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摘要：多軸伺服系統采用共直流母線技術將伺服驅動單元的母線并聯，能量可以在不同的伺服單元中進行交互，減少能量浪費，達到節能的效果。采用共直流母線的伺服系統相比獨立式伺服驅動器具有系統部件少，安裝簡單緊湊，系統可靠性高以及系統成本低等顯著優點。

概述

隨著中國制造業的轉型升級，制造設備的復雜性和自動化程度不斷提升，多軸伺服系統的應用得到快速增長。在多軸伺服系統中，各個軸的運動狀態大概率是不同的，即某些伺服電機工作在制動發電狀態時，另外一些伺服電機工作在電動耗能狀態。采用共直流母線技術進行能量交互，制動電機產生的能量可以供給電動耗能的電機，而不必通過制動電阻進行耗散，從而達到節能的效果。同時，共直流母線的伺服系統相比傳統的獨立式伺服具有較少的系統部件，節省安裝空間，降低系統成本等顯著優點，因此在多軸伺服系統中獲得越來越廣泛的應用[1,2]。

典型的共直流母線伺服系統拓撲

典型的共直流母線伺服系統包括輸入配電單元，電源模塊以及并聯的伺服驅動單元[3]，如圖1所示：

圖1典型的共直流母線伺服系統構成

配電單元

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

保險絲主要起到短路保護和過載保護的功能，切斷電流以保護系統中其他的重要器件，同時降低起火，電擊的風險。主接觸器控制系統的供電，當主接觸器斷開時，電源模塊和伺服驅動單元都處于失電狀態，系統不能工作。EMC濾波器主要用于降低伺服系統對電網的干擾，電機越多，電機電纜越長，干擾越大。交流輸入電抗器能夠減少電流諧波，增加伺服驅動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系統的設計需求選擇配置。

電源模塊

伺服驅動系統的電源模塊主要有整流橋，預充電電路，儲能電容和制動單元組成。

整流橋將交流輸入電源轉化為直流電源，儲能電容起到儲存能量和平滑電壓紋波的作用。預充電電路的作用是當主接觸器閉合時，控制儲能電容電壓（即直流母線電壓）逐漸上升，避免浪涌電流的產生。此時，與充電電阻并聯的開關（繼電器，接觸器或晶閘管等）打開，輸入電源經過充電電阻，整流橋，對儲能電容進行充電；當儲能電容的電壓到達設定的電壓閾值之后，預充電電路的開關閉合從而旁路充電電阻，輸入電源直接經過整流橋對儲能電容進行充電。

當伺服電機處于制動狀態時，電機制動產生的能量對儲能電容進行充電，當儲能電容的電壓高于一定的閾值后，制動單元動作，將多余的能量通過制動電阻進行耗散。

伺服驅動單元

伺服驅動單元主要有本地儲能電容和三相逆變單元組成，如圖2所示。

圖2伺服驅動單元

當電機工作在電動狀態時，三相逆變單元將直流母線的直流電源轉變為頻率相位可控的三相交流電源，從而驅動電機工作；當電機工作在制動狀態時，三相逆變單元控制電機處于發電模式，產生的能量對直流母線進行充電。

共直流母線伺服系統的特點分析

以下從節能與效率，系統部件的數量，安裝以及系統成本等幾個方面對共直流母線伺服系統的優勢進行分析。同時指出了共直流母線伺服系統在短路故障處理方面的不足。

節能與效率

在共直流母線的伺服系統中，能量可以在不同的伺服單元中進行交互。在某一時刻多軸伺服系統各個軸的運動狀態可能是不同的，某些伺服電機工作在電動耗能狀態，而另外一些伺服電機工作在制動發電狀態。如圖3所示，伺服電機A和B運行在電動狀態，伺服電機C運行在制動狀態。伺服電機C制動產生的能量可以通過并聯的直流母線直接供給伺服電機A和B，這時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，提高了系統的效率。

