引言

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上，中小功率的交流伺服器普遍采用“交—直—交”變壓變頻拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。交流電源整流為直流，直流經(jīng)可控的功率元件逆變?yōu)殡姍C(jī)所需的三相電［1］。其中，交流電源的輸入一般為3相220v（相間電壓為220v）。當(dāng)電機(jī)功率較小時(shí)，交流電源的輸入一般為單相220v。在逆變時(shí)，每個(gè)開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間由直流母線電壓的基準(zhǔn)來(lái)計(jì)算的。很多的時(shí)候，直流母線電壓vdc在程序計(jì)算中是常量。在實(shí)際中，直流母線電壓的幅值是波動(dòng)的。由于在電流環(huán)的控制中，多采用了pi控制，母線電壓的波動(dòng)也不能影響最終的調(diào)節(jié)結(jié)果，但是卻對(duì)調(diào)節(jié)時(shí)間以及動(dòng)態(tài)的跟蹤精度帶來(lái)一定的影響。尤其是當(dāng)直流側(cè)電容值較小且負(fù)載較重時(shí)，影響要明顯些。

本文在單相220v的供電且負(fù)載較大的情況下，驗(yàn)證了上述觀點(diǎn)。并通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了對(duì)母線電壓補(bǔ)償?shù)姆椒苁跪?qū)動(dòng)器的性能在給定轉(zhuǎn)速階躍時(shí)有一定的提升。

母線電壓?jiǎn)栴}的根源

永磁同步電機(jī)交流伺服控制系統(tǒng)功率主回路由整流電路、中間直流電路以及逆變功率管組成。示意圖如圖1所示。

若忽略直流電路的電容儲(chǔ)能及濾波作用，單相交流220v的橋式整流波形如圖2所示［2］。波形頻率為工頻的2倍100hz。三相交流220v（相間幅值為220v）的橋式整流波形如圖3所示，波形頻率為300hz。

實(shí)際中因?yàn)橛兄绷鱾?cè)的電容的儲(chǔ)能及濾波的作用，直流母線電壓在電機(jī)沒有大功率消耗的情況下穩(wěn)定在311v左右。當(dāng)電機(jī)需要大功率消耗時(shí)從圖中可以看出單相220v的供電性能將遠(yuǎn)遜于三相220v供電。但是，在某些場(chǎng)合由于條件所限電源的供給是單相220v。這就導(dǎo)致直流側(cè)母線電壓波動(dòng)的問(wèn)題。

母線電壓的補(bǔ)償本質(zhì)

一般直流母線電壓vdc在程序計(jì)算中是常量，開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間為［3］：

在電機(jī)控制時(shí)，若直流母線電壓值小于程序中常量vdc會(huì)導(dǎo)致開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間小于預(yù)期值，進(jìn)一步導(dǎo)致，電機(jī)電流小于給定值。經(jīng)過(guò)電流環(huán)pi控制，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間自動(dòng)加長(zhǎng)使得電流實(shí)際值跟蹤電流給定值。

若采用了電壓補(bǔ)償，則會(huì)減小電流環(huán)中pi控制器的積分項(xiàng)，會(huì)使得驅(qū)動(dòng)器的超調(diào)減小，對(duì)驅(qū)動(dòng)器的性能帶來(lái)一定的提升。

一般情況下，電機(jī)控制中所用到的控制器為定點(diǎn)控制器。這就不能保證除法在中斷計(jì)算中所占用的時(shí)間。因此，可采用查表的辦法。在程序的初始化階段，將不同的母線電壓對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)值的計(jì)算完成。也就是說(shuō)，保證了在程序計(jì)算中采用了實(shí)時(shí)的直流母線電壓vdc。

實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)采用綿陽(yáng)圣維公司的swai-sc系列驅(qū)動(dòng)板卡、配套電機(jī)及自編寫的測(cè)試系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)采用單相交流220v輸入，實(shí)驗(yàn)用電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為4nm、額定轉(zhuǎn)速為4000r/min，電機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行。電機(jī)的額定功率為：

測(cè)試時(shí)刻，市電略高為235v。因此，圖中母線電壓初始時(shí)刻幅值約為333v。母線電壓未補(bǔ)償測(cè)試曲線如圖4（驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)速為0～5000r/min的階躍）所示，補(bǔ)償?shù)臏y(cè)試曲線如圖5所示。圖中左側(cè)坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速，坐標(biāo)轉(zhuǎn)速單位r/min（轉(zhuǎn)/分）。右側(cè)坐標(biāo)為母線電壓的幅值，幅值單位為v（伏特），橫坐標(biāo)為時(shí)間，時(shí)間單位為120微妙（測(cè)試軟件的通訊周期）?？梢钥闯觯寒?dāng)轉(zhuǎn)速階躍時(shí)，直流母線電壓呈現(xiàn)出周期性（100hz）的下降。

對(duì)比圖4、圖5可以看出：圖4中轉(zhuǎn)速?gòu)?—4000轉(zhuǎn)/分的上升時(shí)間為322.6ms，圖5中轉(zhuǎn)速?gòu)?—4000轉(zhuǎn)/分的上升時(shí)間為320.3ms。實(shí)驗(yàn)表明，該方案對(duì)階躍輸入下伺服性能的提高非常有限。這是因?yàn)?，在階躍輸入下驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的電流環(huán)的給定迅速增至并保持最大值。電流環(huán)的pi控制能夠保證實(shí)際的電流跟蹤給定的電流。所以，在圖4、5中轉(zhuǎn)速上升曲線的斜率幾乎一致。

但當(dāng)對(duì)驅(qū)動(dòng)器提出更高的要求時(shí)，比如快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、極小的轉(zhuǎn)速超調(diào)以及較強(qiáng)的剛性時(shí)，該方法結(jié)合其它的改進(jìn)控制方法對(duì)驅(qū)動(dòng)器的性能會(huì)有一定的提升。

結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)表明，該方案是合理、可行的。雖然對(duì)驅(qū)動(dòng)器性能的提升有限，但是當(dāng)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器提出更高的要求時(shí)該方法還是有其可行性。此外，作為設(shè)計(jì)人員要充分考慮電機(jī)輸出功率、供電電源功率及供電電源狀況來(lái)選擇直流母線的電容值以保證母線電壓有較強(qiáng)的抗擾動(dòng)能力。