CN106787968B - 抑制母线波动的电气制动控制系统及方法 - Google Patents
抑制母线波动的电气制动控制系统及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种抑制母线波动的电气制动控制系统及方法,所述系统包括电压检测单元、N个制动桥臂、载波发生单元以及控制单元,N为不小于2的整数;其中:所述N个制动桥臂分别连接在正直流母线和负直流母线之间,且每一所述制动桥臂包括开关管及制动电阻;所述电压检测单元,用于检测直流母线电压;所述载波发生单元,用于输出载波到控制单元;所述控制单元,用于根据直流母线电压及载波生成N个控制脉冲并将该N个控制脉冲分别输出到N个开关管。本发明通过设置两个或两个以上制动桥臂,并对各个制动桥臂进行斩波控制以将各个制动桥臂中的制动电阻分别接入,可减小制动控制对直流母线电压造成的波动,提高系统的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及电机领域,更具体地说,涉及一种抑制母线波动的电气制动控制系统及方法。
背景技术
在断开电源后,为了使电机迅速停车,通常需在电机的电源上加上与正常运行电源反相的电源(例如通过逆变器输出),此时,电机转子的旋转方向与电机旋转磁场的旋转方向相反,电机产生的电磁力矩即成为制动力矩,加快电机的减速。
如图1所示,现有的电气制动方案中,通常采用电压闭环计算占空比,并根据计算所得占空比控制制动电阻。上述方案中,制动斩波控制采用单个制动电阻进行控制,由母线电压闭环控制进行制动斩波,由于放电回路的阻抗较小,可以将输出电流波形看成是PWM波,可用函数f(t)来描述:
f(t)=f[x(t),d]=f[ωct+θc,d]
其中,x(t)=ωct+θc为载波,ωc为载波的频率,θc为载波的初始相位,d为制动时的占空比(在一个载波周期内为恒定值)。
根据双重傅立叶可以将上述输出电流分解为:
由上式可以看出,制动电流包含有直流分量和与载波有关的高频分量,这些高频电流将导致直流母线电压产生纹波,从而给系统性能带来不利影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于,针对上述制动电流导致直流母线电压产生波纹的问题,提供一种抑制母线波动的电气制动控制系统和方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案是,提供一种抑制母线波动的电气制动控制系统,包括电压检测单元、N个制动桥臂、载波发生单元以及控制单元,且所述N为大于或等于2的整数;其中:所述N个制动桥臂分别连接在正直流母线和负直流母线之间,且每一所述制动桥臂包括开关管及制动电阻;所述电压检测单元,用于检测直流母线电压;所述载波发生单元,用于在直流母线电压超过设定阈值时输出载波到控制单元;所述控制单元,用于根据直流母线电压及载波生成N个控制脉冲并将该N个控制脉冲分别输出到N个制动桥臂中的开关管。
在本发明所述的抑制母线波动的电气制动控制系统中,所述载波发生单元输出N个载波到控制单元,且该N个载波的初始相位依次相差360°/N;所述控制单元包括第一占空比计算子单元、第一比较值计算子单元以及第一脉冲生成子单元,其中:所述第一占空比计算子单元,用于根据直流母线电压计算制动占空比;所述第一比较值计算子单元,用于根据制动占空比计算比较值;所述第一脉冲生成子单元,用于将N个载波分别与比较值比较获得N个控制脉冲。
在本发明所述的抑制母线波动的电气制动控制系统中,所述N个制动桥臂上的制动电阻的阻值相等,所述第一占空比计算子单元根据以下计算式计算制动占空比d:
d=Kp*(Uref-Udc)+Ki∫(Uref-Udc);
