CN112630538B - 制动电阻的估测方法 - Google Patents

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Abstract

本公开为一种制动电阻的估测方法，包含步骤：(S1)确认是否执行发电机模式；(S2)于确认结果为是时，持续监控总线电容电压；(S3)确认开关是否切至导通；(S4)于确认结果为是时，以总线电容于开关断开期间的电压变化、开关断开的持续时间及总线电容的已知电容值计算流过总线电容的第一电流值；(S5)控制开关切至导通；(S6)确认开关是否切至断开；以及(S7)于确认结果为是时，以总线电容于开关导通期间的电压变化、开关导通的持续时间及已知电容值，计算流过总线电容的第二电流值，进而估测制动电阻的电阻值。

Description

制动电阻的估测方法
技术领域
本公开关于一种估测方法，特别涉及一种应用于电机控制系统中，以对电机控制系统的制动电阻的估测方法。
背景技术
电机通常需要电机控制系统来进行供电与控制。其中电机若运行在发电机模式，则将机械能转换为电能，并回充至电机控制系统的直流链电压。若电机控制系统内的电源转换电路或整流电路仅能进行单方向的电能转换，则由于马达回充至电机控制系统的电能并无法并入市电，因此电机控制系统必须设置制动电阻，以利用制动电阻将电机回充的电能以热的形式消耗，借此避免直流链电压不断升高，以保护电机控制系统。
然而若电机控制系统所使用的制动电阻的阻值不适当时，则会产生过大的制动电流，如此一来，将减少存在于电机控制系统的放电回路中的功率开关的寿命，甚至导致功率开关烧毁，严重者导致电机控制系统无法正常运行。
发明内容
本公开的目的在于提供一种制动电阻的估测方法，在电机控制系统运行时，利用电机控制系统内的运行参数来估测制动电阻的电阻值，借此可确认电机控制系统所选用的制动电阻是否适当，进而降低因使用阻值错误的制动电阻而造成功率开关烧毁的风险。
为达上述目的，本公开的一实施方式为提供一种估测方法，应用于电机控制系统，电机控制系统控制电机运行，并于执行一发电机模式时驱动马达刹车，且电机控制系统包含总线电容、制动电阻以及开关，制动电阻连接于总线电容以及开关之间，估测方法包含以下步骤：(S1)确认电机控制系统是否开始执行发电机模式；(S2)于确认电机控制系统开始执行发电机模式时，持续监控总线电容的电压；(S3)确认开关是否切换至导通状态；(S4)于确认开关切换至导通状态时，利用总线电容两端于发电机模式且开关切换至断开状态直至开关切换为导通状态期间的电压变化、开关断开的持续时间及总线电容的已知电容值，计算出在开关断开时流过总线电容的第一电流值；(S5)控制开关切换至导通状态；(S6)确认开关是否切换至断开状态；以及(S7)于确认开关切换至断开状态时，利用总线电容于发电机模式且开关切换至导通状态直至开关切换为断开状态期间的电压变化、开关导通的持续时间以及总线电容的已知电容值，计算出在开关导通时流过总线电容的第二电流值，以利用第一电流值与第二电流值来估测制动电阻的电阻值。
附图说明
图1为本公开优选实施例的制动电阻的估测方法的步骤流程示意图；
图2为图1所示的估测方法所应用的电机控制系统的电路架构示意图；
图3为图2所示的电机控制系统的工作象限图；
图4为图2所示的电机控制系统执行发电机模式时，电机控制系统的部分参数的波形示意图；
图5为图2所示的电机控制系统执行发电机模式，且开关为导通时的部分结构示意图，图6为图2所示的电机控制系统执行发电机模式；
图6为图2所示的电机控制系统执行发电机模式，且开关为断开时的部分结构示意图。
其中，附图标记说明如下：
S1～S7：估测方法的步骤
1：电机控制系统
2：电机
P：输出功率
10：变频器功率模块
11：整流电路
12：电压感测器
CBus：总线电容
RB：制动电阻
SB：开关
V1、V2、V3：电压
t1、t2、t3：时间
VBus：总线电压
icap：总线电容CBus的电流
iReg：回充电流
iB：制动电阻RB的电流iB
具体实施方式
