CN111030519A - 一种无刷直流电机快速制动方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无刷直流电机快速制动方法，首先获取无刷直流电机的转子位置，当转子位置改变时改变逆变器工作状态，再根据逆变器状态判断浮相绕组和浮相绕组的续流电流走向，最后根据浮相绕组的续流电流走向再次改变逆变器工作状态，并保持工作状态至转子位置发生改变；该制动方法不需要额外增加硬件，并且制动速度快、制动过程顺滑。
Description
技术领域
本发明属于无刷直流电机控制领域，具体涉及一种无刷直流电机快速制动方法及装置。
背景技术
无刷直流电机作为永磁同步电机的一种，其功率密度高、使用寿命长、力矩大等特点，在电动车辆、家用电器、工业控制等行业上有广泛的作用。
为获得更高的动态响应，无刷直流电机拖动大惯量负载实现快速制动时，通常需要借助外围硬件实现对负载惯性能量的泄放。常见的方法有能耗制动和回馈制动，能耗制动通过无刷直流电机绕组上串联制动电阻，以消耗制动时产生的能量，这种方法增加硬件成本，并且制动电阻普遍体积大会导致硬件电路面积的增加；回馈制动是通过收集制动时产生的能量，向电源侧反馈，这种方法虽然电源效率高但是需要大容量电解电容的配合，也不适用开关电源型的电源。
本发明利用PWM调制技术改变制动时无刷直流电机三相绕组中性点的电压使得浮相绕组的反向电压最大，使得浮相绕组剩余能量快速消去，以实现快速制动。这种制动方法不需要额外硬件配合，制动速度快。
发明内容
本发明提供了一种无刷直流电机快速制动方法及装置，以解决现有技术中无刷直流电机制动需要额外硬件、制动方法适应性差的问题。
本发明提供了一种无刷直流电机快速制动方法，包括如下步骤：
步骤1：获取制动时无刷直流电机的转子位置，当无刷直流电机的转子位置变化时，变换逆变器功率管的通断状态，将转子旋转到下一位置所需导通的逆变器功率管导通，等待第一延时时间后，执行步骤2并对转子位置变化次数进行计数；
步骤2：根据逆变器功率管的导通状态，获取无刷直流电机绕组中的浮相绕组，以及浮相绕组中的续流电流走向；
步骤3：判断浮相绕组续流电流走向，当浮相绕组的续流电流从浮相绕组流入逆变器时，将PWM信号作用于逆变器上桥臂功率管；当浮相绕组的续流电流从逆变器流入浮相绕组时，将PWM信号应作用于逆变器下桥臂功率管，等待第二延时时间后，执行步骤4；
步骤4：判断电机转子位置变化次数是否为6次，当转子位置变化次数为6 次时，则不再向逆变器输入PWM信号，制动过程完成；当转子位置变化次数小于6次时，执行步骤1。
可选地，所述步骤1中所述获取制动时无刷直流电机的转子位置的方法为利用位置传感器获取转子位置，和/或，利用无刷直流电机三相绕组的反电动势信号获取转子位置。
可选地，所述步骤2中所述根据逆变器功率管的导通状态，获取无刷直流电机绕组中的浮相绕组的具体方法为：
当B相绕组对应的上桥臂功率管和C相绕组对应的下桥臂功率管导通时，或者，当B相绕组对应的下桥臂功率管和C相绕组对应的上桥臂功率管导通时， A相绕组为浮相绕组；
当A相绕组对应的上桥臂功率管和C相绕组对应的下桥臂功率管导通时，或者，当A相绕组对应的下桥臂功率管和C相绕组对应的上桥臂功率管导通时， B相绕组为浮相绕组；
当A相绕组对应的上桥臂功率管和B相绕组对应的下桥臂功率管导通时，或者，当A相绕组对应的下桥臂功率管和B相绕组对应的上桥臂功率管导通时， C相绕组为浮相绕组。
可选地，步骤2中所述根据逆变器功率管的导通状态，获取无刷直流电机绕组中的浮相绕组中的续流电流走向的具体方法为：
当B相绕组对应的上桥臂功率管和C相绕组对应的下桥臂功率管导通时，浮相绕组的续流电流从逆变器流入浮相绕组；
当B相绕组对应的下桥臂功率管和C相绕组对应的上桥臂功率管导通时，浮相绕组的续流电流从浮相绕组流入逆变器；
当A相绕组对应的上桥臂功率管和C相绕组对应的下桥臂功率管导通时，浮相绕组的续流电流从浮相绕组流入逆变器；
当A相绕组对应的下桥臂功率管和C相绕组对应的上桥臂功率管导通时，浮相绕组的续流电流从逆变器流入浮相绕组；
