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伺服驱动系统共直流母线技术概述

文:施耐德电气(中国)有限公司上海分公司 徐勇 | 2019年第三期 (0) | (0)

摘要:多轴伺服系统采用共直流母线技术将伺服驱动单元的母线并联,能量可以在不同的伺服单元中进行交互,减少能量浪费,达到节能的效果。采用共直流母线的伺服系统相比独立式伺服驱动器具有系统部件少,安装简单紧凑,系统可靠性高以及系统成本低等显著优点。

概述

随着中国制造业的转型升级,制造设备的复杂性和自动化程度不断提升,多轴伺服系统的应用得到快速增长。在多轴伺服系统中,各个轴的运动状态大概率是不同的,即某些伺服电机工作在制动发电状态时,另外一些伺服电机工作在电动耗能状态。采用共直流母线技术进行能量交互,制动电机产生的能量可以供给电动耗能的电机,而不必通过制动电阻进行耗散,从而达到节能的效果。同时,共直流母线的伺服系统相比传统的独立式伺服具有较少的系统部件,节省安装空间,降低系统成本等显著优点,因此在多轴伺服系统中获得越来越广泛的应用[1,2]。

典型的共直流母线伺服系统拓扑

典型的共直流母线伺服系统包括输入配电单元,电源模块以及并联的伺服驱动单元[3],如图1所示:

图 1 典型的共直流母线伺服系统构成.png 

图1典型的共直流母线伺服系统构成

配电单元

配电单元主要有空气断路器,保险丝,接触器,EMC滤波器以及交流输入电抗器等组成。

保险丝主要起到短路保护和过载保护的功能,切断电流以保护系统中其他的重要器件,同时降低起火,电击的风险。主接触器控制系统的供电,当主接触器断开时,电源模块和伺服驱动单元都处于失电状态,系统不能工作。EMC滤波器主要用于降低伺服系统对电网的干扰,电机越多,电机电缆越长,干扰越大。交流输入电抗器能够减少电流谐波,增加伺服驱动单元的电流输出能力。其中,EMC滤波器和交流输入电抗器需要根据系统的设计需求选择配置。

电源模块

伺服驱动系统的电源模块主要有整流桥,预充电电路,储能电容和制动单元组成。

整流桥将交流输入电源转化为直流电源,储能电容起到储存能量和平滑电压纹波的作用。预充电电路的作用是当主接触器闭合时,控制储能电容电压(即直流母线电压)逐渐上升,避免浪涌电流的产生。此时,与充电电阻并联的开关(继电器,接触器或晶闸管等)打开,输入电源经过充电电阻,整流桥,对储能电容进行充电;当储能电容的电压到达设定的电压阈值之后,预充电电路的开关闭合从而旁路充电电阻,输入电源直接经过整流桥对储能电容进行充电。

当伺服电机处于制动状态时,电机制动产生的能量对储能电容进行充电,当储能电容的电压高于一定的阈值后,制动单元动作,将多余的能量通过制动电阻进行耗散。

伺服驱动单元

伺服驱动单元主要有本地储能电容和三相逆变单元组成,如图2所示。

图 2 伺服驱动单元.png 

图2伺服驱动单元

当电机工作在电动状态时,三相逆变单元将直流母线的直流电源转变为频率相位可控的三相交流电源,从而驱动电机工作;当电机工作在制动状态时,三相逆变单元控制电机处于发电模式,产生的能量对直流母线进行充电。

共直流母线伺服系统的特点分析

以下从节能与效率,系统部件的数量,安装以及系统成本等几个方面对共直流母线伺服系统的优势进行分析。同时指出了共直流母线伺服系统在短路故障处理方面的不足。

节能与效率

在共直流母线的伺服系统中,能量可以在不同的伺服单元中进行交互。在某一时刻多轴伺服系统各个轴的运动状态可能是不同的,某些伺服电机工作在电动耗能状态,而另外一些伺服电机工作在制动发电状态。如图3所示,伺服电机A和B运行在电动状态,伺服电机C运行在制动状态。伺服电机C制动产生的能量可以通过并联的直流母线直接供给伺服电机A和B,这时从整流单元供给的能量减少,减轻了整流单元的压力,从而减少整流单元的损耗,提高了系统的效率。