体现本公开特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本公开能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本公开的范围，且其中的说明及图示在本质上当作说明的用，而非架构于限制本公开。
请参阅图1及图2，其中图1为本公开优选实施例的制动电阻的估测方法的步骤流程示意图，图2为图1所示的估测方法所应用的电机控制系统的电路架构示意图。如图1及图2所示，本公开的制动电阻的估测方法可应用于电机控制系统1中，该电机控制系统1可为但不限于电梯的电机控制系统，且与电机2，例如马达，电连接，用以供电至电机2并控制电机2的运行。于本实施例中，电机控制系统1内的电源转换电路或整流电路可为单向，即进行单向的电能转换。此外，电机控制系统1可执行电动机(驱动)模式或是发电机(刹车)模式(electric motor(drive)mode or generator(brake)mode)，其中在电动机模式下，电机控制系统1将所接收的输入交流电能进行转换，以供电至电机2并驱动电机2运行，反之，在发电机模式下，电机控制系统1则驱动电机2刹车，此时电机2将机械能转换为电能并回充电能至电机控制系统1或储能装置(未示出)。
请参阅图3并配合图2，其中图3为图2所示的电机控制系统的工作象限图。于本实施例中，电机控制系统1可分为四种象限的运行。详细来说，例如应用在电梯的马达控制，则电梯有上楼及下楼操作，对马达而言即为一个方向旋转及另一个方向旋转，或所谓正转及反转；另一方面，电梯的输出扭矩也有正值及负值，以分别应对电梯的加速运行及减速运行两种需求，故可依据前述的马达正转或反转以及输出转矩为正值或负值展开为四个操作象限，例如以本实施例而言，第一象限为电机控制系统1驱动电机2正转，此时电机2的转速>0，电机2的转矩>0，电机2的输出功率P>0(于图2中，不同的箭头方向分别代表当输出功率P为大于0及小于0时，电机控制系统1的电能转换方向)。第二象限为电机2在正转状态下，电机控制系统1驱动电机2刹车，此时电机2的转速>0，电机2的转矩<0，电机2的输出功率P<0。第三象限为电机控制系统1驱动电机2反转，电机2的转速<0，电机2的转矩<0，电机2的输出功率P>0。第四象限为电机2在反转状态下，电机控制系统1驱动电机2刹车，此时电机2的转速<0，电机2的转矩>0，电机2的输出功率P<0。因此当电机控制系统1执行电动机模式时，可运行于第一象限或第三象限，当电机控制系统1执行发电机模式时，可运行于第二象限或第四象限，而本公开的制动电阻的估测方法是在电机控制系统1执行发电机模式时，亦即，运行于第二象限或第四象限时执行。
请再参阅图2，电机控制系统1包含变频器功率模块10、整流电路11、总线电容CBUS、制动电阻RB、开关SB以及电压感测器12。整流电路11电连接于电机控制系统1的输入端，用以将电机控制系统1的输入端所接收到的输入交流电能整流为直流电能。总线电容CBus电连接于整流电路11的输出端，用以将整流电路11输出的直流电能稳压。电压感测器12电连接于总线电容CBus的两端，用以感测总线电容CBus的总线电压VBus。制动电阻RB电连接于总线电容CBus以及开关SB之间，用以在电机2回充电能至电机控制系统1时，消耗电机2回充至电机控制系统1的电能。详细而言，制动电阻RB与开关SB串联，而制动电阻RB及开关SB的电路再与总线电容CBus并联。变频器功率模块10的输入端与总线电容CBus电连接，变频器功率模块10的输出端与电机2电连接，变频器功率模块10用以将经总线电容CBus稳压后的直流电能转换为输出交流电能，以驱动电机2运行。开关SB在电机控制系统1执行电动机模式时为断开状态(opened status)，而开关SB在电机控制系统1执行发电机模式时则可在断开状态或导通状态(closed status)之间进行切换。
请参阅图4、图5、图6并配合图1，其中图4为图2所示的电机控制系统执行发电机模式时，电机控制系统的部分参数的波形示意图，图5为图2所示的电机控制系统执行发电机模式，且开关为导通时的部分结构示意图，图6为图2所示的电机控制系统执行发电机模式，且开关为断开时的部分结构示意图。如图所示。首先，本公开的估测方法为先执行步骤S1，确认电机控制系统1是否开始执行发电机模式。当步骤S1的确认结果为是时，执行步骤S2，持续利用电压感测器12监控总线电容CBus的总线电压VBus。需说明的是，本公开提出的方法是持续的监控总线电压VBus，以配合稍后描述的步骤S3、步骤S6或其他步骤。