当A相绕组对应的上桥臂功率管和B相绕组对应的下桥臂功率管导通时，浮相绕组的续流电流从逆变器流入浮相绕组；
当A相绕组对应的下桥臂功率管和B相绕组对应的上桥臂功率管导通时，浮相绕组的续流电流从浮相绕组流入逆变器。
可选地，所述步骤3中所述根据浮相绕组续流电流走向确定PWM信号作用位置的具体方法为：
当浮相绕组的续流电流从浮相绕组流入逆变器时，将PWM信号作用于处于工作状态的逆变器上桥臂功率管，处于工作状态的逆变器下桥臂功率管直接导通；
当浮相绕组的续流电流从逆变器流入浮相绕组时，将PWM信号应作用于处于工作状态的逆变器下桥臂功率管，处于工作状态的逆变器上桥臂功率管直接导通。
可选地，每次执行步骤1-4时，所述第一延时时间以及第二延时时间的取值不同。
可选地，在步骤1-4的6次执行过程中，每次执行步骤1-4的时间依次占6 次总时间的30％、25％、20％、10％、10％、5％。
本发明提供了一种无刷直流电机快速制动的装置，包括：控制器，逆变器，转子位置模块，无刷直流电机的三相绕组；其中：
所述转子位置模块和所述无刷直流电机的三相绕组相连，用于采集无刷直流电机的转子位置；
所述逆变器和所述无刷直流电机的三相绕组相连，用于制动时改变无刷直流电机的三相绕组中性点电压和消除浮相绕组的剩余能量；
所述控制器和所述逆变器以及所述转子位置模块相连，用于处理所述转子位置模块的输入信息获取无刷直流电机的转子位置，以及控制逆变器。
可选地，所述逆变器包括功率管单元和二极管单元，所述功率管单元用于制动时改变无刷直流电机的三相绕组中性点电压，所述二极管单元用于消除浮相绕组的剩余能量；单个二极管和单个功率管并联，二极管的阳极和功率管的输出端相连，二极管的阴极和功率管的输入端相连。
本发明至少包括以下有益效果：
1、本发明利用PWM调制技术改变制动时无刷直流电机三相绕组中性点的电压使得浮相绕组的反向电压最大，使得浮相绕组剩余能量快速消去，以实现快速制动。
2、本发明将制动过程分为6步，并给每步时间分配不同时间占比，使得制动过程中不会产生大电流，制动过程更加顺滑、快速。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明具体实施的一种无刷直流电机快速制动方法的流程图；
图2为本发明具体实施的一种无刷直流电机快速制动方法对应装置的示意图；
图3为本发明具体实施的无刷直流电机快速制动时逆变器各功率器件的 PWM情况；
图4为本发明具体实施的无刷直流电机快速制动方法和传统制动方法的效果对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1所示，为本发明提出一种无刷直流电机快速制动方法的流程图，具体包括：
步骤S1：获取制动时无刷直流电机的转子位置，当无刷直流电机的转子位置变化时，变换逆变器功率管的通断状态，将转子旋转到下一位置所需导通的逆变器功率管导通；等待第一延时时间后，执行步骤2并对转子位置变化次数进行计数；
步骤S2：根据逆变器功率管的导通状态，获取无刷直流电机绕组中的浮相绕组，以及浮相绕组中的续流电流走向；
当B相绕组对应的上桥臂功率管和C相绕组对应的下桥臂功率管导通时，或者，当B相绕组对应的下桥臂功率管和C相绕组对应的上桥臂功率管导通时， A相绕组为浮相绕组；当A相绕组对应的上桥臂功率管和C相绕组对应的下桥臂功率管导通时，或者，当A相绕组对应的下桥臂功率管和C相绕组对应的上桥臂功率管导通时，B相绕组为浮相绕组；当A相绕组对应的上桥臂功率管和 B相绕组对应的下桥臂功率管导通时，或者，当A相绕组对应的下桥臂功率管和B相绕组对应的上桥臂功率管导通时，C相绕组为浮相绕组。
