一种智能电压跟随制动装置及其控制方法与流程

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种智能电压跟随制动装置及其控制方法。

背景技术：

现代电力电子技术获得了长足的发展，逆变器、伺服驱动器等在电机拖动系统中获得了广泛的应用，并且均配有制动系统。电机驱动系统的供电一般分类两类，一类是恒定电压供电，这类系统的特点是供电电压恒定，电压波动不大；另一类是电池供电的电机驱动系统，这类系统的特点是供电的电压会由于电池能量的损耗逐渐降低，只有当电池的电压下降到一定程度时，驱动器才停止工作，而电机驱动器和电机可以在这个宽电压范围内正常工作。在这两类系统中，电机均在电动机状态和发电机状态两种工作状态下切换，当拖动系统处于驱动状态时，电机工作在电动机状态，电能由电源流向电动机，当拖动系统处于制动状态时，电机工作在发电机状态，此时电能由电机流向驱动器，形成的回馈电流会通过驱动器开关管的吸收回路流向直流母线，对母线的支撑电容在短时间内快速充电，电容的电荷快速增多，造成直流母线电压快速上升，如果不及时将过剩的电能释放掉，极有可能威胁电机控制器的安全，甚至烧毁电机控制器。

目前放电电压阈值恒定的耗能制动技术较为成熟，但这种技术有明显的局限性，主要是放电电压阈值不能根据母线电压灵活调整，通用性较差。尤其是当把这种技术应用于变电压供电系统时，由于保护电压阈值恒定，只能按最高电压来确定，当母线电压下降较多时，这种耗能制动装置就不能够及时反应母线电压的快速上升，不能及时将母线电压控制在其当前水平，会造成母线电压的快速上升，当上升到母线电压原有的最大值时，才启动放电保护，耗掉过剩的电能，这会造成母线电压在短时间内大范围变化或来不及保护，极有可能威胁系统的安全，造成系统工作的不稳定。此外，即使应用于母线电压固定系统，由于电压值的多样性，导致驱动产品的多样性，同样会使得该技术显得不够灵活。因此需要研制一种智能电压跟随制动装置来解决该问题，能够自动适应母线电压的变化，实现放电电压阈值的在线自动整定。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服上述不足提供一种智能电压跟随制动装置及其控制方法。

本发明公开一种智能电压跟随制动装置，包括:

隔离滤波模块，用于将电源系统中的干扰滤除，减少通过电源传导的强干扰对装置的影响；

母线电压采样模块，用于实时监测母线电压变化，为确定放电电压阈值提供依据；

母线电流采样模块，用于检测母线电流的方向，确定电机拖动系统当前处于电动状态还是发电状态，为母线电压当前值的确定提供判据，当电流正向流动时，说明系统处于电动状态，此时采集的母线电压可以作为母线电压的当前值，当电流负向流动时，说明系统处于发电状态，此时的电压值不能作为母线电压的当前值；

温度采样模块，用于实时监控制动主回路模块是否过热；

信号采集调理模块，用于将采集到的信号进行转换与调理，提高采集的精度；

过压保护模块,用于在系统出现过压状态时，执行保护功能；

过流保护模块,用于在系统出现过流状态时，执行保护功能；

过温保护模块，用于在系统出现过温状态时，执行保护功能；

通信模块，用于与系统其它模块通信读取母线电压，为系统提供装置当前的状态信息；

驱动模块，用于驱动制动主回路模块；

看门狗模块，用于防止程序跑飞；

中央处理器模块，用于负责整个系统的功能实现，包括采样、通信以及故障逻辑判断；

制动主回路模块，通过耗能电阻实现制动过程中多余电能的消耗。

所述的智能电压跟随制动装置的控制方法包括以下步骤：

步骤1：系统上电后，看门狗模块停止工作，进行系统初始化；

步骤2：完成必要的系统配置后开看门狗，开始与驱动器进行通信，读取所需的信息，并采集电流、电压以及温度物理量；

步骤3：判断系统是否出现故障，并置相关标志位；

步骤4：判断所采集的母线电压是否有效，在有效的情况下确定母线电压当前值，并根据母线电压当前值计算放电电压阈值，从而实现对母线电压进行实时控制，防止母线过电压。

所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤31：首先判断系统是否出现过流现象，如果系统出现过流现象，则进行过流故障处理；如果系统没有出现过流现象，则转下一步；

