摘要：多軸伺服系統(tǒng)采用共直流母線技術(shù)將伺服驅(qū)動(dòng)單元的母線并聯(lián)，能量可以在不同的伺服單元中進(jìn)行交互，減少能量浪費(fèi)，達(dá)到節(jié)能的效果。采用共直流母線的伺服系統(tǒng)相比獨(dú)立式伺服驅(qū)動(dòng)器具有系統(tǒng)部件少，安裝簡(jiǎn)單緊湊，系統(tǒng)可靠性高以及系統(tǒng)成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)。

概述

隨著中國(guó)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，制造設(shè)備的復(fù)雜性和自動(dòng)化程度不斷提升，多軸伺服系統(tǒng)的應(yīng)用得到快速增長(zhǎng)。在多軸伺服系統(tǒng)中，各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)大概率是不同的，即某些伺服電機(jī)工作在制動(dòng)發(fā)電狀態(tài)時(shí)，另外一些伺服電機(jī)工作在電動(dòng)耗能狀態(tài)。采用共直流母線技術(shù)進(jìn)行能量交互，制動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的能量可以供給電動(dòng)耗能的電機(jī)，而不必通過制動(dòng)電阻進(jìn)行耗散，從而達(dá)到節(jié)能的效果。同時(shí)，共直流母線的伺服系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的獨(dú)立式伺服具有較少的系統(tǒng)部件，節(jié)省安裝空間，降低系統(tǒng)成本等顯著優(yōu)點(diǎn)，因此在多軸伺服系統(tǒng)中獲得越來越廣泛的應(yīng)用[1,2]。

典型的共直流母線伺服系統(tǒng)拓?fù)?/strong>

典型的共直流母線伺服系統(tǒng)包括輸入配電單元，電源模塊以及并聯(lián)的伺服驅(qū)動(dòng)單元[3]，如圖1所示：

圖1典型的共直流母線伺服系統(tǒng)構(gòu)成

配電單元

配電單元主要有空氣斷路器，保險(xiǎn)絲，接觸器，EMC濾波器以及交流輸入電抗器等組成。

保險(xiǎn)絲主要起到短路保護(hù)和過載保護(hù)的功能，切斷電流以保護(hù)系統(tǒng)中其他的重要器件，同時(shí)降低起火，電擊的風(fēng)險(xiǎn)。主接觸器控制系統(tǒng)的供電，當(dāng)主接觸器斷開時(shí)，電源模塊和伺服驅(qū)動(dòng)單元都處于失電狀態(tài)，系統(tǒng)不能工作。EMC濾波器主要用于降低伺服系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的干擾，電機(jī)越多，電機(jī)電纜越長(zhǎng)，干擾越大。交流輸入電抗器能夠減少電流諧波，增加伺服驅(qū)動(dòng)單元的電流輸出能力。其中，EMC濾波器和交流輸入電抗器需要根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求選擇配置。

電源模塊

伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電源模塊主要有整流橋，預(yù)充電電路，儲(chǔ)能電容和制動(dòng)單元組成。

整流橋?qū)⒔涣鬏斎腚娫崔D(zhuǎn)化為直流電源，儲(chǔ)能電容起到儲(chǔ)存能量和平滑電壓紋波的作用。預(yù)充電電路的作用是當(dāng)主接觸器閉合時(shí)，控制儲(chǔ)能電容電壓（即直流母線電壓）逐漸上升，避免浪涌電流的產(chǎn)生。此時(shí)，與充電電阻并聯(lián)的開關(guān)（繼電器，接觸器或晶閘管等）打開，輸入電源經(jīng)過充電電阻，整流橋，對(duì)儲(chǔ)能電容進(jìn)行充電；當(dāng)儲(chǔ)能電容的電壓到達(dá)設(shè)定的電壓閾值之后，預(yù)充電電路的開關(guān)閉合從而旁路充電電阻，輸入電源直接經(jīng)過整流橋?qū)?chǔ)能電容進(jìn)行充電。

