一种三相开关磁阻电机快速制动控制系统及控制方法与流程

本发明涉及开关磁阻电机驱动系统技术领域，尤其涉及一种三相开关磁阻电机快速制动控制系统及控制方法。

背景技术：

随着电机工业的快速发展，因具有调速系统调速范围宽、效率高、寿命长及投资效益高等优点，开关磁阻电机因的优势越发显著，且已广泛应用于冶金、机械、石油、港口码头、矿山、航空航天等领域。在很多应用领域内，例如机械、隧道钻探等行业，需要电机频繁正转和反转，因此，制动时间的长短直接决定了工作效率的高低，这对开关磁阻电机的制动时间也提出了更为严格的要求。

传统的开关磁阻电机及其传动系统多采用电磁制动器进行制动，这种制动方式不仅需要在本就狭小的操作空间加装电磁制动设备，在制动过程还会产生大量热量，需要额外加装散热设备进行散热，无法实现频繁制动。更为重要的是，由于电磁制动时开关磁阻电机控制器需要先停止工作，当制动完毕电磁制动器停止后，开关磁阻电机控制器再切换为工作状态，此过程制动时间长，且制动效率低。在当下对频繁制动及快速指定要求日益提高的情况下，现有开关磁阻电机调速系统的制动方式已经不能满足使用需求。

势必寻求一种效率高、制动时间短、制动时间可精确控制、可频繁制动的制动方式，来解决开关磁阻电机调速系统的快速、精确、高效制动问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种三相开关磁阻电机快速制动控制系统及控制方法，能够实现开关磁阻电机的快速制动和频繁制动，且无需额外添加散热系统，降低设备成本，同时兼具可靠性高、稳定性强的优点。

本发明采用的技术方案为：

一种三相开关磁阻电机快速制动控制系统，包括整流单元、功率变换单元和控制单元，整流单元通过直流母线提供控制系统所需功率电流，还包括制动单元；

整流单元经功率变换单元分别连接三相开关磁阻电机的三相线圈；

功率变换单元包括三路不对称半桥功率电路，三路不对称半桥功率电路与三相开关磁阻电机的三相线圈一一对应连接；

制动单元包括制动igbt模块和制动电阻，制动igbt模块串联制动电阻后接在整流电路两端，制动igbt模块控制端接有igbt驱动电路；

控制单元包括dsp模块、采样模块及其它外围电路，采样模块分别连接整流单元、功率变换单元、制动单元及三相开关磁阻电机的旋转编码器，采样模块通过电压传感器和电流传感器采集控制系统的电压信号和电流信号，采样模块通过旋转编码器采集三相开关磁阻电机的位置信号，dsp模块根据采样模块采集的信号向功率变换单元和制动单元发送pwm脉冲信号。

进一步地，所述采样模块将电压传感器、电流传感器和旋转编码器产生的信号转换为dsp模块能够直接处理的模拟量信号，电压传感器并联在直流母线两端并用于采集直流母线两端电压，电流传感器包括第一电流传感器和第二电流传感器，第一电流传感器连接整流电路并采集直流母线电流，第二电流传感器连接在制动单元中并采集发电运行状态下制动电阻消耗的电流。

进一步地，所述不对称半桥功率电路包括两个功率igbt模块，两个功率igbt模块分别连接三相开关磁阻电机对应线圈的进线端和出线端，每个功率igbt模块的控制端均连接有igbt驱动电路。

进一步地，所述制动igbt模块和功率igbt模块的集电极和发射极之间均反并联有续流二极管。

进一步地，所述igbt驱动电路采用隔离放大电路。

进一步地，所述采样模块采用差分放大电路。

本发明还公开了一种基于上述三相开关磁阻电机快速制动控制系统的控制方法，包括以下步骤：

a、控制单元采集三相开关磁阻电机旋转编码器信号，获取转子与定子的相对位置；

b、控制单元判断是否收到制动信号，未收到进入下一步，收到则进入步骤d；

c、在三相开关磁阻电机的电感上升区域施加励磁电流，三相开关磁阻电机进入电动运行模式；

具体为：功率单元在三相开关磁阻电机的电感上升区域施加励磁电流，驱动三相开关磁阻电机电动运行，整流单元电流从母线正极经功率igbt模块调制后流向电机绕组，然后流回至整流单元的母线负极；