步骤32：其次判断系统是否出现过热现象，如果系统出现过热现象，则进行过热故障处理；如果系统没有出现过热现象，则转下一步；

步骤33：最后判断系统是否出现过压或欠压现象，如果系统出现过压或欠压现象，则进行过压或欠压故障处理；如果系统没有出现过压或欠压现象，则转步骤4。

所述步骤中获取母线电压的具体步骤为：

步骤41：母线电流的流向决定母线电压采样值是否有效，当电流为正时，说明处于电动机状态，采样值有效，当电流为负时，说明处于发电机状态，采样值无效；如果电流无法判断正负，母线电压采样值彻底失效；

步骤42：在电流采样值为正的情况下，连续采集n个母线电压值，并由小到大排列为v1，v2，v3，…，vn，则母线电压的样本均值及样本标准偏差分别为：

利用grubbs准则对采集的母线电压样本进行离群值的检测与剔除，方法如下：

步骤421；计算统计量：

步骤422；确定检出水平α，在“grubbs检验法临界值表”中查出对应的n，α的临界值g1-α(n)；

步骤423；判定是否具有离群值，当gn＞g′n且gn＞g1-α(n)，判定vn为离群值；当g′n＞gn且g′n＞g1-α(n)，则判定v1为离群值；否则判为没有离群值；

步骤424；剔除离群值后，根据剩下的母线电压采样值重新计算母线电压的均值，作为母线电压的当前值

步骤43：通过通信方式读取的驱动器检测的母线电压值，采用以上方式进行离群值的检测与剔除，得到母线电压当前值

步骤44：如果和的值相近，说明系统正常，和的值相加后取平均数作为当前母线电压值

步骤45：如果和的值相差较大，说明系统已经出现故障，此时也应该并尽量给出当前母线电压值，保证较低的虚警率；如果前后5次的值相差较大，说明可能出现问题，此时如果最近5次的值相差不大，此时应采用最近几次值的平均值作为当前母线电压；如果前后5次的值相差较大，说明可能出现问题，此时如果最近5次的值相差不大，应采用最近几次的值的平均值作为当前母线电压；

步骤46：如果和的值相差较大，且两者本身前后几次值相差也较大，说明系统出现严重故障；或者和的值相差较大，虽然两者本身前后5次值相差不大，也说明系统出现严重故障，此时均应发出报警信号并停机。

以上通过的值确定了当前母线的电压值则放电电压阈值的计算公式为：

本发明能够自动适应母线电压的变化，实现放电电压阈值的在线自动整定。

附图说明

图1是本发明智能电压跟随制动装置图结构示意图。

图2是电压跟随耗能制动控制流程图。

图3是母线电压获取流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步的说明：

图1所示,本发明一种智能电压跟随制动装置，包括:

隔离滤波模块，用于将电源系统中的干扰滤除，减少通过电源传导的强干扰对装置的影响；

母线电压采样模块，用于实时监测母线电压变化，为确定放电电压阈值提供依据；

母线电流采样模块，用于检测母线电流的方向，确定电机拖动系统当前处于电动状态还是发电状态，为母线电压当前值的确定提供判据，当电流正向流动时，说明系统处于电动状态，此时采集的母线电压可以作为母线电压的当前值，当电流负向流动时，说明系统处于发电状态，此时的电压值不能作为母线电压的当前值；

