刹车电压控制系统及方法与流程

1.本发明涉及电机技术领域，特别是涉及一种刹车电压控制系统及方法。


背景技术：

2.目前bldc(无刷直流电机(brushless direct current motor,bldcm))的制动分为2种，一种是利用外部刹车电阻卸放能量(见图1a)，一种是利用电机绕组自身协防能量(见图1b)，两种方法都是为了防止母线电压过高，前者在结构上比较复杂，但对电机损伤小。后者结构简单，但对电机损伤大。
3.因此，希望能够解决如何不对电机造成损伤的情况下，进行刹车的问题。


技术实现要素：

4.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种刹车电压控制系统及方法，用于解决现有技术中如何不对电机造成损伤的情况下，进行刹车的问题。
5.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种刹车电压控制系统，所述系统包括：电机绕组，电机，母线电压反馈电路，调节器，比较器；所述比较器与所述调节器连接，所述比较器用于接收刹车信号，基于所述刹车信号向所述调节器发送刹车信号；所述调节器与所述电机绕组连接，所述调节器用于基于所述刹车信号向所述电机绕组发送初始pmw占空比；所述电机绕组与所述电机连接，所述电机绕组用于基于所述初始pmw占空比调节电机电压；所述母线电压反馈电路与所述比较器和电机绕组连接，所述母线电压反馈电路用于基于预设频率采集所述电机绕组的电压，并转发至所述比较器；所述比较器与所述调节器连接，所述比较器用于基于预设安全电压阈值范围判断所述电机绕组的电压是否在预设安全电压阈值范围，当不在预设安全电压阈值范围时，所述调节器用于调节pmw占空比，并发送调节后的pmw占空比至电机绕组直至电机停止工作。
6.于本发明的一实施例中，所述电机绕组为三相电压源逆变电路。
7.于本发明的一实施例中，所述预设频率的范围为每间隔1us至100us。
8.于本发明的一实施例中，所述电机为三相无刷直流电动机。
9.于本发明的一实施例中，所述调节器用于调节pmw占空比包括：判断电机绕组的电压与预设安全电压阈值范围的关系，当电机绕组的电压大于最大预设安全电压时，调节pmw占空比为100％，当电机绕组的电压低于最小预设安全电压时，将pmw占空比调节为最小预设安全电压对应的百分比。
10.为实现上述目的，本发明还提供一种刹车电压控制方法，包括以下步骤：比较器用于接收刹车信号，所述比较器基于所述刹车信号向所述调节器发送刹车信号；所述调节器用于基于所述刹车信号向所述电机绕组发送初始pmw占空比；所述电机绕组用于基于所述初始pmw占空比调节电机电压；所述母线电压反馈电路用于基于预设频率采集所述电机绕组的电压，并转发至所述比较器；所述比较器用于基于预设安全电压阈值范围判断所述电机绕组的电压是否在预设安全电压阈值范围，当不在预设安全电压阈值范围时，所述调节
器用于调节pmw占空比，并发送调节后的pmw占空比至电机绕组直至电机停止工作。
11.于本发明的一实施例中，所述电机绕组为三相电压源逆变电路。
12.于本发明的一实施例中，所述预设频率的范围为每间隔1us至100us。
13.于本发明的一实施例中，所述电机为三相无刷直流电动机。
14.于本发明的一实施例中，所述调节器用于调节pmw占空比包括：判断电机绕组的电压与预设安全电压阈值范围的关系，当电机绕组的电压大于最大预设安全电压时，调节pmw占空比为100％，当电机绕组的电压低于最小预设安全电压时，将pmw占空比调节为最小预设安全电压对应的百分比。
15.如上所述，本发明的一种刹车电压控制系统及方法，具有以下有益效果：用于在刹车状态的极短时间内，通过对电机绕组电压的高频采样，实现对电机绕组电压的精准控制，满足制动要求和最少结构的刹车装置。
附图说明
16.图1a显示为本发明的刹车电压控制系统的现有技术结构示意图；
17.图1b显示为本发明的刹车电压控制系统于一实施例中的结构示意图；
18.图1c显示为本发明的刹车电压控制系统于又一实施例中的结构示意图；
19.图1d显示为本发明的刹车电压控制系统于一实施例中的电压示意图；
20.图2显示为本发明的刹车电压控制方法于一实施例中的流程示意图。
21.元件标号说明
22.11比较器
23.12调节器
24.13电机绕组
25.14电机
26.15母线电压反馈电路
具体实施方式
27.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
28.需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，故图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
