一种电动机动态制动的控制系统及控制方法与流程

本发明属于电动机控制领域，涉及一种电动机动态制动的控制系统及控制方法，尤其涉及一种利用软件调控以达到更佳制动效率的电动机动态制动控制系统及控制方法。

背景技术：

动态制动（dynamicbrake）用于驱动在机床或工业机械的进给轴、工业用机器人等中使用的同步电动机的电动机驱动装置中，例如，为了保护同步电动机以及电动机驱动装置不受过电流或过负载等异常的影响，设置使电动机驱动装置报警停止的安装装置。此外，有时为了用户（操作者）出于某种原因使同步电动机紧急停止，在电动机驱动装置中设置紧急停止按钮。

如美国专利us8803458主要采取硬件方式，只是在硬件动态制动开关启动前，采取软件动态制动开启下臂电路，直到硬件动态制动启动才关闭软件动态制动，用以得到最短的制动距离与延长继电器寿命。如此，现有动态制动器需要额外的外加硬件配合，增加成本，也增加零件损耗所产生的后续维修问题。

技术实现要素：

本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种不需动态制动相关硬件配合即可达到更佳制动效率的电动机动态制动的控制系统。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种电动机动态制动的控制系统，它包括：

电动机；

全桥逆变器，所述全桥逆变器与所述电动机相连接，其内设有第一电路和第二电路；所述第一电路和所述第二电路相互独立地设置多组开关元件；

驱动器，所述驱动器与所述全桥逆变器和所述电动机相耦接，用于向所述全桥逆变器输出对所述开关元件进行脉冲宽度调制控制的开关指令，并接收所述电动机的电流反馈；

当所述驱动器接收到动态制动的信号后，所述驱动器控制所述全桥逆变器内所述第一电路的开关元件和所述第二电路的开关元件于每个脉冲宽度调制周期内在第一状态和第二状态之间进行切换，所述第一状态为第一电路的开关元件全部断开且第二电路的开关元件全部导通，所述第二状态为第一电路的开关元件全部断开且第二电路的开关元件全部断开；

所述驱动器获得所述电动机的电流值，当所述电流值小于或等于所述电动机的第一电流值时，增加所述第二电路的开关元件全部导通于每个脉冲宽度调制周期的时间占比；当所述电流值大于所述电动机的第二电流值时，减少所述第二电路的开关元件全部导通于每个脉冲宽度调制周期的时间占比，所述第二电流值大于所述第一电流值时。

优化地，当所述电动机的电流值处于所述第一电流值与所述第二电流值区间时，所述第二电路的开关元件全部导通于每个脉冲宽度调制周期的时间占比不变。

进一步地，所述第一电流值为所述电动机最大电流值的70~80%，所述第二电流值为所述电动机最大电流值的100%。

优化地，当输入所述全桥逆变器的直流电压大于设定的电压值时，减少所述第二电路的开关元件全部导通于每个脉冲宽度调制周期的时间占比。

优化地，所述第二电路的开关元件全部导通于每个脉冲宽度调制周期的时间占比最小值为0%、最大值为100%。

本发明的又一目的在于提供一种电动机动态制动的控制方法，它包括

驱动器接收到需动态制动电动机的信号后，用所述驱动器控制与其相连接的全桥逆变器，使所述全桥逆变器内第一电路的开关元件和第二电路的开关元件于每个脉冲宽度调制周期内在第一状态和第二状态之间进行切换，所述第一状态为第一电路的开关元件全部断开且第二电路的开关元件全部导通，所述第二状态为第一电路的开关元件全部断开且第二电路的开关元件全部断开；

使所述驱动器接收所述电动机的电流反馈以获得其电流值，当所述电流值小于或等于所述电动机的第一电流值时，增加所述第二电路的开关元件全部导通于每个脉冲宽度调制周期的时间占比；当所述电流值大于所述电动机的第二电流值时，减少所述第二电路的开关元件全部导通于每个脉冲宽度调制周期的时间占比；直至动态制动完成；所述第二电流值大于所述第一电流值时。

