入端与外置电柜漏保开关的输出端连接，所述装备开关组件的输出端与所述电抗器的输入端连接，所述电抗器的输出端与所述电源模块的输入端连接，所述电源模块的输出端与各驱动单元的输入端及所述上位机装置连接，所述各驱动单元的输出端与对应的电机连接，所述上位机装置的通信端与所述各驱动单元的通信端连接。
所述电源模块、上位机装置、驱动单元及电机的接地端必须与装备壳体的接地端相连接，所述的装备壳体的接地端与大地相连接。这样在装备运行时，各驱动单元、电机、电源模块及上位机装置所产生的漏电流汇聚到装备壳体的接地端，一并将漏电流导入到真正的大地中。
本发明提供的用于上述多电机驱动系统的漏电流抑制方法，上位机装置及驱动单元都支持NCUC或EtherCAT工业以太网通讯协议。上电初始阶段，上位机装置通信端口会读取设备的信息，配置通讯参数，配置总线同步工作。总线通讯周期为Tm，运行过程中，各驱动单元根据总线产生的周期同步中断信号，计算本地时钟与总线基准时钟的偏移值，并且依据偏移值动态调整PWM逆变器的开关周期Ts，从而保证PWM逆变器开关周期Ts和总线通讯周期Tm同步，进而实现各驱动单元的PWM开关周期Ts同步。再以PWM开关周期Ts倍数关系控制驱动单元的电流环周期Tc、速度环和位置环周期Tw，从而实现了各个驱动单元电流环、速度环和位置环三环控制同步，以及PWM波形更新同步，如图4中(a)～(g)所示。
结合各驱动单元及电机回路的漏电流波形，细化上述实施例，上电初始阶段，三相电源给电源模块提供电压，如图5中(a)，继而驱动单元及上位机装置开始完成初始化过程，这时三相交流电经过电源模块、驱动单元及电机对装备机壳Y和寄生分布电容产生一个微弱的频率为150Hz的漏电流经过接地线流经大地，如图5中(b)。
具体控制方法如下：
当上位机装置及驱动单元完成初始化后，驱动单元准备好，上使能。由于驱动单元是采用空间矢量SVPWM调制方式，高频的PWM斩波信号在功率器件上产生很高的dv/dt，通过Y电容和寄生分布电容对大地形成高频漏电，这种高频漏电流叠加在150Hz的低频分量上，且PWM频率越高漏电流越大。
以两个相同功率驱动单元为例，对于三相两电平PWM驱动单元，在任何瞬间都有三个开关器件导通，共计23个开关状态，在保证以太网总线各电机驱动单元PWM周期同步的基础上，软件上通过对驱动单元的PWM计数器的初始相位和计数方向进行控制，使两个驱动单元PWM输出波形相位相差180°，如图4中(a)～(e)所示，进而实现了两个驱动单元的共模电压符号相反和电机之间漏电流的相互抵消。
结合图4中(a)～(e)及图5中(a)～(e)，不难理解在多个驱动单元及电机产生的高频漏电流在流入大地时，叠加在150Hz频率上的高频漏电流可以近似地相互抵消。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于多电机驱动系统的漏电流抑制方法，所述多电机驱动系统包括装备开关组件、电抗器、电源模块、n+1个驱动单元、n+1个电机及上位机装置，n为大于或等于1的整数，其中，所述装备开关组件的输入端与外置电柜漏保开关的输出端连接，所述装备开关组件的输出端与所述电抗器的输入端连接，所述电抗器的输出端与所述电源模块的输入端连接，所述电源模块的输出端与各驱动单元的输入端及所述上位机装置连接，所述各驱动单元的输出端与对应的电机连接，所述上位机装置的通信端与所述各驱动单元的通信端连接，其特征在于，所述方法包括：
S1、调整所述各驱动单元的PWM逆变器开关周期，使所述各驱动单元的PWM逆变器开关周期和总线通讯周期同步；
S2、以调整后的PWM逆变器开关周期的倍数关系控制所述各驱动单元的电流环周期、速度环周期和位置环周期，从而实现所述各个驱动单元电流环、速度环和位置环三环控制同步，以及PWM波形更新同步；
S3、控制物理上相邻的两个驱动单元的输出共模电压符号相反，使得相邻的两个驱动单元及相应电机流经大地的漏电流相互抵消。
2.如权利要求1所述的一种用于多电机驱动系统的漏电流抑制方法，其特征在于，S1具体包括：
所述各驱动单元根据总线产生的周期同步中断信号，计算本地时钟与总线基准时钟的偏移值，并依据所述偏移值动态调整所述各驱动单元的PWM逆变器开关周期，使所述各驱动单元的PWM逆变器开关周期和总线通讯周期同步，从而实现各驱动单元的PWM逆变器开关周期同步。
3.如权利要求1所述的一种用于多电机驱动系统的漏电流抑制方法，其特征在于，S3中，所述控制物理上相邻的两个驱动单元的输出共模电压符号相反，具体包括：
对物理上相邻的两个驱动单元分别实施不同的PWM更新策略，通过软件上对PWM计数器的初始相位和计数方向进行控制，使得所述两个驱动单元PWM输出波形相位相差180°，从而实现所述两个驱动单元的输出共模电压符号相反。
4.如权利要求1所述的一种用于多电机驱动系统的漏电流抑制方法，其特征在于，在执行S1之前，还包括：
上电初始阶段，所述上位机装置通信端口读取从站设备的信息，配置通讯参数，配置总线同步工作。
5.如权利要求1至4任一项所述的一种用于多电机驱动系统的漏电流抑制方法，其特征在于，
当n+1为偶数时，由于相邻驱动单元之间的PWM互补关系，流入大地的高频漏电流近似抵消；
当n+1为奇数时，流入大地的高频漏流近似为单个驱动单元及电机的高频漏电流。
6.如权利要求1至4任一项所述的一种用于多电机驱动系统的漏电流抑制方法，其特征在于，
所述上位机装置及各驱动单元都支持NCUC或EtherCAT工业以太网总线通信协议。
7.如权利要求1至4任一项所述的一种用于多电机驱动系统的漏电流抑制方法，其特征在于，
所述电源模块输出端分为控制电供电端和母线供电端，所述控制电供电端与各驱动单元的输入控制电供电端及上位机装置供电端连接，所述母线供电端与各驱动单元的母线供电端连接。
8.如权利要求1至4任一项所述的一种用于多电机驱动系统的漏电流抑制方法，其特征在于，
所述电源模块、上位机装置、各驱动单元及各电机的接地端与装备壳体的接地端相连接，所述装备壳体的接地端与大地相连接。
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