其中,Uref为母线电压参考值,Udc为母线电压实际值,Kp和Ki为预先设置的控制参数;
所述第一比较值计算子单元根据以下计算式计算不同制动桥臂的控制脉冲的上升沿的比较值CMPUi和下降沿的比较值CMPDi:
CMPUi=CMPDi=d×Prd/2i=1…N;
其中,Prd为载波的周期值。
在本发明所述的抑制母线波动的电气制动控制系统中,所述载波发生单元输出一个载波到控制单元;所述控制单元包括第二占空比计算子单元、第二比较值计算子单元以及第二脉冲生成子单元,其中:所述第二占空比计算子单元,用于根据直流母线电压计算制动占空比;所述第二比较值计算子单元,用于根据制动占空比计算N个制动桥臂的控制脉冲的脉冲上升沿比较值和下降沿比较值;所述第二脉冲生成子单元,用于将载波分别与N个制动桥臂的控制脉冲的脉冲上升沿比较值和下降沿比较值比较获得N个控制脉冲。
在本发明所述的抑制母线波动的电气制动控制系统中,所述N个制动桥臂上的制动电阻的阻值相等,所述第二占空比计算子单元根据以下计算式计算制动占空比d:
d=Kp*(Uref-Udc)+Ki∫(Uref-Udc);
其中,Uref为母线电压参考值,Udc为母线电压实际值,Kp和Ki为预先设置的控制参数;
所述第二比较值计算子单元根据以下计算式计算第i个制动桥臂的控制脉冲的脉冲上升沿比较值CMPUi和第i个制动桥臂的控制脉冲的脉冲下降沿比较值CMPDi:
其中:θci第i个制动桥臂的初始相位,且CMPU1=CMPD1=d×Prd/2。
本发明还提供一种抑制母线波动的电气制动控制方法,包括以下步骤:
(a)检测直流母线电压;
(b)在直流母线电压超过设定阈值时输出载波;
(c)根据直流母线电压及载波生成N个控制脉冲并将该N个控制脉冲分别输出到N个制动桥臂中的开关管,所述N为大于或等于2的整数,所述N个制动桥臂分别连接在正直流母线和负直流母线之间,且每一所述制动桥臂包括开关管及制动电阻。
在本发明所述的抑制母线波动的电气制动控制方法中,所述步骤(b)中输出N个载波,且该N个载波的初始相位依次相差360°/N;所述步骤(c)包括:
(c1)根据直流母线电压计算制动占空比;
(c2)根据制动占空比计算比较值;
(c3)将N个载波分别与比较值比较获得N个控制脉冲。
在本发明所述的抑制母线波动的电气制动控制方法中,所述N个制动桥臂上的制动电阻的阻值相等,所述步骤(c1)中根据以下计算式计算制动占空比d:
d=Kp*(Uref-Udc)+Ki∫(Uref-Udc);
其中,Uref为母线电压参考值,Udc为母线电压实际值,Kp和Ki为预先设置的控制参数;
所述步骤(c2)中根据以下计算式计算不同制动桥臂的控制脉冲的上升沿的比较值CMPUi和下降沿的比较值CMPDi:
CMPUi=CMPDi=d×Prd/2i=1…N;
其中,Prd为载波的周期值。
在本发明所述的抑制母线波动的电气制动控制方法中,所述步骤(b)输出一个载波;所述步骤(c)包括:
(c1’)根据直流母线电压计算制动占空比;
(c2’)根据制动占空比计算N个制动桥臂的控制脉冲的脉冲上升沿比较值和下降沿比较值;
(c3’)将载波分别与N个制动桥臂的控制脉冲的脉冲上升沿比较值和下降沿比较值比较获得N个控制脉冲。
在本发明所述的抑制母线波动的电气制动控制方法中,所述N个制动桥臂上的制动电阻的阻值相等,所述步骤(c1’)中根据以下计算式计算制动占空比d:d=Kp*(Uref-Udc)+Ki∫(Uref-Udc);其中,Uref为母线电压参考值,Udc为母线电压实际值,Kp和Ki为预先设置的控制参数;
所述步骤(c2’)中根据以下计算式计算第i个制动桥臂的控制脉冲的脉冲上升沿比较值CMPUi和第i个制动桥臂的控制脉冲的脉冲下降沿比较值CMPDi:
其中:θci第i个制动桥臂的初始相位,且CMPU1=CMPD1=d×Prd/2。
