无刷直流电机制动方法及系统与流程

本发明属于无刷直流电机技术领域，尤其涉及无刷直流电机制动方法及系统。

背景技术：

在无刷直流电机系统中，如果要求无刷直流电机在断电后能够自动停止转动，最简单可行的方法是使用机械抱闸，在断电后抱闸自动制动，锁住运动部件即可。

在申请号为“201710933955.6”、名称为“适用于永磁无刷直流电机的制动方法及系统”的发明专利中，提出了“在断开电机电源对永磁无刷直流电机的供电时，将永磁无刷直流电机的三根相线短接，以改变永磁无刷直流电机的工作状态，实现对永磁无刷直流电机进行所需的制动。”在控制器外部电源切断时，无刷直流电机在自身和外部负载的惯性的作用下，会继续旋转，如果将无刷直流电机的三个相线短路，那么三个相线内部电阻组成的电阻网络将成为无刷直流电机的负载，从而实现对电机有效的减速。

然而，在部分场景中，由于外力的作用过大，在无刷直流电机的三个相线短路后，电机并不能停止转动，或者停止转动后是又受外力影响而再次转动，从而导致无刷直流电机在断电后无法有效制动。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供无刷直流电机制动方法及系统，旨在解决由于现有技术中外力作用导致无刷直流电机断电后无法进行有效制动的问题。

第一方面，本发明提供了一种无刷直流电机制动方法，所述方法包括下述步骤：

检测无刷直流电机的电源状态；

在检测到所述电源状态由供电状态转换为断电状态时，将所述无刷直流电机的三个相线短路，再通过所述无刷直流电机的齿槽效应使其避免受外力影响。所述齿槽效应的最大恢复力矩大于电机转轴所受到的外力转矩。

可选的，通过使用继电器或交流接触器的常闭触点将所述无刷直流电机的三个相线短路。

可选的，所述无刷直流电机的三根相线通过继电器的触点连接，所述继电器的线圈与所述无刷直流电机的电源连接；在所述无刷直流电机处于供电状态时，所述继电器的常闭触点断开，所述无刷直流电机的三根相线相互独立；在所述无刷直流电机处于断电状态时，所述继电器的常闭触点闭合，将所述无刷直流电机的三根相线短接。

可选的，所述无刷直流电机的电源为交流电源，所述无刷直流电机的三根相线通过继电器的触点连接，所述继电器的线圈与所述无刷直流电机的供电电源连接；

在所述无刷直流电机处于供电状态时，所述继电器的常闭触点断开，所述无刷直流电机的三根相线相互独立；在所述无刷直流电机处于断电状态时，所述继电器的常闭触点闭合，将所述无刷直流电机的三根相线短接。

第二方面，提供了一种无刷直流电机制动系统，所述系统包括具有增强齿槽效应的无刷直流电机、电源和制动控制器；在检测到所述无刷直流电机的电源状态由供电状态转换为断电状态时，所述制动控制器将所述无刷直流电机的三个相线短路，并通过所述无刷直流电机的齿槽效应避免外力影响所述无刷直流电机的制动。

可选的，所述制动控制器包括继电器，所述系统还包括开关电源，所述开关电源将交流电转换为直流电为所述无刷直流电机供电，所述无刷直流电机的三根相线通过所述继电器的触点连接，所述继电器的线圈与所述无刷直流电机的供电电源连接；在所述无刷直流电机处于供电状态时，所述继电器的常闭触点断开，所述无刷直流电机的三根相线相互独立；在所述无刷直流电机处于断电状态时，所述继电器的常闭触点闭合，将所述无刷直流电机的三根相线短接，在直流电断开后所述继电器保持为常闭状态，保持所述无刷直流电机的三根相线短接。本发明在检测到电源状态由供电状态转换为断电状态时，将无刷直流电机的三个相线短路，并通过无刷直流电机的齿槽效应避免外力影响所述无刷直流电机的制动，从而避免机械抱闸制动无法安装或使用寿命的限制。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的无刷直流电机制动方法的实现流程图；

图2是示出了具有齿槽效应的无刷直流电机自身的恢复力矩与转角之间的关系示意图；

图3示出了本发明实施例一提供的无刷直流电机制动方法中三根相线短路后电机的电流、转距、转速的曲线；

图4示出了本发明实施例二提供的无刷直流电机制动系统的结构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

实施例一：

图1示出了本发明实施例一提供的无刷直流电机制动方法的实现流程，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

步骤s110，检测无刷直流电机的电源状态。

步骤s120，在检测到电源状态由供电状态转换为断电状态时，将无刷直流电机的三个相线短路，再通过无刷直流电机的齿槽效应避免外力影响所述无刷直流电机的制动。

无刷直流电机具有三个相线，无刷直流电机通过三根相线与电源连接，电源提供无刷直流电机所需的工作电压。通过对无刷直流电机的电源状态进行检测，当检测到无刷直流电机的电源状态为供电状态，即电源为无刷直流电机提供正常电压时，无刷直流电机工作于电动机状态；当检测到无刷直流电机的电源状态为断电状态，即电源与无刷直流电机断开时，在不增加外部机械抱闸制动的情况下，为了能实现对无刷直流电机的制动，将无刷直流电机的三根相线短接，在将无刷直流电机的三根相线短接后，再通过无刷直流电机的齿槽效应避免外力影响所述无刷直流电机的制动，例如，通过齿槽效应保证无刷直流电机在静止时不会被外力转动，或在无刷直流电机低速转动时使其停止转动。

