CN110838806B - 一种电机动态制动电路及电机动态制动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机动态制动电路及电机动态制动方法。交流电经过整流桥模块整流后，经过母线电容滤波，变换成电压稳定的直流母线P/N，再经过逆变桥模块将直流电转化为交流电拖动电机；上电软启模块的一端连接在母线正P上，另一端连接母线电容模块和再生制动模块的一端，母线电容模块和再生制动模块的另一端连接母线负N，动态制动模块直接连接在直流母线P/N上。本发明的动态制动电路完全复用逆变桥模块的体二极管实现整流，无需每轴再增加额外的3个二极管，降低系统成本，缩减PCB面积；无需增加任何额外接线即可支持多轴共母线系统共用动态制动模块，简化了系统接线，减少了接线端子、电缆的成本。

Description

一种电机动态制动电路及电机动态制动方法

技术领域

本发明涉及一种电机动态制动电路及电机动态制动方法。

背景技术

动态制动广泛应用于电机拖动电力电子变换设备中，在系统发生紧急报警，或系统掉电，或系统需要紧急停车的情况下，动态制动起作用，安全可靠的迅速停止电机，避免造成设备损坏、人员受伤等。动态制动常见的几种拓扑如下：

日本专利文献JP3863529B2中公开了一种动态制动拓扑图，也是最为简单常见的动态制动拓扑，当接到动态制动需求，系统停止PWM发送，随后启动动态制动回路，吸合继电器，将电机绕组中的能量在电阻回路中消耗，迅速停止电机。在小功率电机拖动场合，动态制动在拓扑上可以进一步简化，如直接采用1个继电器触点短接U、V两相，不需要任何串联电阻。

日本专利文献JP1994315287A公开了一种动态制动拓扑图，当接到动态制动需求，系统停止PWM发送，随后启动动态制动回路，吸合继电器，将电机绕组中的交流电经过整流后在电阻上消耗，迅速停止电机。该拓扑中相比于日本专利文献JP3863529B2中的动态制动拓扑功率电阻数目大大减少，设计更为简洁，但也存在不可回避的问题。通常情况下，可以等待动态制动完成再断开继电器，此时电流为零，继电器断开没有问题。但当动态制动回路过载发生，或极端情况，如电机处于反拖发电状态动态制动使能，这些情况下，继电器需要具备一定的直流分断能力，这大大增加了继电器的体积和成本。考虑到动态制动需要在系统失电情况下动作，因此通常选取常闭触点的继电器作为开关元件，当然也有选择晶闸管的做法，机理相同，但同样不具备直流分断能力。

日本专利文献JP1989209970A公开了一种动态制动拓扑图，是对日本专利文献JP1994315287A公开的动态制动拓扑图的升级改进，具体原理见图1，复用下3路逆变桥体二极管，外加3个二极管，构成整流回路，将整流后的能量消耗在电阻上。该拓扑的好处是较日本专利文献JP1994315287A公开的动态制动拓扑节省3个二极管，且对于多轴拖动系统，可以通过日本专利文献JP1989209970A公开的动态制动拓扑图所示的连接方法方便的实现多轴共母线系统共用同一动态制动回路，极大的降低了系统总体的体积和成本。如机器人应用场合，每个轴都需要有动态制动回路，以简单的4轴3kg桌面机器人为例，动态制动回路的成本达到60RMB以上，且占用大量PCB布板面积，使用该拓扑可以降低67%的成本，且大大缩小PCB布板面积。但多轴共母线拖动系统共用动态制动回路，需要每个拖动装置额外引出一个端子才能实现外部连接，见日本专利文献JP1989209970A公开的动态制动拓扑图中的圆框，会增加一定接线成本和复杂度。该拓扑也可以演变成复用上3路体二极管。另，日本专利文献JP1989209970A公开的动态制动拓扑中的NMOS实际上并不符合动态制动的要求，动态制动要求系统掉电或异常情况下，依然能够保证动态制动回路的可靠动作，继电器和晶闸管是较好的选择，但如果使用继电器或晶闸管，依然无法回避直流分断的问题。

另外，图2展示了传统电机拖动的功率框架，一般由整流桥模块、上电软启模块、母线电容模块、再生制动模块、逆变桥模块和动态制动模块组成。传统系统中，动态制动模块只能放在交流侧，如果放在直流侧，动态制动模块端电压受到母线电容电压钳位，动态制动效果受到较大影响，电机停止缓慢，且动态制动电阻还要额外承担母线电容能量的泄放，增加了电阻负担。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，克服现有技术存在的缺陷，提出了一种电机动态制动电路及电机动态制动方法。结合前端缓冲电路、再生制动电路，在P/N侧（直流侧）实现动态制动，不同于传统方法中在电机U/V/W侧（交流侧）实现动态制动，该技术方案的优势是能够复用逆变桥的6个体二极管，降低系统成本、缩小布板面积，同时能够支持多轴共母线系统不用额外接线即可实现共用动态制动，降低多轴系统的动态制动接线成本、复杂度。

