CN102355186A - 一种永磁同步电机刹车控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电机刹车控制方法，特别是一种永磁同步电机刹车控制方法，应用于交流电源、变频器、永磁同步电机和负载组成的系统，其中：所述控制方法包括以下步骤：(1)在永磁同步电机刹车期间，确定电压幅值和电压角度；(2)基于确定的电压幅值和电压角度，控制变频器的输出电压，在保证变频器母线电压恒定或趋于恒定的前提下，实现自动跟踪永磁同步电机的最大刹车力矩，保证了永磁同步电机的刹车性能；同时采用相同算法同时满足了电源正常和电源失电情况下的永磁同步电机刹车，大大简化了算法。
Description
技术领域
本发明涉及一种电机刹车控制方法，特别是一种永磁同步电机刹车控制方法，应用于交流电源、变频器、永磁同步电机和负载组成的系统。
背景技术
所谓的永磁同步电机即指采用永磁磁极转子的同步电动机，其应用系统主要由交流电源、变频器、永磁同步电机和负载组成。常规的永磁同步电机的刹车方法一般采用机械刹车，即附加机械装置抱死永磁同步电机转子转轴或其从动部件实现刹车，结构复杂、成本高，且由于磨损打滑、损坏等原因容易导致刹车失效，无法保证永磁同步电机的刹车性能，存在较大的安全隐患。考虑到以上所述机械刹车的缺点，已有直接采用由变频器控制的电子刹车方法实现永磁同步电机刹车，即将永磁同步电机机械能先转化为电能再转化为热能。常见的主要有永磁同步电机绕组短接刹车法，所谓永磁同步电机绕组短接刹车法是指通过变频器的功率模块，如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)或IPM(Intelligent Power Module，智能功率模块)，将永磁同步电机定子绕组引出线短接，由于永磁同步电机转子惯性作用，使其工作于发电状态，将机械能转换成电能，由于永磁同步电机定子绕组引出线短接，由于惯性作用产生的电能在永磁同步电机里产生一个与转子惯性旋转方向相反的旋转磁场，使永磁同步电机内部产生刹车力矩(又称制动力矩)使永磁同步电机转子及其从动部件停下来，也就是将电能再转换成定子绕组热能，永磁同步电机发热消耗掉这一部分能量，因此短接刹车法也又叫耗能制动法。但现有的永磁同步电机绕组短接刹车法无法对永磁同步电机机械能转换为热能的过程进行控制，因此无法确保其产生的刹车力矩始终为最大刹车力矩，即无法自动跟踪永磁同步电机的最大刹车力矩，刹车性能较差，而且在电源失电(即交流电源失电)的情况下，变频器母线电压快速下降，无法保证刹车过程的顺利完成，因此永磁同步电机的刹车性能无法确保，甚至还可能导致变频器的功率模块损坏，要解决电源失电情况下的永磁同步电机刹车，还需要设置其他复杂的控制方法方可实现。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种永磁同步电机刹车控制方法，既实现对永磁同步电机机械能转换为热能的过程进行控制，确保在其刹车过程中，变频器母线电压始终处于预先设定的安全范围内，变频器母线电压恒定或趋于恒定，同时在变频器母线电压恒定或趋于恒定的前提下，又实现了自动跟踪永磁同步电机的最大刹车力矩，保证了永磁同步电机的刹车性能。
本发明要解决的另一技术问题是提供一种永磁同步电机刹车控制方法，采用相同算法同时满足电源正常和电源失电情况下的永磁同步电机刹车，大大简化了算法。
本发明的技术方案为：
一种永磁同步电机刹车控制方法，应用于交流电源、变频器、永磁同步电机和负载组成的系统，其中：所述方法包括以下步骤：
(1)在永磁同步电机刹车期间，确定电压幅值和电压角度；
(2)基于确定的电压幅值和电压角度，控制变频器的输出电压，在保证变频器母线电压恒定或趋于恒定的前提下，实现自动跟踪永磁同步电机的最大刹车力矩，保证永磁同步电机的刹车性能。
优选地，所述的确定电压幅值的步骤为：预先设置变频器母线电压设定值；在永磁同步电机刹车期间，检测变频器母线电压实际值；基于变频器母线电压设定值与变频器母线电压实际值的差值，确定电压幅值。所述的变频器母线电压设定值不局限于具体数值，是结合变频器以及永磁同步电机的实际情况而确定的、处于安全范围内的数值范围。
优选地，所述的确定电压角度的步骤为：在永磁同步电机刹车期间，检测永磁同步电机转速和转子位置，基于永磁同步电机转速确定各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角，以及结合转子位置，确定电压角度。也就是说，得到永磁同步电机各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角后与转子位置相加最终得到电压角度。
