CN101286726A - 一种电机驱动装置及电机驱动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机驱动装置，包括：充电模块，直流蓄能模块，连接于所述充电模块与所述直流蓄能模块之间，用于为充电模块为直流蓄能模块充电时提供充电通道；或在电机制动时为再生电能的反馈提供反馈通道的整流模块，逆变模块，在所述直流母线电压小于预设的工作电压，则判定电机当前处于电动状态，控制所述整流模块导通所述充电模块向所述直流蓄能模块充电的通道，若所述直流母线电压大于所述预设的工作电压，则判定所述电机当前处于制动状态，并控制所述可控整流模块导通与外部公共电网的通道将电机制动产生的再生电能反馈给公共电网的控制模块。另外，本发明还公开了一种电机驱动控制方法。采用本发明，节约了能源，提高了再生电能的利用率。

Description

一种电机驱动装置及电机驱动控制方法

技术领域

本发明涉及技术领域，尤其涉及一种电机驱动装置及电机驱动控制方法。

背景技术

目前，大多数驱动电机的装置都是通用变频器，结构如图1所示，通用变频器主要由输入整流电路1预充电电路2与电解电容器相连的直流电路3和逆变输出电路5组成。另外，还有一个制动单元4在变频器里面或外面。制动单元4由一个晶体管断路器和一个用于在制动期间消耗能源的电阻器组成。逆变输出模块5由6个充当快速开关的(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)装置组成。

此种机构的变频器在制动模式下，电机的制动再生电能给直流电容充电，直流电路电压升高，但是由于整流部分1为不可控，无法将电能回流到公共电网，电能只能消耗在制动单元4中的制动电阻器上，电阻器的规格大小要视制动功率来确定，而实际应用中制动电阻体积往往庞大，这样一方面使整个装置体积增大，另一方面给环境增加了热源，因此增大了建筑的热负担，增加了成本，浪费了能源。

另外，目前还有一种变频器是通过大的储能单元将电机的制动再生电能存储起来的，储能单元可以是蓄电池或者电容，这样电机的制动再生电能只能供给这台变频器使用，限制了电机制动再生电能的使用，不利于提高再生电能的利用率。

发明内容

本发明的目的是提供一种电梯驱动装置以及电机驱动方法，节省了成本，提高了电机制动再生电能的利用率。

为解决现有技术存在的问题，实现上述发明目的，本发明提供一种电梯驱动装置，其包括：

充电模块，所述充电模块与外部电源输入端相连；

直流蓄能模块，用于存储直流电能；

整流模块，连接于所述充电模块与所述直流蓄能模块之间，用于为充电模块为直流蓄能模块充电时提供充电通道；或在电机制动时为再生电能的反馈提供反馈通道；

逆变模块，与所述直流蓄能模块相连，将来自所述直流蓄能模块的直流电逆变为驱动电机的工作电源；或将来自电机的交流电调为直流电；

控制模块，用于根据所述直流蓄能模块两端的直流母线电压作出相应的控制，若所述直流母线电压小于预设的工作电压，则判定电机当前处于电动状态，并控制所述整流模块导通所述充电模块向所述直流蓄能模块充电的通道，使所述充电模块为所述直流蓄能模块充电，直到所述直流蓄能模块两端的直流母线电压达到预设的工作电压后，才控制所述逆变模块将所述直流电逆变为电机的工作电压驱动电机进行运转；若所述直流母线电压大于所述预设的工作电压，则判定所述电机当前处于制动状态，并控制所述可控整流模块导通与外部公共电网的通道将电机制动产生的再生电能反馈给公共电网。