當(dāng)伺服電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電機(jī)制動(dòng)產(chǎn)生的能量對(duì)儲(chǔ)能電容進(jìn)行充電，當(dāng)儲(chǔ)能電容的電壓高于一定的閾值后，制動(dòng)單元?jiǎng)幼?，將多余的能量通過制動(dòng)電阻進(jìn)行耗散。

伺服驅(qū)動(dòng)單元

伺服驅(qū)動(dòng)單元主要有本地儲(chǔ)能電容和三相逆變單元組成，如圖2所示。

圖2伺服驅(qū)動(dòng)單元

當(dāng)電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，三相逆變單元將直流母線的直流電源轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率相位可控的三相交流電源，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作；當(dāng)電機(jī)工作在制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，三相逆變單元控制電機(jī)處于發(fā)電模式，產(chǎn)生的能量對(duì)直流母線進(jìn)行充電。

共直流母線伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)分析

以下從節(jié)能與效率，系統(tǒng)部件的數(shù)量，安裝以及系統(tǒng)成本等幾個(gè)方面對(duì)共直流母線伺服系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析。同時(shí)指出了共直流母線伺服系統(tǒng)在短路故障處理方面的不足。

節(jié)能與效率

在共直流母線的伺服系統(tǒng)中，能量可以在不同的伺服單元中進(jìn)行交互。在某一時(shí)刻多軸伺服系統(tǒng)各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可能是不同的，某些伺服電機(jī)工作在電動(dòng)耗能狀態(tài)，而另外一些伺服電機(jī)工作在制動(dòng)發(fā)電狀態(tài)。如圖3所示，伺服電機(jī)A和B運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)，伺服電機(jī)C運(yùn)行在制動(dòng)狀態(tài)。伺服電機(jī)C制動(dòng)產(chǎn)生的能量可以通過并聯(lián)的直流母線直接供給伺服電機(jī)A和B，這時(shí)從整流單元供給的能量減少，減輕了整流單元的壓力，從而減少整流單元的損耗，提高了系統(tǒng)的效率。

如果伺服電機(jī)C的驅(qū)動(dòng)采用獨(dú)立式伺服驅(qū)動(dòng)器，當(dāng)制動(dòng)產(chǎn)生的能量過多時(shí)，只能通過制動(dòng)電阻進(jìn)行耗散。因此共直流母線的伺服系統(tǒng)具有節(jié)能高效的優(yōu)點(diǎn)。

圖3共直流母線伺服系統(tǒng)的能量交互

系統(tǒng)器件的數(shù)量

圖4所示為獨(dú)立式伺服驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)架構(gòu)圖。每套獨(dú)立伺服驅(qū)動(dòng)器都需要單獨(dú)的配電單元，包括空氣斷路器，保險(xiǎn)絲，接觸器，濾波器以及交流電抗器等。其中，濾波器和交流電抗器需要根據(jù)具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求選擇配置。而共直流母線的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)只需要一套集中的配電裝置，如圖1所示。因此，采用共直流母線的伺服系統(tǒng)能夠有效減少配電單元的器件數(shù)量。

此外，每個(gè)獨(dú)立式伺服驅(qū)動(dòng)器都有獨(dú)立的整流橋，預(yù)充電電路，儲(chǔ)能電容，制動(dòng)單元和三相逆變單元。而共直流母線的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)只需要一套集中式的電源模塊。該電源模塊包含一套整流橋，預(yù)充電電路，制動(dòng)單元和儲(chǔ)能電容。某些共直流母線的伺服驅(qū)動(dòng)器具有本地儲(chǔ)能電容，但容量可以很小。因此，采用共直流母線的伺服系統(tǒng)能夠有效減少伺服驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵器件數(shù)量。

