引言

目前國內(nèi)市場上，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，交流電源的輸入一般為單相220v。在逆變時，每個開關(guān)管的導(dǎo)通時間由直流母線電壓的基準(zhǔn)來計算的。很多的時候，直流母線電壓vdc在程序計算中是常量。在實(shí)際中，直流母線電壓的幅值是波動的。由于在電流環(huán)的控制中，多采用了pi控制，母線電壓的波動也不能影響最終的調(diào)節(jié)結(jié)果，但是卻對調(diào)節(jié)時間以及動態(tài)的跟蹤精度帶來一定的影響。尤其是當(dāng)直流側(cè)電容值較小且負(fù)載較重時，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)。并通過對比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了對母線電壓補(bǔ)償?shù)姆椒苁跪?qū)動器的性能在給定轉(zhuǎn)速階躍時有一定的提升。

母線電壓問題的根源

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)母線電壓波動的問題。

母線電壓的補(bǔ)償本質(zhì)

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

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

若采用了電壓補(bǔ)償，則會減小電流環(huán)中pi控制器的積分項(xiàng)，會使得驅(qū)動器的超調(diào)減小，對驅(qū)動器的性能帶來一定的提升。

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算中所占用的時間。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應(yīng)的基準(zhǔn)值的計算完成。也就是說，保證了在程序計算中采用了實(shí)時的直流母線電壓vdc。

實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)采用綿陽圣維公司的swai-sc系列驅(qū)動板卡、配套電機(jī)及自編寫的測試系統(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：

測試時刻，市電略高為235v。因此，圖中母線電壓初始時刻幅值約為333v。母線電壓未補(bǔ)償測試曲線如圖4（驅(qū)動器轉(zhuǎn)速為0～5000r/min的階躍）所示，補(bǔ)償?shù)臏y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)為時間，時間單位為120微妙（測試軟件的通訊周期）。可以看出：當(dāng)轉(zhuǎn)速階躍時，直流母線電壓呈現(xiàn)出周期性（100hz）的下降。

對比圖4、圖5可以看出：圖4中轉(zhuǎn)速從0—4000轉(zhuǎn)/分的上升時間為322.6ms，圖5中轉(zhuǎn)速從0—4000轉(zhuǎn)/分的上升時間為320.3ms。實(shí)驗(yàn)表明，該方案對階躍輸入下伺服性能的提高非常有限。這是因?yàn)椋陔A躍輸入下驅(qū)動器內(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)對驅(qū)動器提出更高的要求時，比如快速的動態(tài)響應(yīng)、極小的轉(zhuǎn)速超調(diào)以及較強(qiáng)的剛性時，該方法結(jié)合其它的改進(jìn)控制方法對驅(qū)動器的性能會有一定的提升。

結(jié)語

實(shí)驗(yàn)表明，該方案是合理、可行的。雖然對驅(qū)動器性能的提升有限，但是當(dāng)對伺服驅(qū)動器提出更高的要求時該方法還是有其可行性。此外，作為設(shè)計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)的抗擾動能力。