29.本发明的刹车电压控制系统及方法，通过对电机绕组电压的精准控制，最大限度降低对电机的损伤，在中小功率电机的使用上具备较大优势。
30.如图1c所示，于一实施例中，本发明的刹车电压控制系统，包括：电机绕组13，电机14，母线电压反馈电路15，调节器12，比较器11。
31.所述比较器11与所述调节器12连接，所述比较器用于接收刹车信号，基于所述刹车信号向所述调节器发送刹车信号。所述比较器：用于求输入量与反馈量的比较偏差，常采用集成运算放大器(简称集成运放)来实现。在本技术中输入量为刹车信号，反馈量为电机绕组的电压。所述刹车信号为刹车ref，为刹车给定力度百分比，范围为0％到100％。
32.所述调节器12与所述电机绕组13连接，所述调节器用于基于所述刹车信号向所述电机绕组发送初始pmw占空比。所述初始pmw占空比为预设的pmw占空比，在收到刹车信号时，就会通过调节器向所述电机绕组发送。所述如图1b所示，所述电机绕组为三相电压源逆变电路。所述三相电压源逆变电路由六个mos管体二极管组成，每两个mos管体二极管串联后，三组串联的两个mos管体二极管并联而成。例如，第一mos管体二极管sw1和第二mos管体二极管sw2串联组成第一并联mos管体二极管，第三mos管体二极管sw3和第四mos管体二极管sw4串联组成第二并联mos管体二极管，第五mos管体二极管sw5和第六mos管体二极管sw6串联组成第三并联mos管体二极管。所述第一并联mos管体二极管、第二并联mos管体二极管和第三并联mos管体二极管并联。所述调节器为mcu。
33.所述电机绕组13与所述电机14连接，所述电机绕组用于基于所述初始pmw占空比调节电机电压。预设初始pmw占空比与电机电压的对应关系，从而基于所述初始pmw占空比调节电机电压。且pmw占空比与电机电压的对应关系也是预设的。不同的pmw占空比对应不同的电机电压。
34.所述母线电压反馈电路15与所述比较器11和电机绕组13连接，所述母线电压反馈电路用于基于预设频率采集所述电机绕组的电压，并转发至所述比较器。所述预设频率的范围为每间隔1us至100us。即例如，每间隔100us所述母线电压反馈电路采集所述电机绕组的电压，并转发至所述比较器。或者每间隔1us所述母线电压反馈电路采集所述电机绕组的电压，并转发至所述比较器。或者每间隔5us所述母线电压反馈电路采集所述电机绕组的电压，并转发至所述比较器。所述母线电压反馈电路用于采集图1b中dc+与dc—之间的电压。如图1a所示的利用外部刹车电阻卸放能量，在结构上比较复杂，但对电机损伤小，用外部卸放电阻方式下的母线电压不超过电容和功率管的耐压值。但是，本技术，如图1b所示，所述电机绕组没有外部卸放电阻，节省元器件的同时，在刹车状态的极短时间内，通过对电机绕组电压的高频采样，实现对电机绕组电压的精准控制，同时满足了制动要求和最少结构的刹车装置，且避免了因为没有外部卸放电阻造成的对电机损伤。
35.所述母线电压反馈电路为用于采集电机绕组的电压，并反馈所述电压至比较器的电路。
36.所述比较器11与所述调节器12连接，所述比较器用于基于预设安全电压阈值范围判断所述电机绕组的电压是否在预设安全电压阈值范围，当不在预设安全电压阈值范围时，所述调节器用于调节pmw占空比，并发送调节后的pmw占空比至电机绕组直至电机停止工作。所述调节器用于调节pmw占空比包括：判断电机绕组的电压与预设安全电压阈值范围的关系，当电机绕组的电压大于最大预设安全电压时，调节pmw占空比为100％，当电机绕组的电压低于最小预设安全电压时，将pmw占空比调节为最小预设安全电压对应的百分比。所述预设安全电压阈值范围为最大预设安全电压至最小预设安全电压。所述最小预设安全电压为刹车电压。判断电机绕组的电压与预设安全电压阈值范围的关系，当电机绕组的电压大于最大预设安全电压时，调节pmw占空比为100％，当电机绕组的电压低于刹车电压时，将
pmw占空比调节为刹车给定力度百分比对应的百分比。所述预设安全电压阈值范围为最大预设安全电压至刹车电压。所述刹车电压由刹车信号决定，所述刹车信号包括刹车ref，为刹车给定力度百分比，范围为0％到100％。将刹车给定力度百分比与额定母线电压相乘得到刹车电压。所述额定母线电压为电机绕组的额定工作电压。最大预设安全电压为预设倍数的额定母线电压。例如，如图1d所示，电压1为最大预设安全电压，所述最大预设安全电压的设定是基于额定母线电压而设定的的，例如可以设定电压1为1.5倍的额定母线电压作为最大预设安全电压。而此时刹车电压为额定母线电压乘以刹车给定力度百分比。例如刹车给定力度百分比为50％，即预设安全电压阈值范围为1.5倍额定母线电压至0.5倍额定母线电压。而pmw占空比就从100％至50％对应1.5倍额定母线电压至0.5倍额定母线电压。即电机绕组的电压超过最大预设安全电压时，将pmw占空比调节为100％，当电机绕组的电压低于刹车电压时，将pmw占空比调节为刹车给定力度百分比对应的百分比即50％。由此形成反馈电压处在最大预设安全电压和刹车ref对应的电压范围内，形成波浪状。由于调节器的周期为pwm重载周期，一般为40-80us,时间极短，依靠mcu快速采样和处理的性能，电压得以在上下限之间波动。不同的设定电压和刹车ref会形成不同的波浪形曲线，也可以设定最大预设安全电压为1.2倍额定母线电压，也就是图1d中的电压2。