当B相绕组对应的上桥臂功率管和C相绕组对应的下桥臂功率管导通时，浮相绕组的续流电流从逆变器流入浮相绕组；当B相绕组对应的下桥臂功率管和C相绕组对应的上桥臂功率管导通时，浮相绕组的续流电流从浮相绕组流入逆变器；当A相绕组对应的上桥臂功率管和C相绕组对应的下桥臂功率管导通时，浮相绕组的续流电流从浮相绕组流入逆变器；当A相绕组对应的下桥臂功率管和C相绕组对应的上桥臂功率管导通时，浮相绕组的续流电流从逆变器流入浮相绕组；当A相绕组对应的上桥臂功率管和B相绕组对应的下桥臂功率管导通时，浮相绕组的续流电流从逆变器流入浮相绕组；当A相绕组对应的下桥臂功率管和B相绕组对应的上桥臂功率管导通时，浮相绕组的续流电流从浮相绕组流入逆变器。
步骤S3：判断浮相绕组续流电流走向，当浮相绕组的续流电流从浮相绕组流入逆变器时，将PWM信号作用于处于工作状态的逆变器上桥臂功率管，处于工作状态的逆变器下桥臂功率管直接导通；当浮相绕组的续流电流从逆变器流入浮相绕组时，将PWM信号应作用于处于工作状态的逆变器下桥臂功率管，处于工作状态的逆变器上桥臂功率管直接导通；并保持导通状态时长为第二延时时间。
这样操作是根据浮相绕组上的电压情况，运用PWM调制技术使浮相绕组上的反向电压最大；当反向电压最大时，浮相绕组中的剩余能量能以最快速度消去，缩短制动过程。
步骤S4：判断电机转子位置变化次数是否为6次，当转子位置变化次数为 6次时，则制动结束不再向逆变器输入PWM信号；当转子位置变化次数小于6 次时，执行步骤S1。
整个制动过程就是执行6次步骤1-4的过程，第一延时时间和第二延时时间的总和决定了每次执行步骤1-4所需要的时间，每次执行步骤1-4的时间确定后，相当于决定了整个制动过程的总时间，为了使得制动过程中不产生较大的电流冲击、制动过程平滑，可以使每次执行步骤1-4时，第一延时时间以及第二延时时间的取值不同。优选的当第一次执行步骤1-4时，第一延时时间和第二延时时间的总和整个制动过程时间的30％；当第二次执行步骤1-4时，第一延时时间和第二延时时间的总和整个制动过程时间的25％；当第三次执行步骤1-4时，第一延时时间和第二延时时间的总和整个制动过程时间的20％；当第四次执行步骤 1-4时，第一延时时间和第二延时时间的总和整个制动过程时间的10％；当第五次执行步骤1-4时，第一延时时间和第二延时时间的总和整个制动过程时间的 10％；当第六次执行步骤1-4时，第一延时时间和第二延时时间的总和整个制动过程时间的5％。
如图2所示，本发明提供了一种无刷直流电机快速制动的装置，包括：控制器51，逆变器52，转子位置模块53，无刷直流电机的三相绕组；其中：
转子位置模块53包括三个霍尔位置传感器H1、H2、H3，转子位置模块53，用于采集无刷直流电机的转子位置；
逆变器52和无刷直流电机的三相绕组相连，用于制动时改变无刷直流电机的三相绕组中性点电压和消除浮相绕组的剩余能量；
控制器51和逆变器52以及转子位置模块53相连，用于处理转子位置模块 53的输入信息获取无刷直流电机的转子位置，以及控制逆变器52。
可选地，逆变器52包括由MOS管T1～MOS管T6组成的功率管单元和由二极管VD1～二极管VD6组成的二极管单元，功率管单元用于制动时改变无刷直流电机的三相绕组中性点电压，二极管单元用于消除浮相绕组的剩余能量； MOS管T1～MOS管T6与二极管VD1～二极管VD6依次并联，二极管的阳极和 MOS管的源极相连，二极管的阴极和MOS管的漏极相连。
如图3所示，为具体实施时无刷直流电机快速制动过程中PWM工作情况。图3中，h1、h2、h3分别代表三个霍尔位置传感器的输出波形。
图3中，在t0时刻进入制动状态，霍尔位置传感器中h2的波形发生电平跳变，即检测到转子位置发生改变；由于三个霍尔位置传感器的电平状态是“0”、“1”、“1”，按照无刷直流电机的方波控制方法，变化逆变器功率管的导通状态，将原先MOS管T5、MOS管T6导通变成MOS管T1、MOS管T6导通，并保持导通状态时长为第一延时时间TI。
因为MOS管T1为A相绕组对应的上桥臂、MOS管T6为B相绕组对应的下桥臂，此时C相绕组没有施加电压信号，C相绕组为浮相绕组。
当A相绕组对应的上桥臂MOS管T1和B相绕组对应的下桥臂MOS管T6 导通时，C相绕组的续流电流从逆变器流入浮相绕组。
