一种感应电机刹车控制方法

摘要

本发明涉及一种电机刹车控制方法，特别是一种感应电机刹车控制方法，应用于交流电源、变频器、感应电机和负载组成的系统，其中：所述控制方法包括以下步骤：(1)在感应电机刹车期间，确定电压幅值和电压角度；(2)基于确定的电压幅值和电压角度，控制变频器的输出电压，在保证变频器母线电压恒定或趋于恒定的前提下，实现自动跟踪感应电机的最大刹车力矩，保证了感应电机的刹车性能；同时采用相同算法同时满足了电源正常和电源失电情况下的感应电机刹车，大大简化了算法。

权利要求

1.一种感应电机刹车控制方法，应用于交流电源、变频器、感应电机和负载组成的系统，其特征在于：所述方法包括以下步骤：（1）在感应电机刹车期间，确定电压幅值和电压角度；所述的确定电压幅值的步骤为：

预先设置变频器母线电压设定值；在感应电机刹车期间，检测变频器母线电压实际值；基于变频器母线电压设定值与变频器母线电压实际值的差值，确定电压幅值；

（2）基于确定的电压幅值和电压角度，控制变频器的输出电压，在保证变频器母线电压恒定或趋于恒定的前提下，实现自动跟踪感应电机的最大刹车力矩，保证感应电机的刹车性能。

2.如权利要求1所述的一种感应电机刹车控制方法，其特征在于：所述的确定电压角度的步骤为：在感应电机刹车期间，检测感应电机转速；基于感应电机转速确定转差，结合感应电机转速得到定子磁场旋转速度；基于定子磁场旋转速度，确定电压角度。

3.如权利要求1所述的一种感应电机刹车控制方法，其特征在于：所述的确定电压幅值的步骤还包括：在感应电机刹车期间，检测感应电机转速，基于感应电机转速确定各转速点的输出电压幅值，以及结合所述的变频器母线电压设定值与变频器母线电压实际值的差值，最终确定电压幅值。

4.如权利要求1或2或3所述的一种感应电机刹车控制方法，其特征在于：所述的控制变频器的输出电压的步骤包括：以变频器母线电压恒定或趋于恒定为控制目标，当变频器母线电压实际值高于变频器母线电压设定值时，增大变频器的输出电压，感应电机产生的刹车力矩增大，从而降低变频器母线电压；当变频器母线电压实际值低于变频器母线电压设定值时，减小变频器的输出电压，感应电机产生的刹车力矩减小，从而增大变频器母线电压，以保证变频器母线电压恒定或趋于恒定。

5.如权利要求4所述的一种感应电机刹车控制方法，其特征在于：所述的控制变频器的输出电压的步骤包括：在感应电机刹车电流较小的低速区，按产生最大刹车力矩控制转差输出；在感应电机刹车电流较大的高速区，在不超过感应电机和变频器允许的最大电流的前提下，以产生最大刹车电流控制转差输出，实现自动跟踪感应电机的最大刹车力矩。

6.如权利要求1或3所述的一种感应电机刹车控制方法，其特征在于：所述的变频器母线电压设定值与变频器母线电压实际值的差值经比例调节器调节输出差值调节值，基于差值调节值确定电压幅值。

7.如权利要求1或3所述的一种感应电机刹车控制方法，其特征在于：所述的变频器母线电压设定值高于交流电源输入电压经整流滤波后的最高直流电压值。

8.如权利要求1所述的一种感应电机刹车控制方法，其特征在于：通过SVPWM模块、功率模块控制变频器的输出电压。

9.如权利要求2所述的一种感应电机刹车控制方法，其特征在于：采用转差表基于感应电机转速确定转差。

说明书

一种感应电机刹车控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种电机刹车控制方法，特别是一种感应电机刹车控制方法，应用于交流电源、变频器、感应电机和负载组成的系统。