本发明的抑制母线波动的电气制动控制系统及方法,通过设置两个或两个以上制动桥臂,并对各个制动桥臂进行斩波控制以将各个制动桥臂中的制动电阻分别接入,可减小制动控制对直流母线电压造成的波动,提高系统的稳定性。
附图说明
图1是现有电气制动方案的拓扑图。
图2是现有电气制动方案的制动控制脉冲波形图。
图3是本发明抑制母线波动的电气制动控制系统实施例的拓扑图。
图4是本发明抑制母线波动的电气制动控制系统中控制单元实施例的示意图。
图5是本发明抑制母线波动的电气制动控制系统实施例中制动控制脉冲的示意图。
图6是本发明抑制母线波动的电气制动控制方法实施例的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
如图3所示,是本发明抑制母线波动的电气制动控制系统实施例的示意图。本实施例中的抑制母线波动的电气制动控制系统包括电压检测单元、N个制动桥臂、载波发生单元以及控制单元,其中N为大于或等于2的整数;上述N个制动桥臂分别连接在正直流母线和负直流母线之间(正直流母线和负直流母线之间还连接有逆变器且该逆变器的输出端连接电机),且每一制动桥臂包括开关管(可采用IGBT)及制动电阻(每一制动电阻的阻值与图1方案中的单个电阻的阻值相同)。在开关管导通时,对应的制动电阻可消耗直流母线上的能量;反之,当开关管断开时,对应的制动电阻不消耗能量。
特别地,分别位于N个制动桥臂中的N个制动电阻的容量(即制动电阻在通电之后的单位时间内的发热量)之和与图1方案中的单个电阻的容量相同。通过该方式,无需采用大容量的制动电阻,提高了安全性。
电压检测单元用于检测直流母线电压,该直流母线电压检测可采用现有的方案实现。载波发生单元用于在直流母线电压超过设定阈值时,输出载波(例如三角波)到控制单元。检测获得的直流母线电压与设定阈值的比较可由电压检测单元执行,也可由载波发生单元执行。控制单元用于根据电压检测单元检测获得的直流母线电压及载波发生单元输出的载波生成N个控制脉冲,并将该N个控制脉冲分别输出到N个制动桥臂中的开关管,从而实现N个制动桥臂的通断控制。在实际应用中,载波发生单元可始终向控制单元输出载波,而控制单元仅在直流母线电压超过设定阈值时生成控制脉冲。
上述电压检测单元、载波发生单元以及控制单元可集成到一个控制芯片,且该控制芯片的输入引脚连接到直流母线并通过多个输出引脚分别连接到多个开关管。当然,在实际应用中,电压检测单元、载波发生单元以及控制单元也可通过不同电路或元件构成。
上述抑制母线波动的电气制动控制系统通过两个或两个以上制动桥臂,并对各个制动桥臂进行斩波控制以将各个制动桥臂中的制动电阻分别接入,可减小制动控制对直流母线电压造成的波动,提高系统的稳定性。
如图4、5所示,在本发明的一个实施例中,N个制动桥臂上的制动电阻的阻值相等,控制单元10可包括第一占空比计算子单元11、第一比较值计算子单元12以及第一脉冲生成子单元13。在该实施例中,载波发生单元输出N个载波(例如通过多个振荡器)到控制单元,且该N个载波的初始相位依次相差360°/N并分别对应N个制动桥臂,即第i个制动桥臂对应的载波的初始相位可以取:
第一占空比计算子单元11用于根据直流母线电压计算制动占空比。具体地,该第一占空比计算子单元11可根据以下计算式计算制动占空比d:
d=Kp*(Uref-Udc)+Ki∫(Uref-Udc);
其中,Uref为母线电压参考值,Udc为母线电压实际值,Kp和Ki为预先设置的控制参数。
第一比较值计算子单元12用于根据制动占空比计算比较值。具体地,第一比较值计算子单元12可根据以下计算式计算不同制动桥臂的控制脉冲的上升沿的比较值CMPUi和下降沿的比较值CMPDi:
CMPUi=CMPDi=d×Prd/2i=1…N;
