一種再生制動控制電路的設(shè)計(jì)

1　引言

一般情況下,伺服系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。能量是由電網(wǎng)經(jīng)整流器、濾波器、逆變器等傳輸?shù)诫妱訖C(jī)的。當(dāng)電動機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)，即電動機(jī)快速制動或者帶位勢負(fù)載時(shí)，能量的傳輸需要反向，能量將在濾波電容上累積，產(chǎn)生泵升電壓，如果泵升電壓過高，會威脅系統(tǒng)的安全。控制泵升電壓最簡單的方法是：泵升電壓產(chǎn)生后，在直流母線之間接通一個(gè)能耗電阻，將能量釋放。如果電動機(jī)制動頻繁或長期帶位勢負(fù)載運(yùn)行，則能量浪費(fèi)嚴(yán)重；同時(shí)，由于電阻發(fā)熱，導(dǎo)致環(huán)境溫度升高，將會影響系統(tǒng)的可靠性。本文設(shè)計(jì)的這個(gè)電路，可以很好地解決這一問題。

2　系統(tǒng)工作原理概述

將圖1中的三相不控整流器換為可控變流器，并在三相電源輸入端串入三個(gè)高頻扼流電抗器，用以抑制可能產(chǎn)生的雙向（電網(wǎng)伺服系統(tǒng)）電磁干擾，以及在變流器工作于逆變狀態(tài)時(shí)，起到等效直流電抗器的作用，如圖2所示。

當(dāng)電動機(jī)工作在電動狀態(tài)時(shí)，可控變流器的大功率開關(guān)器件s1～s6全部處于關(guān)斷狀態(tài)，而6個(gè)續(xù)流二極管構(gòu)成三相不控橋式整流器，工作狀況同圖1。

當(dāng)電動機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，則逆變器工作于整流狀態(tài)，而可控變流器工作于逆變狀態(tài)，使電動機(jī)工作在再生制動狀態(tài)。這時(shí)濾波電容貯能，直流母線電壓升高，在超過電網(wǎng)線電壓值后，二極管d1～d6反向阻斷；當(dāng)直流母線電壓繼續(xù)升高，超過設(shè)定的上限允許值udh時(shí)，變流器開始工作，將直流母線上的能量逆變回饋電網(wǎng)。此時(shí)，高頻扼流電抗器將平衡直流母線電壓和電網(wǎng)線電壓之間的差值，以保證逆變狀態(tài)的正常進(jìn)行。當(dāng)直流母線電壓回落到下限設(shè)定值udl后，再關(guān)閉變流器。就能量回饋需要考慮的問題有：

1）回饋電流必須滿足回饋功率的要求，同時(shí)不能大于逆變器所允許的最大電流；

2）只有當(dāng)直流母線電壓高于設(shè)定值時(shí)，才能啟動逆變器進(jìn)行能量回饋；

3）為了提高回饋功率，盡量在電網(wǎng)電壓高時(shí)進(jìn)行回饋，因?yàn)槿绻仞侂娏饕欢?，則電網(wǎng)電壓越高回饋功率越大。

因此，系統(tǒng)須有電壓控制電路，同步控制電路和電流限制電路。電流和電壓的控制由兩個(gè)遲滯比較器完成，同步控制由同步檢測與控制電路完成。

3　控制電路設(shè)計(jì)

3．1　電壓檢測與控制電路的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)電壓控制電路的目的是：當(dāng)電動機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)并且使直流母線電壓ud升高到超過設(shè)定值udh后，起動變流器中的開關(guān)管，以使直流母線上的能量逆變回饋回電網(wǎng)，迫使ud回落；當(dāng)ud小于另一設(shè)定值udl后再關(guān)閉開關(guān)管。為了避免逆變器過于頻繁地起動和關(guān)閉，電壓控制為滯環(huán)控制方式udl