如果伺服電機C的驅動采用獨立式伺服驅動器，當制動產生的能量過多時，只能通過制動電阻進行耗散。因此共直流母線的伺服系統具有節能高效的優點。

圖3共直流母線伺服系統的能量交互

系統器件的數量

圖4所示為獨立式伺服驅動器的系統架構圖。每套獨立伺服驅動器都需要單獨的配電單元，包括空氣斷路器，保險絲，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具體系統設計需求選擇配置。而共直流母線的伺服驅動系統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能夠有效減少配電單元的器件數量。

此外，每個獨立式伺服驅動器都有獨立的整流橋，預充電電路，儲能電容，制動單元和三相逆變單元。而共直流母線的伺服驅動系統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，預充電電路，制動單元和儲能電容。某些共直流母線的伺服驅動器具有本地儲能電容，但容量可以很小。因此，采用共直流母線的伺服系統能夠有效減少伺服驅動器的關鍵器件數量。

因此，采用共直流母線的多軸伺服驅動系統，能夠有效減少冗余的配電單元和冗余的驅動器整流單元以及制動單元等，減少設備故障點，提高系統可靠性。另外，由于減少了系統器件的數量，從而能夠節約安裝空間，降低系統成本。

圖4獨立式伺服驅動器的系統架構

安裝簡單緊湊

共直流母線伺服系統的電源模塊和伺服驅動模塊一般設計成書本式模塊化結構，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系列產品

以施耐德電氣的共直流母線伺服產品LXM62為例，模塊的并聯端子位于前端蓋，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，使兩個模塊緊密貼近以實現邊靠邊安裝，然后將右邊模塊的螺絲鎖緊即可。安裝完成之后，兩個模塊的直流母線，24V控制電源和地線就在內部并聯起來。共直流母線的伺服系統能夠有效的節約安裝時間和節省安裝空間

圖65施耐德電氣LXM62的并聯安裝

另外一些共直流母線的伺服驅動模塊支持雙軸輸出，即一個驅動單元內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計能夠進一步提高模塊的功率密度，節省安裝空間。

圖7支持雙軸輸出的伺服驅動模塊

短路故障處理

共直流母線伺服系統的短路故障主要包括直流母線短路故障和伺服驅動單元短路故障。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地短路。當直流母線故障發生時，整個系統都會受影響，故障的波及范圍較大，故障排查比較困難。

伺服驅動單元短路故障是指單個伺服驅動單元內部發生短路（比如IGBT短路）。當短路發生時，該驅動單元直流母線進線端的保險絲熔斷，將該驅動單元與系統隔離，從而不會影響系統其它單元的工作。如果系統保險絲選型不合理或者短路能量太大，伺服驅動單元內部短路故障也可能波及電源模塊和其它伺服驅動單元。

相比而言，獨立式伺服驅動器的短路故障不會對系統的其他單元產生影響，故障范圍小。因此要求共直流母線伺服系統的短路保護設計更合理，系統接線更規范。

共直流母線伺服系統的設計

由以上的分析可知，共直流母線伺服系統具有節能高效，系統部件少，安裝簡單緊湊，系統成本低等優點，但同時對伺服系統的設計提出了更高要求。共直流母線伺服系統的設計需要從以下幾點進行考慮[4]。

評估系統工作循環曲線

為了評估共直流母線伺服系統的能量流動情況，需要計算出伺服系統單個工作循環內每個伺服驅動模塊的能量流動情況。一個典型的工作循環包括加速階段，持續運動階段，減速階段以及靜止階段，如圖8所示：

1）在加速階段ta，電機以最大驅動電流I_Max進行加速，電機轉速從靜止上升至工作轉速；

2）在持續運動階段tb，電機運行在工作轉速，電機電流取決于負載的大小；

3）在減速階段tc，電機以最大的制動電流-I_Max進行減速，電機轉速從工作轉速下降至靜止轉速。伺服電機減速階段產生的能量可以通過并聯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電阻進行耗散，制動電阻耗散的瞬時最大功率為P_Max，耗散的平均功率為P_DB。

4）在靜止階段td，電機的電流取決于靜止狀態下負載的大小。

圖8單個伺服單元的工作循環曲線

伺服驅動單元的功率等級（一般通過電流能力進行選取）可以根據圖8中電機電流的曲線分析得出。

整流單元和直流母線的功率計算

根據工作循環曲線，驅動單元所需要的平均功率計算如下：

在某些應用中，多軸系統的伺服驅動電機需要同時加速移動到指定位置，此時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過載甚至損壞。因此在實際系統設計的時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算如下：

