一種超級(jí)電容儲(chǔ)能的雙向逆變電路及其控制策略

柯萬(wàn)宇，湯前進(jìn)，張華鋒，吳 慧，朱 金

（武漢華中數(shù)控股份有限公司，湖北 武漢 430223）

0 引 言

傳統(tǒng)伺服電機(jī)控制器直流側(cè)前置雙向DC/DC變換器，可根據(jù)伺服單元的需求調(diào)節(jié)直流母線電壓，提高伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率[1]。本文提出一種半橋式DC/DC雙向變換器[2-4]，在伺服系統(tǒng)突然掉電時(shí)，該裝置在短時(shí)間內(nèi)仍然可向數(shù)控供電，從而確保機(jī)床退刀等步驟的完成。同時(shí)，它可控制母線電壓和電流[5]，完成能量在母線和超級(jí)電容儲(chǔ)能模塊[6]之間的雙向流動(dòng)。目前，市面上的DC/DC雙向逆變電源中，在升壓工作模式下，為獲得更高的輸出功率，普遍采用交錯(cuò)模式和多相交錯(cuò)模式[7-8]的拓?fù)鋪?lái)完成能量的雙向傳遞。但是，在降壓輸出模式下，功率器件的PWM波導(dǎo)通占空比相對(duì)較小，此時(shí)采用交錯(cuò)模式占空比不變，且交錯(cuò)模式功率部分開(kāi)關(guān)器件及感性器件較多，會(huì)產(chǎn)生較大的開(kāi)關(guān)損耗。因此，本文提出了一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、性能穩(wěn)定且高效的DC/DC雙向變換電路。

1 超級(jí)電容雙向逆變器工作原理

DC/DC雙向變換電路正常工作時(shí)，三相380 VAC經(jīng)過(guò)全橋整流輸出540 VDC的母線電壓，同時(shí)將超級(jí)電容模組充電至110～150 V（這里超級(jí)電容模組為2F/160 V）。而在母線電壓過(guò)低時(shí)，儲(chǔ)能模組電壓通過(guò)DC/DC雙向變換電路再升壓至540 VDC。根據(jù)式（1）和式（2）可得，在降壓和升壓工作模式下各自的PWM波占空比。

可見(jiàn)，在升壓（儲(chǔ)能模塊放電）工況下，占空比相對(duì)較大，且此時(shí)最大占空比為DBoostmax=（540-110）/540≈0.8；而在降壓（儲(chǔ)能模塊充電）工況下，占空比相對(duì)較小，為DBuckmin=110/540≈0.2。圖1給出了互鎖驅(qū)動(dòng)電路，以保證主開(kāi)關(guān)管可靠運(yùn)行。

圖1 DC/DC雙向變換器模塊圖

該DC/DC雙向變換器由Buck/Boost電路、信號(hào)采樣電路、PWM邏輯控制電路、互鎖驅(qū)動(dòng)電路及超級(jí)電容模組構(gòu)成，見(jiàn)圖1。上電工作時(shí)，輸入端的380 V交流電壓經(jīng)過(guò)整流濾波后加載到直流P、N端，信號(hào)采樣電路檢測(cè)到P、N母線端的軟啟動(dòng)電路充電結(jié)束時(shí)，開(kāi)始對(duì)超級(jí)電容模組進(jìn)行預(yù)充電。PWM邏輯控制電路輸出PWMB信號(hào)，經(jīng)過(guò)光耦隔離驅(qū)動(dòng)器1對(duì)Q1、L1、C2及采樣電阻分流器FL1組成的BUCK電路對(duì)超級(jí)電容模組進(jìn)行恒流充電。DICHARGE和CHARGE為互非的兩路控制信號(hào)，防止Q1、Q2管直通，直至超級(jí)電容模組兩端電壓充至110 V附近，預(yù)充電過(guò)程結(jié)束。運(yùn)行過(guò)程中，整個(gè)系統(tǒng)負(fù)載端伺服單元和電機(jī)出現(xiàn)加載或急停時(shí)會(huì)導(dǎo)致P、N母線電壓的波動(dòng)，若系統(tǒng)檢測(cè)到P、N母線電壓跌落到下限閾值時(shí)，PWM邏輯控制電路輸出PWMB及PWMA信號(hào)，經(jīng)過(guò)光耦驅(qū)動(dòng)器2或成大于90%的占空比PWM波信號(hào)給Q2、L1、C2及FL1組成的BOOST升壓電路來(lái)平滑P、N母線端的電壓，這時(shí)DISCHARGE為高電平，CHARGE為低電平，超級(jí)電容模組釋放能量。當(dāng)負(fù)載端電機(jī)由高速運(yùn)行到急停時(shí)，電機(jī)的反電勢(shì)能量導(dǎo)致P、N母線電壓驟升，系統(tǒng)檢測(cè)到上限設(shè)定的閾值電壓，PWM邏輯控制電路輸出PWMB信號(hào)，經(jīng)過(guò)光耦隔離驅(qū)動(dòng)器1對(duì)Q1、L1、C2及采樣電阻FL1組成的BUCK電路對(duì)超級(jí)電容模組進(jìn)行最大電流閾值充電，超級(jí)電容模組儲(chǔ)能；當(dāng)電壓下降到低于下限設(shè)定的閾值電壓時(shí)，停止充電，如此反復(fù)。若運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)輸出380 V斷電情況，這時(shí)系統(tǒng)檢測(cè)到掉電信號(hào)及P、N母線的閾值電壓，在低于下限閾值時(shí)，BOOST升壓電路工作，繼續(xù)維持P、N母線端的電壓，使數(shù)控系統(tǒng)完成退刀等一系列工作，超級(jí)電容模組釋放能量。變換器的工作流程見(jiàn)圖2。