优化地，当所述电流值处于所述第一电流值与所述第二电流值区间时，所述第二电路的开关元件全部导通于每个脉冲宽度调制周期的时间占比不变。

进一步地，所述第一电流值为所述电动机最大电流值的70~80%，所述第二电流值为所述电动机最大电流值的100%。

优化地，所述第二电路的开关元件全部导通于每个脉冲宽度调制周期的时间占比最小值为0%、最大值为100%。

优化地，当输入所述全桥逆变器的直流电压大于设定的电压值时，减少所述第二电路的开关元件全部导通于每个脉冲宽度调制周期的时间占比。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明电动机动态制动的控制系统及控制方法，通过全桥逆变器的第一电路全关并动态控制其第二电路导通的时间占比，从而将电动机控制在最佳的制动状态，达到高速运转而遇到紧急状况时能快速制动；动态控制第二电路导通状态于每个脉冲宽度调制周期的时间占比，目的在于切换电流在电动机内阻消耗或回灌直流母线的时间占比；还可以通过监看电源与电流反馈进行第二电路导通状态于每个脉冲宽度调制周期的时间占比的调控，防止电流过高伤害全桥逆变器和电动机，并防止直流母线的电压超过容许范围；这样不需要额外的硬件配合，在不增加成本与零件损耗的情况下，可以减少后续维修的问题，达到更佳的制动效率。

附图说明

图1为本发明电动机动态制动的控制系统的电路示意图；

图2为本发明电动机动态制动的控制系统电路的第一状态图；

图3为本发明电动机动态制动的控制系统的第二状态图；

图4为本发明电动机动态制动的控制方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合对本发明优选实施方案进行详细说明：

如图1所示的电动机动态制动的控制系统，用于将直流电转换为交流电并将该交流电作为驱动电力驱动电动机，它主要包括全桥逆变器100、电动机200和驱动器300。

其中，全桥逆变器100与电动机200相连接，其内设有相配合的第一电路110和第二电路120，第一电路110和第二电路120分别设置多组开关元件（开关元件标示为q1、q2、q3、q4、q5和q6；每个开关元件包含并联连接的晶体管和二极管），这样通过对各开关元件q1~q6进行接通、断开控制，以将经直流母线（dcbus）400输送的直流电（vdc）转换为交流电。在正常使用状态下，全桥逆变器100的多组开关元件q1~q6形成逆变元件，且电动机200的电源输入端u、v和w分别连接在相应的一对开关元件（q1与q4、q2与q5、q3与q6）之间，从而可以向电动机200输入来自全桥逆变器100的三相电压。此外，全桥逆变器100左侧（即直流输入侧）的直流母线400还与转换器（图中未显示）相连接，以用于将交流电（从工业用的交流电源输入）转化为直流电，经直流母线400输入全桥逆变器100。

驱动器300通过第一信号线310连接全桥逆变器100，并通过第二信号线320连接电动机200以用于接收其电流反馈。为了将输入的直流电转化为用于驱动电动机200所需频率的交流电，驱动器300对全桥逆变器100输出用于对开关元件q1~q6进行脉冲宽度调制（pwm）控制的pwm开关指令。当电动机200的控制系统未收到紧急停止信号时（即无需执行动态制动），驱动器300为了将输入的直流电转换为用于驱动电动机200的交流电，将用于对开关元件q1~q6进行接通、断开控制的开关指令输出到全桥逆变器100。在这期间，不输入紧急停止信号，全桥逆变器100的第一电路110以及第二电路120的开关元件q1~q6按照pwm开关指令，进行pwm开关动作，全桥逆变器100将输入的直流电转换为用于驱动电动机200的交流电。