为了进一步提高确定电压幅值的精确度，避免变频器母线电压的剧烈波动，优选地，所述的确定电压幅值的步骤还包括：在永磁同步电机刹车期间，检测永磁同步电机转速，基于永磁同步电机转速确定各转速点的输出电压幅值，以及结合所述的变频器母线电压设定值与变频器母线电压实际值的差值，最终确定电压幅值。本发明可通过电压频率表基于永磁同步电机转速确定各转速点的输出电压幅值。
优选地，所述的控制变频器的输出电压的步骤包括：以变频器母线电压恒定或趋于恒定为控制目标，当变频器母线电压实际值高于变频器母线电压设定值时，增大变频器的输出电压，永磁同步电机产生的刹车力矩增大，从而降低变频器母线电压；当变频器母线电压实际值低于变频器母线电压设定值时，减小变频器的输出电压，永磁同步电机产生的刹车力矩减小，从而增大变频器母线电压，以保证变频器母线电压恒定或趋于恒定。
优选地，所述的控制变频器的输出电压的步骤包括：在永磁同步电机刹车电流较小的低速区，按产生最大刹车力矩控制永磁同步电机各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角输出；在永磁同步电机刹车电流较大的高速区，在不超过永磁同步电机和变频器允许的最大电流的前提下，以产生最大刹车电流控制永磁同步电机各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角输出，实现自动跟踪永磁同步电机的最大刹车力矩。
优选地，所述的变频器母线电压设定值与变频器母线电压实际值的差值经比例调节器调节输出差值调节值，基于差值调节值确定电压幅值，即电压幅值为比例调节器对变频器母线电压设定值与变频器母线电压实际值的差值进行微调输出的差值调节值。当变频器母线电压实际值高于变频器母线电压设定值时，比例调节器对此差值进行调节以增大电压幅值，从而增大永磁同步电机产生的刹车力矩以降低变频器母线电压；当变频器母线电压实际值低于变频器母线电压设定值时，比例调节器对此差值进行调节以增大电压幅值，从而减小永磁同步电机产生的刹车力矩以增大变频器母线电压。
优选地，所述的变频器母线电压设定值高于交流电源输入电压经整流滤波后的最高直流电压值，从而简单实现了采用相同算法对于电源失电与电源正常时的永磁同步电机刹车，避免电源失电与电源正常时的永磁同步电机刹车采用不同算法，简化了算法。
优选地，通过SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)模块、功率模块控制变频器的输出电压，具体步骤为：通过SVPWM模块基于确定的电压幅值以及电压角度计算三相输出电压并输出PWM(Pulse-width modulation，脉冲宽度调制)信号，再通过功率模块将PWM信号转换成模拟电压输出给永磁同步电机。功率模块一般选用IGBT(Insulated GateBipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)或IPM(Intelligent Power Module，智能功率模块)，是变频器硬件的通用器件。
优选地，采用角度转速表基于永磁同步电机转速确定各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角。
本发明所述的变频器的英文译名是VFD(Variable-frequency Drive)，通过改变永磁同步电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力传动元件。变频器主要由整流滤波模块、驱动控制芯片及其外围电路模块、速度检测模块、功率模块构成。
本发明所述的电压幅值是基于变频器母线电压设定值与变频器母线电压实际值的差值直接或经过调节处理后确定的。为了进一步提高确定电压幅值的精确度，避免变频器母线电压的剧烈波动，电压幅值还可以包括永磁同步电机转速确定各转速点的输出电压幅值。
本发明所述的电压角度是指永磁同步电机的定子电压相位角。
本发明所述的变频器母线电压是指变频器的内部整流滤波电路和功率模块之间的中间回路的电压。变频器的输出电压是指变频器的功率模块向永磁同步电机的输出电压。
本发明所述的低速区和高速区是对永磁同步电机转子的转速(旋转速度)高低的划分，具体转速数值划分可以根据具体实际，如根据永磁同步电机与变频器的允许的最大电流值以及永磁同步电机的刹车性能需求来界定。
本发明的工作原理和优点：1、本发明以变频器母线电压恒定或趋于恒定为控制目标，当变频器母线电压实际值高于变频器母线电压设定值时，增大变频器的输出电压，永磁同步电机产生的刹车力矩增大，从而降低变频器母线电压；当变频器母线电压实际值低于变频器母线电压设定值时，减小变频器的输出电压，永磁同步电机产生的刹车力矩减小，从而增大变频器母线电压，确保在刹车过程中，变频器母线电压始终处于预先设定的安全范围内，变频器母线电压恒定或趋于恒定，安全性高。