背景技术

[0002] 所谓的感应电机，即指是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电机。除特殊情况外，感应电机转子旋转速度始终与定子磁场旋转速度不等，因此又叫异步电机。其应用系统主要由交流电源、变频器、感应电机和负载组成。常规的感应电机的刹车方法一股采用机械刹车，即附加机械装置抱死感应电机转子转轴或其从动部件实现刹车，结构复杂、成本高，且由于磨损打滑、损坏等原因容易导致刹车失效，无法保证感应电机的刹车性能，存在较大的安全隐患。考虑到以上所述机械刹车的缺点，已有直接采用由变频器控制的电子刹车方法实现感应电机刹车，即将感应电机机械能先转化为电能再转化为热能。常见的主要有直流制动刹车法，所谓感应电机直流制动法是指通过变频器的功率模块，如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)或IPM(Intelligent Power Module，智能功率模块)，给感应电机定子绕组提供直流电压(或电流)，该直流电压(或电流)使感应电机处于发电状态产生刹车力矩(又称制动力矩)，阻碍感应电机的旋转，从而实现感应电机刹车。该刹车方法容易导致变频器母线电压升高，因而需要在变频器母线上接入能量损耗电路，方可确保变频器母线电压处于安全电压范围内，控制复杂，成本高，而且该制动方法无法确保其产生的刹车力矩始终为最大刹车力矩，即无法自动跟踪感应电机的最大刹车力矩，刹车性能较差。

发明内容

[0003] 本发明要解决的技术问题是提供一种感应电机刹车控制方法，既实现对感应电机机械能转换为热能的过程进行控制，确保在其刹车过程中，变频器母线电压始终处于预先设定的安全范围内，变频器母线电压恒定或趋于恒定，同时在变频器母线电压恒定或趋于恒定的前提下，又实现了自动跟踪感应电机的最大刹车力矩，保证了感应电机的刹车性能。

[0004] 本发明要解决的另一技术问题是提供一种感应电机刹车控制方法，采用相同算法同时满足电源正常和电源失电情况下的感应电机刹车，大大简化了算法。

[0005] 本发明的技术方案为：

[0006] 一种感应电机刹车控制方法，应用于交流电源、变频器、感应电机和负载组成的系统，其中：所述方法包括以下步骤：

[0007] (1)在感应电机刹车期间，确定电压幅值和电压角度；

[0008] (2)基于确定的电压幅值和电压角度，控制变频器的输出电压，在保证变频器母线电压恒定或趋于恒定的前提下，实现自动跟踪感应电机的最大刹车力矩，保证感应电机的刹车性能。

[0009] 优选地，所述的确定电压幅值的步骤为：预先设置变频器母线电压设定值；在感应电机刹车期间，检测变频器母线电压实际值；基于变频器母线电压设定值与变频器母线电压实际值的差值，确定电压幅值。所述的变频器母线电压设定值不局限于具体数值，是结合变频器以及感应电机的实际情况而确定的、处于安全范围内的数值范围。

[0010] 优选地，所述的确定电压角度的步骤为：在感应电机刹车期间，检测感应电机转速；基于感应电机转速确定转差，结合感应电机转速得到定子磁场旋转速度；基于定子磁场旋转速度，确定电压角度。

[0011] 为了进一步提高确定电压幅值的精确度，避免变频器母线电压的剧烈波动，优选地，所述的确定电压幅值的步骤还包括：在感应电机刹车期间，检测感应电机转速，基于感应电机转速确定各转速点的输出电压幅值，以及结合所述的变频器母线电压设定值与变频器母线电压实际值的差值，最终确定电压幅值。本发明可通过电压频率表基于感应电机转速确定各转速点的输出电压幅值。

[0012] 优选地，所述的控制变频器的输出电压的步骤包括：以变频器母线电压恒定或趋于恒定为控制目标，当变频器母线电压实际值高于变频器母线电压设定值时，增大变频器的输出电压，感应电机产生的刹车力矩增大，从而降低变频器母线电压；当变频器母线电压实际值低于变频器母线电压设定值时，减小变频器的输出电压，感应电机产生的刹车力矩减小，从而增大变频器母线电压，以保证变频器母线电压恒定或趋于恒定。

[0013] 优选地，所述的控制变频器的输出电压的步骤包括：在感应电机刹车电流较小的低速区，按产生最大刹车力矩控制转差输出；在感应电机刹车电流较大的高速区，在不超过感应电机和变频器允许的最大电流的前提下，以产生最大刹车电流控制转差输出，实现自动跟踪感应电机的最大刹车力矩。

[0014] 优选地，所述的变频器母线电压设定值与变频器母线电压实际值的差值经比例调节器调节输出差值调节值，基于差值调节值确定电压幅值，即电压幅值为比例调节器对变频器母线电压设定值与变频器母线电压实际值的差值进行微调输出的差值调节值。当变频器母线电压实际值高于变频器母线电压设定值时，比例调节器对此差值进行调节以增大电压幅值，从而增大感应电机产生的刹车力矩以降低变频器母线电压；当变频器母线电压实际值低于变频器母线电压设定值时，比例调节器对此差值进行调节以增大电压幅值，从而减小感应电机产生的刹车力矩以增大变频器母线电压。