因为C相绕组的续流电流方向是从逆变器流入浮相绕组，则切换PWM信号施加的位置，将PWM信号应作用于处于工作状态的逆变器下桥臂MOS管T6，处于工作状态的逆变器上桥臂MOS管T1直接导通，并保持导通状态时长为第二延时时间TII。则t0到t1时刻完成制动过程的第1步。
在t1时刻，霍尔位置传感器中h3的波形发生电平跳变，即检测到转子位置发生改变；由于三个霍尔位置传感器的电平状态是“0”、“1”、“0”，按照无刷直流电机的方波控制方法，变化逆变器功率管的导通状态，将原先MOS管T1、 MOS管T6导通变成MOS管T1、MOS管T2导通，并保持导通状态时长为第一延时时间TI。
因为MOS管T1为A相绕组对应的上桥臂、MOS管T2为C相绕组对应的下桥臂，此时B相绕组没有施加电压信号，B相绕组为浮相绕组。
当A相绕组对应的上桥臂MOS管T1和C相绕组对应的下桥臂MOS管T2 导通时，B相绕组的续流电流从浮相绕组流入逆变器。
因为B相绕组的续流电流方向是从浮相绕组流入逆变器，则保持PWM信号施加的位置，将PWM信号仍作用于处于工作状态的逆变器上桥臂MOS管T1，处于工作状态的逆变器下桥臂MOS管T2直接导通，并保持导通状态时长为第二延时时间TII。则t1到t2时刻完成制动过程的第2步。
同理，t2-t3、t3-t4、t4-t5、t5-t6分别完成制动过程的第3步至第6步，当判断到已经完成到第6步时，制动过程结束，MOS管T1至MOS管T6均关断。整个制动过程为1000ms，则第1步t0-t1时长为300ms，即第一延时时间TI和第二延时时间TII均为150ms；第2步t1-t2时长为250ms，即第一延时时间TI和第二延时时间TII均为125ms；第3步t2-t3时长为200ms，即第一延时时间TI和第二延时时间TII均为100ms；第4步t3-t4时长为100ms，即第一延时时间TI和第二延时时间TII均为50ms；第5步t4-t5时长为100ms，即第一延时时间TI和第二延时时间TII均为50ms；第6步t5-t6时长为50ms，即第一延时时间TI和第二延时时间TII均为25ms；。
具体实施中，采用意法半导体STM32F302作为控制器，PWM频率18KHz，快速退磁制动时占空比为45％，功率管采用MOS管IRF540。实验使用150W功率的无刷直流电机；负载采用直径80cm的扇叶，负载惯量约为0.4kg·m2。
如图4所示，为本发明的快速制动方法和自由停止、能耗制动两种制动方法对比实验图。
如图4(a)所示，为自由停止时的时间-转速波形，自由停止实验中，停止信号发出时，关断上下桥臂功率管使其自由停止，自由停止过程约耗时13s。如图 4(b)所示，为能耗制动时的时间-转速波形，能耗制动实验中，采用串联10Ω的水泥电阻进行能耗制动实验，制动时将三个电阻分别串联接入到电机三相上实现能耗制动，制动耗时约4s。如图4(c)所示，为本发明所提的快速制动方法工作时的时间-转速波形，快速制动实验中，其制动时间约1.2s。三组实验中，通过对比制动耗时的长短得出：快速制动方式耗时最短，有明显优势。
显而易见的是，本领域的技术人员可以从根据本发明的实施方式的各种结构中获得根据不麻烦的各个实施方式尚未直接提到的各种效果。尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (9)
1.一种无刷直流电机快速制动方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：获取制动时无刷直流电机的转子位置，当无刷直流电机的转子位置变化时，变换逆变器功率管的通断状态，将转子旋转到下一位置所需导通的逆变器功率管导通，等待第一延时时间后，执行步骤2并对转子位置变化次数进行计数；
步骤2：根据逆变器功率管的导通状态，获取无刷直流电机绕组中的浮相绕组，以及浮相绕组中的续流电流走向；
步骤3：判断浮相绕组续流电流走向，当浮相绕组的续流电流从浮相绕组流入逆变器时，将PWM信号作用于逆变器上桥臂功率管；当浮相绕组的续流电流从逆变器流入浮相绕组时，将PWM信号应作用于逆变器下桥臂功率管，等待第二延时时间后，执行步骤4；
