CN108923702A - 直流无刷电机回馈制动控制方法 - Google Patents

Abstract

一种直流无刷电机回馈制动控制方法，该方法基于同步整流的制动控制，VT1、VT2、VT3、VT4、VT5和VT6为直流无刷电机三相调制开关管，在一个周期内，所述直流无刷电机同样有3个状态，也是每120°电角度换相一次。在0～2π/3为区间的续流阶段，调制导通VT4的同时导通VT6，代替VD6作为续流回路，电流回路为A相→VT4→VT6→B相，在2π/3～4π/3和4π/3～2π的充电阶段，调制关断VT4同时开起VT1，代替VD1作为充电回路，电流回路为A相→VT1→电源正→电源负→VT6→B相。

Description

直流无刷电机回馈制动控制方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，特别涉及一种直流无刷电机回馈制动控制方法。

背景技术

无刷直流电机由于其无换向器、调速性能好等优点已广泛应用于电动车驱动系统中。在电动车运行过程中，有时要根据实际情况进行减速或制动,常见的制动方式有机械制动和电气制动，其中电气制动方式包括能耗制动、反接制动和回馈制动.机械制动直接将机械能转化为热能，制动方式简单可靠；能耗制动是将系统的动能转换成电能消耗在制动电阻上；反接制动是将电机绕组接向电源的极性对调，制动效果明显，但是需要电源提供制动电流。上述制动方式，均不能有效地回收和利用能量，而回馈制动则可以将机械能转化为电能回馈到储能装置。其常用的控制方式有:最大允许制动转矩控制方式、基于能量回馈曲线(制动曲线)的控制方式和回馈电流恒定的控制方式。

最大允许制动转矩控制方式能够提供最大回馈电流，但其制动的动态波动性较大，可靠性较低；基于能量回馈曲线的控制方式可以实现制动的安全平稳，但限制因素较多，控制复杂。

发明内容

本发明实施例之一，一种直流无刷电机回馈制动控制方法，该方法基于同步整流的制动控制，VT1、VT2、VT3、VT4、VT5和VT6为直流无刷电机三相调制开关管。在一个周期内，所述直流无刷电机同样有3个状态，也是每120°电角度换相一次，顺序如下：

在0～2π/3为区间的续流阶段，调制导通VT4的同时导通VT6，代替VD6作为续流回路，电流回路为A相→VT4→VT6→B相，

在2π/3～4π/3和4π/3～2π的充电阶段，调制关断VT4同时开起VT1，代替VD1作为充电回路，电流回路为A相→VT1→电源正→电源负→VT6→B相，

同时，实时检测泵升电压，如果泵升电压高于直流母线电压，则在充电阶段可以调制导通VT1，代替VD1作为充电回路，以减小压降；

如果泵升电压低于直流母线电压，则在充电阶段必须调制关断VT1，利用二极管VD1的单向导电性，截止电流反向，保证电磁转矩仍为制动性质，

在制动过程中，转矩给定值与电机实际转矩的差值通过控制器调节PWM的占空比，从而控制回馈电流i的恒定，使制动转矩跟随给定转矩的参考值变化，实现制动的恒转矩闭环控制。

本发明提出了基于同步整流的回馈制动控制新方法，即在回馈制动的同时利用同步整流技术，反向导通开关器件代替二极管作为电流回路。由于开关器件的通态电阻很小，因此利用同步整流技术可减小回路压降，降低功率损耗，实现高效回馈制动。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：

图1本发明实施例中同步整流制动续流状态示意图。

图2本发明实施例中同步整流制动充电状态示意图。

图3现有技术中制动方法电机转速变化过程曲线图。

图4本发明实施例中同步整流制动方法电机转速变化过程曲线图。

图5现有技术中制动方法电机转矩变化过程曲线图。

图6本发明实施例中同步整流制动方法电机转矩变化过程曲线图。

具体实施方式

回馈制动一般发生在电机转速低于额定转速时，因此称之为低速能量回馈制动。在制动过程中电机产生与运行方向相反的电磁转矩，同时将电机的动能转化为电能回馈至蓄电池。但只有当电机端电压高于直流侧端电压时，电机才能向蓄电池输出电能。低速能量回馈制动时电机两相绕组串联后线电势的幅值2e总是低于蓄电池的直流母线电压Ud，因此无法直接回馈。由于电机绕组属感性元件，故可利用升压斩波原理。在一个PWM周期内，当t₀～t₁时，绕组电感储能，回路电流上升，此阶段称之为续流阶段；当t₁～t₂时，绕组电感放电，向蓄电池充电，回路电流下降，此阶段称之为充电阶段。

根据一个或者多个实施例，如图1所示，一个PWM调制周期内电流波形在回馈制动时，常采用半桥斩波的调制方式，即只对相同半桥上的3只功率器件进行PWM调制(如下半桥VT4、VT6、VT2)；而另外半桥上的3只功率器件总保持截止(如上半桥VT1、VT3、VT5)。图2为电机制动时的功率管导通逻辑，上桥臂3个功率管全部关断，反电势为最大值相的下桥臂功率管斩波。

回馈电流i的大小与反电势的大小及功率管触发脉冲的占空比有关:反电势越大，则回馈电流越大；占空比越大，则回馈电流越大。因此，在反电势一定的情况下，调节功率管开关器件的PWM占空比就能控制回馈电流i，进而控制制动转矩。在制动过程中，常采用回馈电流恒定的控制方式，转矩给定值与电机实际转矩的差值通过控制器调节PWM的占空比，从而控制回馈电流i的恒定，使制动转矩跟随给定转矩的参考值变化，实现制动的恒转矩闭环控制。