当步骤S2执行完后，则执行步骤S3，确认开关SB是否切换至导通状态。当步骤S3的确认结果为是时，则执行步骤S4，利用记录到的总线电容CBus于开关SB断开状态起直至切换为导通状态前这段期间的电压变化、开关SB断开的持续时间及总线电容CBus的已知电容值，计算出在开关SB断开期间流过总线电容CBus的电流值。详细而言，前述开关SB断开的持续时间是指电机控制系统1开始执行发电机模式后且开关SB断开，直至确认开关SB切换至导通状态前过程的持续时间。在步骤S3中，由于流过总线电容CBus的电流的公式(1)为：
其中iCap为流过总线电容CBus的电流，C为总线电容CBus的电容值，且电容值通常为已知值，VBus为总线电容CBus的总线电压，因此在确认开关SB切换至导通状态时，便可利用总线电容CBus于开关SB为断开期间的电压变化，例如图4所示从时间t1时的电压V1上升至时间t2时的电压V2之间的差值，与开关SB断开的持续时间，例如时间t1至时间t2，及总线电容CBus的已知电容值而计算出在开关SB断开期间流过总线电容CBus的电流值，于此暂称前述计算值为第一电流值，又因开关SB在断开情况下，电机2回充至电机控制系统1的回充电流iReg实际上等于流过总线电容CBus的电流(第一电流值)iCap，因此电机2回充至电机控制系统1的回充电流iReg为以下公式(2)所示：
其中iReg亦等于电机2回充至电机控制系统1的功率PReg除以总线电容CBus的总线电压VBus。
当步骤S4执行完后，则执行步骤S5，控制开关SB切换至导通状态，例如在时间t2时控制开关SB切换至导通状态。接着，执行步骤S6，确认开关SB是否切换至断开状态。当确认开关SB切换至断开状态时，则执行步骤S7，利用总线电容CBus于开关SB导通状态起直至切换为断开状态前这段期间的电压变化、开关SB导通的持续时间以及总线电容CBus的已知电容值，计算出在开关SB导通期间流过总线电容CBus的电流值，于此暂称前述计算值为第二电流值。详细而言，前述开关SB导通的持续时间是指电机控制系统1执行于发电机模式且开关SB为导通状态后，直至确认开关SB切换至断开状态前的持续时间。接着，进而利用前述第一电流值与第二电流值的相减值，估测流过制动电阻RB的第三电流值，再利用总线电容CBus于开关SB导通状态起直至切换为断开状态前这段期间的电压变化，除以前述第三电流值，来估测制动电阻RB的电阻值。在步骤S6中，当确认开关SB切换至断开状态时，便可利用总线电容CBus于开关SB导通期间的电压变化，例如图4所示从时间t2时的电压V2下降至时间t3时的电压V3之间的差值，与开关SB导通的持续时间，例如时间t2至时间t3，及总线电容CBus的已知电容值而计算出在开关SB导通时流过总线电容CBus的电流值，即第二电流值，其中第二电流值为如下公式(3)所示：
此外，在开关SB为导通状态下，流过制动电阻RB的电流iB(于此暂称前述计算值为第三电流值)为电机2回充至电机控制系统1的回充电流iReg与流过总线电容CBus的电流iCap的相减值，即如以下公式(4)所示：
iB＝iReg-iCap--(4)，
其中由于电机2回充至电机控制系统1的回充电流iReg在开关SB由导通状态切换至断开状态时的瞬间变化实际上并不大，故可将电机2回充至电机控制系统1的回充电流iReg在开关SB为导通状态时与断开状态时视为约略相等，因此公式(4)中的回充电流iReg可由公式(2)带入，又因公式(4)中流过总线电容CBus的电流iCap，即第二电流值已由公式(3)求得，如此一来，便可估测出流过制动电阻RB的电流iB(第三电流值)。更甚者，由于在开关SB导通状态下，已知流过制动电阻RB的电流iB(第三电流值)，亦利用电压感测器12而可得知总线电容CBus的总线电压VBus，故可估测出制动电阻RB的电阻值Rr，即如以下公式(5)所示：