在本实施例中，电动机动态制动的控制系统具有如图2和图3所示的两种状态。当驱动器300收到紧急停止信号301（或者报警通知信号）后，驱动器300控制全桥逆变器100内开关元件q1~q6于每个脉冲宽度调制周期在第一状态和第二状态之间进行切换：第一状态为使全桥逆变器100内第一电路110的开关元件q1、q2和q3全部断开，且第二电路120的开关元件q4、q5和q6全部导通（如图2所示）；第二状态为使第一电路110的开关元件q1、q2和q3全部断开，且第二电路120的开关元件q4、q5和q6全部断开（如图3所示）。当处于第一状态时，第一电路110的开关元件q1、q2和q3全部断开，第二电路120的开关元件q4、q5和q6全部导通，电动机200三相短路，电流将在电动机200三相中互相流通，并通过内阻消耗能量。第一状态的时间占比即为第二电路120的开关元件q4、q5和q6全部导通时在每个脉冲宽度调制周期的时间占比。当处于第二状态时，第一电路110的开关元件q1、q2和q3全部断开，第二电路120的开关元件q4、q5和q6也全部断开。从第一状态切换至第二状态时，电动机200中的电流得以流入直流母线400中。第二状态的时间占比即为100%减去第一状态的时间占比。

当第二电路120的开关元件q4、q5和q6全部导通时，电动机200内电流因反电动势而上升，需适时切换为第二状态，使电动机200内的电流得以流入直流母线400中，防止电动机200与全桥逆变器100内的电流过高，也可加速消耗电动机200的能量。但是，制动过程中反电动势随电动机200转速降低，若第二电路120的开关元件q4、q5和q6全部导通的时间占比固定（即第一状态的时间占比固定），制动电流会渐低，制动力道渐弱，使得制动距离过大；若第一状态的时间占比能在制动过程中持续增加，则能使电流维持在较高水平，增加制动效率并缩短制动距离。随电动机200转速降低增加第一状态的时间占比可提高制动效率，但该过程中电流可能持续升高至安全范围外，有造成电动机200或全桥逆变器100内烧毁的风险。即除控制第二电路120导通的时间占比以提高制动效率外，需要使驱动器300或电动机200的电流处于安全范围内。

上述电动机动态制动的控制系统对应的控制方法，如图4所示，具体包括以下步骤：

步骤s501，设定第二电路120导通的时间占比。当驱动器300接收到需要动态制动电动机200的紧急停止信号301（或者报警通知信号）后，设定第二电路120的开关元件q4、q5和q6全部导通的起始导通状态在每个脉冲宽度调制周期的时间占比。优选，该第二电路120的开关元件q4、q5和q6全部导通的起始导通状态时间占比为100%减去电动机200反电动势输入全桥逆变器100的直流电压百分比，这样可以针对不同的电动机200，均可减少其制动时间和制动距离。

步骤s502，判断电流是否小于或等于最大电流的80%；步骤s503，增加时间占比不超过100%；步骤s504，判断电流是否大于最大电流的100%。具体，驱动器300检测到电动机200的电流值（实时），当电流值小于或等于电动机200的第一电流值（第一电流值为电动机200最大电流的70%~80%，本实施例中以最大电流的80%为例），则进行步骤s503：增加时间占比不超过100%（第二电路120的开关元件q4、q5和q6全部导通的状态在每个脉冲宽度调制周期的时间占比最大值为100%），增加第二电路120的开关元件q4、q5和q6全部导通的状态在每个脉冲宽度调制周期的时间占，加强制动力道；当电流值大于电动机200的第一电流值时，则进行步骤s504。在本实施例中，电动机200与驱动器300各自所能承受的最大电流可以相同或相异，具体为：第一、当电动机200与驱动器300各自所能承受的最大电流相同时，第一电流值可设定为最大电流的80%；第二、当电动机200所能承受的最大电流大于驱动器300所能承受的最大电流时，第一电流值可设定为驱动器300最大电流的80%；第三、当电动机200所能承受的最大电流小于驱动器300所能承受的最大电流时，第一电流值可设定为电动机200最大电流的80%。电动机200种类的不同，第一电流值的设定范围也会有所差异，在另一实施例中，第一电流值可设定为电动机200最大电流的70%。需要说明的是，第一电流值具有一定的设定范围，设定太低（如电动机200最大电流的50%）会让制动效率变差；设定太高（如电动机200最大电流的95%）会造成电流快速上升至超过电动机200或于驱动器300所能承受的最大电流而受损。