在恒转矩制动控制的续流阶段和充电阶段，回馈电流都会流经功率器件的二极管。由于二极管的通态压降较大，回馈电流明显减小，因而产生较大的功率损耗。为了减小回路压降，实现高效驱动，本文提出了基于同步整流的新型制动控制方式。利用功率器件可反向导通，且通态电阻较小的特点，在回馈制动中反向导通开关器件代替二极管作为电流回路，以此降低制动时电流回路的压降，减小功率损耗，提高能量回馈的系统效率。以A、B相导通时制动为例，在0～2π/3为区间的续流阶段，调制导通VT4的同时导通VT6，代替VD6作为续流回路，电流回路为A相→VT4→VT6→B相，电路原理如图1所示。在2π/3～4π/3和4π/3～2π的充电阶段，调制关断VT4同时开起VT1，代替VD1作为充电回路，电流回路为A相→VT1→电源正→电源负→VT6→B相，电路原理如图2所示。

采用本发明的控制方法必须实时检测泵升电压，如果泵升电压高于直流母线电压，则在充电阶段可以调制导通VT1，代替VD1作为充电回路，以减小压降；如果泵升电压低于直流母线电压，则在充电阶段必须调制关断VT1，利用二极管VD1的单向导电性，截止电流反向，保证电磁转矩仍为制动性质。

根据以上分析，采用基于同步整流的回馈制动方法，一个周期电机同样有3个状态，也是每120°电角度换相一次，调通顺序为表1。

表1导通顺序表

图4是同步整流的回馈制动同步整流制动，二极管的导通顺序区间及调制顺序为0～2/3π：VT2→VT3→VT4→VT5→VT6；2/3π～4/3π：VT1→VT2→VT4→VT5→VT6；4/3π～2π:VT1→VT2→VT3→VT4→VT6，但在实际应用中，考虑到制动的快速性和回馈的效果，同时为了使控制简单，常对以上导通顺序进行简化。仍以A、B相导通时进行制动为例，在0～2π/3的续流阶段，可以调制导通VT6，代替VD6作为续流回路；而充电阶段对应在2π/3～4π/3和4π/3～2π，与续流区间0～2π/3相邻的区间为2π/3～4π/3，制动的快速性决定了在区间4π/3～2π的回馈效果甚微，因此在充电阶段可只针对2π/3～4π/3区间进行同步整流。此时仍然需要实时检测泵升电压并同直流母线电压相比较，以保证制动性的电磁转矩。简化后功率管开关器件的导通顺序为表2。

表2简化后的导通顺序

本发明方法通过仿真实验验证，基于MATLAB/Simulink建立无刷直流电机驱动系统，电动运行采用双闭环控制策略，回馈制动中采用PI控制，以实现回馈电流的恒流控制。使用的方波型无刷直流电机具体参数如下:额定电压U＝48V，额定功率P＝185W，极对数p＝4，每相电阻R＝0.6Ω，每相电感L＝0.93mH，开关频率f＝15kHz。

图5为电机运行在2000r/min时，采用传统控制方法制动的电机转速和转矩仿真波形。可以看出，当转速降低到一定程度时，制动转矩和制动能力变小，转速的加速度减弱，转速下降趋于平缓。图5传统制动方法转速转矩仿真波形。

图6为电机运行在2000r/min时，采用本发明的控制方法制动的电机转速和转矩仿真波形。开始制动时转速较高，泵升电压较大，在续流阶段和充电阶段均采用同步整流技术，制动转矩较大，转速下降明显；当转速降低到一定程度时，泵升电压减小，只在续流阶段采用同步整流技术，制动转矩减小，转速下降较为平缓。

值得说明的是，虽然前述内容已经参考若干具体实施方式描述了本发明创造的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。

Claims (2)

1.一种直流无刷电机回馈制动控制方法，其特征在于，该方法基于同步整流的制动控制，VT1、VT2、VT3、VT4、VT5和VT6为直流无刷电机三相调制开关管，

在一个周期内，所述直流无刷电机同样有3个状态，也是每120°电角度换相一次，顺序如下：

在0～2π/3为区间的续流阶段，调制导通VT4的同时导通VT6，代替VD6作为续流回路，电流回路为A相→VT4→VT6→B相，

在2π/3～4π/3和4π/3～2π的充电阶段，调制关断VT4同时开起VT1，代替VD1作为充电回路，电流回路为A相→VT1→电源正→电源负→VT6→B相，

同时，实时检测泵升电压，如果泵升电压高于直流母线电压，则在充电阶段可以调制导通VT1，代替VD1作为充电回路，以减小压降；

如果泵升电压低于直流母线电压，则在充电阶段必须调制关断VT1，利用二极管VD1的单向导电性，截止电流反向，保证电磁转矩仍为制动性质，

在制动过程中，转矩给定值与电机实际转矩的差值通过控制器调节PWM的占空比，从而控制回馈电流i的恒定，使制动转矩跟随给定转矩的参考值变化，实现制动的恒转矩闭环控制。

2.根据权利要求1所述的直流无刷电机回馈制动控制方法，其特征在于，制动控制的开关管的的导通顺序为：

。