以内转子为例，无刷直流电机的定子上是绕组，转子上是永磁体。由于定子铁芯是磁性材料，能够被转子上的永磁体吸引，因此无刷直流电机在停止时，总是趋向于停止在一些固定的位置上，无刷直流电机启动时，需要克服这个转矩，这里将这种现象称为“齿槽效应”。假设电机启动需要克服的转矩是mmax，并且一周上这几个固定位置的转矩是相等的，正向与反向也是相等的。这个转矩的方向与偏离平衡位置的方向相反，这里成为恢复力矩。

图2是具有齿槽效应的无刷直流电机自身的恢复力矩与转角之间的关系示意图。恢复力矩越小，就越利于电机的控制和平稳运行，因此，一般情况下，这个转矩都很小，接近零。在本示例性实施例中将根据应用的具体需求，选择最大恢复力矩mmax的大小，其值应大于电机转轴所受到的外力转矩，即无刷直流电机静止时所受外力的转矩，并且留有余量,从而保证无刷直流电机避免受外力影响而无法制动。

在电源与无刷直流电机断开时，无刷直流电机在自身和外部负载的惯性作用下，会继续旋转，当将无刷直流电机的三个相线短路时，三个相线内部电阻组成的电阻网络将成为无刷直流电机的负载，从而实现对无刷直流电机进行快速减速，但是无刷直流电机能不能停止转动，还取决于电机转轴所受到的外力转矩。如果外力转矩较小，那么即使不使用三相短路的方法，电机失去了动力源，在摩擦力以及其它阻力的作用下，电机也能够慢慢减速直到停止；而当外力转矩较大时，电机将继续处于发电状态，使用三相短路的方法，电机并不能停止转动。

因此，在检测到电源状态由供电状态转换为断电状态时，将无刷直流电机的三个相线短路，使无刷直流电机的转速迅速降低，在无刷直流电机的转速降低到预设值时，则通过无刷直流电机的齿槽效应使其立刻停止转动。

下面分析无刷直流电机对负载做正功，检测到电源断开之后，将电机的三相短路之后电机的相电流变换的过程。三相短路后，假设可以忽略电子换相带来的影响。

电机的反电动势uf与转速υ成正比，比例系数为ke，反电动势uf＝ke*υ，短路时，定子相线内的电压方程是：

i是电流，r相电阻，l绕组等效电感。

电机的转矩mo与相电流i成正比，比例系数为km，减速的转矩为：

m＝km*i

设负载转矩为mo，电机的初始速度为υ0，转动惯量为j，则运动方程为：

将电压方程求出的速度表达式带入到运动方程中，可以得到电流二阶微分方程：

电流的初值为切换前的电流，电流一阶微分的初值为其中u0为母线电压。

带入典型值电压u0＝24v，电流i0＝14.5a，电机的转动惯量j＝1.2e-4kgm²，负载的转动惯量与电机相同，转速v0＝1500rpm，两相电感量为l＝0.18e-3h，km＝0.17nm/a，ke＝0.14v/s，数值方法解以上的微分方程可以得到电流的变换曲线如图3的x1，电机转速曲线如图3中的x2，电机转距曲线如图3中的x3所示。

在1500rpm(157rad/s)的转速时，电机电流14.5a，负载1nm时，将3相短路后，电流极速减小并且反向，而转速急剧下降，转速3次过零点，说明电机正反转了3次，并且速度稳定在4.152rad/s，即1.5秒转1转。在这个转速下，如果齿槽效应忽略不计时，电机是在进行非常缓慢的转动的，如果存在齿槽效应，并且齿槽效应的最大恢复大于外部负载转矩，那么电机就会停止转动。

如果负载对电机做正功，电机处于发电状态时，需要打开再生电阻，来消耗负载做的功，以维持母线的电压。此时电机的相电流方向与电机做正功时的相反(转矩的方向相反)，此时将三相绕组短路，电流微分的初值但是停止之后的稳定值与前面的电机对负载做功的情况时一样的。

以上计算是在一组典型数值条件下得到的结果，如果数值条件有变换，那么表现的现象也会有变换，比如，当负载的转动惯量特别大时，速度的变换时间会变长，但是稳态的转速不会变化。

实际的直流无刷电机存在三相绕组，短路后电流的变化更复杂，存在绕组电流换向的情况。这可以通过增大齿槽效应的最大恢复力矩来补偿这部分波动量。

其中，在对选取具有齿槽效应的无刷直流电机的最大恢复转矩时，最大恢复转矩应该大于电机静止时遇到的外部转矩的最大值，并且留有余量。

可选的，可通过使用继电器或交流接触器的常闭触点将无刷直流电机的三个相线短路。

无论无刷直流电机的电源为交流电源或直流电源，无刷直流电机的三根相线可通过继电器的触点连接，继电器的线圈与无刷直流电机的电源连接，在无刷直流电机处于供电状态时，继电器的常闭触点断开，无刷直流电机的三根相线相互独立；在无刷直流电机处于断电状态时，继电器的常闭触点闭合，将无刷直流电机的三根相线短接。