相应的本发明还提供一种电机驱动控制方法，其包括：

a、获取直流母线电压；

b、若直流母线电压小于预设的工作电压，则判定当前处于电动状态，执行步骤c，若所述直流母线电压大于预设的工作电压，则判定当前处于制动状态，执行步骤d；

c、控制整流模块导通充电通道进行充电，直到所述的直流母线电压到达所述预设的工作电压时，才以所述预设的工作电压驱动电机进行运转；

d、控制所述整流模块导导通反馈通道将电机制动产生的制动电能反馈至外网，直到所述的直流母线电压到达所述预设的工作电压时，才控制所述整流模块关断反馈通道。

由于本发明中的整流模块在电机电动状态时为充电模块为直流蓄能模块充电时提供充电通道，因此控制模块可在检测到直流母线电压小于预设的工作电压时控制整充模块导通充电模块向所述直流蓄能模块充电的通道，提高了驱动电机工作的驱动电压，从而以较小的电流驱动电机的运转，提高了功率的利用率。

另外，本发明中的整流模块在电机制动时为再生电能的反馈提供了反馈通道，因此控制模块可在检测到直流母线电压大于预设的工作电压时控制整流模块导通与外部公共电网的通道，从而将电机制动时产生的再生电能反馈给公共电网，节约了能源，提高了再生电能的利用率。

附图说明

图1是本发明电机驱动装置的第一实施例示意图；

图2是本发明电机驱动装置的第一实施例示意图；

图3是本发明电机驱动装置的第二实施例示意图；

图4是本发明电机驱动装置中控制模块的示意图；

图5是本发明电机驱动方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。其中相同或相似的附图标号表示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明的说明旨在对本发明的发明构思进行解释，而不能理解为对本发明保护范围的一种限制。

需要说明的，本发明的电机驱动装置将商用交流电源变换成直流电，再将直流电逆变成可调节电压和频率的交流电，将电机制动再生电能通过可控整流技术直接回馈到电网上，提高了再生电能的利用率，还可将位置势能通过电机发电后转变成与商用交流电同相位同频率的电能直接回馈到电网。另外，本发明使用了脉宽调制(Pulse WidthModulation，PWM)控制技术：不仅对逆变驱动部分采用了PWM控制，并且对输入整流部分也采用了PWM控制技术，解决了能量双向流通的技术问题。

另外，本发明控制部分采用的三相((Voltage Source Rectifier，VSR)电流控制技术和电压空间矢量(Space Vector Pulse WidthModulation，SVPWM)逆变控制技术，使回馈到电网电压功率因数接近为1。

本发明采用可控整流技术，将直流母线电压泵升至直流745V，驱动高压主机(500V)，根据P＝U*I，同等功率的驱动电流减小，这样同等规格的IGBT模块就可以驱动较大功率的负载，提高了IGBT模块的使用率。

参考图2，该图为本发明的第一实施列示意图，其包括：

充电模块11，所述充电模块与外部电源输入端相连；

直流蓄能模块12，用于存储直流电能；

整流模块13，连接于所述充电模块与所述直流蓄能模块之间，用于为充电模块为直流蓄能模块充电时提供充电通道；或在电机制动时为再生电能的反馈提供反馈通道；

逆变模块14，与所述直流蓄能模块相连，将来自所述直流蓄能模块的直流电逆变为驱动电机的工作电源；或将来自电机的交流电调为直流电；

控制模块15，用于根据所述直流蓄能模块两端的直流母线电压作出相应的控制，若所述直流母线电压小于预设的工作电压，则判定电机当前处于电动状态，并控制所述整流模块导通所述充电模块向所述直流蓄能模块充电的通道，使所述充电模块为所述直流蓄能模块充电，直到所述直流蓄能模块两端的直流母线电压达到预设的工作电压后，才控制所述逆变模块将所述直流电逆变为电机的工作电压驱动电机进行运转；若所述直流母线电压大于所述预设的工作电压，则判定所述电机当前处于制动状态，并控制所述可控整流模块导通与外部公共电网的通道将电机制动产生的再生电能反馈给公共电网。

需要说明的，本发明所述的电动状态为当负载的方向与电机运行方向相反时电机驱动装置所处的工作状态；本发明所述的制动状态为当负载方向与电机运行方向相反时本发明的电机驱动装置所处的工作状态。

