CN113285646B - 一种不使用外接制动单元的驱动器制动控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种不使用外接制动单元的驱动器制动控制方法，通过驱动器的转子磁场观测器确定电机转子磁场的大小和方向，以电动机转子磁场的大小和方向为依据，调整定子侧注入的d轴电流的大小和方向来控制定子磁场的大小和方向，实现对电机运行磁场的控制，使反电动势电压不超过电机的输入电压，防止电机进入发电状态。本方法通过更改电动机磁场的场强来控制机械能转化为电能的幅度，以及抑制电机的转速变化，实现了电机制动的全程可控实施策略；由于电机的能量始终处在可控的状态，因此电机的减速以及直流母线电压的泵升全程处于驱动器的控制中，更好地实现了电机以及驱动器相关部件的保护。

Description

一种不使用外接制动单元的驱动器制动控制方法
技术领域
本发明涉及电机制动控制技术领域，具体涉及一种不使用外接制动单元的驱动器制动控制方法。
背景技术
在变频调速系统中，交流同步电动机与交流异步电动机的转速是根据控制频率的变化而变化的。当电机需要降速时，驱动频率首先降低，电机开始制动降速，由于机械惯性的原因，在降速发生瞬间电机由电动状态进入发电状态。交流异步电动机的自由停车是在励磁电流完全消失的状态下发生的，此时系统不具备发电状态，除此以外，其他情况下电机的发电量取决于控制器的目标频率与电机转子的转速频率之间的差值，差值的大小以及差值的持续时间决能了发电量的大小，这一部分电能通过桥电路的续流二极管反馈到直流电路中。对于不具备四象限工作能力的普通交流-直流-交流（AC-DC-AC）的逆变电路，这部分电能最终堆积在直流母线上，通过滤波电容进行吸收。但是当驱动器固定后，电容的容量也就固定了，当能量总量超过电容器的吸收能力以及其他元器件的消耗之后，电容两端的电压就会因为电荷堆积出现泵升现象，直流母线电压持续升高，当母线电压超过元器件的耐压值后就会出现元器件受损的现象。
目前驱动器的制动控制方式有如下几种：
第一，外接制动单元或制动电阻。驱动器为了解决制动能量过大引起的母线电压泵升问题，通常采用制动电阻或者外接制动单元来消耗这部分能量的方法。这是一种被动的能量消耗方法，其原理是通过检测母线电压的情况，当电压超过设定的上限就将制动电阻串接到母线通过电阻来消耗的能量，电阻通过可控开关（可控硅或者继电器等）控制接入时间。这种方式受制动单元的容量制约，制动单元容量大，制动效果会好；另一方面，由于是通过电阻消耗的方式来实现的能量消耗方式，当直流母线积蓄能量过快、过大的时候，控制电阻接入直流母线的开关元器件需要承受大电流，电阻本身要承受极大的能量，选型不当可以造成相应部件的损伤以及安全事故等。
第二，再生制动。其基本原理是通过电机自身的能量损耗与机械能形成平衡，将能量消耗在电机绕组上或者在线路上串接额外的电阻，一方面保护点击绕组，另一方面协助电机绕组消耗机械能。这种方式的能量多数情况下是在不受控的状况下进行的，制动效果与电机以及工况有直接关系，如果操作不当可以引起系统报警，如电流过大引起的过流报警，或者烧毁电机。
第三，反接制动。这种方法多用于直流调速系统，通过输入反向电流，让电机绕组产生制动力来抵消原机械能产生的力矩。这种方式冲击过大，多用于特种电机场合。
以上这些方式都是在消耗积累过度的能量，如果能量密度过大，或者能量持续时间过长，轻则影响制动效果，重则伤及相关设备。另一方面，传统的交流电机控制模式采用内置/外接制动单元或者能量回馈单元来控制母线电压，当电机进入馈能状态时，控制系统仅仅关注直流母线电压的调节这一个点，这种方式存在如下问题：对于能量的控制方式单一，或者完全放弃能量回馈模式直流母线侧的控制权，造成控制系统只是被动接受现有状态，而不能根据驱动器状态适时调整驱动器，极大影响了驱动器的控制效果。