因此，采用共直流母線的多軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，能夠有效減少冗余的配電單元和冗余的驅(qū)動(dòng)器整流單元以及制動(dòng)單元等，減少設(shè)備故障點(diǎn)，提高系統(tǒng)可靠性。另外，由于減少了系統(tǒng)器件的數(shù)量，從而能夠節(jié)約安裝空間，降低系統(tǒng)成本。

圖4獨(dú)立式伺服驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)架構(gòu)

安裝簡(jiǎn)單緊湊

共直流母線伺服系統(tǒng)的電源模塊和伺服驅(qū)動(dòng)模塊一般設(shè)計(jì)成書本式模塊化結(jié)構(gòu)，并且允許邊靠邊地緊湊式安裝[3]，如圖5所示：

圖5施耐德電氣的LXM62系列產(chǎn)品

以施耐德電氣的共直流母線伺服產(chǎn)品LXM62為例，模塊的并聯(lián)端子位于前端蓋，不需要背板連接。安裝過程如圖6所示，將右邊的模塊向左移動(dòng)，使兩個(gè)模塊緊密貼近以實(shí)現(xiàn)邊靠邊安裝，然后將右邊模塊的螺絲鎖緊即可。安裝完成之后，兩個(gè)模塊的直流母線，24V控制電源和地線就在內(nèi)部并聯(lián)起來。共直流母線的伺服系統(tǒng)能夠有效的節(jié)約安裝時(shí)間和節(jié)省安裝空間

圖65施耐德電氣LXM62的并聯(lián)安裝

另外一些共直流母線的伺服驅(qū)動(dòng)模塊支持雙軸輸出，即一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元內(nèi)部提供兩路共直流母線的同等功率逆變單元，如圖7所示。共直流母線的雙軸模塊設(shè)計(jì)能夠進(jìn)一步提高模塊的功率密度，節(jié)省安裝空間。

圖7支持雙軸輸出的伺服驅(qū)動(dòng)模塊

短路故障處理

共直流母線伺服系統(tǒng)的短路故障主要包括直流母線短路故障和伺服驅(qū)動(dòng)單元短路故障。直流母線短路故障又包括直流母線間短路以及直流母線對(duì)地短路。當(dāng)直流母線故障發(fā)生時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)都會(huì)受影響，故障的波及范圍較大，故障排查比較困難。

伺服驅(qū)動(dòng)單元短路故障是指單個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)單元內(nèi)部發(fā)生短路（比如IGBT短路）。當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，該驅(qū)動(dòng)單元直流母線進(jìn)線端的保險(xiǎn)絲熔斷，將該驅(qū)動(dòng)單元與系統(tǒng)隔離，從而不會(huì)影響系統(tǒng)其它單元的工作。如果系統(tǒng)保險(xiǎn)絲選型不合理或者短路能量太大，伺服驅(qū)動(dòng)單元內(nèi)部短路故障也可能波及電源模塊和其它伺服驅(qū)動(dòng)單元。

相比而言，獨(dú)立式伺服驅(qū)動(dòng)器的短路故障不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的其他單元產(chǎn)生影響，故障范圍小。因此要求共直流母線伺服系統(tǒng)的短路保護(hù)設(shè)計(jì)更合理，系統(tǒng)接線更規(guī)范。

共直流母線伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由以上的分析可知，共直流母線伺服系統(tǒng)具有節(jié)能高效，系統(tǒng)部件少，安裝簡(jiǎn)單緊湊，系統(tǒng)成本低等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)對(duì)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高要求。共直流母線伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要從以下幾點(diǎn)進(jìn)行考慮[4]。

評(píng)估系統(tǒng)工作循環(huán)曲線

為了評(píng)估共直流母線伺服系統(tǒng)的能量流動(dòng)情況，需要計(jì)算出伺服系統(tǒng)單個(gè)工作循環(huán)內(nèi)每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)模塊的能量流動(dòng)情況。一個(gè)典型的工作循環(huán)包括加速階段，持續(xù)運(yùn)動(dòng)階段，減速階段以及靜止階段，如圖8所示：

