蘇 潮，吳洪德，陳慶武，邵立偉，黃德皇

（1.中山早稻田科技有限公司，廣東 中山 528400；2.中山市北京理工大學(xué)研究院，廣東 中山 528400）

0 引 言

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器行業(yè)內(nèi)，尤其是變頻器和伺服驅(qū)動(dòng)器，針對(duì)剎車(chē)過(guò)程直流母線過(guò)壓?jiǎn)栴}，一般的應(yīng)對(duì)方案通常有兩個(gè)。一個(gè)是通過(guò)加泄放電阻消耗掉電能，從而將直流電壓拉下來(lái)。此方案明顯的缺點(diǎn)是耗能較大，不利于電能的高效利用。另一個(gè)是加大直流母線支撐電容容量，此方案的缺點(diǎn)是電容體積非常大，導(dǎo)致產(chǎn)品整體體積大且成本高。針對(duì)此問(wèn)題，本文介紹了一種饋能型電機(jī)供電電源設(shè)計(jì)方案，此電源的特點(diǎn)是除了能充當(dāng)普通的直流供電電源外，還能把電機(jī)發(fā)出來(lái)的電能回饋到電網(wǎng)端。設(shè)計(jì)方案包含主回路拓?fù)?、控制電路以及軟件控制算法[1-6]。

1 電源電路拓?fù)浼肮ぷ髟?/h2>

1.1 電源總拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電源總拓?fù)淙鐖D1所示，系統(tǒng)的一端是單相220 V公共電網(wǎng)，另一端是直流電機(jī)，此直流電機(jī)可以是直流伺服電機(jī)。電源可以實(shí)現(xiàn)電能的雙向流動(dòng)，中間進(jìn)行電氣隔離。系統(tǒng)由主要由單相并網(wǎng)型AC/DC雙向變換電路和DC/DC雙向變換電路組成。單相并網(wǎng)型 AC/DC 雙向變換電路由 L1、Q1、D1、Q2、D2、Q3、D3、Q4、D4以及C1組成，DC/DC雙向變換電路由Q5、D5、Q6、D6、Q7、D7、Q8、D8、C2、T1、Q9、D9、Q10、D10、L2以及C3組成。電源各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電壓和電流都由同一個(gè)DSP控制器檢測(cè)和控制。

圖1 電源總拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 單相并網(wǎng)型AC/DC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

單相并網(wǎng)型AC/DC電路主要是PWM單相全橋整流器，此整流器在電源中起著非常重要的作用，除了要把交流電變成直流電，還需要把直流電變成交流電，尤其是變成并網(wǎng)型的交流電?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖2所示，控制對(duì)象是直流電壓，給定值Vdc_ref和Vdc_mea對(duì)比之后生成偏差Vdc_error信號(hào)，偏差信號(hào)經(jīng)過(guò)PI運(yùn)算之后作為給定電流Iref的幅值。給定電流的頻率和相位跟隨輸入電壓，輸入電壓經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)PLL得到電網(wǎng)端的頻率和相位。

圖2 單相并網(wǎng)型AC/DC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

PWM整流器的相量方程為：

式中，Us是網(wǎng)側(cè)電壓，Uab是PWM整流器輸入電壓，jwLsIs是電感L1兩端電壓。當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓Us保持不變時(shí)，交流輸入電流Is的相位和幅值由輸入電壓Uab幅值及其與ULs的相位共同決定。因此，可通過(guò)控制交流輸入電流Is與網(wǎng)側(cè)電壓Us反相、同相、滯后以及超前的方式實(shí)現(xiàn)整流或者逆變工作。

1.3 DC/DC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

如圖3所示，在饋能工作模式即電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)下，整個(gè)控制過(guò)程是控制器從檢測(cè)到C3的電壓升高的時(shí)刻T0算起，Q9和Q10同時(shí)導(dǎo)通，L2的電流緩慢上升，電感處于儲(chǔ)能狀態(tài)。T1時(shí)刻Q10截止Q9繼續(xù)導(dǎo)通，左側(cè)電路Q5和Q8導(dǎo)通，C1緩慢充電，L2電流緩慢減小。T2時(shí)刻Q9和Q10同時(shí)導(dǎo)通，L2的電流緩慢上升，電感處于儲(chǔ)能狀態(tài)。T3時(shí)刻Q9截止Q10繼續(xù)導(dǎo)通，左側(cè)電路Q6和Q7導(dǎo)通，C1緩慢充電，L2電流緩慢減小。在供電工作模式即電機(jī)處于耗電狀態(tài)下，整個(gè)控制過(guò)程是控制器從檢測(cè)到C3的電壓下降的時(shí)刻T0算起，左側(cè)電路Q5和Q8同時(shí)導(dǎo)通，C1的電壓加到了變壓器的原邊兩端，原邊電流緩慢增加，副邊感應(yīng)出電流，D9導(dǎo)通，電流流過(guò)L2給C3充電，此時(shí)為減少D9的損耗可導(dǎo)通Q9，實(shí)現(xiàn)同步整流。到T1時(shí)刻，Q5和Q8同時(shí)截止，原邊電流經(jīng)過(guò)D6進(jìn)行續(xù)流。到T2時(shí)刻，Q6和Q7同時(shí)導(dǎo)通，C1的電壓反向加到了變壓器的原邊兩端。同理，副邊的D10和Q10導(dǎo)通，給C3進(jìn)行充電，如此便實(shí)現(xiàn)了給電機(jī)恒壓供電的功能。

圖3 DC/DC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 電源控制方法

2.1 單相電流控制器

在三相變流器中，UVW三相靜止坐標(biāo)系變換成α-β兩相靜止坐標(biāo)系，再變換成d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。然而此變換不能直接用于單相系統(tǒng)中，因?yàn)閱蜗嘞到y(tǒng)只有一個(gè)電流變量，解決方法是虛構(gòu)出另一個(gè)電流變量，先構(gòu)建α-β兩相靜止坐標(biāo)系，再變換成d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。把實(shí)際測(cè)量到的Is定義為Iα，Iβ作為虛構(gòu)電流變量，滯后于Iα的相位90°。

坐標(biāo)變換公式為：

得到測(cè)量值Id和Iq之后，分別與給定值進(jìn)行比較，然后進(jìn)行PI運(yùn)行，得到Ud和Uq值，再進(jìn)行坐標(biāo)反變換為：

2.2 雙向DC/DC變換器的控制方法

本系統(tǒng)采用推挽型雙向DC/DC變換器，控制策略采用電壓環(huán)控制模式。電壓環(huán)控制模式是一種基本的控制策略，對(duì)電壓值進(jìn)行采樣，然后與設(shè)定值進(jìn)行比較，再由比較后的差值進(jìn)行PI運(yùn)算得到控制信號(hào)?？刂菩盘?hào)對(duì)主回路的開(kāi)關(guān)管進(jìn)行控制，整個(gè)過(guò)程構(gòu)成了閉環(huán)控制系統(tǒng)[7-10]。

2.3 控制電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用DSP作為主控芯片，外圍電路包括電流采樣電路、電壓采樣電路、模擬信號(hào)調(diào)理電路、保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)電路以及電源電路。其中，電流、電壓采樣電路需要用線性光耦進(jìn)行電氣隔離，相應(yīng)的供電電源也需要選擇隔離型DC/DC電源。

3 結(jié) 論

本文的方案在算法上通過(guò)MATLAB仿真得到了驗(yàn)證，最后通過(guò)制作PCB電路板并連接電機(jī)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，測(cè)試的結(jié)果表明，電源的各項(xiàng)功能和性能指標(biāo)均符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。