具体实现时，参见图3，本发明的电机驱动装置还包括：滤波模块21，限流模块22，电压检测模块23，温度检测模块24，限流触发模块25，电流检测模块26，第一脉宽调制模块27，母线电压检测模块28，第二脉宽调制模块29，输出电流检测模块30，，位置速度检测模块31。

三相商用电通过滤波器21输入，由滤波器21进行滤波，滤除外部电网的谐波，从而提高了回馈到电网的再生能量的质量，即提高了功率因数。

充电模块11，与滤波器21的输出端相连，具体实现时，充电模块11可采用电抗器，通常情况下(不充电时)用于消除从滤波器输出的三相交流电经过电抗器了回馈到电网电压的高次谐波；在充电情况下，用于为逆变模块充电。

限流模块22，与充电模块11的输出端相连，在通常情况下，限流电阻处于短接状态，即没有接入限流电阻；在充电状态下为，限流电阻处于接入状态。

整流模块13，具体实现时，可包括6个IGBT管和6个二极管组成，通过第二脉宽调制电路29采用矢量SVPWM控制技术对逆变电路的6个IGBT管进行开通关断控制输出电压的幅值和频率。并通过输出电流检测30和位置速度检测31来调整第二脉宽调制电路29。

电压检测模块23，连接于所述滤波模块输出端和所述控制模块之间，用于在电动状态下检测外部输入电压，并将所述外部输入电压提供给控制模块，具体实现时，其作用一是检测输入电源电压的大小，作用二是检测三相输入电源相序，；或在电机制动状态下检测输出电压，并将所述输出电压提供给控制模块；

电流检测模块26，连接于所述限流模块输出端与所述控制模块之间，用于在电机电动状下检测外部输入电流，并将所述外部输入电流提供给控制模块；或在电机制动状态下检测输出电流，并将所述输出电流提供给控制模块；

温度检测模块24，连接于所述充电模块与所述控制模块之间，用于检测所述充电模块的温度，并将所述检测到的湿度提供给控制模块；

第一脉宽调制模块27，连接于所述整流模块与所述控制模块之间，根据相应的脉宽控制所述整流模块；

母线电压检测模块28，与所述直流蓄能模块相连，用于获取所述蓄能模块的直流母线电压；

限流模块22，连接于所述充电模块与所述可控制整流模块之间，用于在所述充电模块处于充电状态时，提供限流电阻；

限流触发模块25，连接于所述控制模块与所述限流模块之间，用于在所述控制模块控制下触发所述限流模块；

输出电流检测模块30，连接于逆变模块输出端与所述控制模块之间，用于检测逆变模块的输出电流，并将所述输出电流提供给控制模块；

第二脉宽调制模块29，连接于所述逆变模块与所述控制模块之间；

位置速度检测模块31，与控制模块15相连，用于检测电机的工作位置以及速度，并将检测到的电机工作位置以及速度传送给控制单元15。

另外，整流模块13，在具体实现时，可包括6个IGBT管和6个二极管；

具体工作时，分为以下三种情况：

接收到外部命令，驱动电机开始运转的过程：

控制模块15接收到来自外部的驱动电机进行运转的命令后，控制整流模块13开导充电通道，使充电模块11为直流蓄能模块12充电，直到直流母线电压达到预设的工作电压时，才停止充电，交以所述预设的工作电压驱动电机进行运转。具体实现时，控制模块15从母线电压检测模块28获取直流母线电压，从电压检测模块23获取输入电压，从电流检测模块26获取输入电流，然后根据获取的直流母线电压、输入电压、输入电流，以及预设的工作电压，确定调制脉宽，并指示第一脉宽调制模块27以该确定的调制脉宽控制整流模块13。