发明内容
本发明提出了一种不使用外接制动单元的驱动器制动控制方法，其目的是：实现电机制动的全程可控，使电机能量始终处于可控状态，进而更好地实现电机以及驱动器相关部件的保护。
本发明技术方案如下：
一种不使用外接制动单元的驱动器制动控制方法，通过驱动器的转子磁场观测器确定电机转子磁场的大小和方向，以电机转子磁场的大小和方向为依据,调节定子侧注入的d轴电流的大小和方向来控制定子磁场的大小和方向，实现对电机运行磁场的控制，防止电机进入发电状态。
优选地，电机转速超过额定转速时，对d轴电流施加反向电流产生与转子磁场相反的磁场来抵消转子磁场强度，进而降低反电动势电压，强制限定反电动势低于输入电压，防止电机进入发电状态。
优选地，电机转速低于额定转速时，转子磁场不变，提高d轴电流增加定子磁场的大小，从而增大电机总的磁场强度，防止电机进入发电状态。
进一步地，d轴电流的调节极限受电机过载电流限制，调节过程中确保电机的反电动势电压不超越电机的输入电压。
进一步地，所述驱动器包括控制模块、第一检测模块、第二检测模块和调节模块。所述第一检测模块用于监测母线电压，所述第二检测模块包括转子磁场观测器；所述转子磁场观测器包括位置检测装置、电压传感器、电流传感器和转速传感器；所述位置检测装置用于监测转子位置，所述电压传感器用于监测电机的输入电压，电流传感器用于监测电机的输入电流；所述转子位置、输入电压和输入电流用于确定所述转子磁场的方向；所述转速传感器用于监测电机的转速并获得转子磁场的大小；所述第二检测模块还用于获得当前系统的d轴和q轴电流。所述调节模块用于生成d轴和q轴调节电流以及计算反电动势。所述控制模块用于根据d轴电流调整后的电机运行磁场控制电机运转。
进一步地，本控制方法还包括设立目标母线电压参考值，当母线电压值超过所述参考值时系统根据转子磁场观测器监测状态进入制动控制调节模式。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
（1）通过驱动器的转子磁场观测器确定电机转子磁场的大小和方向，并以电动机转子磁场的大小和方向为依据调整定子侧注入的d轴电流的大小和方向来控制定子磁场的大小和方向，实现对电机运行磁场的控制，通过更改电动机磁场的场强来控制机械能转化为电能的幅度，以及抑制电机的转速变化，实现了电机制动的全程可控实施策略；由于电机的能量始终处在可控的状态，因此电机的减速以及直流母线电压的泵升全程处于驱动器的控制中，更好地实现了电机以及驱动器相关部件的保护；
（2）通过第一检测模块实时监测母线电压，设立目标母线电压参考值并以此为依据判断系统的调节时机，系统可以更好地协调能量消耗方式，进而实现全状态控制模式。
附图说明
图1为本发明的控制模型示意图；
图2为Id＜0时电机的空间电压矢量图；
图3为Id＝0时电机的空间电压矢量图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的技术方案：
如图1，一种不使用外接制动单元的驱动器制动控制方法，所述驱动器包括控制模块1、第一检测模块2、第二检测模块4和调节模块5。所述第一检测模块2用于监测母线电压，所述第二检测模块4包括转子磁场观测器,所述转子磁场观测器包括位置检测装置、电压传感器、电流传感器和转速传感器，所述位置检测装置用于监测转子位置，所述电压传感器用于监测电机3的输入电压，电流传感器用于监测电机3的输入电流，所述转子位置、输入电压和输入电流用于确定所述转子磁场的方向。所述转速传感器用于监测电机3的转速并获得转子磁场的大小，具体地，通过转速传感器确定电机3的制动转速差，异步电动机通过转差率来确定磁场的大小，同步电动机转子的磁场的大小通过转速来获得。所述第二检测模块4还用于获得当前系统的d轴和q轴电流。所述调节模块5用于生成d轴和q轴调节电流以及计算反电动势，所述控制模块1用于根据d轴电流调整后的电机运行磁场控制电机3运转。