37.其中电机的承受能力指的是电机承载最大电流的能力，一般来说是电机额定电流的4-7倍，堵转电流可以承受接近10倍(时间小于3秒)。因此算法中会对该电流做最大电流的限制。额定母线电压和功率管耐压值指的是，通常dc+和dc-的电压值有2个地方需要保护，一是功率管，二是dc to dc电路。两者的最大承受范围一般设计成额定母线电压的1.5到2倍，比如额定母线电压为24v，那么功率管的耐压为36～48v。制动时的母线电压在不受控的情况下会超过2倍的额定母线电压，这样一来就会对功率管和dc to dc电路造成损坏。此时调节器的作用就发挥出来了，经过软件调节器的计算，制动时的母线电压可以控制到额定母线电压的1.5到2倍的任一数值，由此一来，带来2个好处：1)功率管的选型可以在1.5倍附近选取，从而降低功率管的成本。2)dc to dc电路的选型也可以降低到1.5倍附近选取，进一步降低系统成本。一般来讲，刹车的时间单位是秒级的，而mcu的采样时间基准是10us级别，利用这个采样完全可以实现在刹车时间内的电压采样识别，此时调整电机绕组中的pwm占空比，在满足最大母线电压的同时，实现电机绕组大能量的短时卸放，最大程度保护电机。传统的做法一般是固定的pmw占空比，刹车力度恒定，不考虑电机的承受能力、电机绕组电压是否过高和功率管耐压值。本发明的pmw占空比是基于制动电压算法调节器输出的，平衡电机的承受能力、电机绕组电压和功率管耐压值。当所述电机绕组的电压不在预设安全电压阈值范围时，会导致因为刹车对电机造成损伤，因此，需要对电机绕组电压的高频采样，来判断所述电机绕组的电压是否在预设安全电压阈值范围。当不在预设安全电压阈值范围时，所述调节器用于调节pmw占空比，基于pmw占空比的调节实现了对于电机转速的控制，随着电机转速的下降，再增大pmw占空比，直至缓慢刹车。pwm(pulse width modulation)控制——脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。pwm控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是pwm型，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。脉宽调制(pwm)基本原理：控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产
生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。
38.具体地，所述电机为三相无刷直流电动机。
39.如图2所示，于一实施例中，本发明的刹车电压控制方法，包括以下步骤：
40.步骤s21、比较器用于接收刹车信号，所述比较器基于所述刹车信号向所述调节器发送刹车信号。
41.步骤s22、所述调节器用于基于所述刹车信号向所述电机绕组发送初始pmw占空比。
42.步骤s23、所述电机绕组用于基于所述初始pmw占空比调节电机电压。
43.步骤s24、所述母线电压反馈电路用于基于预设频率采集所述电机绕组的电压，并转发至所述比较器。
44.步骤s25、所述比较器用于基于预设安全电压阈值范围判断所述电机绕组的电压是否在预设安全电压阈值范围，当不在预设安全电压阈值范围时，所述调节器用于调节pmw占空比，并发送调节后的pmw占空比至电机绕组直至电机停止工作。
45.具体地，所述电机绕组为三相电压源逆变电路。
46.具体地，所述预设频率的范围为每间隔1us至100us。
47.具体地，所述电机为三相无刷直流电动机。
48.需要说明的是，上述方法的原理与上述刹车电压控制系统中的结构一一对应，故在此不再赘述。
49.综上所述，本发明刹车电压控制系统及方法，用于在刹车状态的极短时间内，通过对电机绕组电压的高频采样，实现对电机绕组电压的精准控制，满足制动要求和最少结构的刹车装置。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
50.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。