二、电机运转过程中的充电过程：

三相输入交流(AC)电源经过整流模块13转换为直流电(DC)，若控制模块15判断当前该直流母线电压小于预设的工作电压值，例如预设的工作电压为745V时，则判定当前处于电动状态，控制模块15向整流装置13发出控制信号，整流装置13接受控制模块15的导通充电通道的控制信号，通过第一脉冲调制电路27有次序的开通6个IGBT管，同时通过检测来自电流检测模块26的电流信号，来自电压检测模块23的输入电压信号，以及来自母线电压检测模块28的直流母线电压调整第一脉冲调制电路27，从而抬高直流母线电压，使直流母线电压Vdc保持住在DC745V。将可控整流的直流电通过滤波电容5滤波，并且通过母线电压检测模块28将直流母线电压大小信号传送到控制模块15中进行处理。直流母线电压通过逆变模块14将直流电转换成变压变频的三相交流电；

需要说明的，Vdc为三相VSR外环电压，它的控制结构为：

其中，t_v-为电压外环采样小惯性时间常数K_v、T_v-电压外环PI调节器参数

W_ci(s)--电流内环等效传递函数，i_L为负载电流。通过以上的控制结构使直流母线电压Vdc保持在745V。

电抗器2电感值通过以下方式确定：

E_m ²--电网相电动势峰值；

Vdc为三相VSR外环电压即直流母线电压；

功率因数角，为了使反馈电流无功功率较低一般设为1；

p三相交流侧有功功率及变频器设计额定功率；

通过以上的控制结构使反馈电能的功率因数为1，达到反馈清洁电能的目的。

电机运转过程中制动的过程：

当电动机7时制动状态，回馈能量通过逆变器14的6个二极管反馈到直流母线电压5上，这时控制模块15判断当前该直流母线电压大于预设的工作电压，例如预设的工作电压为745V时，则判定当前处于制动状态，控制模块15向整流装置13发出控制信号，通过第一脉冲调制电路27有次序的开通6个IGBT管，同时通过检测来自电流检测模块26的输出电流信号，来自电压检测模块23的输出电压信号，以及来自母线电压检测模块28的直流母线电压调整第一脉冲调制电路27，从而把回馈的能量反馈到电网，实现能量的回馈。节约了能源。

三相VSR固定开关频率PWM的控制算法为：

Umk＝1/vdc[KFek-Kip(ik^*-ik)(K＝a，b，c)

上式中Umk为调制波指令，Vdc为直流电压，KF电网电动势前馈比例增益，ek为电网电动势，Kip为电网侧电流反馈比例增益，ik^*为电流内环指令。

另外，本发明的控制模块可由微处理器实现。而电流内环指令由电压外环PI调节器输出与同步信号合成。前馈控制的目的是消除电网电动势扰动，并采用除法器补偿直流电压Vdc波动对控制的影响。

下面对本发明的控制模块进行详细说明，如图4所示，该图为本发明控制模块的示意图，其包括：

母线电压控制单元41，用于根据来自所述母线电压检测模块的直流母线电压作出相应的控制，若所述直流母线电压小于预设的工作电压，则判定当前处于电动状态，指示脉宽调制控制单元作出相应的控制，若所述直流母线电压大于预设的工作电压，则判定当前处于制动状态，指示所述脉宽调制控制单元作出相应的控制；

脉宽调制控制单元42，用于在所述直流电压控制单元检测到直流母线电压小于预设的工作电压时，根据来自电压检测模块的外部输入电压与来自所述电流检测模块的输入电流，以及来自所述温度检测模块的检测温度确定所述第一脉宽调制模块的充电脉宽，并指示所述第一脉宽调制模块以所述确定的充电脉宽控制整流模块导通充电通道的时长；或在检测到直流母线电压大于预设的工作电压时，根据来自电压检测模块的输出电压与来自所述电流检测模块的输出电流，以及来自所述温度检测模块的检测温度确定所述第一脉宽调模块的反馈脉宽，并指示所述第一脉宽调制模块以所述确定的反馈脉宽控制整流模块导通反馈通道的时长。

限流控制单元43，用于在所述整流模块导通电充电通道时，控制所述限流触发模块触发所述限流模块接入限流电阻，并在充电结束时，控制所述限流触发模块触发所述限流模块短接限流电阻。