[0015] 优选地，所述的变频器母线电压设定值高于交流电源输入电压经整流滤波后的最高直流电压值，从而简单实现了采用相同算法对于电源失电与电源正常时的感应电机刹车，避免电源失电与电源正常时的感应电机刹车采用不同算法，简化了算法。

[0016] 优选地，通过SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)模块、功率模块控制变频器的输出电压，具体步骤为：通过SVPWM模块基于确定的电压幅值以及电压角度计算三相输出电压并输出PWM(Pulse-width modulation，脉冲宽度调制)信号，再通过功率模块将PWM信号转换成模拟电压输出给感应电机。功率模块一股选用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)或IPM(Intelligent Power Module，智能功率模块)，是变频器硬件的通用器件。

[0017] 优选地，采用转差表基于感应电机转速确定转差。本发明所述的转差是指感应电机定子磁场与转子旋转速度之间的差值。当然可以通过其他类型的表，如滑差表根据感应电机转速确定转差率S＝(n1-n)/nl，其中n1为电机定子磁场旋转速度，n为转子旋转速度，通过计算处理后确定转差。

[0018] 本发明所述的变频器的英文译名是VFD(Variable-frequency Drive)，通过改变感应电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力传动元件。变频器主要由整流滤波模块、驱动控制芯片及其外围电路模块、速度检测模块、功率模块构成。

[0019] 本发明所述的电压幅值是基于变频器母线电压设定值与变频器母线电压实际值的差值直接或经过调节处理后确定的。为了进一步提高确定电压幅值的精确度，避免变频器母线电压的剧烈波动，电压幅值还可以包括感应电机转速确定各转速点的输出电压幅值。

[0020] 本发明所述的电压角度是指感应电机的定子电压相位角。

[0021] 本发明所述的变频器母线电压是指变频器的内部整流滤波电路和功率模块之间的中间回路的电压。变频器的输出电压是指变频器的功率模块向感应电机的输出电压。

[0022] 本发明所述的低速区和高速区是对感应电机转子的转速(旋转速度)高低的划分，具体转速数值划分可以根据具体实际，如根据感应电机与变频器的允许的最大电流值以及感应电机的刹车性能需求来界定。

[0023] 本发明的工作原理和优点：1、本发明以变频器母线电压恒定或趋于恒定为控制目标，当变频器母线电压实际值高于变频器母线电压设定值时，增大变频器的输出电压，感应电机产生的刹车力矩增大，从而降低变频器母线电压；当变频器母线电压实际值低于变频器母线电压设定值时，减小变频器的输出电压，感应电机产生的刹车力矩减小，从而增大变频器母线电压，确保在刹车过程中，变频器母线电压始终处于预先设定的安全范围内，变频器母线电压恒定或趋于恒定，安全性高。

[0024] 2、在确保变频器母线电压恒定或趋于恒定的前提下，本发明通过实时控制转差输出，实现了在感应电机刹车期间，无论在低速区和高速区，确保感应电机的刹车电流均为感应电机和变频器允许的最大电流，产生最大刹车力矩，即实现了自动跟踪感应电机的最大刹车力矩，实现在最短时间内完成感应电机安全刹车，保证了感应电机的刹车性能。

[0025] 3、同时本发明通过采用变频器母线电压设定值高于交流电源输入电压经整流滤波后的最高直流电压值，消除了交流电源输入电压在感应电机刹车期间对变频器母线电压的影响，从而简单实现了电源正常和电源失电情况下的感应电机刹车算法的一致性，消除了现有技术中在电源正常和电源失电情况下感应电机刹车需采用不同算法的缺陷，大大简化了算法。