步骤s504中，当检测到的电流值大于电动机200的第二电流值时（本实施例中，第二电流值为最大电流的100%，其大于第一电流值），则进行步骤s505：降低时间占比不小于0%（第二电路120的开关元件q4、q5和q6全部导通的状态在每个脉冲宽度调制周期的时间占比最小值为0%），减少第二电路120的开关元件q4、q5和q6全部导通状态在每个脉冲宽度调制周期的时间占比，放置电动机200或驱动器300过电流。同样的，在本实施例中，电动机200和驱动器300各自所能承受的最大电流可以相同或相异，具体为：第一、当电动机200与驱动器300各自所能承受的最大电流相同时，第二电流值可设定为最大电流的100%；第二、当电动机200所能承受的最大电流大于驱动器300所能承受的最大电流时，第二电流值可设定为驱动器300最大电流的100%；第三、当电动机200所能承受的最大电流小于驱动器300所能承受的最大电流时，第二电流值可设定为电动机200最大电流的100%。步骤s504中，当电流值小于或等于电动机200的第二电流值时，则进行步骤s506；且步骤s503和步骤s505调整好第一状态的时间占比后，也进入步骤s506。如果第一状态的时间占比为0%~100%，则维持当下第一状态的时间，进行步骤s506：时间占比输出控制，驱动器300将控制全桥逆变器100内的开关元件q1~q6进行第一状态和第二状态两种状态在每个脉冲宽度调制周期内循环切换，进行电动机200的动态制动。步骤s506进入步骤s507：判断制动是否完成（例如与电动机200的目标转速比较），如果已完成，则完成电动机200的动态制动控制过程；如果未完成，则再回到步骤s502进行循环动作。

上述时间占比的调控过程中，电流值小于或等于最大电流的80%，则持续增加第二电路120的开关元件q4、q5和q6全部导通在每个脉冲宽度调制周期的时间占比。如果电流值大于最大电流的80%并介于80~100%，则不调整第二电路120的开关元件q4、q5和q6全部导通在每个脉冲宽度调制周期的时间占比。随着电动机200的不断减速，反电动势降低，电流值会再次低于最大电流的80%，此时增加第一状态的时间占比，使其回到最大电流的80~100%区间。当第一状态的时间占比达100%而无法提升，随电动机200减速，反电动势降低，回流的电流也逐渐降低，最后电动机200制动完成。因此，在上述控制时间占比的步骤下，制动时的电流最多处在最大电流的80~100%区间，因此无过电流的风险。尽管电流值小于或等于最大电流的80%，但当直线母线400的电压大于设定的电压值（即驱动器300的保护电压）时，可以将该电压值设定为驱动器300最大可容许电压的90%，此时依然须降低第二电路120的开关原件q4、q5和q6全部导通在每个脉冲宽度调制周期的时间占比，减少电流反馈；待直线母线400内的电压恢复到安全范围后，才恢复到前述的电流控制机制。驱动器300的保护电压不可设定过高（如驱动器300最大可容许电压的100%），若设定过高容易造成过冲使得驱动器300损坏：例如，驱动器300最大可容许电压为400v，小瓦数驱动器搭配大瓦数电机和高惯量电机，在3000rpm下进行动态制动使电压回灌，在无电压保护下，电压最大抬升至409v，有安全风险；加入这电压保护后，最大电压仅抬升至360v，效果显著且无安全风险。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。