d、在三相开关磁阻电机的电感下降区域施加励磁电流，三相开关磁阻电机进入发电运行模式，对三相开关磁阻电机进行快速制动；具体过程如下：

d1：收到制动信号后，功率单元在三相开关磁阻电机的电感下降区域施加励磁电流，使三相开关磁阻电机发电运行，令轴系旋转的机械能转化为电能；

d2：dsp模块向制动igbt驱动电路发送制动pwm脉冲，制动igbt模块导通，制动单元开始工作；

d3：三相开关磁阻电机的发电电流从电机绕组一端流向电机母线正极，经过制动igbt模块流向制动电阻，然后经过母线负极流回电机绕组另一端；

d4：制动单元产生的电能以热量形式消耗在制动电阻上；

d5：制动过程中，dsp模块通过采集的电流信息和电压信息发送驱动pwm脉冲至功率单元，调节三相开关磁阻电机的发电电流，实现制动电流和母线电压的双闭环控制，使发电功率与制动功率平衡，最终实现制动效果。

8.根据权利要求7所述的三相开关磁阻电机快速制动控制系统，其特征在于：步骤d5具体过程如下：

d5.1：dsp模块采集三相开关磁阻电机发电电流、制动单元中流经制动负载的电流和整流单元两端电压；

d5.2：计算电机发电功率和制动电阻消耗功率；

d5.3：根据电机发电功率和制动电阻消耗功率，dsp模块通过pi运算调节驱动pwm脉冲的占空比，调节三相开关磁阻电机的发电电流和制动单元制动电流，使电机发电功率和制动电阻消耗功率保持平衡。

进一步地，所述步骤d5.3具体为：若制动电阻消耗功率大于电机发电功率，则降低制动电路igbt模块的pwm脉冲占空比；若制动电阻消耗功率小于电机发电功率，则提高制动电路igbt模块的pwm脉冲占空比。

进一步地，所述步骤d5具体过程如下：对dsp模块输入制动时间，dsp模块根据发电电流大小及电机转速下降的速率进行pid调节控制，使电机及轴系在规定时间内停止，实现定时制动功能。

本发明具有以下有益效果：

（1）通过采用制动igbt模块和制动电阻构成的制动单元，制动过程中实现制动电流闭环，同时，dsp模块能够调节制动过程电机产生的能量和电阻消耗的能量相等，可以在控制系统硬件电路允许的前提下，使开关磁阻电机及轴系达能承受的最大制动转矩，从而达到最短的制动时间；通过采用制动电阻作为制动单元的消耗负载，使开关磁阻电机在制动过程中产生的能量以热量形式消耗在制动电阻上，由于制动电阻配备散热系统，因此进一步保障能够实现频繁及反复地制动；

（2）开关磁阻电机及控制系统仅增加制动单元就可实现制动功能，无需额外添加散热系统，相比传统的电磁制动系统，无需专用电源、电磁控制系统等专用设备，空间利用率高，可显著提高经济效益，降低设备成本，同时兼具可靠性高、稳定性强的优点；

（3）通过本发明的控制方法，实现了开关磁阻电机的快速制动和频繁制动，且使开关磁阻电机及轴系从电动运转状态转换到制动状态或从制动结束转换到运行状态，无任何机械操作，时间仅为dsp模块运行的几个指令周期，切换时间可以达到毫秒级，有效提高本发明的制动效率；同时，在制动过程中实现转速、电流闭环控制，且同步接收转速、电流信号，通过dsp模块同步调节制动时间、制动电流和轴系转速之间的关系，实现快速制动的同时，还能够在指定制动时间内使轴系停止转动，精确度高，可靠性强，灵活度高；

（4）通过在制动过程中实现制动电流和母线电压双闭环控制，有效避免了由于母线电压和制动电流峰值变化不同步造成的母线过压和制动单元过流等危害控制系统的情况发生，进一步提高本发明的可靠性和稳定性。

附图说明

图1为本发明中控制系统的结构示意图；

图2为本发明中控制方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括一种三相开关磁阻电机快速制动控制系统及制动方法。

制动控制系统包括整流单元、功率变换单元、控制单元和制动单元，整流单元通过直流母线提供控制系统所需功率电流；

整流单元经功率变换单元分别连接三相开关磁阻电机的三相线圈；

功率变换单元包括三路不对称半桥功率电路，三路不对称半桥功率电路与三相开关磁阻电机的三相线圈一一对应连接；

制动单元包括制动igbt模块和制动电阻，制动igbt模块串联制动电阻后接在整流电路两端，制动igbt模块控制端接有igbt驱动电路；

控制单元包括dsp模块、采样模块及其它外围电路，采样模块分别连接整流单元、功率变换单元、制动单元及三相开关磁阻电机的旋转编码器，采样模块通过电压传感器和电流传感器采集控制系统的电压信号和电流信号，采样模块通过旋转编码器采集三相开关磁阻电机的位置信号，dsp模块根据采样模块采集的信号向功率变换单元和制动单元发送pwm脉冲信号。

