一種再生制動控制電路的設計

1　引言

一般情況下,伺服系統主電路結構如圖1所示。能量是由電網經整流器、濾波器、逆變器等傳輸到電動機的。當電動機工作于發電狀態，即電動機快速制動或者帶位勢負載時，能量的傳輸需要反向，能量將在濾波電容上累積，產生泵升電壓，如果泵升電壓過高，會威脅系統的安全。控制泵升電壓最簡單的方法是：泵升電壓產生后，在直流母線之間接通一個能耗電阻，將能量釋放。如果電動機制動頻繁或長期帶位勢負載運行，則能量浪費嚴重；同時，由于電阻發熱，導致環境溫度升高，將會影響系統的可靠性。本文設計的這個電路，可以很好地解決這一問題。

2　系統工作原理概述

將圖1中的三相不控整流器換為可控變流器，并在三相電源輸入端串入三個高頻扼流電抗器，用以抑制可能產生的雙向（電網伺服系統）電磁干擾，以及在變流器工作于逆變狀態時，起到等效直流電抗器的作用，如圖2所示。

當電動機工作在電動狀態時，可控變流器的大功率開關器件s1～s6全部處于關斷狀態，而6個續流二極管構成三相不控橋式整流器，工作狀況同圖1。

當電動機工作在發電狀態時，則逆變器工作于整流狀態，而可控變流器工作于逆變狀態，使電動機工作在再生制動狀態。這時濾波電容貯能，直流母線電壓升高，在超過電網線電壓值后，二極管d1～d6反向阻斷；當直流母線電壓繼續升高，超過設定的上限允許值udh時，變流器開始工作，將直流母線上的能量逆變回饋電網。此時，高頻扼流電抗器將平衡直流母線電壓和電網線電壓之間的差值，以保證逆變狀態的正常進行。當直流母線電壓回落到下限設定值udl后，再關閉變流器。就能量回饋需要考慮的問題有：

1）回饋電流必須滿足回饋功率的要求，同時不能大于逆變器所允許的最大電流；

2）只有當直流母線電壓高于設定值時，才能啟動逆變器進行能量回饋；

3）為了提高回饋功率，盡量在電網電壓高時進行回饋，因為如果回饋電流一定，則電網電壓越高回饋功率越大。

因此，系統須有電壓控制電路，同步控制電路和電流限制電路。電流和電壓的控制由兩個遲滯比較器完成，同步控制由同步檢測與控制電路完成。

3　控制電路設計

3．1　電壓檢測與控制電路的設計

設計電壓控制電路的目的是：當電動機工作于發電狀態并且使直流母線電壓ud升高到超過設定值udh后，起動變流器中的開關管，以使直流母線上的能量逆變回饋回電網，迫使ud回落；當ud小于另一設定值udl后再關閉開關管。為了避免逆變器過于頻繁地起動和關閉，電壓控制為滯環控制方式udl

式中：u為相電壓的有效值。

一般情況下，當電網相電壓為220v時，可設定udl=630v，電壓滯環控制的環寬為20v，udh=650v，采用線性光電隔離器nec200檢測直流母線電壓，線性地將直流母線電壓轉換為弱電壓信號，作為電壓滯環控制器的反相輸入。電壓檢測與控制電路如圖3所示。uv作為控制回饋逆變器主開關通斷的條件之一。

3.2　電流檢測及電流控制信號的產生

由于直流母線上的電流和通過變流器開關管的電流以及回饋電網的線電流是相等的，因此只需在直流母線接變流器端裝一個lem電流傳感器，就可以檢測能量回饋過程中的所有線電流il。當il低于滯環下限ill時，ui為高電平，允許逆變器開關管導通；當il高于滯環上限ilh時，ui為低電平，變流器開關管關斷。關斷后，在扼流電抗器的續流作用下，能量回饋線電流方向保持不變，變流器中相應二極管續流，直流母線上的電流反向。因此需要對lem輸出的電壓信號整流，得到能量回饋的線電流反饋信號iv，iv作為控制回饋逆變器主開關通斷的條件之二。 　　電流檢測及電流控制電路就是由電流傳感器電路、精密整流電路和遲滯比較器組成，如圖4所示。

3.3　相位同步控制電路

變流器工作于逆變狀態時，為了獲得較大的能量回饋，當回饋線電流一定時，應當盡量在電網的高電壓段進行能量回饋。因此變流器各功率開關器件的開關狀態與電網電壓的相位應滿足如圖6所示的同步關系，為此設計了圖5所示的同步控制電路。圖5中，ug1～ug6分別為功率開關器件s1～s6的導通允許同步控制信號，將圖2和圖5中a、b、c對應連接在一起，并將系統接入電網，無論相序怎樣變化，圖6所示的同步關系不變。在此同步關系下，理想的相電壓和相電流波形如圖7所示。設u1～u6分別為s1～s6的驅動控制信號，高電平導通，低電平關斷，驅動控制信號u1～u6可分別由保護信號、電壓控制信號uv、電流控制信號iv和同步控制信號uti相與后獲得。

4　應用實例分析

在一個dsp控制的同步電機伺服系統中應用時，要求能量回饋功率p=6.5kw，相電壓u=220v，變流器的最高開關頻率fmax=10khz，最大允許電流是25a，設定ilh=20a,ill=10a，udl=630v,udh=650v。

4.1　扼流電抗器的計算

扼流電抗器在此泵升電壓控制電路中起很重要的作用。對它主要有三個方面的要求，即電感量、工作頻率和工作電流。對電感量的要求取決于回饋電流的設定值和變流器額定開關頻率。假設能量回饋過程中，電抗器承受正向電壓為：

由此可見，電抗器的電感量在udh、ilh、ill、l確定后，udl越小，變流器功率開關的開關頻率越高。當udl最小、開關頻率最大時，需要的電感量最小，此時udl=

4.2　回饋功率p的估算

當電網電壓一定后，回饋功率大小與回饋電流有關，回饋電流為：

滿足回饋6.5kw的要求。

5　結語

通過示波器在上述同步電機伺服系統制動時捕捉到的電壓和電流波形如圖8所示，與理論分析一致,滿足設計要求。在上述系統中的應用，說明此方法是可行的，有一定的實用價值。