其中,Prd为载波的周期值。
第一脉冲生成子单元13用于将N个载波分别与各个控制脉冲的上升沿的比较值CMPUi和下降沿的比较值CMPDi比较获得N个控制脉冲(即在载波幅值大于比较值时对应制动桥臂的控制脉冲有效),如图5所示。
通过该方式,各相制动桥臂的控制脉冲也与载波移位相同的相位,输出到各相制动桥臂的开关管中的高频电流满足
m=kn n为自然数k=2…N
即制动斩波频率的2倍频,3倍频,…,N倍频的电流谐波相互抵消,大大减小母线电压纹波。
在对传统制动斩波方案和上述移相制动斩波方案进行仿真对比结果显示,移相制动斩波方案的母线电压波形更小,从而可保证系统的可靠性。特别在轨道交通行业,其制动控制频率较低,移相制动斩波方案能有效减小母线电压波动,保证系统可靠性。
在本发明的另一实施例中,载波发生单元可仅输出一个载波到控制单元;此时控制单元包括第二占空比计算子单元、第二比较值计算子单元以及第二脉冲生成子单元,其中第二占空比计算子单元用于根据直流母线电压计算制动占空比;第二比较值计算子单元用于根据制动占空比计算N个制动桥臂的控制脉冲的脉冲上升沿比较值和下降沿比较值;第二脉冲生成子单元用于将载波分别与N个制动桥臂的控制脉冲的脉冲上升沿比较值和下降沿比较值比较获得N个控制脉冲。
特别地,当N个制动桥臂上的制动电阻的阻值相等时,第二占空比计算子单元可根据以下计算式计算制动占空比d:
d=Kp*(Uref-Udc)+Ki∫(Uref-Udc);
其中,Uref为母线电压参考值,Udc为母线电压实际值,Kp和Ki为预先设置的控制参数。第二比较值计算子单元根据以下计算式计算第i个制动桥臂的控制脉冲的脉冲上升沿比较值CMPUi和第i个制动桥臂的控制脉冲的脉冲下降沿比较值CMPDi:
其中:θci第i个制动桥臂的初始相位,且CMPU1=CMPD1=d×Prd/2。
如图6所示,是本发明抑制母线波动的电气制动控制方法实施例的流程示意图,该方法包括以下步骤:
步骤S61:检测直流母线电压。
步骤S62:判断检测获得的直流母线电压是否超过设定阈值,并在直流母线电压超过设定阈值时执行步骤S63,否则返回步骤S61继续进行检测。
步骤S63:输出载波(例如三角波)。
步骤S64:根据直流母线电压及载波生成N个控制脉冲并将该N个控制脉冲分别输出到N个制动桥臂中的开关管,所述N为大于或等于2的整数,所述N个制动桥臂分别连接在正直流母线和负直流母线之间,且每一所述制动桥臂包括开关管及制动电阻。
特别地,上述方案可通过移相制动斩波来控制N个制动桥臂,此时步骤S63中输出N个载波,且该N个载波的初始相位依次相差360°/N;相应地,步骤S64包括:
(1)根据直流母线电压计算制动占空比,例如根据以下计算式计算制动占空比d:d=Kp*(Uref-Udc)+Ki∫(Uref-Udc),其中,Uref为母线电压参考值,Udc为母线电压实际值,Kp和Ki为预先设置的控制参数;
(2)根据制动占空比计算比较值,具体可根据以下计算式各个制动桥臂的控制脉冲的上升沿的比较值CMPUi和下降沿的比较值CMPDi:
CMPUi=CMPDi=d×Prd/2i=1…N;其中,Prd为载波的周期值。
(3)将N个载波分别与控制脉冲的上升沿的比较值CMPUi和下降沿的比较值CMPDi比较获得对应各个制动桥臂的N个控制脉冲。
此外,也可根据单一载波来控制N个制动桥臂,即步骤S63中仅输出一个载波;而步骤S64包括:
(1’)根据直流母线电压计算制动占空比,具体可根据以下计算式计算制动占空比d:d=Kp*(Uref-Udc)+Ki∫(Uref-Udc);其中,Uref为母线电压参考值,Udc为母线电压实际值,Kp和Ki为预先设置的控制参数;