[0026] 4、本发明提供的感应电机刹车控制方法简单，易于实现，成本低，非常利于规模生产应用。

附图说明

[0027] 附图1是本发明的应用系统框图；

[0028] 附图2是本发明的变频器与交流电源、感应电机的连接框图；

[0029] 附图3是本发明实施例的刹车控制算法示意图；

具体实施方式

[0030] 如图1所示，本发明的应用系统由交流电源、变频器、感应电机和负载依次连接组成，如图2所示，变频器包括整流滤波模块、驱动控制芯片及其外围电路模块、速度检测模块、IGBT或IPM功率模块，交流电源经整流滤波模块变成直流电源接入功率模块，IGBT或IPM功率模块由驱动控制芯片及其外围电路控制，由驱动控制芯片及其外围电路模块输出PWM号，IGBT或IPM功率模块将PWM信号转换成电压输出给感应电机，为了实时检测感应电机转速，在感应电机与驱动控制芯片及其外围电路模块之间还设有速度检测模块，以便驱动控制芯片及其外围电路模块根据感应电机转速进行一系列的保护措施或实现特定的功能，如变频器母线电压恒定或趋于恒定保护功能或感应电机刹车功能。所述的驱动控制芯片及其外围电路模块中含有控制变频器电压输出的运行软件。

[0031] 如图3所示，一种感应电机刹车控制方法，应用于交流电源、变频器、感应电机和负载组成的系统，其中：所述方法包括以下步骤：

[0032] (1)在感应电机刹车期间，确定电压幅值和电压角度；

[0033] (2)基于确定的电压幅值和电压角度，控制变频器的输出电压，在保证变频器母线电压恒定或趋于恒定的前提下，实现自动跟踪感应电机的最大刹车力矩，保证感应电机的刹车性能。

[0034] 所述的确定电压幅值的步骤为：预先设置变频器母线电压设定值；在感应电机刹车期间，检测变频器母线电压实际值；基于变频器母线电压设定值与变频器母线电压实际值的差值，差值经KP比例调节器调节后输出差值调节值，同时在感应电机刹车期间，检测感应电机转速，采用V/F电压频率表基于感应电机转速确定各转速点的输出电压幅值，此输出电压幅值与所述的差值调节值相加，最终确定电压幅值。

[0035] 所述的确定电压角度的步骤为：在感应电机刹车期间，检测感应电机转速；通过转差表基于感应电机转速确定转差，该转差与电机转子旋转速度相加得到感应电机定子磁场旋转速度，然后根据公式换算得到感应电机定子电压角度，最终确定电压角度。

[0036] 所述的控制变频器的输出电压的步骤包括：以变频器母线电压恒定或趋于恒定为控制目标，由于变频器的输出电压与感应电机产生的刹车力矩成正比，当变频器母线电压实际值高于变频器母线电压设定值时，增大变频器的输出电压，感应电机产生的刹车力矩增大，从而降低变频器母线电压；当变频器母线电压实际值低于变频器母线电压设定值时，减小变频器的输出电压，感应电机产生的刹车力矩减小，从而增大变频器母线电压，以保证变频器母线电压恒定或趋于恒定；同时在保证变频器母线电压恒定或趋于恒定的前提下，由于感应电机刹车电流与感应电机产生的刹车力矩成正比，在感应电机刹车电流较小的低速区，如果按照此刹车电流进行刹车，感应电机产生的刹车力矩小，显然不能实现感应电机的刹车性能，因此按产生最大刹车力矩控制转差输出，即在不超过感应电机和变频器允许的最大电流的前提下，通过控制感应电机转差输出获得最大刹车电流，最终产生最大刹车力矩；在感应电机刹车电流较大的高速区，在不超过感应电机和变频器允许的最大电流的前提下，以产生最大刹车电流控制转差输出，从而实现了自动跟踪感应电机的最大刹车力矩。本发明在感应电机刹车期间，无论在低速区和高速区，实现了感应电机刹车电流均为感应电机和变频器允许的最大电流，产生最大刹车力矩，确保感应电机的刹车性能。

[0037] 所述的变频器母线电压设定值高于交流电源输入电压经整流滤波后的最高直流电压值，从而简单实现了电源正常和电源失电情况下的感应电机刹车算法的一致性，消除了现有技术中在电源正常和电源失电情况下感应电机刹车需采用不同算法的缺陷，大大简化了算法。

[0038] 通过SVPWM模块、功率模块控制变频器的输出电压，具体步骤为：通过SVPWM模块基于确定的电压幅值以及电压角度计算三相输出电压并输出PWM信号，再通过功率模块将PWM信号转换成模拟电压输出给感应电机。

[0039] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，如对电压频率表的型号或其等同替换、转差表的型号或其等同替换做出若干改进和润饰，同时本发明不仅局限应用于感应电机，还可以应用于其他类型电机，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。