制动控制方法包括以下步骤：

a、控制单元采集三相开关磁阻电机旋转编码器信号，获取转子与定子的相对位置；

b、控制单元判断是否收到制动信号，未收到进入下一步，收到则进入步骤d；

c、在三相开关磁阻电机的电感上升区域施加励磁电流，三相开关磁阻电机进入电动运行模式；

具体为：功率单元在三相开关磁阻电机的电感上升区域施加励磁电流，驱动三相开关磁阻电机电动运行，整流单元电流从母线正极经功率igbt模块调制后流向电机绕组，然后流回至整流单元的母线负极；

d、在三相开关磁阻电机的电感下降区域施加励磁电流，三相开关磁阻电机进入发电运行模式，对三相开关磁阻电机进行快速制动；具体过程如下：

d1：收到制动信号后，功率单元在三相开关磁阻电机的电感下降区域施加励磁电流，使三相开关磁阻电机发电运行，令轴系旋转的机械能转化为电能；

d2：dsp模块向制动igbt驱动电路发送制动pwm脉冲，制动igbt模块导通，制动单元开始工作；

d3：三相开关磁阻电机的发电电流从电机绕组一端流向电机母线正极，经过制动igbt模块流向制动电阻，然后经过母线负极流回电机绕组另一端；

d4：制动单元产生的电能以热量形式消耗在制动电阻上；

d5：制动过程中，dsp模块通过采集的电流信息和电压信息发送驱动pwm脉冲至功率单元，调节三相开关磁阻电机的发电电流，实现制动电流和母线电压的双闭环控制，使发电功率与制动功率平衡，最终实现制动效果。

为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明。

如图1所示，本发明公开了一种三相开关磁阻电机快速制动控制系统，包括整流单元、功率变换单元、控制单元和制动单元，整流单元通过直流母线提供控制系统所需功率电流。

三相开关磁阻电机能够四象限运行，控制单元根据控制需要使三相开关磁阻电机工作在电动状态或发电状态。

整流单元经功率变换单元分别连接三相开关磁阻电机的三相线圈。

功率变换单元包括三路不对称半桥功率电路，三路不对称半桥功率电路与三相开关磁阻电机的三相线圈一一对应连接。不对称半桥功率电路包括两个功率igbt模块q，两个功率igbt模块q分别串联三相开关磁阻电机对应线圈的进线端和出线端，每个功率igbt模块q的控制端均连接有igbt驱动电路，igbt驱动电路采用隔离放大电路；在每个功率igbt模块q的集电极和发射极之间均反并联有续流二极管d，由于igbt关断的瞬间两端会产生极高的自感反相电压，会造成igbt被击穿，续流二极管d的增加能够将自感反相电压短路掉，对正向电压则相当于断开，因此，能够有效保护igbt。

制动单元包括制动igbt模块q’和制动电阻r，制动过程中，开关磁阻电机的机械能转化为电能，制动产生的电能通过制动电阻r转化为热能消耗掉。

制动igbt模块q’集电极和发射极串联制动电阻r后接在直流母线两端，制动igbt模块q’控制端接有igbt驱动电路，igbt驱动电路用以驱动制动igbt模块q’的通断，igbt驱动电路优选采用隔离放大电路；制动igbt模块q’的集电极和发射极之间反并联有续流二极管d’，由于igbt关断的瞬间两端会产生极高的自感反相电压，会造成igbt被击穿，续流二极管d’的增加能够将自感反相电压短路掉，对正向电压则相当于断开，因此，能够有效保护igbt。

控制单元包括dsp模块、采样模块及其它外围电路，采样模块分别连接整流单元、功率变换单元、制动单元及三相开关磁阻电机的旋转编码器，采样模块通过电压传感器和电流传感器采集控制系统的电压信号和电流信号，采样模块通过旋转编码器采集三相开关磁阻电机的定子和转子位置信息，dsp模块根据采样模块采集的信号向功率变换单元和制动单元发送pwm脉冲信号。

采样模块将电压传感器、电流传感器和旋转编码器产生的信号转换为dsp模块能够直接处理的模拟量信号，电压传感器并联在直流母线两端并用于采集直流母线两端电压，电流传感器包括第一电流传感器和第二电流传感器，第一电流传感器连接整流电路并采集直流母线电流，第二电流传感器连接在制动单元中并采集发电运行状态下制动电阻消耗的电流。采样模块优选采用差分放大电路，电压、电流及位置信号通过差分放大电路转换为dsp模块能够直接处理的模拟量信号。