温度采样模块，用于实时监控制动主回路模块是否过热；

信号采集调理模块，用于将采集到的信号进行转换与调理，提高采集的精度；

过压保护模块,用于在系统出现过压状态时，执行保护功能；

过流保护模块,用于在系统出现过流状态时，执行保护功能；

过温保护模块，用于在系统出现过温状态时，执行保护功能；

通信模块，用于与系统其它模块通信读取母线电压，为系统提供装置当前的状态信息；

驱动模块，用于驱动制动主回路模块；

看门狗模块，用于防止程序跑飞；

中央处理器模块，用于负责整个系统的功能实现，包括采样、通信以及故障逻辑判断；

制动主回路模块，通过耗能电阻实现制动过程中多余电能的消耗。

所述的智能电压跟随制动装置的控制方法包括以下步骤：

步骤1：系统上电后，看门狗模块停止工作，进行系统初始化；

步骤2：完成必要的系统配置后开看门狗，开始与驱动器进行通信，读取所需的信息，并采集电流、电压以及温度物理量；

步骤3：判断系统是否出现故障，并置相关标志位；

步骤4：判断所采集的母线电压是否有效，在有效的情况下确定母线电压当前值，并根据母线电压当前值计算放电电压阈值，从而实现对母线电压进行实时控制，防止母线过电压。

所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤31：首先判断系统是否出现过流现象，如果系统出现过流现象，则进行过流故障处理；如果系统没有出现过流现象，则转下一步；

步骤32：其次判断系统是否出现过热现象，如果系统出现过热现象，则进行过热故障处理；如果系统没有出现过热现象，则转下一步；

步骤33：最后判断系统是否出现过压或欠压现象，如果系统出现过压或欠压现象，则进行过压或欠压故障处理；如果系统没有出现过压或欠压现象，则转步骤4。

所述步骤中获取母线电压的具体步骤为：

步骤41：母线电流的流向决定母线电压采样值是否有效，当电流为正时，说明处于电动机状态，采样值有效，当电流为负时，说明处于发电机状态，采样值无效；如果电流无法判断正负，母线电压采样值彻底失效；

步骤42：在电流采样值为正的情况下，连续采集n个母线电压值，并由小到大排列为v1，v2，v3，…，vn，则母线电压的样本均值及样本标准偏差分别为：

利用grubbs准则对采集的母线电压样本进行离群值的检测与剔除，方法如下：

步骤421；计算统计量：

步骤422；确定检出水平α，在“grubbs检验法临界值表”中查出对应的n，α的临界值g1-α(n)；

步骤423；判定是否具有离群值，当gn＞g′n且gn＞g1-α(n)，判定vn为离群值；当g′n＞gn且g′n＞g1-α(n)，则判定v1为离群值；否则判为没有离群值；

步骤424；剔除离群值后，根据剩下的母线电压采样值重新计算母线电压的均值，作为母线电压的当前值

步骤43：通过通信方式读取的驱动器检测的母线电压值，采用以上方式进行离群值的检测与剔除，得到母线电压当前值

步骤44：如果和的值相近，说明系统正常，和的值相加后取平均数作为当前母线电压值

步骤45：如果和的值相差较大，说明系统已经出现故障，此时也应该并尽量给出当前母线电压值，保证较低的虚警率；如果前后5次的值相差较大，说明可能出现问题，此时如果最近5次的值相差不大，此时应采用最近几次值的平均值作为当前母线电压；如果前后5次的值相差较大，说明可能出现问题，此时如果最近5次的值相差不大，应采用最近几次的值的平均值作为当前母线电压；

步骤46：如果和的值相差较大，且两者本身前后几次值相差也较大，说明系统出现严重故障；或者和的值相差较大，虽然两者本身前后5次值相差不大，也说明系统出现严重故障，此时均应发出报警信号并停机。

以上通过的值确定了当前母线的电压值则放电电压阈值的计算公式为：

如图2所示,系统上电后，首先进行初始化，完成必要的系统配置后开始与驱动器进行通信，读取所需的信息，并采集电流、电压、温度等物理量，判断系统是否故障，然后进入主要程序，判断所采集的母线电压是否有效，在有效的情况下确定母线电压当前值，并根据母线电压当前值计算放电电压阈值，从而实现对母线电压进行实时控制，防止母线过电压。

母线电压有效性判别及当前值确定的主要过程如下：

中央处理器模块检测母线电流方向和通过读取驱动器信息并行判定电机处于电动机状态还是发电机状态，以此分别作为母线电压检测有效性及读取驱动器检测的母线电压有效性的判定依据，若判定电机处于电动机状态，则采样电压值有效，否则无效。电流检测方法为通过母线电流采样模块检测母线电流方向，从而判定电机的工作状态，电流为正，则处于电动机状态，电流为负，则处于发电机状态；通过驱动器判定方法为读取驱动器的信息，确定当前电机的工作状态。

