何新锋（1973—）
毕业于哈尔滨工程大学热力发动机专业，研究方向是交流异步电机的参数识别及伺服控制。贝加莱工业自动化上海有限公司.

1     技术背景

    近年来随着国内经济的持续快速发展，机械设备制造业的技术水平也提升较快，高性能的伺服运动控制系统逐渐在纺织、印刷、包装等行业得到了广泛应用。伺服系统的应用在多轴驱动的设备上大大简化了机械传动设计，提高了设备的传动精度，拓展了设备的运行速度，使设备真正实现了灵活高效的柔性传动。但是对于一些特殊的行业应用，如电子轴传动印刷设备、多轴传动纺织设备等，使用伺服控制的电子轴传动虽然带来很多技术优势，但却必须解决设备在意外断电时，各电机安全同步停车的问题，否则会给生产安全和产品质量带来严重问题。当这些设备使用传统的机械集中传动时，由于机械传动轴的固定联结，使得设备无论是正常工作状态还是意外断电状态时，各个传动单元都可以“自动”的保持原来的位置关系而不必做特殊处理。基于这些行业的特殊需求，国内外主流的伺服传动供应商进行了各自的技术研发，目前已经有一些厂家开始陆续推出了带断电安全同步停车技术的运动控制系统。本文以贝加莱公司的ACOPOS及ACOPOSmulti的伺服系统为例具体介绍断电安全同步停车的技术原理。

2     交流伺服驱动器的能源系统

    交流伺服驱动器的电源系统根据实际控制方式的不同，一般可以分为“交直交”电压源型逆变电路；“交直交”电流源型逆变电路；“交交”型变频电路以及泵电源电路等。在中小功率的范围内，大多数伺服驱动器使用 “交直交”电压源型电源系统。典型的电原理图如图1所示。当伺服系统正常工作时，功率开关器件根据来自DSP处理器板的控制信号控制大功率输出器件的关断和导通，实现了对交流电机定子电流和电压的控制。根据控制方式的不同，其输出方式由方波输出逐渐发展到PWM输出或SPWM输出。

图1  典型的电原理图

图2  直流母线电压变化图

    伺服驱动器正常启动和断电同步停车过程中直流母线电压的变化如图2所示。当伺服驱动器正常上电后，经过10～20ms左右的充电过程，直流母线的电压初步上升到额定电压U_DC-n，伺服系统正常工作时，直流母线实际电压在U_DC-n上下一定范围内波动，如果交流电机在制动发电过程中，U_DC>制动保护电压，伺服驱动器打开制动泄放电路，将直流母线上多余的能量消耗在外部制动电阻上，降低直流母线电压。当设备意外断电时，U_DC快速跌落，当 U_DC<U_DC-Pf时，伺服驱动器将根据用户的设定启动断电同步停车功能。此时由于电流换向，伺服检测时间延迟等原因U_DC还会有几十伏的跌落，随后断电同步停车控制算法接替了伺服驱动器原来的位置和速度闭环控制方式，控制交流电机进入发电机模式，设备中的机械能通过电机和伺服驱动器的逆变电路转化为电能，储存在直流母线上。由图2可以看到，直流母线电压逐渐升高。断电同步停车控制算法通过不停的闭环调节伺服电机的减速度，维持直流母线的电压稳定。机械设备中惯量较小，仍旧处于电动机模式的伺服电机可以通过共享直流母线上的电能同步保持各电子轴的位置对应关系，直到所有的伺服电机完成减速停车的过程。

    3.4 断电同步停车实例
   
图3为使用贝加莱一体化开发工具AutomationStudio采集到的纺织行业断电同步停车的过程曲线。从图中可以看到，直流母线电压在开始断电的时刻经过几十毫秒的短暂跌落，随后在断电同步停车控制算法的控制下，电压开始回升，共直流母线的伺服驱动器利用直流母线上的电能控制各个伺服电机实现安全同步停车。

图3  断电同步停车过程曲线