逆变脉宽控制单元44，用于根据来自所述输出电流检测模块的输出电流确定所述第二脉宽调制模块的调制脉宽，并指示所述第二脉宽调制模块以所述确定的脉宽控制所述逆变模块。

下面说明本发明的电机驱动控制方法，如图5所示，该图为本发明电机驱动控制方法的流程示意图，其包括：

步骤s11，获取直流母线电压；

步骤s12，若直流母线电压小于预设的工作电压，则判定当前处于电动状态，执行步骤s13，若所述直流母线电压大于预设的工作电压，则判定当前处于制动状态，执行步骤s17；

步骤s13，获取外部输入电压以及输入电流；

步骤s14，根据所述外部输入电压以及输入电流确定充电脉宽；

步骤s15，以所述确定的充电脉宽控制所述整流模块开通充电通道的时间长度；

步骤s16，控制整流模块导通充电通道进行充电，直到所述的直流母线电压到达所述预设的工作电压时，才以所述预设的工作电压驱动电机进行运转

步骤s17，获取当前输出电压以及输出电流；

步骤s18，根据所述外部输出电压以及输出电流确定反馈脉宽；

步骤s19，以所述确定的反馈脉宽控制所述整流模块的开通反馈通道的时间长度；

步骤s20，控制所述整流模块导导通反馈通道将电机制动产生的制动电能反馈至外网，直到所述的直流母线电压到达所述预设的工作电压时，才控制所述整流模块关断反馈通道。

需要说明的，上述流程为电机运行过程中的流程，因此在上述步骤s11之前还包括驱动电机运行前的流程，其包括：

控制模块15接收来自外部的驱动电机运行的指示信息；

根据外部输入的电压以及输入电流确定充电脉宽，并以所述确定的充电脉宽控制所述整流模块开通充电通道的时间长度，直到所述的直流母线电压到达预设的工作电压时，才以所述预设的工作电压驱动电机进行运转。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1、一种电机驱动装置，其特征在于，包括：

充电模块，所述充电模块与外部电源输入端相连；

直流蓄能模块，用于存储直流电能；

整流模块，连接于所述充电模块与所述直流蓄能模块之间，用于为充电模块为直流蓄能模块充电时提供充电通道；或在电机制动时为再生电能的反馈提供反馈通道；

逆变模块，与所述直流蓄能模块相连，将来自所述直流蓄能模块的直流电逆变为驱动电机的工作电源；或将来自电机的交流电调为直流电；

控制模块，用于根据所述直流蓄能模块两端的直流母线电压作出相应的控制，若所述直流母线电压小于预设的工作电压，则判定电机当前处于电动状态，并控制所述整流模块导通所述充电模块向所述直流蓄能模块充电的通道，使所述充电模块为所述直流蓄能模块充电，直到所述直流蓄能模块两端的直流母线电压达到预设的工作电压后，才控制所述逆变模块将所述直流电逆变为电机的工作电压驱动电机进行运转；若所述直流母线电压大于所述预设的工作电压，则判定所述电机当前处于制动状态，并控制所述可控整流模块导通与外部公共电网的通道将电机制动产生的再生电能反馈给公共电网。

2、根据权利要求1所述的电机驱动装置，其特征在于，还包括：

电压检测模块，连接于所述滤波模块输出端和所述控制模块之间，用于检测外部输入电压，并将所述外部输入电压提供给控制模块；或检测输出电压，并将所述输出电压提供给控制模块；

电流检测模块，连接于所述限流模块输出端与所述控制模块之间，用于在电机电动状下检测外部输入电流，并将所述外部输入电流提供给控制模块；或检测输出电流，并将所述输出电流提供给控制模块；