当判定电机为电动机状态后，采集n个母线电压值(编为第一组)并读取驱动器的n个母线电压值(编为第二组)，这里假定n＝10。分以下5种情况进行分析：

情况1(两组当前均值之差较小)：

第一组10个电压采样值分别是：

381.5v，380v，383v，382.3v，379.8v，375v，379.1v，378v，385v，386.2v

该组数据的均值为：

标准差为：s(v)＝3.1627v

确定检出水平α＝0.05，n＝10，在“grubbs检验法临界值表”中查出对应的n，α的临界值g1-α(n)＝2.176，而gnmax＝1.8939，则gnmax＜g1-α(n)，所以该组数据无离群值。

第二组通过驱动器读取的10个母线电压值为：

378v，382v，383.6v，382.1v，379.9v，376v，379.6v，377v，386v，381.2v

该组数据的均值为：

标准差为：s(v)＝2.9166v

确定检出水平α＝0.05，n＝10，在“grubbs检验法临界值表”中查出对应的n，α的临界值g1-α(n)＝2.176，而gnmax＝1.8721，则gnmax＜g1-α(n)，所以该组数据无离群值。

则

从而可得：

情况2(两组当前均值之差较大，且第一组近几次均值满足要求，第二组近几次均值不满足要求)：

第一组10个电压采样值分别是：

382v，380v，381.8v，382.5v，378.8v，376v，377.1v，379v，386v，384.2v

该组数据的均值为：

标准差为：s(v)＝2.975v

确定检出水平α＝0.05，n＝10，在“grubbs检验法临界值表”中查出对应的n，α的临界值g1-α(n)＝2.176，而gnmax＝1.7681，则gnmax＜g1-α(n)，所以该组数据无离群值。

第二组通过驱动器读取的10个母线电压值为：

392.5v，389v，393v，392.3v，395.8v，394v，393.1v，394.2v，395v，396.2v

该组数据的均值为：

标准差为：s(v)＝1.9664v

确定检出水平α＝0.05，n＝10，在“grubbs检验法临界值表”中查出对应的n，α的临界值g1-α(n)＝2.176，而gnmax＝2.2935，则gnmax＞g1-α(n)，所以该组数据有离群值，389v为离群值，去掉离群值后重新计算平均值为：

则则应进一步比较第一组近5次的均值，进一步比较第二组近5次的均值。

已知第一组近5次的均值分别为：

382.01v，381.05v，380.74v，379.21v，380.74v，

其中最大值为382.01v，最小值为379.21v，则两者的差|382.01-379.21|＝2.8＜10v，满足要求。

已知第二组近5次的均值分别为：

394.01v，382.05v，385.17v，389.12v，383.16v，

其中最大值为394.01v，最小值为382.05v，则两者的差|394.01-382.05|＝11.96＞10v，不满足要求。

因此取第一组近5次的平均值，即382.01v，381.05v，380.74v，379.21v，380.74v的平均值作为母线当前电压值，则

vm＝380.75v，

情况3(两组当前均值之差较大，且第一组近几次均值不满足要求，第二组近几次均值满足要求)：

第一组10个电压采样值分别是：

392.5v，389v，393v，392.3v，395.8v，394v，393.1v，394.2v，395v，396.2v

该组数据的均值为：

标准差为：s(v)＝1.9664v

确定检出水平α＝0.05，n＝10，在“grubbs检验法临界值表”中查出对应的n，α的临界值g1-α(n)＝2.176，而gnmax＝2.2935，则gnmax＞g1-α(n)，所以该组数据有离群值，389v为离群值，去掉离群值后重新计算平均值为：

第二组通过驱动器读取的10个母线电压值为：

382v，380v，381.8v，382.5v，378.8v，376v，377.1v，379v，386v，384.2v

该组数据的均值为：

标准差为：s(v)＝2.975v

确定检出水平α＝0.05，n＝10，在“grubbs检验法临界值表”中查出对应的n，α的临界值g1-α(n)＝2.176，而gnmax＝1.7681，则gnmax＜g1-α(n)，所以该组数据无离群值。