所述控制方法包括：通过驱动器的转子磁场观测器确定电机转子磁场的大小和方向，以电动机转子磁场的大小和方向为依据，调整定子侧注入的d轴电流的大小和方向来控制定子磁场的大小和方向，实现对电机运行磁场的控制，使反电动势E跟随电机3的输入电压，防止电机3进入发电状态。
具体地，电机磁场控制方案如下：
首先，电机磁场与回馈能量的关系：通用交流控制系统一般控制三相交流同步电机与三相交流异步电机，两种电机中同步电机通过永磁体建立转子磁场，由于永磁体固定，磁场强度也是固定的。异步电动机的磁场是交变磁场感应产生的，其建立方式虽然与同步机不同，但是当电机开始运行后，其磁场也是固定的。因此，都遵循如下电气公式：
Us=Is×Zs+E （1）
其中：Us代表电机相电压，Is代表电机相电流，Zs代表电机每相的阻抗，E代表电机的反电动势。
E=4.44fNФ （2）
其中：f代表定子供电频率，N代表每相绕组匝数，Ф代表定子磁通。
电机的矢量方程式：
Us=RsIs+jωLdId+jωLqIq+E （3）
其中：Rs代表定子电阻，ω代表电机角速度，Ld代表d轴电感，jωLdId代表d轴电压，jωLqIq代表q轴电压。
由于以上方程式中需要控制母线电压的波动，而d轴电流产生的电压分量jωLdId直接影响电机磁场的场强，此时将公式（2）带入公式（3），就可以发现当电机3的控制频率发生变化时，如果合理调整d轴电流Id，系统的输入电压Us可以稳定在一个合理的范围内，这也可以通过电机3的空间电压矢量图反映出来，如图2及图3所示。当电机转速确定的情况下，电机3的反电动势E可以确定。此时，电机3的输入电压与d轴电流有直接关系，通过调节d轴电流就可以改变系统需要的输入电压的幅值。换言之，d轴磁场改变了整个电机的场强，因此电机3的运行状态被强制控制在特定的范围内。
通过调整定子磁通就可以适当调整电机3的运行状态，如：电动机状态还是发电机状态。具体地，结合电机转子磁场的方向与大小调节电机定子磁场方向与大小：定子磁场超前转子磁场，电机3处于电动状态；转子磁场超前定子磁场，电机3处于发电状态；当定子磁场与转子磁场反向时，由于两部分磁场极性相反，电机3的总磁场被削弱，进入弱磁控制范畴。
另外，电机定子三相电流经过park变换分解成d 和q轴电流，其中q电流决定电机3的输出转矩，d轴电流影响电机3的定子磁场，dq轴电流的合成值为电机3的相电流Is，伺服电机通常具有2-3倍的瞬时过载能力，决定其相电流也具有2-3倍的过载能力，因此dq轴电流的调节极限受电机过载电流限制。
由于传统驱动器不具备升压以及能量回馈能力，因此当电机转速超越电机额定转速时，电机3进入发电机状态，电机3的反电动势电压高于电机3的输入电压，驱动器系统母线电压出现电压泵升现象；另一方面当电机3具有一定的转速，而电机输入电压降低，并且低于电机反电动势电压时，电机3进入发电状态，驱动器系统母线电压出现电压泵升现象。本方法通过转子磁场观测器实时跟踪电机转子磁场的大小与方向，控制电机3的输入dq轴电流，最终达到控制定子磁场的大小与方向，只要合理控制电机3的反电动势E使其永远跟随电机3的输入电压，使电机3不进入发电状态就可以合理的控制系统的馈能现象的发生，合理控制系统母线电压的波动情况。
电机运行超过额定转速状态时的制动方案：当电机3的转速超过额定转速时，常规情况下电机3的反电动势电压超越电机3的输入电压，此时电机3运行在发电机状态，系统出现馈能现象，此时可以通过降低反电动势的场强来强制限定反电动势的电压低于输入电压，使系统能量通过磁场消耗。对于固定磁场的永磁电机来说，当电机定转子磁场反向时，电机3的转子磁场可以受到电机定子磁场的抵消，定子磁场的方向与大小受d轴电流的影响，通过对定子控制磁场的d轴电流施加反向电流，就可以产生与转子磁场相反的磁场来抵消转子磁场强度，进而降低反电动势E的电压。对于异步电机可以采用相同的方式达到相同的效果。