于上述实施例中，当步骤S1的确认结果为否时，则重新执行步骤S1。当步骤S3的确认结果为否时，则重新执行步骤S3。当步骤S6的确认结果为否时，则重新执行步骤S6。另外，当步骤S7执行完后，开关SB将切换至断开状态，且如有需要，本公开的估测方法可重新执行步骤S1进行新的估算。
于一些实施例中，在步骤S3中，是依据总线电容CBus的总线电压VBus是否上升到第一预设电压门限值来确认开关SB是否切换至导通状态。于步骤S6中，是依据总线电容CBus的总线电压VBus是否下降到第二预设电压门限值来确认开关SB是否切换至断开状态，但不此为限，在步骤S6中，亦可依据开关SB导通的持续时间是否到达预设时间阈值来确认开关SB是否切换至断开状态。
综上所述，本公开提供一种制动电阻进行估测的估测方法，该估测方法可在电机控制系统执行发电机模式时，利用电机控制系统内的运行参数来估测出制动电阻的电阻值，借此使用者便可通过估测的制动电阻的电阻值来评估电机控制系统目前所使用的制动电阻的阻值是否适当，以在不适用时重新选用适当的制动电阻或是开启相关的保护机制，如此一来，将可延长存在于电机控制系统的放电回路中的功率开关的寿命，并避免电机控制系统的功率开关烧毁。

Claims (9)

1.一种估测方法，应用于一电机控制系统，该电机控制系统控制一电机运行，并于执行一发电机模式时驱动该电机刹车，该电机控制系统包含一总线电容、一制动电阻以及一开关，该制动电阻连接于该总线电容以及该开关之间，该估测方法包含以下步骤：
(S1)确认该电机控制系统是否开始执行该发电机模式；
(S2)于确认该电机控制系统开始执行该发电机模式时，持续监控该总线电容两端的电压；
(S3)确认该开关是否切换至一导通状态；
(S4)于确认该开关切换至该导通状态时，利用该总线电容两端于该发电机模式且该开关切换至一断开状态直至该开关切换为该导通状态期间的电压变化、该开关断开的持续时间及该总线电容的一已知电容值，计算出在该开关断开时流过该总线电容的一第一电流值；
(S5)控制该开关切换至该导通状态；
(S6)确认该开关是否切换至该断开状态；以及
(S7)于确认该开关切换至该断开状态时，利用该总线电容两端于该发电机模式且该开关切换至该导通状态直至该开关切换为该断开状态期间的电压变化、该开关导通的持续时间以及该总线电容的该已知电容值，计算出在该开关导通时流过该总线电容的一第二电流值，以利用该第一电流值与该第二电流值的相减值估测流过该制动电阻的一第三电流值，并利用该总线电容于该开关导通期间的电压变化除以该第三电流值，来估测该制动电阻的一电阻值。
2.如权利要求1所述的估测方法，其中该估测方法是于该电机在一正转状态下，且该电机控制系统驱动该电机刹车时执行。
3.如权利要求1所述的估测方法，其中该估测方法是于该电机在一反转状态下，且该电机控制系统驱动该电机刹车时执行。
4.如权利要求1所述的估测方法，其中在该步骤(S3)中，是依据该总线电容两端的电压是否上升到一第一预设电压门限值来确认该开关是否切换至该导通状态。
5.如权利要求1所述的估测方法，其中在该步骤(S6)中，是依据该总线电容两端的电压是否下降到一第二预设电压门限值来确认该开关是否切换至该断开状态。
6.如权利要求1所述的估测方法，其中在该步骤(S6)中，是依据该开关于该导通状态的持续时间是否到达一预设时间阈值来确认该开关是否切换至该断开状态。
7.如权利要求1所述的估测方法，其中在该步骤(S1)中，该电机控制系统还包含一变频器功率模块以及一整流电路，该变频器功率模块与该总线电容电连接，该电机与该变频器功率模块的一输出端电连接，该总线电容电连接于该整流电路的一输出端，以执行该发电机模式。
8.如权利要求7所述的估测方法，其中在该步骤(S1)中，当该电机控制系统执行该发电机模式时，该整流电路进行单向的电能转换，使该开关可在该断开状态及该导通状态之间进行切换。
9.如权利要求1所述的估测方法，其中在该步骤(S2)、(S4)或(S7)中，该电机控制系统还包含一电压感测器，用以感测该总线电容两端的电压。
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