1）在加速階段ta，電機(jī)以最大驅(qū)動(dòng)電流I_Max進(jìn)行加速，電機(jī)轉(zhuǎn)速從靜止上升至工作轉(zhuǎn)速；

2）在持續(xù)運(yùn)動(dòng)階段tb，電機(jī)運(yùn)行在工作轉(zhuǎn)速，電機(jī)電流取決于負(fù)載的大?。?/p>

3）在減速階段tc，電機(jī)以最大的制動(dòng)電流-I_Max進(jìn)行減速，電機(jī)轉(zhuǎn)速從工作轉(zhuǎn)速下降至靜止轉(zhuǎn)速。伺服電機(jī)減速階段產(chǎn)生的能量可以通過并聯(lián)的直流母線供給其他伺服單元，過多的能量則需要通過制動(dòng)電阻進(jìn)行耗散，制動(dòng)電阻耗散的瞬時(shí)最大功率為P_Max，耗散的平均功率為P_DB。

4）在靜止階段td，電機(jī)的電流取決于靜止?fàn)顟B(tài)下負(fù)載的大小。

圖8單個(gè)伺服單元的工作循環(huán)曲線

伺服驅(qū)動(dòng)單元的功率等級(jí)（一般通過電流能力進(jìn)行選取）可以根據(jù)圖8中電機(jī)電流的曲線分析得出。

整流單元和直流母線的功率計(jì)算

根據(jù)工作循環(huán)曲線，驅(qū)動(dòng)單元所需要的平均功率計(jì)算如下：

在某些應(yīng)用中，多軸系統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要同時(shí)加速移動(dòng)到指定位置，此時(shí)需要整流單元和直流母線能夠提供足夠大的峰值功率，否則可能造成整流單元和直流母線的瞬時(shí)過載甚至損壞。因此在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候要考慮是否存在這種惡劣的工況。

整流單元和直流母線的峰值功率計(jì)算如下：

儲(chǔ)能電容的能量計(jì)算

儲(chǔ)能電容吸收的能量與儲(chǔ)能前后電壓平方的差值相關(guān)，計(jì)算如下：

制動(dòng)能量的計(jì)算

當(dāng)伺服電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，制動(dòng)過程產(chǎn)生的能量計(jì)算如下：

制動(dòng)產(chǎn)生的能量有一部分首先會(huì)存儲(chǔ)到儲(chǔ)能電容中（公式1所示），當(dāng)儲(chǔ)能電容電壓不斷升高，到達(dá)制動(dòng)電阻的啟動(dòng)電壓時(shí)，多余的能量需要被制動(dòng)電阻耗散掉，制動(dòng)電阻需要耗散的能量計(jì)算如下：

為減速過程中系統(tǒng)的電能損耗。系統(tǒng)的電能損耗可以基于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的峰值功率推算，當(dāng)系統(tǒng)的典型效率為90%時(shí)，系統(tǒng)的電能損耗大約為系統(tǒng)峰值功率的10%。

由公式(1)和公式(3)可知，制動(dòng)電阻需要耗散的能量與儲(chǔ)能電容的容量大小有直接關(guān)系，電容容量越大，所需耗散能量越小，反之亦然。

因此需要權(quán)衡電容容量和電阻耗散能量的關(guān)系，進(jìn)而選取合適的儲(chǔ)能電容模塊和制動(dòng)模塊。

制動(dòng)電阻的選擇

制動(dòng)電阻的作用是將伺服電機(jī)制動(dòng)產(chǎn)生的多余能量進(jìn)行耗散。

制動(dòng)電阻的峰值功率計(jì)算如下：

在某些應(yīng)用情況下，制動(dòng)單元的選擇需要考慮最惡劣的工況：即在急停的情況下，所有的驅(qū)動(dòng)單元同時(shí)進(jìn)行制動(dòng)，這時(shí)制動(dòng)電阻必須能夠吸收全部的制動(dòng)能量。