儲能電容的能量計算

儲能電容吸收的能量與儲能前后電壓平方的差值相關，計算如下：

制動能量的計算

當伺服電機處于制動狀態時，機械能轉化為電能，制動過程產生的能量計算如下：

制動產生的能量有一部分首先會存儲到儲能電容中（公式1所示），當儲能電容電壓不斷升高，到達制動電阻的啟動電壓時，多余的能量需要被制動電阻耗散掉，制動電阻需要耗散的能量計算如下：

為減速過程中系統的電能損耗。系統的電能損耗可以基于驅動系統的峰值功率推算，當系統的典型效率為90%時，系統的電能損耗大約為系統峰值功率的10%。

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

因此需要權衡電容容量和電阻耗散能量的關系，進而選取合適的儲能電容模塊和制動模塊。

制動電阻的選擇

制動電阻的作用是將伺服電機制動產生的多余能量進行耗散。

制動電阻的峰值功率計算如下：

在某些應用情況下，制動單元的選擇需要考慮最惡劣的工況：即在急停的情況下，所有的驅動單元同時進行制動，這時制動電阻必須能夠吸收全部的制動能量。

共直流母線伺服系統的其他技術

獨立式伺服驅動器的并聯

有些獨立式伺服驅動器可以提供共直流母線的功能，從而實現節能的效果[4]。

圖9獨立式伺服驅動器的并聯

圖9所示為獨立式伺服驅動器實現共直流母線的一種拓撲。該實現方法將各個伺服驅動器的輸入通過保險絲進行并聯，同時將各個伺服驅動器的直流母線也通過保險絲進行并聯。這種并聯拓撲實現比較簡單，斷開直流母線后各個伺服單元還可以獨立工作。

通過以上的直流母線并聯，當一臺伺服處于發電狀態，另一臺伺服處于電動狀態時，能量可以從處于發電狀態的伺服經并聯的直流母線，流向處于電動狀態的伺服，實現能量交互，避免能量浪費。

但是上面的并聯拓撲存在輸入電流不平衡的問題。二極管整流橋具有負溫度系數的特性，即溫度越高阻抗越低，從而導致并聯整流橋輸入電流不平衡。工程上可以通過串聯均流電感或者均流電阻以改善輸入不平衡的問題。這種并聯拓撲適用于同功率等級或者相近功率等級的獨立式伺服驅動器的并聯。

主動整流單元（四象限PWM整流器）

主動整流單元可以將交流電網側的能量轉換到直流側的儲能電容，也能夠將儲能電容里的能量反饋到交流電網，從而實現能量的雙向流動。主動整流單元能夠控制儲能電容的電壓保持恒定，制動產生的能量可以迅速反饋到交流電網，從而實現節能的目的。因此，采用主動整流單元的伺服系統一般不需要額外的制動單元進行耗能，并且儲能電容的容量可以減小。另外，主動整流單元能夠具有功率因數可控，電流諧波小的特點。

主動整流單元的典型拓撲一般有網側濾波器，三相IGBT逆變單元和直流側儲能電容組成[5]，如圖10所示：

圖10主動整流單元的拓撲結構

主動整流單元的成本相對不可控整流單元成本較高，但當伺服系統的軸數較多并且制動比較頻繁的情況下，主動整流單元具有明顯的節能效果和良好的經濟效益。

結論

本文詳細分析了共直流母線伺服系統的拓撲結構，與獨立式伺服驅動器相比，共直流母線伺服系統具有節能高效，系統器件少，安裝簡單緊湊，系統成本低以及系統可靠性好等顯著優點，因此在多軸伺服系統中獲得越來越廣泛的應用。鑒于共直流母線伺服系統的設計難度較大，本文給出了伺服系統的設計指導，通過分析并聯各軸的工作循環曲線，確定系統能量的交互關系，進而優化設計伺服系統的各個組成部分。