本发明提出的电机动态制动电路，功率框架由整流桥模块、上电软启模块、母线电容模块、再生制动模块、逆变桥模块和动态制动模块组成，但各个模块的连接拓扑和传统方案有所不同。其特征是：交流电经过整流桥模块整流后，经过母线电容滤波，变换成电压稳定的直流母线P/N，再经过逆变桥模块将直流电转化为交流电拖动电机。上电软启模块的一段连接在母线正P上，另一端连接母线电容模块和再生制动模块的一端，母线电容模块和再生制动模块的另一端连接母线负N，动态制动模块直接连接在直流母线P/N上。

在部分应用时，还可以选择在交流输入与整流桥模块中间添加入电切断模块。

所述上电软启模块的作用是上电时限制母线电容充电电流。该模块其中一种实现方式是，由并联连接的上电缓冲电阻R₁和上电软启模块开关S₁组成，上电时，上电软启模块开关S₁断开，经过上电缓冲电阻R₁给母线电容充电，当充电完成后，上电软启模块开关S₁闭合，系统上电完成。也有其它实现方式，如上电软启模块开关S₁和电阻串联后再和再生制动开关S₂

并联，上电软启模块开关S₁和再生制动开关S₂可以是连锁机构，电阻可换成NTC。

所述再生制动模块的作用一是在电机负扭矩停止时阻止母线电压升的过高，作用二是在系统下电后泄放母线残留能量。该模块其中一种实现方式是，再生制动电阻R₂和续流二极管D₂并联后再和再生制动开关S₂串联。当母线电压升高到泵升上点U₁时，打开再生制动开关S₂进行泄放，当母线电压降低到泵升下点U₂时，关闭再生制动开关S₂停止泄放。续流二极管D₂的作用是为电阻上的电流提供续流回路，避免开关关断时感应出过高的尖峰电压。系统下电时，检测到交流电断开后，上电软启模块开关S₁断开，再生制动再生制动开关S₂闭合，泄放母线残留能量。

所述再生制动模块，也有其它实现方式，如电压超过阈值1打开开关，开通固定时间后关闭，等等。

所述动态制动模块的作用是当紧急停车，或系统掉电等异常情况发生时，保证电机安全可靠的快速停车。该模块其中一种实现方式是，动态制动电阻R₃与动态制动续流二极管D₃并联连接后再和动态制动开关S₃串联。二极管的作用同上，由于动态制动的特性，需要动态制动开关S₃处于常态开通的状态。在系统交流输入电上电前断开动态制动开关S3，随后系统上电通过上电缓冲电阻R₁给母线电容充电，母线充电完毕后闭合上电软启模块开关S₁，系统上电完成。当系统交流输入电下电时，上电软启模块开关S₁断开，再生制动开关S₂闭合，对电容残余能量进行泄放。当动态制动被要求执行时，电力电子设备外部交流输入开关断开，或电力电子设备内部入电切断（见图6中虚线框）动作，切断系统交流输入，随后断开上电软启模块开关S₁，闭合动态制动开关S₃，电机能量通过逆变桥模块体二极管整流到母线P/N，经过动态制动回路消耗，使电机安全可靠停止。由于母线电容正端并没有直接和母线正P相连，动态制动模块并没有被母线电压钳位，动态制动时电机停止速度较快，且可以同时闭合再生制动开关S₂对母线电容残余能量进行泄放，母线电容的残余能量也不会全通过动态制动电阻R₃消耗，避免了电阻R₃承受额外负担，过载失效。

使用本发明所述的电机动态制动电路控制电机动态制动的工作过程：当动态制动被要求执行时，第一步入电切断模块动作，切断系统交流输入，第二步断开软启模块的上电软启模块开关S₁，第三步闭合动态制动模块的动态制动开关S₃，电机能量通过逆变桥模块体二极管整流到母线P/N，经过动态制动回路消耗，使电机快速可靠停止。同时可以闭合再生制动模块的再生制动开关S₂，对母线电容模块上的残留能量进行泄放。当系统交流输入电上电时，第一步先断开动态制动模块的动态制动开关S₃，第二步禁止入电切断模块，交流输入电通入系统，通过上电缓冲电阻R₁给母线电容充电，母线充电完毕后闭合软启模块的上电软启模块开关S₁，系统上电完成。