则则应进一步比较第一组近5次的均值，进一步比较第二组近5次的均值。

已知第一组近5次的均值分别为：

394.01v，382.05v，385.17v，389.12v，383.16v，

其中最大值为394.01v，最小值为382.05v，则两者的差|382.01-379.21|＝11.96＞10v，不满足要求。

已知第二组近5次的均值分别为：

382.01v，381.05v，380.74v，379.21v，380.74v，

其中最大值为382.01v，最小值为379.21v，则两者的差|382.01-379.21|＝2.8＜10v，满足要求。

因此取第二组近5次的平均值，即382.01v，381.05v，380.74v，379.21v，380.74v的平均值作为母线当前电压值，则

vm＝380.75v，

情况4(两组当前均值之差较大，且两组近几次均值也不满足要求)：

第一组10个电压采样值分别是：

392.5v，389v，393v，392.3v，395.8v，394v，393.1v，394.2v，395v，396.2v

该组数据的均值为：

标准差为：s(v)＝1.9664v

确定检出水平α＝0.05，n＝10，在“grubbs检验法临界值表”中查出对应的n，α的临界值g1-α(n)＝2.176，而gnmax＝2.2935，则gnmax＞g1-α(n)，所以该组数据有离群值，389v为离群值，去掉离群值后重新计算平均值为：

第二组通过驱动器读取的10个母线电压值为：

382v，380v，381.8v，382.5v，378.8v，376v，377.1v，379v，386v，384.2v

该组数据的均值为：

标准差为：s(v)＝2.975v

确定检出水平α＝0.05，n＝10，在“grubbs检验法临界值表”中查出对应的n，α的临界值g1-α(n)＝2.176，而gnmax＝1.7681，则gnmax＜g1-α(n)，所以该组数据无离群值。

则则应进一步比较第一组近5次的均值，进一步比较第二组近5次的均值。

已知第一组近5次的均值分别为：

394.01v，382.05v，385.17v，389.12v，383.16v，

其中最大值为394.01v，最小值为382.05v，则两者的差|382.01-379.21|＝11.96＞10v，不满足要求。

已知第二组近5次的均值分别为：

392.01v，381.05v，380.74v，379.21v，380.74v，

其中最大值为392.01v，最小值为379.21v，则两者的差|392.01-379.21|＝12.8＞10v，不满足要求。

因此两组都不满足要求，报警停机。

情况5(两组当前均值之差较大，但两组近几次均值满足要求)：

第一组10个电压采样值分别是：

392.5v，389v，393v，392.3v，395.8v，394v，393.1v，394.2v，395v，396.2v

该组数据的均值为：

标准差为：s(v)＝1.9664v

确定检出水平α＝0.05，n＝10，在“grubbs检验法临界值表”中查出对应的n，α的临界值g1-α(n)＝2.176，而gnmax＝2.2935，则gnmax＞g1-α(n)，所以该组数据有离群值，389v为离群值，去掉离群值后重新计算平均值为：

第二组通过驱动器读取的10个母线电压值为：

382v，380v，381.8v，382.5v，378.8v，376v，377.1v，379v，386v，384.2v

该组数据的均值为：

标准差为：s(v)＝2.975v

确定检出水平α＝0.05，n＝10，在“grubbs检验法临界值表”中查出对应的n，α的临界值g1-α(n)＝2.176，而gnmax＝1.7681，则gnmax＜g1-α(n)，所以该组数据无离群值。

则则应进一步比较第一组近5次的均值，进一步比较第二组近5次的均值。

已知第一组近5次的均值分别为：

394.01v，386.05v，387.17v，389.12v，388.16v，

其中最大值为394.01v，最小值为386.05v，则两者的差|394.01-386.05|＝7.96＜10v，满足要求。

已知第二组近5次的均值分别为：

382.01v，381.05v，380.74v，379.21v，380.74v，

其中最大值为382.01v，最小值为379.21v，则两者的差|382.01-379.21|＝2.8＜10v，满足要求。

虽然两组均满足要求，但两组的均值之差值大于10v，应报警停机。