2、在确保变频器母线电压恒定或趋于恒定的前提下，本发明通过实时控制永磁同步电机各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角输出，即电压夹角，实现了在永磁同步刹车期间，无论在低速区和高速区，确保永磁同步电机的刹车电流均为永磁同步电机和变频器允许的最大电流，产生最大刹车力矩，即实现了自动跟踪永磁同步电机的最大刹车力矩，实现在最短时间内完成永磁同步电机安全刹车，保证了永磁同步电机的刹车性能。
3、同时本发明通过采用变频器母线电压设定值高于交流电源输入电压经整流滤波后的最高直流电压值，消除了交流电源输入电压在永磁同步电机刹车期间对变频器母线电压的影响，从而简单实现了电源正常和电源失电情况下的永磁同步电机刹车算法的一致性，消除了现有技术中在电源正常和电源失电情况下永磁同步电机刹车需采用不同算法的缺陷，大大简化了算法。
4、本发明提供的永磁同步电机刹车控制方法简单，易于实现，成本低，非常利于规模生产应用。
附图说明
附图1是本发明的应用系统框图；
附图2是本发明的变频器与交流电源、永磁同步电机的连接框图；
附图3是本发明实施例的刹车控制算法示意图；
具体实施方式
如图1所示，本发明的应用系统由交流电源、变频器、永磁同步电机和负载依次连接组成，如图2所示，变频器包括整流滤波模块、驱动控制芯片及其外围电路模块、速度检测模块、IGBT或IPM功率模块，交流电源经整流滤波模块变成直流电源接入功率模块，IGBT或IPM功率模块由驱动控制芯片及其外围电路控制，由驱动控制芯片及其外围电路模块输出PWM号，IGBT或IPM功率模块将PWM信号转换成电压输出给永磁同步电机，为了实时检测永磁同步电机转速，在永磁同步电机与驱动控制芯片及其外围电路模块之间还设有速度检测模块，以便驱动控制芯片及其外围电路模块根据永磁同步电机转速进行一系列的保护措施或实现特定的功能，如变频器母线电压恒定或趋于恒定保护功能或永磁同步电机刹车功能。所述的驱动控制芯片及其外围电路模块中含有控制变频器电压输出的运行软件。
如图3所示，一种永磁同步电机刹车控制方法，应用于交流电源、变频器、永磁同步电机和负载组成的系统，其中：所述方法包括以下步骤：
(1)在永磁同步电机刹车期间，确定电压幅值和电压角度；
(2)基于确定的电压幅值和电压角度，控制变频器的输出电压，在保证变频器母线电压恒定或趋于恒定的前提下，实现自动跟踪永磁同步电机的最大刹车力矩，保证永磁同步电机的刹车性能。
所述的确定电压幅值的步骤为：预先设置变频器母线电压设定值；在永磁同步电机刹车期间，检测变频器母线电压实际值；基于变频器母线电压设定值与变频器母线电压实际值的差值，差值经KP比例调节器调节后输出差值调节值，同时在永磁同步电机刹车期间，检测永磁同步电机转速，采用V/F电压频率表基于永磁同步电机转速确定各转速点的输出电压幅值，此输出电压幅值与所述的差值调节值相加，最终确定电压幅值。
所述的确定电压角度的步骤为：在永磁同步电机刹车期间，检测永磁同步电机转速和转子位置，采用角度转速表基于永磁同步电机转速确定各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角，此夹角与转子位置相加，最终确定电压角度。
所述的控制变频器的输出电压的步骤包括：以变频器母线电压恒定或趋于恒定为控制目标，由于在其他相关因素不变的条件下，变频器的输出电压与永磁同步电机产生的刹车力矩成正比，当变频器母线电压实际值高于变频器母线电压设定值时，增大变频器的输出电压，永磁同步电机产生的刹车力矩增大，从而降低变频器母线电压；当变频器母线电压实际值低于变频器母线电压设定值时，减小变频器的输出电压，永磁同步电机产生的刹车力矩减小，从而增大变频器母线电压，以保证变频器母线电压恒定或趋于恒定；同时在保证变频器母线电压恒定或趋于恒定的前提下，由于在其他相关因素不变的条件下，永磁同步电机刹车电流与永磁同步电机产生的刹车力矩成正比，在永磁同步电机刹车电流较小的低速区，如果按照此刹车电流进行刹车，永磁同步电机产生的刹车力矩小，显然不能实现永磁同步电机的刹车性能，因此按产生最大刹车力矩控制永磁同步电机各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角输出，即在不超过永磁同步电机和变频器允许的最大电流的前提下，通过控制永磁同步电机各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角输出获得最大刹车电流，最终产生最大刹车力矩；在永磁同步电机刹车电流较大的高速区，在不超过永磁同步电机和变频器允许的最大电流的前提下，以产生最大刹车电流控制永磁同步电机各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角输出，从而实现了自动跟踪永磁同步电机的最大刹车力矩。本发明在永磁同步电机刹车期间，无论在低速区和高速区，实现了永磁同步电机刹车电流均为永磁同步电机和变频器允许的最大电流，产生最大刹车力矩，确保永磁同步电机的刹车性能。
