一種饋能型電機供電電源設(shè)計

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

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

1 電源電路拓撲及工作原理

1.1 電源總拓撲結(jié)構(gòu)

電源總拓撲如圖1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，此直流電機可以是直流伺服電機。電源可以實現(xiàn)電能的雙向流動，中間進行電氣隔離。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。電源各個關(guān)鍵節(jié)點的電壓和電流都由同一個DSP控制器檢測和控制。

圖1 電源總拓撲結(jié)構(gòu)

1.2 單相并網(wǎng)型AC/DC電路拓撲結(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。控制系統(tǒng)的設(shè)計如圖2所示，控制對象是直流電壓，給定值Vdc_ref和Vdc_mea對比之后生成偏差Vdc_error信號，偏差信號經(jīng)過PI運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電路拓撲結(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，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現(xiàn)整流或者逆變工作。

1.3 DC/DC電路拓撲結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖3所示，在饋能工作模式即電機處于發(fā)電狀態(tài)下，整個控制過程是控制器從檢測到C3的電壓升高的時刻T0算起，Q9和Q10同時導(dǎo)通，L2的電流緩慢上升，電感處于儲能狀態(tài)。T1時刻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時刻Q9和Q10同時導(dǎo)通，L2的電流緩慢上升，電感處于儲能狀態(tài)。T3時刻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處于耗電狀態(tài)下，整個控制過程是控制器從檢測到C3的電壓下降的時刻T0算起，左側(cè)電路Q5和Q8同時導(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L2給C3充電，此時為減少D9的損耗可導(dǎo)通Q9，實現(xiàn)同步整流。到T1時刻，Q5和Q8同時截止，原邊電流經(jīng)過D6進行續(xù)流。到T2時刻，Q6和Q7同時導(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進行充電，如此便實現(xiàn)了給電機恒壓供電的功能。

圖3 DC/DC電路拓撲結(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，因為單相系統(tǒng)只有一個電流變量，解決方法是虛構(gòu)出另一個電流變量，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。把實際測量到的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：

得到測量值Id和Iq之后，分別與給定值進行比較，然后進行PI運行，得到Ud和Uq值，再進行坐標(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，對電壓值進行采樣，然后與設(shè)定值進行比較，再由比較后的差值進行PI運算得到控制信號。控制信號對主回路的開關(guān)管進行控制，整個過程構(gòu)成了閉環(huán)控制系統(tǒng)[7-10]。

2.3 控制電路設(shè)計

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、模擬信號調(diào)理電路、保護電路、驅(qū)動電路以及電源電路。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MATLAB仿真得到了驗證，最后通過制作PCB電路板并連接電機進行實際測試，測試的結(jié)果表明，電源的各項功能和性能指標(biāo)均符合產(chǎn)品設(shè)計要求。