本发明所公开的快速制动控制系统，通过采用制动igbt模块q’和制动电阻r构成的制动单元，制动过程中实现制动电流闭环，同时，dsp模块能够调节制动过程电机产生的能量和电阻消耗的能量相等，可以在控制系统硬件电路允许的前提下，使开关磁阻电机及轴系达到能承受的最大制动转矩，从而达到最短的制动时间；通过采用制动电阻r作为制动单元的消耗负载，使开关磁阻电机在制动过程中产生的能量以热量形式消耗在制动电阻r上，由于制动电阻r配备散热系统，因此进一步保障能够实现频繁及反复地制动。

本发明还公开了一种基于上述三相开关磁阻电机快速制动控制系统的控制方法，包括以下步骤：

a、控制单元采集三相开关磁阻电机旋转编码器信号，获取转子与定子的相对位置。

b、控制单元判断是否收到制动信号，未收到进入下一步，收到则进入步骤d。

c、在三相开关磁阻电机的电感上升区域施加励磁电流，三相开关磁阻电机进入电动运行模式。具体为：

功率单元在三相开关磁阻电机的电感上升区域施加励磁电流，驱动三相开关磁阻电机电动运行，功率单元电流从母线正极经功率igbt模块q调制后流向电机绕组，然后流回至整流单元的母线负极；

d、在三相开关磁阻电机的电感下降区域施加励磁电流，三相开关磁阻电机进入发电运行模式，制动单元对三相开关磁阻电机进行快速制动；具体过程如下：

d1：收到制动信号后，整流单元在三相开关磁阻电机的电感下降区域施加励磁电流，使三相开关磁阻电机发电运行，令轴系旋转的机械能转化为电能；

d2：dsp模块向制动igbt驱动电路发送制动pwm脉冲，制动igbt模块q’导通，制动单元开始工作；

d3：三相开关磁阻电机的发电电流从电机绕组一端流向电机母线正极，经过制动igbt模块q’流向制动电阻r，然后经过母线负极流回电机绕组另一端；

d4：制动单元产生的电能以热量形式消耗在制动电阻r上；

d5：制动过程中，dsp模块通过采集的电流信息和电压信息发送驱动pwm脉冲至功率单元，调节三相开关磁阻电机的发电电流，实现制动电流和母线电压的双闭环控制，使发电功率与制动功率平衡，最终实现制动效果。

三相开关磁阻电机发电电流的调节具体过程如下：

dsp模块采集三相开关磁阻电机发电电流、制动单元中流经制动负载的电流和整流单元两端电压；

d5.2：计算电机发电功率和制动电阻消耗功率；

d5.3：根据电机发电功率和制动电阻消耗功率，dsp模块通过pi运算调节驱动pwm脉冲的占空比，调节三相开关磁阻电机的发电电流和制动单元制动电流，使电机发电功率和制动电阻消耗功率保持平衡。具体为：若制动电阻r消耗功率大于电机发电功率，则降低制动电路igbt模块的pwm脉冲占空比；若制动电阻消耗功率小于电机发电功率，则提高制动电路igbt模块的pwm脉冲占空比。

需要指出，如何通过驱动不同的功率igbt模块q导通进而实现发电电流的改变，是根据支路电流与最终发电电流之间的关系进行计算来决定，该计算方式为现有成熟技术，故在此不再赘述。

发电电流越大，制动功率越大，制动时间越短，通过调节发电功率和制动功率，从而实现调节制动时间的目的。也可对dsp模块输入制动时间，dsp模块根据发电电流大小及电机转速下降的速率进行pid调节控制，使电机及轴系在规定时间内停止，从而实现定时制动功能。

本发明所公开的快速制动控制方法实现了开关磁阻电机的快速制动和频繁制动，且使开关磁阻电机及轴系从电动运转状态转换到制动状态或从制动结束转换到运行状态，无任何机械操作，时间仅为dsp模型运行的几个指令周期，切换时间可以达到毫秒级，有效提高本发明的制动效率；同时，在制动过程中实现转速、电流闭环控制，且同步接收转速、电流信号，通过dsp模块同步调节制动时间、制动电流和轴系转速之间的关系，实现快速制动的同时，还能够在指定制动时间内使轴系停止转动，精确度高，可靠性强，灵活度高。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。