如果伺服电机C的驱动采用独立式伺服驱动器,当制动产生的能量过多时,只能通过制动电阻进行耗散。因此共直流母线的伺服系统具有节能高效的优点。

 图 3 共直流母线伺服系统的能量交互.png

图3共直流母线伺服系统的能量交互

系统器件的数量

图4所示为独立式伺服驱动器的系统架构图。每套独立伺服驱动器都需要单独的配电单元,包括空气断路器,保险丝,接触器,滤波器以及交流电抗器等。其中,滤波器和交流电抗器需要根据具体系统设计需求选择配置。而共直流母线的伺服驱动系统只需要一套集中的配电装置,如图1所示。因此,采用共直流母线的伺服系统能够有效减少配电单元的器件数量。

此外,每个独立式伺服驱动器都有独立的整流桥,预充电电路,储能电容,制动单元和三相逆变单元。而共直流母线的伺服驱动系统只需要一套集中式的电源模块。该电源模块包含一套整流桥,预充电电路,制动单元和储能电容。某些共直流母线的伺服驱动器具有本地储能电容,但容量可以很小。因此,采用共直流母线的伺服系统能够有效减少伺服驱动器的关键器件数量。

因此,采用共直流母线的多轴伺服驱动系统,能够有效减少冗余的配电单元和冗余的驱动器整流单元以及制动单元等,减少设备故障点,提高系统可靠性。另外,由于减少了系统器件的数量,从而能够节约安装空间,降低系统成本。

图 4 独立式伺服驱动器的系统架构.png 

图4独立式伺服驱动器的系统架构

安装简单紧凑

共直流母线伺服系统的电源模块和伺服驱动模块一般设计成书本式模块化结构,并且允许边靠边地紧凑式安装[3],如图5所示:

 图 5 施耐德电气的 LXM62.png

图5施耐德电气的LXM62系列产品

以施耐德电气的共直流母线伺服产品LXM62为例,模块的并联端子位于前端盖,不需要背板连接。安装过程如图6所示,将右边的模块向左移动,使两个模块紧密贴近以实现边靠边安装,然后将右边模块的螺丝锁紧即可。安装完成之后,两个模块的直流母线,24V控制电源和地线就在内部并联起来。共直流母线的伺服系统能够有效的节约安装时间和节省安装空间

图 6 施耐德电气 LXM62.png 

图65施耐德电气LXM62的并联安装

另外一些共直流母线的伺服驱动模块支持双轴输出,即一个驱动单元内部提供两路共直流母线的同等功率逆变单元,如图7所示。共直流母线的双轴模块设计能够进一步提高模块的功率密度,节省安装空间。

 图 7 支持双轴输出的伺服驱动模块.png

图7支持双轴输出的伺服驱动模块

短路故障处理

共直流母线伺服系统的短路故障主要包括直流母线短路故障和伺服驱动单元短路故障。直流母线短路故障又包括直流母线间短路以及直流母线对地短路。当直流母线故障发生时,整个系统都会受影响,故障的波及范围较大,故障排查比较困难。

伺服驱动单元短路故障是指单个伺服驱动单元内部发生短路(比如IGBT短路)。当短路发生时,该驱动单元直流母线进线端的保险丝熔断,将该驱动单元与系统隔离,从而不会影响系统其它单元的工作。如果系统保险丝选型不合理或者短路能量太大,伺服驱动单元内部短路故障也可能波及电源模块和其它伺服驱动单元。

相比而言,独立式伺服驱动器的短路故障不会对系统的其他单元产生影响,故障范围小。因此要求共直流母线伺服系统的短路保护设计更合理,系统接线更规范。

共直流母线伺服系统的设计

由以上的分析可知,共直流母线伺服系统具有节能高效,系统部件少,安装简单紧凑,系统成本低等优点,但同时对伺服系统的设计提出了更高要求。共直流母线伺服系统的设计需要从以下几点进行考虑[4]。

评估系统工作循环曲线

为了评估共直流母线伺服系统的能量流动情况,需要计算出伺服系统单个工作循环内每个伺服驱动模块的能量流动情况。一个典型的工作循环包括加速阶段,持续运动阶段,减速阶段以及静止阶段,如图8所示:

1)在加速阶段ta,电机以最大驱动电流I_Max进行加速,电机转速从静止上升至工作转速;

2)在持续运动阶段tb,电机运行在工作转速,电机电流取决于负载的大小;

3)在减速阶段tc,电机以最大的制动电流-I_Max进行减速,电机转速从工作转速下降至静止转速。伺服电机减速阶段产生的能量可以通过并联的直流母线供给其他伺服单元,过多的能量则需要通过制动电阻进行耗散,制动电阻耗散的瞬时最大功率为P_Max,耗散的平均功率为P_DB。

4)在静止阶段td,电机的电流取决于静止状态下负载的大小。

 图 8 单个伺服单元的工作循环曲线.png

图8单个伺服单元的工作循环曲线

伺服驱动单元的功率等级(一般通过电流能力进行选取)可以根据图8中电机电流的曲线分析得出。

整流单元和直流母线的功率计算

根据工作循环曲线,驱动单元所需要的平均功率计算如下:

 计算公式.png

 平均功率.png

在某些应用中,多轴系统的伺服驱动电机需要同时加速移动到指定位置,此时需要整流单元和直流母线能够提供足够大的峰值功率,否则可能造成整流单元和直流母线的瞬时过载甚至损坏。因此在实际系统设计的时候要考虑是否存在这种恶劣的工况。

整流单元和直流母线的峰值功率计算如下:

计算公司.png

储能电容的能量计算

储能电容吸收的能量与储能前后电压平方的差值相关,计算如下:

电容.png

制动能量的计算

当伺服电机处于制动状态时,机械能转化为电能,制动过程产生的能量计算如下:

 伺服电机.png

制动产生的能量有一部分首先会存储到储能电容中(公式1所示),当储能电容电压不断升高,到达制动电阻的启动电压时,多余的能量需要被制动电阻耗散掉,制动电阻需要耗散的能量计算如下:

 电能.png

为减速过程中系统的电能损耗。系统的电能损耗可以基于驱动系统的峰值功率推算,当系统的典型效率为90%时,系统的电能损耗大约为系统峰值功率的10%。

由公式(1)和公式(3)可知,制动电阻需要耗散的能量与储能电容的容量大小有直接关系,电容容量越大,所需耗散能量越小,反之亦然。

因此需要权衡电容容量和电阻耗散能量的关系,进而选取合适的储能电容模块和制动模块。

制动电阻的选择

制动电阻的作用是将伺服电机制动产生的多余能量进行耗散。

制动电阻的峰值功率计算如下:

电阻.png

在某些应用情况下,制动单元的选择需要考虑最恶劣的工况:即在急停的情况下,所有的驱动单元同时进行制动,这时制动电阻必须能够吸收全部的制动能量。

共直流母线伺服系统的其他技术

独立式伺服驱动器的并联

有些独立式伺服驱动器可以提供共直流母线的功能,从而实现节能的效果[4]。

图 9 独立式伺服驱动器的并联.png 

图9独立式伺服驱动器的并联

图9所示为独立式伺服驱动器实现共直流母线的一种拓扑。该实现方法将各个伺服驱动器的输入通过保险丝进行并联,同时将各个伺服驱动器的直流母线也通过保险丝进行并联。这种并联拓扑实现比较简单,断开直流母线后各个伺服单元还可以独立工作。

通过以上的直流母线并联,当一台伺服处于发电状态,另一台伺服处于电动状态时,能量可以从处于发电状态的伺服经并联的直流母线,流向处于电动状态的伺服,实现能量交互,避免能量浪费。

但是上面的并联拓扑存在输入电流不平衡的问题。二极管整流桥具有负温度系数的特性,即温度越高阻抗越低,从而导致并联整流桥输入电流不平衡。工程上可以通过串联均流电感或者均流电阻以改善输入不平衡的问题。这种并联拓扑适用于同功率等级或者相近功率等级的独立式伺服驱动器的并联。

主动整流单元(四象限PWM整流器)

主动整流单元可以将交流电网侧的能量转换到直流侧的储能电容,也能够将储能电容里的能量反馈到交流电网,从而实现能量的双向流动。主动整流单元能够控制储能电容的电压保持恒定,制动产生的能量可以迅速反馈到交流电网,从而实现节能的目的。因此,采用主动整流单元的伺服系统一般不需要额外的制动单元进行耗能,并且储能电容的容量可以减小。另外,主动整流单元能够具有功率因数可控,电流谐波小的特点。

主动整流单元的典型拓扑一般有网侧滤波器,三相IGBT逆变单元和直流侧储能电容组成[5],如图10所示:

图 10 主动整流单元的拓扑结构.png 

图10主动整流单元的拓扑结构

主动整流单元的成本相对不可控整流单元成本较高,但当伺服系统的轴数较多并且制动比较频繁的情况下,主动整流单元具有明显的节能效果和良好的经济效益。

结论

本文详细分析了共直流母线伺服系统的拓扑结构,与独立式伺服驱动器相比,共直流母线伺服系统具有节能高效,系统器件少,安装简单紧凑,系统成本低以及系统可靠性好等显著优点,因此在多轴伺服系统中获得越来越广泛的应用。鉴于共直流母线伺服系统的设计难度较大,本文给出了伺服系统的设计指导,通过分析并联各轴的工作循环曲线,确定系统能量的交互关系,进而优化设计伺服系统的各个组成部分。



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