温度检测模块，连接于所述充电模块与所述控制模块之间，用于检测所述充电模块的温度，并将所述检测到的湿度提供给控制模块；

第一脉宽调制模块，连接于所述整流模块与所述控制模块之间，根据相应的脉宽控制所述整流模块；

母线电压检测模块，与所述直流蓄能模块相连，用于获取所述蓄能模块的直流母线电压；

所述控制模块具体包括：

母线电压控制单元，用于根据来自所述母线电压检测模块的直流母线电压作出相应的控制，若所述直流母线电压小于预设的工作电压，则判定当前处于电动状态，指示脉宽调制控制单元作出相应的控制，若所述直流母线电压大于预设的工作电压，则判定当前处于制动状态，指示所述脉宽调制控制单元作出相应的控制；

脉宽调制控制单元，用于在所述直流电压控制单元检测到直流母线电压小于预设的工作电压时，根据来自电压检测模块的外部输入电压与来自所述电流检测模块的输入电流，以及来自所述温度检测模块的检测温度确定所述第一脉宽调制模块的充电脉宽，并指示所述第一脉宽调制模块以所述确定的充电脉宽控制整流模块导通充电通道的时长；或在检测到直流母线电压大于预设的工作电压时，根据来自电压检测模块的输出电压与来自所述电流检测模块的输出电流，以及来自所述温度检测模块的检测温度确定所述第一脉宽调模块的反馈脉宽，并指示所述第一脉宽调制模块以所述确定的反馈脉宽控制整流模块导通反馈通道的时长。

3、根据权利要求2所述的电机驱动装置，其特征在于，还包括：

限流模块，连接于所述充电模块与所述可控制整流模块之间，用于在所述充电模块处于充电状态时，提供限流电阻；

限流触发模块，连接于所述控制模块与所述限流模块之间，用于在所述控制模块控制下触发所述限流模块；

所述控制模块还包括：

限流控制单元，用于在所述整流模块导通电充电通道时，控制所述限流触发模块触发所述限流模块接入限流电阻，并在充电结束时，控制所述限流触发模块触发所述限流模块短接限流电阻。

4、根据权利要求3所述的电机驱动装置，其特征在于，还包括：

滤波模块，位于所述外部电源输入端与所述充电模块之间，滤除外部电网的谐波。

5、根据权利要求4所述的电机驱动装置，其特征在于，还包括：

输出电流检测模块，连接于逆变模块输出端与所述控制模块之间，用于检测逆变模块的输出电流，并将所述输出电流提供给控制模块；

第二脉宽调制模块，连接于所述逆变模块与所述控制模块之间；

所述控制模块还包括：

逆变脉宽控制单元，用于根据来自所述输出电流检测模块的输出电流确定所述第二脉宽调制模块的调制脉宽，并指示所述第二脉宽调制模块以所述确定的脉宽控制所述逆变模块。

6、根据权利要求1-5中任一项所述的电机驱动装置，其特征在于，所述充电模块为电抗器，所述整流模块采用可控整流电路，所述直流蓄能模块包括电容器。

7、一种电机驱动控制方法，其特征在于，包括：

a、获取直流母线电压；

b、若直流母线电压小于预设的工作电压，则判定当前处于电动状态，执行步骤c，若所述直流母线电压大于预设的工作电压，则判定当前处于制动状态，执行步骤d；

c、控制整流模块导通充电通道进行充电，直到所述的直流母线电压到达所述预设的工作电压时，才以所述预设的工作电压驱动电机进行运转；

d、控制所述整流模块导导通反馈通道将电机制动产生的制动电能反馈至外网，直到所述的直流母线电压到达所述预设的工作电压时，才控制所述整流模块关断反馈通道。

8、根据权利要求7所述的电机驱动控制方法，其特征在于，步骤c之前还包括：

获取外部输入电压以及输入电流；

根据所述外部输入电压以及输入电流确定充电脉宽；

以所述确定的充电脉宽控制所述整流模块开通充电通道的时间长度。

9、根据权利要求7或8所述的电机驱动控制方法，其特征在于，步骤d之前还包括：

获取当前输出电压以及输出电流；

根据所述外部输出电压以及输出电流确定反馈脉宽；

以所述确定的反馈脉宽控制所述整流模块的开通反馈通道的时间长度。

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