步骤4：判断电机转子位置变化次数是否为6次，当转子位置变化次数为6次时，则不再向逆变器输入PWM信号，制动过程完成；当转子位置变化次数小于6次时，执行步骤1。
2.如权利要求1所述的无刷直流电机快速制动方法，其特征在于，所述步骤1中所述获取制动时无刷直流电机的转子位置的方法为利用位置传感器获取转子位置，和/或，利用无刷直流电机三相绕组的反电动势信号获取转子位置。
3.如权利要求1所述的无刷直流电机快速制动方法，其特征在于，所述步骤2中所述根据逆变器功率管的导通状态，获取无刷直流电机绕组中的浮相绕组的具体方法为：
当B相绕组对应的上桥臂功率管和C相绕组对应的下桥臂功率管导通时，或者，当B相绕组对应的下桥臂功率管和C相绕组对应的上桥臂功率管导通时，A相绕组为浮相绕组；
当A相绕组对应的上桥臂功率管和C相绕组对应的下桥臂功率管导通时，或者，当A相绕组对应的下桥臂功率管和C相绕组对应的上桥臂功率管导通时，B相绕组为浮相绕组；
当A相绕组对应的上桥臂功率管和B相绕组对应的下桥臂功率管导通时，或者，当A相绕组对应的下桥臂功率管和B相绕组对应的上桥臂功率管导通时，C相绕组为浮相绕组。
4.如权利要求1或3所述的无刷直流电机快速制动方法，其特征在于，步骤2中所述根据逆变器功率管的导通状态，获取无刷直流电机绕组中的浮相绕组中的续流电流走向的具体方法为：
当B相绕组对应的上桥臂功率管和C相绕组对应的下桥臂功率管导通时，浮相绕组的续流电流从逆变器流入浮相绕组；
当B相绕组对应的下桥臂功率管和C相绕组对应的上桥臂功率管导通时，浮相绕组的续流电流从浮相绕组流入逆变器；
当A相绕组对应的上桥臂功率管和C相绕组对应的下桥臂功率管导通时，浮相绕组的续流电流从浮相绕组流入逆变器；
当A相绕组对应的下桥臂功率管和C相绕组对应的上桥臂功率管导通时，浮相绕组的续流电流从逆变器流入浮相绕组；
当A相绕组对应的上桥臂功率管和B相绕组对应的下桥臂功率管导通时，浮相绕组的续流电流从逆变器流入浮相绕组；
当A相绕组对应的下桥臂功率管和B相绕组对应的上桥臂功率管导通时，浮相绕组的续流电流从浮相绕组流入逆变器。
5.如权利要求1所述的无刷直流电机快速制动方法，其特征在于，所述步骤3中所述根据浮相绕组续流电流走向确定PWM信号作用位置的具体方法为：
当浮相绕组的续流电流从浮相绕组流入逆变器时，将PWM信号作用于处于工作状态的逆变器上桥臂功率管，处于工作状态的逆变器下桥臂功率管直接导通；
当浮相绕组的续流电流从逆变器流入浮相绕组时，将PWM信号应作用于处于工作状态的逆变器下桥臂功率管，处于工作状态的逆变器上桥臂功率管直接导通。
6.如权利要求1所述的无刷直流电机快速制动方法，其特征在于，每次执行步骤1-4时，所述第一延时时间以及第二延时时间的取值不同。
7.如权利要求6所述的无刷直流电机快速制动方法，其特征在于，在步骤1-4的6次执行过程中，每次执行步骤1-4的时间依次占6次总时间的30％、25％、20％、10％、10％、5％。
8.一种无刷直流电机快速制动的装置，其特征在于，包括：控制器，逆变器，转子位置模块，无刷直流电机的三相绕组；其中：
所述转子位置模块和所述无刷直流电机的三相绕组相连，用于采集无刷直流电机的转子位置；
所述逆变器和所述无刷直流电机的三相绕组相连，用于制动时改变无刷直流电机的三相绕组中性点电压和消除浮相绕组的剩余能量；
所述控制器和所述逆变器以及所述转子位置模块相连，用于处理所述转子位置模块的输入信息获取无刷直流电机的转子位置，以及控制逆变器。
9.如权利要求8所述的无刷直流电机快速制动的装置，其特征在于，所述逆变器包括功率管单元和二极管单元，所述功率管单元用于制动时改变无刷直流电机的三相绕组中性点电压，所述二极管单元用于消除浮相绕组的剩余能量；单个二极管和单个功率管并联，二极管的阳极和功率管的输出端相连，二极管的阴极和功率管的输入端相连。
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