无刷直流电机的电源为交流电源时，无刷直流电机的三根相线还可通过交流接触器的触点连接，交流接触器的线圈与无刷直流电机的供电电源连接，在无刷直流电机处于供电状态时，交流接触器的常闭触点断开，无刷直流电机的三根相线相互独立；在无刷直流电机处于断电状态时，交流接触器的常闭触点闭合，将无刷直流电机的三根相线短接。

由上所述的，制动控制器检测外部电源的通断，当电源断电时使电机三相短路，不论是交流电源还是直流电源，都可通过继电器的常闭触点将电机三相短路；而无刷直流电机的电源为交流电源时，还可通过交流接触器的触点将电机三相短路。具体的做法包括：

1)使用直流电源的系统，可以使用继电器，将继电器的线圈使用直流电源驱动，将三相线通过常闭触点连接在一起。这样，当直流电源上电时，线圈动作，三相线分开，当直流电源断电时，触点闭合，三相线短接。

2)使用交流电源的系统，当交流电源断电时短接三相绕组的方法：使用交流接触器，用交流电驱动线圈，并且将三相线通过常闭触点连接在一起。这样，当交流电源上电时，线圈动作，三相线分开，当交流电源断电时，触点闭合，三相线短接。

3)使用交流电源的系统，也可以使用交流接触器来实现：使用交流电源的系统，需要使用开关电源将交流转化为直流电，给电机和驱动器供电。由于开关电源的存在，交流电源断电后，直流电压会维持一段时间。同做法1)一样，将三相线通过常闭触点连接在一起。继电器线圈的供电不直接使用直流母线来驱动，而是使用驱动电路来驱动，这样，可以在交流电断开，直流电有电时可以将继电器触点动作，使三相端接，达到方法2)的效果。在直流电源也断电之后继电器处于常闭状态，保持三相短接。

通过本示例性实施例，在检测到电源状态由供电状态转换为断电状态时，将无刷直流电机的三个相线短路，再通过无刷直流电机的齿槽效应避免外力影响无刷直流电机的制动，从而避免机械抱闸制动无法安装或使用寿命的限制。

实施例二：

图4示出了本发明实施例二提供的无刷直流电机制动系统的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，其中该无刷直流电机制动系统包括：具有增强齿槽效应的无刷直流电机、电源和制动控制器。

在检测到无刷直流电机的电源状态由供电状态转换为断电状态时，制动控制器将无刷直流电机的三个相线短路，再通过无刷直流电机的齿槽效应使其避免受外力影响，例如，通过齿槽效应保证无刷直流电机在静止时不会被外力转动，或在无刷直流电机低速转动时使其停止转动。

具体地，无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。

可选的，制动控制器包括继电器，无刷直流电机的三根相线通过继电器的触点连接，继电器的线圈与无刷直流电机的供电电源连接；在无刷直流电机处于供电状态时，继电器的常闭触点断开，无刷直流电机的三根相线相互独立；在无刷直流电机处于断电状态时，继电器的常闭触点闭合，将无刷直流电机的三根相线短接。

可选的，制动控制器包括交流接触器，无刷直流电机的三根相线通过交流接触器的触点连接，交流接触器的线圈与无刷直流电机的供电电源连接；在无刷直流电机处于供电状态时，交流接触器的常闭触点断开，无刷直流电机的三根相线相互独立；在无刷直流电机处于断电状态时，交流接触器的常闭触点闭合，将无刷直流电机的三根相线短接。

由上所述的，通过制动控制器检测外部电源的通断，当检测到电源断电时使电机三相短路，不论是电源为交流电源还是直流电源，都可通过继电器的常闭触点将电机三相短路，具体的做法包括：

1)电源为交流电源，当交流电源断电时短接三相绕组的方法：

①使用交流接触器来实现：用交流电驱动线圈，并且将三相线通过常闭触点连接在一起。这样，当交流电源上电时，线圈动作，三相线分开，当交流电源断电时，触点闭合，三相线短接；

②使用继电器来实现：使用开关电源将交流转化为直流，給电机和驱动器供电。由于开关电源的存在，交流电源断电后，直流电压会维持一段时间。同电源为直流电源一样，将三根相线通过常闭触点连接在一起。继电器线圈的供电不直接使用直流母线来驱动，而是使用驱动电路来驱动，这样，可以在交流电断开，直流有电时可以将继电器触点动作，使三相端接，达到方法①的效果。在直流电源也断电之后继电器处于常闭状态，保持三相短接。

2)电源为直流电源，可以使用继电器，将继电器的线圈使用直流电源驱动，将三相线通过常闭触点连接在一起。这样，当直流电源上电时，线圈动作，三相线分开，当直流电源断电时，触点闭合，三相线短接。

在本发明实施例中，各部件的具体实施方式可参考实施例一的描述，在此不再赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。