另外，本发明提出针对动态制动的特点，动态制动开关S₃并不局限于传统方法中提及的继电器或晶闸管，可以采用耗尽型场效应管器件，使用耗尽型场效应管最明显的优势在于可以分断较大的直流电流，这一点继电器或晶闸管不能实现，除非选择专门分断直流的继电器，但此种继电器体积较大、成本较高。

另外，本发明提出可以使用但不限于耗尽型场效应管作为直流动态制动回路的开关，符合动态制动回路要求在系统失电或异常情况下仍然可靠动作的要求，且能够进行大电流直流分断，解决了传统继电器和晶闸管作为开关的问题。

本发明能够适用于所有共母线架构，包括Shared DC-Common，Shared AC/DC，Shared AC/DC Hybrid等。得益于本发明提出的动态制动方案，允许多个共母线的轴共用一个公共动态制动模块，大大缩小了系统动态制动的成本和体积，且大大缩小PCB布板面积。且本发明提出的动态制动方案相比于图3所示的方案，完全复用逆变桥模块的二极管实现整流，无需每轴增加额外的3个二极管，且对于共母线系统而言无需增加任何额外接线即可实现共用动态制动模块，简化了系统接线，减少了二极管和接线端子、电缆的成本。

本发明的优点如下：

1.完全复用逆变桥模块的体二极管实现整流，无需每轴再增加额外的3个二极管，降低系统成本，缩减PCB面积。

2.支持多轴共母线系统共用动态制动模块，极大的降低系统成本，缩减PCB面积。

3.对于多轴共母线系统，本发明无需增加任何额外接线即可方便实现共用动态制动模块，简化了系统接线，减少了接线端子、电缆的成本。

附图说明

图1是日本专利文献JP1989209970A公开的动态制动拓扑原理图。

图2是传统电机拖动的功率框架图。

图3是本发明电机动态制动电路图。

图4是本发明电机动态制动电路的上电软启模块电路图。

图5是本发明电机动态制动电路的再生制动模块电路图。

图6是本发明电机动态制动电路的动态制动模块电路图。

图7是本发明电机动态制动电路应用于多轴共母线场合的示例。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。

实施例

图3所示为本发明提出的电机动态制动电路，功率框架由整流桥模块、上电软启模块、母线电容模块、再生制动模块、逆变桥模块和动态制动模块组成，但各个模块的连接拓扑和传统方案有所不同。交流电经过整流桥模块整流后，经过母线电容滤波，变换成电压稳定的直流母线P/N，再经过逆变桥模块将直流电转化为交流电拖动电机。上电软启模块的一段连接在母线正P上，另一端连接母线电容模块和再生制动模块的一端，母线电容模块和再生制动模块的另一端连接母线负N，动态制动模块直接连接在直流母线P/N上。在部分应用时还需要在交流输入与整流桥模块中间添加入电切断模块。

依次介绍各个主要模块的作用、组成和工作原理，如下：

1、上电软启模块的作用是上电时限制母线电容充电电流。该模块其中一种实现方式举例如图7所示，由并联连接的上电缓冲电阻R₁和上电软启模块开关S₁组成，上电时，开关S₁断开，经过上电缓冲电阻R₁给母线电容充电，当充电完成后，上电软启模块开关S₁闭合，系统上电完成。

2、再生制动模块的作用一是在电机负扭矩停止时阻止母线电压升的过高，作用二是在系统下电后泄放母线残留能量。该模块其中一种实现方式举例如图5所示，再生制动电阻R₂和续流二极管D₂并联后再和再生制动开关S₂串联，当母线电压升高到泵升上点U₁时，打开再生制动开关S₂进行泄放，当母线电压降低到泵升下点U₂时，关闭再生制动开关S₂停止泄放。续流二极管D₂的作用是为电阻上的电流提供续流回路，避免开关关断时感应出过高的尖峰电压。系统下电时，检测到交流电断开后，上电软启模块开关S₁断开，再生制动开关S₂闭合，泄放母线残留能量。