2 控制策略

為確保Buck/Boost電路的相應(yīng)速率、穩(wěn)定運(yùn)行等，需要對(duì)母線側(cè)電壓、超級(jí)電容模組側(cè)電壓及充、放電流進(jìn)行隔離采樣。采樣信號(hào)送至PWM邏輯控制電路進(jìn)行運(yùn)算，根據(jù)母線電壓及電流的變化，PWM控制電路輸出互為180°的PWMA及PWMB信號(hào)給BUCK/BOOST電路，使之工作在對(duì)應(yīng)的升壓或降壓模式。PWMA及PWMB信號(hào)根據(jù)BUCK/BOOST電路工作模式調(diào)整其輸出占空比。CHARGE、DICHARGE以及V1～V4構(gòu)成的互鎖電路，防止Q1、Q2主模塊直通現(xiàn)象。

圖2 DC/DC雙向變換器工作流程圖

3 實(shí)驗(yàn)波形分析

根據(jù)上述理論及描述，現(xiàn)搭建DC/DC雙向變換器應(yīng)用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。采取三相380 VAC供電伺服驅(qū)動(dòng)電源，按照伺服電源、DC/DC雙向變換器（包含超級(jí)電容儲(chǔ)能模組）、伺服驅(qū)動(dòng)單元和永磁同步交流伺服電機(jī)的順序搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用四通道隔離示波器對(duì)超級(jí)電容模組、母線電壓及電感電流波形進(jìn)行捕捉檢測(cè)，見(jiàn)圖3。

圖3 DC/DC雙向變換器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容分為三部分。第一，捕捉超級(jí)電容模塊在預(yù)充電過(guò)程充電工作模式下，超級(jí)電容兩端電壓及電流波形，檢驗(yàn)恒流充電時(shí)有無(wú)電流過(guò)沖現(xiàn)象。第二，伺服電機(jī)工作在高速運(yùn)行中，1 s急停時(shí)產(chǎn)生的能量反灌到母線端，通過(guò)DC/DC雙向變換器能將能量迅速儲(chǔ)存到超級(jí)電容模組內(nèi)，驗(yàn)證可以替代外接制動(dòng)電阻起到節(jié)能的作用。第三，當(dāng)外部電網(wǎng)380 VAC突然中斷時(shí)，超級(jí)電容中儲(chǔ)存的能量通過(guò)DC/DC雙向變換器將能量釋放到母線端，繼續(xù)維持伺服單元提供所需斷電回退的電壓能量。儲(chǔ)能模塊預(yù)充電狀態(tài)下（見(jiàn)圖4），電容電壓在16 s左右升至120 V，之后保持穩(wěn)定，且在升壓過(guò)程中電容處于恒流工作模式，無(wú)電壓及電流過(guò)沖波形。伺服電機(jī)在高速運(yùn)行中，1 s急停時(shí)電機(jī)產(chǎn)生的反電勢(shì)能量通過(guò)伺服單元反饋到母線端，使母線電壓急劇上升，高于閾值電壓時(shí)，DC/DC雙向變換器將母線上的能量?jī)?chǔ)存在超級(jí)電容模組內(nèi)，如圖5所示，可見(jiàn)本電路完全可以將母線的電壓能量轉(zhuǎn)換到超級(jí)電容內(nèi)，進(jìn)而可以替代外接制動(dòng)電阻的作用，避免能量因電阻發(fā)熱而損耗掉，提高了能量循環(huán)利用率。若驅(qū)動(dòng)器三相進(jìn)線突然掉電，即在儲(chǔ)能模塊放電工作狀態(tài)下，P、N母線電壓及掉電信號(hào)波形見(jiàn)圖6。由于DICHARGE信號(hào)激活，使得超級(jí)電容內(nèi)儲(chǔ)存的電壓進(jìn)行升壓放電。如圖6所示，由于儲(chǔ)能電容的電壓反饋補(bǔ)償，P、N直流母線電壓在掉電內(nèi)可以短時(shí)維持在500 V左右，雖然有幅值衰減，但是仍然可以維持系統(tǒng)短時(shí)穩(wěn)定工作，且系統(tǒng)短時(shí)間內(nèi)依然處于恒壓工作模式。

圖4 超級(jí)電容模組預(yù)充電時(shí)電壓、電流采樣波形

4 結(jié) 論

圖5 電機(jī)制動(dòng)時(shí)母線上的電壓波形、電流采樣、PWM驅(qū)動(dòng)波形及儲(chǔ)能電感的電流波形

圖6 儲(chǔ)能模塊放電時(shí)PN母線電壓波形及掉電信號(hào)

基于上述理論分析和實(shí)驗(yàn)波形可知，超級(jí)電容儲(chǔ)能的雙向變換電路印證了伺服系統(tǒng)在突然斷電狀態(tài)下，儲(chǔ)能模塊得以繼續(xù)短時(shí)給驅(qū)動(dòng)裝置供電，完成斷電回退的功能。在母線電壓急劇上升時(shí)，它能有效將母線上的能量?jī)?chǔ)存在超級(jí)電容內(nèi)，繼而替代外接制動(dòng)電阻因發(fā)熱產(chǎn)生的能耗而將制動(dòng)能量循環(huán)利用，提高了整機(jī)效率。