(2’)根据制动占空比计算N个制动桥臂的控制脉冲的脉冲上升沿比较值和下降沿比较值,具体可根据以下计算式计算第i个制动桥臂的控制脉冲的脉冲上升沿比较值CMPUi和第i个制动桥臂的控制脉冲的脉冲下降沿比较值CMPDi:
其中:θci第i个制动桥臂的初始相位,且CMPU1=CMPD1=d×Prd/2。
(3’)将载波分别与N个制动桥臂的控制脉冲的脉冲上升沿比较值CMPUi和下降沿比较值CMPDi比较获得N个控制脉冲。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (2)
1.一种抑制母线波动的电气制动控制系统,其特征在于:包括电压检测单元、N个制动桥臂、载波发生单元以及控制单元,且所述N为大于或等于2的整数;其中:所述N个制动桥臂分别连接在正直流母线和负直流母线之间,且每一所述制动桥臂包括开关管及制动电阻;所述电压检测单元,用于检测直流母线电压;所述载波发生单元,用于在直流母线电压超过设定阈值时输出载波到控制单元;所述控制单元,用于根据直流母线电压及载波生成N个控制脉冲并将该N个控制脉冲分别输出到N个制动桥臂中的开关管;
所述载波发生单元输出一个载波到控制单元;所述控制单元包括第二占空比计算子单元、第二比较值计算子单元以及第二脉冲生成子单元,其中:所述第二占空比计算子单元,用于根据直流母线电压计算制动占空比;所述第二比较值计算子单元,用于根据制动占空比计算N个制动桥臂的控制脉冲的脉冲上升沿比较值和下降沿比较值;所述第二脉冲生成子单元,用于将载波分别与N个制动桥臂的控制脉冲的脉冲上升沿比较值和下降沿比较值比较获得N个控制脉冲;
所述N个制动桥臂上的制动电阻的阻值相等,所述第二占空比计算子单元根据以下计算式计算制动占空比d:
d=Kp*(Uref-Udc)+Ki∫(Uref-Udc);
其中,Uref为母线电压参考值,Udc为母线电压实际值,Kp和Ki为预先设置的控制参数;
所述第二比较值计算子单元根据以下计算式计算第i个制动桥臂的控制脉冲的脉冲上升沿比较值CMPUi和第i个制动桥臂的控制脉冲的脉冲下降沿比较值CMPDi:
其中:θci第i个制动桥臂的初始相位,Prd为载波的周期值,且CMPU1=CMPD1=d×Prd/2。
2.一种抑制母线波动的电气制动控制方法,其特征在于:包括以下步骤:
(a)检测直流母线电压;
(b)在直流母线电压超过设定阈值时输出载波;
(c)根据直流母线电压及载波生成N个控制脉冲并将该N个控制脉冲分别输出到N个制动桥臂中的开关管,所述N为大于或等于2的整数,所述N个制动桥臂分别连接在正直流母线和负直流母线之间,且每一所述制动桥臂包括开关管及制动电阻;
所述步骤(b)输出一个载波;所述步骤(c)包括:
(c1’)根据直流母线电压计算制动占空比;
(c2’)根据制动占空比计算N个制动桥臂的控制脉冲的脉冲上升沿比较值和下降沿比较值;
(c3’)将载波分别与N个制动桥臂的控制脉冲的脉冲上升沿比较值和下降沿比较值比较获得N个控制脉冲;
所述N个制动桥臂上的制动电阻的阻值相等,所述步骤(c1’)中根据以下计算式计算制动占空比d:d=Kp*(Uref-Udc)+Ki∫(Uref-Udc);其中,Uref为母线电压参考值,Udc为母线电压实际值,Kp和Ki为预先设置的控制参数;
所述步骤(c2’)中根据以下计算式计算第i个制动桥臂的控制脉冲的脉冲上升沿比较值CMPUi和第i个制动桥臂的控制脉冲的脉冲下降沿比较值CMPDi:
其中:θci第i个制动桥臂的初始相位,Prd为载波的周期值,且CMPU1=CMPD1=d×Prd/2。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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