式中：u為相電壓的有效值。

一般情況下，當(dāng)電網(wǎng)相電壓為220v時(shí)，可設(shè)定udl=630v，電壓滯環(huán)控制的環(huán)寬為20v，udh=650v，采用線性光電隔離器nec200檢測直流母線電壓，線性地將直流母線電壓轉(zhuǎn)換為弱電壓信號，作為電壓滯環(huán)控制器的反相輸入。電壓檢測與控制電路如圖3所示。uv作為控制回饋逆變器主開關(guān)通斷的條件之一。

3.2　電流檢測及電流控制信號的產(chǎn)生

由于直流母線上的電流和通過變流器開關(guān)管的電流以及回饋電網(wǎng)的線電流是相等的，因此只需在直流母線接變流器端裝一個(gè)lem電流傳感器，就可以檢測能量回饋過程中的所有線電流il。當(dāng)il低于滯環(huán)下限ill時(shí)，ui為高電平，允許逆變器開關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)il高于滯環(huán)上限ilh時(shí)，ui為低電平，變流器開關(guān)管關(guān)斷。關(guān)斷后，在扼流電抗器的續(xù)流作用下，能量回饋線電流方向保持不變，變流器中相應(yīng)二極管續(xù)流，直流母線上的電流反向。因此需要對lem輸出的電壓信號整流，得到能量回饋的線電流反饋信號iv，iv作為控制回饋逆變器主開關(guān)通斷的條件之二。 　　電流檢測及電流控制電路就是由電流傳感器電路、精密整流電路和遲滯比較器組成，如圖4所示。

3.3　相位同步控制電路

變流器工作于逆變狀態(tài)時(shí)，為了獲得較大的能量回饋，當(dāng)回饋線電流一定時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量在電網(wǎng)的高電壓段進(jìn)行能量回饋。因此變流器各功率開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)與電網(wǎng)電壓的相位應(yīng)滿足如圖6所示的同步關(guān)系，為此設(shè)計(jì)了圖5所示的同步控制電路。圖5中，ug1～ug6分別為功率開關(guān)器件s1～s6的導(dǎo)通允許同步控制信號，將圖2和圖5中a、b、c對應(yīng)連接在一起，并將系統(tǒng)接入電網(wǎng)，無論相序怎樣變化，圖6所示的同步關(guān)系不變。在此同步關(guān)系下，理想的相電壓和相電流波形如圖7所示。設(shè)u1～u6分別為s1～s6的驅(qū)動控制信號，高電平導(dǎo)通，低電平關(guān)斷，驅(qū)動控制信號u1～u6可分別由保護(hù)信號、電壓控制信號uv、電流控制信號iv和同步控制信號uti相與后獲得。

4　應(yīng)用實(shí)例分析

在一個(gè)dsp控制的同步電機(jī)伺服系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，要求能量回饋功率p=6.5kw，相電壓u=220v，變流器的最高開關(guān)頻率fmax=10khz，最大允許電流是25a，設(shè)定ilh=20a,ill=10a，udl=630v,udh=650v。

4.1　扼流電抗器的計(jì)算

扼流電抗器在此泵升電壓控制電路中起很重要的作用。對它主要有三個(gè)方面的要求，即電感量、工作頻率和工作電流。對電感量的要求取決于回饋電流的設(shè)定值和變流器額定開關(guān)頻率。假設(shè)能量回饋過程中，電抗器承受正向電壓為：

由此可見，電抗器的電感量在udh、ilh、ill、l確定后，udl越小，變流器功率開關(guān)的開關(guān)頻率越高。當(dāng)udl最小、開關(guān)頻率最大時(shí)，需要的電感量最小，此時(shí)udl=

4.2　回饋功率p的估算

當(dāng)電網(wǎng)電壓一定后，回饋功率大小與回饋電流有關(guān)，回饋電流為：

滿足回饋6.5kw的要求。

5　結(jié)語

通過示波器在上述同步電機(jī)伺服系統(tǒng)制動時(shí)捕捉到的電壓和電流波形如圖8所示，與理論分析一致,滿足設(shè)計(jì)要求。在上述系統(tǒng)中的應(yīng)用，說明此方法是可行的，有一定的實(shí)用價(jià)值。