3、动态制动模块的作用是当紧急停车，或系统掉电等异常情况发生时，保证电机安全可靠的快速停车。该模块其中一种实现方式举例如图6所示，动态制动电阻R₃与动态制动续流二极管D₃并联连接后再和动态制动开关S₃串联，二极管的作用同上，由于动态制动的特性，需要动态制动开关S₃处于常态开通的状态。在系统交流输入电上电前断开动态制动开关S₃，随后系统上电通过上电缓冲电阻R₁给母线电容充电，母线充电完毕后闭合上电软启模块开关S₁，系统上电完成。当系统交流输入电下电时，上电软启模块开关S₁断开，再生制动开关S₂闭合，对电容残余能量进行泄放。当动态制动被要求执行时，电力电子设备外部交流输入开关断开，或电力电子设备内部入电切断（见图3中虚线框）动作，切断系统交流输入，随后断开上电软启模块开关S₁，闭合动态制动开关S₃，电机能量通过逆变桥模块体二极管整流到母线P/N，经过动态制动回路消耗，使电机安全可靠停止。由于母线电容正端并没有直接和母线正P相连，动态制动模块并没有被母线电压钳位，动态制动时电机停止速度较快，且可以同时闭合再生制动开关S₂对母线电容残余能量进行泄放，母线电容的残余能量也不会全通过动态制动电阻R₃消耗，避免了动态制动电阻R₃承受额外负担，过载失效。另外，本发明提出针对动态制动的特点，动态制动开关S₃并不局限于传统方法中提及的继电器或晶闸管，可以采用耗尽型场效应管器件，使用耗尽型场效应管最明显的优势在于可以分断较大的直流电流，这一点继电器或晶闸管不能实现，除非选择专门分断直流的继电器，但此种继电器体积较大、成本较高。

图7是本发明的动态制动方案应用于多轴共母线场合的示例，本发明能够适用于所有共母线架构，包括Shared DC-Common，Shared AC/DC，Shared AC/DC Hybrid等。得益于本发明提出的动态制动方案，允许多个共母线的轴共用一个公共动态制动模块，大大缩小了系统动态制动的成本和体积，且大大缩小PCB布板面积。且本发明提出的动态制动方案相比于日本专利文献JP1989209970A公开的动态制动拓扑图所示的方案，完全复用逆变桥模块的二极管实现整流，无需每轴增加额外的3个二极管，且对于共母线系统而言无需增加任何额外接线即可实现共用动态制动模块，简化了系统接线，减少了二极管和接线端子、电缆的成本。

Claims (7)

1.一种电机动态制动电路，功率框架由整流桥模块、上电软启模块、母线电容模块、再生制动模块、逆变桥模块和动态制动模块组成；其特征是：交流电经过整流桥模块整流后，经过母线电容滤波，变换成电压稳定的直流母线P/N，再经过逆变桥模块将直流电转化为交流电拖动电机；上电软启模块的一端连接在母线正P上，另一端连接母线电容模块和再生制动模块的一端，母线电容模块和再生制动模块的另一端连接母线负N，动态制动模块直接连接在直流母线P/N上。

2.根据权利要求1所述的电机动态制动电路，其特征是：在交流输入与整流桥模块中间添加入电切断模块。

3.根据权利要求1或2所述的电机动态制动电路，其特征是：所述上电软启模块，由并联连接的上电缓冲电阻R₁和上电软启模块开关S₁组成，上电时，上电软启模块开关S₁断开，经过上电缓冲电阻R₁给母线电容充电，当充电完成后，上电软启模块开关S₁闭合，系统上电完成。

4.根据权利要求1或2所述的电机动态制动电路，其特征是：所述再生制动模块，再生制动电阻R₂和续流二极管D₂并联后再和再生制动开关S₂串联；

当母线电压升高到泵升上点U₁时，闭合再生制动开关S₂进行泄放，当母线电压降低到泵升下点U₂时，断开再生制动开关S₂停止泄放；

续流二极管D₂的作用是为电阻上的电流提供续流回路，避免开关关断时感应出过高的尖峰电压；

系统下电时，检测到交流电断开后，上电软启模块开关S₁断开，再生制动开关S₂闭合，泄放母线残留能量。

5.根据权利要求1或2所述的电机动态制动电路，其特征是：所述动态制动模块，动态制动电阻R₃与动态制动续流二极管D₃并联连接后再和动态制动开关S₃串联。

6.根据权利要求5所述的电机动态制动电路，其特征是：所述动态制动开关S₃处于闭合的状态，为继电器、晶闸管或耗尽型场效应管。

7.一种用权利要求1-6之一所述的电机动态制动电路进行电机动态制动的方法，其步骤如下：

当动态制动被要求执行时

第一步，入电切断模块动作，切断系统交流输入；

第二步，断开软启模块的上电软启模块开关S₁；

第三步，闭合动态制动模块的动态制动开关S₃，电机能量通过逆变桥模块体二极管整流到母线P/N，经过动态制动回路消耗，使电机快速可靠停止；同时闭合再生制动模块的再生制动开关S₂，对母线电容模块上的残留能量进行泄放；

当系统交流输入电上电时

第一步，先断开动态制动模块的动态制动开关S₃；

第二步，禁止入电切断模块，交流输入电通入系统，通过上电缓冲电阻R₁给母线电容充电，母线充电完毕后闭合软启模块的上电软启模块开关S₁，系统上电完成。

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