共直流母線伺服系統(tǒng)的其他技術(shù)

獨(dú)立式伺服驅(qū)動(dòng)器的并聯(lián)

有些獨(dú)立式伺服驅(qū)動(dòng)器可以提供共直流母線的功能，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的效果[4]。

圖9獨(dú)立式伺服驅(qū)動(dòng)器的并聯(lián)

圖9所示為獨(dú)立式伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)共直流母線的一種拓?fù)?。該?shí)現(xiàn)方法將各個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器的輸入通過保險(xiǎn)絲進(jìn)行并聯(lián)，同時(shí)將各個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器的直流母線也通過保險(xiǎn)絲進(jìn)行并聯(lián)。這種并聯(lián)拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，斷開直流母線后各個(gè)伺服單元還可以獨(dú)立工作。

通過以上的直流母線并聯(lián)，當(dāng)一臺(tái)伺服處于發(fā)電狀態(tài)，另一臺(tái)伺服處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，能量可以從處于發(fā)電狀態(tài)的伺服經(jīng)并聯(lián)的直流母線，流向處于電動(dòng)狀態(tài)的伺服，實(shí)現(xiàn)能量交互，避免能量浪費(fèi)。

但是上面的并聯(lián)拓?fù)浯嬖谳斎腚娏鞑黄胶獾膯栴}。二極管整流橋具有負(fù)溫度系數(shù)的特性，即溫度越高阻抗越低，從而導(dǎo)致并聯(lián)整流橋輸入電流不平衡。工程上可以通過串聯(lián)均流電感或者均流電阻以改善輸入不平衡的問題。這種并聯(lián)拓?fù)溥m用于同功率等級(jí)或者相近功率等級(jí)的獨(dú)立式伺服驅(qū)動(dòng)器的并聯(lián)。

主動(dòng)整流單元（四象限PWM整流器）

主動(dòng)整流單元可以將交流電網(wǎng)側(cè)的能量轉(zhuǎn)換到直流側(cè)的儲(chǔ)能電容，也能夠?qū)?chǔ)能電容里的能量反饋到交流電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。主動(dòng)整流單元能夠控制儲(chǔ)能電容的電壓保持恒定，制動(dòng)產(chǎn)生的能量可以迅速反饋到交流電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。因此，采用主動(dòng)整流單元的伺服系統(tǒng)一般不需要額外的制動(dòng)單元進(jìn)行耗能，并且儲(chǔ)能電容的容量可以減小。另外，主動(dòng)整流單元能夠具有功率因數(shù)可控，電流諧波小的特點(diǎn)。

主動(dòng)整流單元的典型拓?fù)湟话阌芯W(wǎng)側(cè)濾波器，三相IGBT逆變單元和直流側(cè)儲(chǔ)能電容組成[5]，如圖10所示：

圖10主動(dòng)整流單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

主動(dòng)整流單元的成本相對(duì)不可控整流單元成本較高，但當(dāng)伺服系統(tǒng)的軸數(shù)較多并且制動(dòng)比較頻繁的情況下，主動(dòng)整流單元具有明顯的節(jié)能效果和良好的經(jīng)濟(jì)效益。

結(jié)論

本文詳細(xì)分析了共直流母線伺服系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與獨(dú)立式伺服驅(qū)動(dòng)器相比，共直流母線伺服系統(tǒng)具有節(jié)能高效，系統(tǒng)器件少，安裝簡(jiǎn)單緊湊，系統(tǒng)成本低以及系統(tǒng)可靠性好等顯著優(yōu)點(diǎn)，因此在多軸伺服系統(tǒng)中獲得越來越廣泛的應(yīng)用。鑒于共直流母線伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度較大，本文給出了伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)，通過分析并聯(lián)各軸的工作循環(huán)曲線，確定系統(tǒng)能量的交互關(guān)系，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)的各個(gè)組成部分。