电机转速低于额定转速但是需要急速制动方案：当电机3的转速在额定转速以下时发生制动现象，此时电机磁密不饱和，即电机输入电流还未达到极限电流限制，通过提高d轴电流增加定子磁场的大小，此时电机定子磁场变大产生更强的吸引力，虽然转子磁场未变化，但是，电机3总的磁场强度因定子磁场增大而增大，磁场增大导致电磁力增大，电机输出转矩得到提升。这样一方面通过建立电机磁场消耗系统机械能的多余能量，另一方面提高了电机3的转矩系数，进一步提升电机3的制动力矩，为电机制动加力，同时消耗能量。
由于目前常规的PWM控制模式的基准值是母线电压，因此设立目标母线电压参考值，以此为依据判断系统的调节时机，系统可以更好地协调能量消耗方式，进而实现全状态控制模式。另一方面，系统的能量不仅仅是通过热能消耗掉，而是将能量注入到磁场中进行保存，系统的效率得到提升，电机3的发热得到抑制，系统控制效果得到明显改善。本套控制系统适用于绝大部分交流异步电机以及交流同步电机的制动控制方案。
目前常规技术方案中d轴电流是固定不变的，因此电机定子磁场的大小也是固定的。本方法通过设定转子磁场观测器，重点关注当电机出现急剧的能量变化的特殊情况，通常情况下此类现象发生时会引起系统电压与电流的急剧变化，控制系统会通过自身的调整来尽可能消除此现象，进而稳定系统。本方法在电压的调节速度达不到系统需要的状态并引起母线电压急剧泵升的工况下，通过改变d和q轴电流的大小来改变系统定转子磁场的大小与方向，进而直接影响系统的电压输出量来加速系统调节，有效提高了系统应对能量变化引起的母线电压失控的现象。

Claims (4)

1.一种不使用外接制动单元的驱动器制动控制方法，其特征在于，通过驱动器的转子磁场观测器确定电机转子磁场的大小和方向，以电机转子磁场的大小和方向为依据，调节定子侧注入的d轴电流的大小和方向来控制定子磁场的大小和方向，实现对电机运行磁场的控制，防止电机进入发电状态：
电机转速超过额定转速时，对d轴电流施加反向电流产生与转子磁场相反的磁场来抵消转子磁场强度，进而降低反电动势电压，强制限定反电动势低于输入电压，防止电机进入发电状态；
电机转速低于额定转速时，转子磁场不变，提高d轴电流增加定子磁场的大小，从而增大电机总的磁场强度，防止电机进入发电状态。
2.如权利要求1所述的不使用外接制动单元的驱动器制动控制方法，其特征在于：d轴电流的调节极限受电机过载电流限制，调节过程中确保电机（3）的反电动势电压不超越电机（3）的输入电压。
3.如权利要求1至2任一所述的不使用外接制动单元的驱动器制动控制方法，其特征在于：所述驱动器包括控制模块（1）、第一检测模块（2）、第二检测模块（4）和调节模块（5）；
所述第一检测模块（2）用于监测母线电压；
所述第二检测模块（4）包括转子磁场观测器；所述转子磁场观测器包括位置检测装置、电压传感器、电流传感器和转速传感器；所述位置检测装置用于监测转子位置，所述电压传感器用于监测电机（3）的输入电压，电流传感器用于监测电机（3）的输入电流；所述转子位置、输入电压和输入电流用于确定所述转子磁场的方向；所述转速传感器用于监测电机（3）的转速并获得转子磁场的大小；所述第二检测模块（4）还用于获得当前系统的d轴和q轴电流；
所述调节模块（5）用于生成d轴和q轴调节电流以及计算反电动势；
所述控制模块（1）用于根据d轴电流调整后的电机运行磁场控制电机（3）运转。
4.如权利要求3所述的不使用外接制动单元的驱动器制动控制方法，其特征在于：设立目标母线电压参考值，当母线电压值超过所述参考值时系统根据转子磁场观测器监测状态进入制动控制调节模式。
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