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直流母线电压对永磁同步电机伺服的影响实验研究及结果分析

目前国内市场上,中小功率的交流伺服器普遍采用“交—直—交”变压变频拓扑结构。交流电源整流为直流,直流经可控的功率元件逆变为电机所需的三相电[1]。其中,交流电源的输入一般为3相220v(相间电压为220v)。当电机功率较小时,交流电源的输入一般为单相220v。在逆变时,每个开关管的导通时间由直流母线电压的基准来计算的。很多的时候,直流母线电压vdc在程序计算中是常量。


在实际中,直流母线电压的幅值是波动的。由于在电流环的控制中,多采用了pi控制,母线电压的波动也不能影响最终的调节结果,但是却对调节时间以及动态的跟踪精度带来一定的影响。尤其是当直流侧电容值较小且负载较重时,影响要明显些。


本文在单相220v的供电且负载较大的情况下,验证了上述观点。并通过对比实验验证了对母线电压补偿的方法能使驱动器的性能在给定转速阶跃时有一定的提升。


母线电压问题的根源


永磁同步电机交流伺服控制系统功率主回路由整流电路、中间直流电路以及逆变功率管组成。示意图如图1所示。


若忽略直流电路的电容储能及滤波作用,单相交流220v的桥式整流波形如图2所示[2]。波形频率为工频的2倍100hz。三相交流220v(相间幅值为220v)的桥式整流波形如图3所示,波形频率为300hz。


实际中因为有直流侧的电容的储能及滤波的作用,直流母线电压在电机没有大功率消耗的情况下稳定在311v左右。当电机需要大功率消耗时从图中可以看出单相220v的供电性能将远逊于三相220v供电。但是,在某些场合由于条件所限电源的供给是单相220v。这就导致直流侧母线电压波动的问题。


母线电压的补偿本质


一般直流母线电压vdc在程序计算中是常量,开关管的导通时间为[3]:


在电机控制时,若直流母线电压值小于程序中常量vdc会导致开关管导通时间小于预期值,进一步导致,电机电流小于给定值。经过电流环pi控制,开关管导通时间自动加长使得电流实际值跟踪电流给定值。


若采用了电压补偿,则会减小电流环中pi控制器的积分项,会使得驱动器的超调减小,对驱动器的性能带来一定的提升。


一般情况下,电机控制中所用到的控制器为定点控制器。这就不能保证除法在中断计算中所占用的时间。因此,可采用查表的办法。在程序的初始化阶段,将不同的母线电压对应的基准值的计算完成。也就是说,保证了在程序计算中采用了实时的直流母线电压vdc。


实验及结果


实验采用绵阳圣维公司的swai-sc系列驱动板卡、配套电机及自编写的测试系统。实验采用单相交流220v输入,实验用电机额定转矩为4nm、额定转速为4000r/min,电机带负载运行。电机的额定功率为:


测试时刻,市电略高为235v。因此,图中母线电压初始时刻幅值约为333v。母线电压未补偿测试曲线如图4(驱动器转速为0~5000r/min的阶跃)所示,补偿的测试曲线如图5所示。图中左侧坐标为转速,坐标转速单位r/min(转/分)。右侧坐标为母线电压的幅值,幅值单位为v(伏特),横坐标为时间,时间单位为120微妙(测试软件的通讯周期)。可以看出:当转速阶跃时,直流母线电压呈现出周期性(100hz)的下降。


对比图4、图5可以看出:图4中转速从0—4000转/分的上升时间为322.6ms,图5中转速从0—4000转/分的上升时间为320.3ms。实验表明,该方案对阶跃输入下伺服性能的提高非常有限。这是因为,在阶跃输入下驱动器内部的电流环的给定迅速增至并保持最大值。电流环的pi控制能够保证实际的电流跟踪给定的电流。所以,在图4、5中转速上升曲线的斜率几乎一致。


但当对驱动器提出更高的要求时,比如快速的动态响应、极小的转速超调以及较强的刚性时,该方法结合其它的改进控制方法对驱动器的性能会有一定的提升。


结语


实验表明,该方案是合理、可行的。虽然对驱动器性能的提升有限,但是当对伺服驱动器提出更高的要求时该方法还是有其可行性。此外,作为设计人员要充分考虑电机输出功率、供电电源功率及供电电源状况来选择直流母线的电容值以保证母线电压有较强的抗扰动能力。


 

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