所述的变频器母线电压设定值高于交流电源输入电压经整流滤波后的最高直流电压值，从而简单实现了电源正常和电源失电情况下的永磁同步电机刹车算法的一致性，消除了现有技术中在电源正常和电源失电情况下永磁同步电机刹车需采用不同算法的缺陷，大大简化了算法。
通过SVPWM模块、功率模块控制变频器的输出电压，具体步骤为：通过SVPWM模块基于确定的电压幅值以及电压角度计算三相输出电压并输出PWM信号，再通过功率模块将PWM信号转换成模拟电压输出给永磁同步电机。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，如对电压频率表的型号或其等同替换、角度转速表的型号或其等同替换做出若干改进和润饰，同时本发明不仅局限应用于永磁同步电机，还可以应用于其他类型电机，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种永磁同步电机刹车控制方法，应用于交流电源、变频器、永磁同步电机和负载组成的系统，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
(1)在永磁同步电机刹车期间，确定电压幅值和电压角度；
(2)基于确定的电压幅值和电压角度，控制变频器的输出电压，在保证变频器母线电压恒定或趋于恒定的前提下，实现自动跟踪永磁同步电机的最大刹车力矩，保证永磁同步电机的刹车性能。
2.如权利要求1所述的一种永磁同步电机刹车控制方法，其特征在于：所述的确定电压幅值的步骤为：预先设置变频器母线电压设定值；在永磁同步电机刹车期间，检测变频器母线电压实际值；基于变频器母线电压设定值与变频器母线电压实际值的差值，确定电压幅值。
3.如权利要求1所述的一种永磁同步电机刹车控制方法，其特征在于：所述的确定电压角度的步骤为：在永磁同步电机刹车期间，检测永磁同步电机转速和转子位置，基于永磁同步电机转速确定各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角，以及结合转子位置，确定电压角度。
4.如权利要求2所述的一种永磁同步电机刹车控制方法，其特征在于：所述的确定电压幅值的步骤还包括：在永磁同步电机刹车期间，检测永磁同步电机转速，基于永磁同步电机转速确定各转速点的输出电压幅值，以及结合所述的变频器母线电压设定值与变频器母线电压实际值的差值，最终确定电压幅值。
5.如权利要求2或3或4所述的一种永磁同步电机刹车控制方法，其特征在于：所述的控制变频器的输出电压的步骤包括：以变频器母线电压恒定或趋于恒定为控制目标，当变频器母线电压实际值高于变频器母线电压设定值时，增大变频器的输出电压，永磁同步电机产生的刹车力矩增大，从而降低变频器母线电压；当变频器母线电压实际值低于变频器母线电压设定值时，减小变频器的输出电压，永磁同步电机产生的刹车力矩减小，从而增大变频器母线电压，以保证变频器母线电压恒定或趋于恒定。
6.如权利要求5所述的一种永磁同步电机刹车控制方法，其特征在于：所述的控制变频器的输出电压的步骤包括：在永磁同步电机刹车电流较小的低速区，按产生最大刹车力矩控制永磁同步电机各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角输出；在永磁同步电机刹车电流较大的高速区，在不超过永磁同步电机和变频器允许的最大电流的前提下，以产生最大刹车电流控制永磁同步电机各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角输出，实现自动跟踪永磁同步电机的最大刹车力矩。
7.如权利要求2或4所述的一种永磁同步电机刹车控制方法，其特征在于：所述的变频器母线电压设定值与变频器母线电压实际值的差值经比例调节器调节输出差值调节值，基于差值调节值确定电压幅值。
8.如权利要求2或4所述的一种永磁同步电机刹车控制方法，其特征在于：所述的变频器母线电压设定值高于交流电源输入电压经整流滤波后的最高直流电压值。
9.如权利要求1所述的一种永磁同步电机刹车控制方法，其特征在于：通过SVPWM模块、功率模块控制变频器的输出电压。
10.如权利要求3所述的一种永磁同步电机刹车控制方法，其特征在于：采用角度转速表基于永磁同步电机转速确定各转速点的转子位置与电压角度之间的夹角。
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Legal Events
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