一种电压源逆变器制动电路的控制方法及装置

摘要

本发明公开了一种电压源逆变器制动电路的控制方法及装置，方法包括：采样测量直流母线的瞬时电压；根据所述瞬时电压、制动PWM占空比和制动电阻的阻值计算得到所述制动电阻的瞬时功率；对所述瞬时功率进行低通滤波得到所述制动电阻的平均功率；对所述制动电阻的允许最大功率和所述平均功率的差值进行比例、积分，得到功率因子占空比；根据所述瞬时电压与预设的电压阈值的差值得到电压因子占空比；得到所述电压因子占空比和所述功率因子占空比的乘积；以所述乘积作为所述制动PWM占空比，生成PWM波形，并输入给用于驱动所述制动电路的驱动电路。本发明可优化直流母线泵生电压的控制，避免烧坏制动电阻。

说明书

技术领域

本领域涉及电机控制领域，尤其涉及一种电压源逆变器制动电路的控制方法及装置。

背景技术

基于电压源逆变器(Voltage Source Inverter-VSI)的交流电机驱动控制系统在现代电气传动领域得到了广泛的应用，对提高电气传动系统运行性能和节约能源具有重要意义。在电机驱动控制应用中，当电机处于减速制动状态时，电压源逆变器的直流母线电压会升高，如果不加以控制，则可能超过直流母线电容或功率器件的最大耐压，并导致硬件损毁。因此，直流母线的泵生电压的抑制对于电压源逆变器的可靠工作非常重要。

目前比较先进但成本昂贵的方法是采用PWM(Pulse Width Modulation rectifier，脉冲宽度调制)整流器(Malinowski，M.；Kazmierkowski，M.P.；Trzynadlowski，A.M. A comparative study of control techniques for PWM rectifiers in AC adjustable speed drives[J].Power Electronics，IEEE Transactions on Issue Date：Nov.2003Volume：18Issue：6 On page(s)：1390-1396ISSN：0885-8993.)为VSI提供直流方式供电，当电机工作于制动回馈状态时，直流母线电压将升高，PWM整流器自动将能量回馈到电网上。但基于PWM整流器的方式，由于其成本较高，只适合于使用于成本不敏感的高端应用场合，如应用于数控机床等领域的西门子SIMATIC S120系列的产品。在中低端的驱动控制领域，还有很多驱动器是基于整流桥方式为电压源逆变器提供直流供电，在这样的应用条件下，可以通过降低转矩电流的变化率的方式来降低直流母线的泵升电压(Han Li；Wen Xuhui；Chen Guilan；Zhao Feng；Gao Jingwen.A Practical Software Strategy to Reduce DC Bus Bar Surge Voltage in AC Drives Fed by VSI [C]. Power Electronics Specialists Conference，2007.PESC 2007. IEEE Issue Date：17-21 June 2007 On page(s)：497-502 Location：Orlando，FL ISSN：0275-9306.)，或采用通过直流母线电压限制闭环控制的方式来自适应降低转矩电流的方案(Jiang，J.；Holtz，J. An efficient braking method for controlled AC drives with a diode rectifier front end[J].Industry Applications，IEEE Transactions on Issue Date：Sep/Oct 2001 Volume：37 Issue：5On page(s)：1299-1307 ISSN：0093-9994.)。

这两种方案虽然可以通过软件的方案实现直流母线电压限制，但伴随的缺点是牺牲或降低了转矩的动态控制性能；而且，对永磁同步电机在高速弱磁状态下发生失控，反电动势快速产生的场合也并不适用。另外一种在中小功率逆变器驱动中简单常见的方案是安装制动电阻来抑制过高的电压。当前大多数的产品控制方法主要是简单的硬件滞环比较控制方式，当电压高于设定泻放导通电压时，通过制动电阻泻放，当低于设定泻放关闭电压时，停止泻放(赵永成，宋立群，张国力[J].变频调速系统中能耗制动电路的设计与实现.江苏电器2007年01期.)。该控制方法过于简单，硬件修改参数麻烦，容易发生故障并烧坏制动电阻。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何优化直流母线泵生电压的控制，避免烧坏制动电阻。

为了解决上述问题，本发明提供了一种电压源逆变器制动电路的控制装置，包括：

用于驱动制动电路的驱动电路、脉冲宽度调制PWM波形生成器；

测量单元，用于采样测量直流母线的瞬时电压；

计算单元，用于根据所述瞬时电压、制动PWM占空比和制动电阻的阻值R计算得到所述制动电阻的瞬时功率；

低通滤波器，用于对所述瞬时功率进行低通滤波得到所述制动电阻的平均功率；

第一控制器，用于对所述制动电阻的允许最大功率和所述平均功率的差值进行比例、积分，得到功率因子占空比；

第二控制器，用于根据所述瞬时电压与预设的电压阈值的差值得到电压因子占空比；

乘法器，用于得到所述电压因子占空比和所述功率因子占空比的乘积；

所述PWM波形生成器用于以所述乘积作为所述制动PWM占空比，生成PWM波形，并输入给所述驱动电路。

进一步地，所述的装置还包括：

限幅器，连接在所述第一控制器和所述乘法器之间，用于将所述功率因子占空比限制在0到1之间，包括0和1。

进一步地，所述第一控制器为一个比例积分PI调节器；所述第二控制器为一个比例积分PI调节器，或者为一个Bang-Bang控制器。

进一步地，所述第二控制器为Bang-Bang控制器；

所述预设的电压阈值包括：

第一电压阈值，为泻放工作点电压与电压滞环值之和；

第二电压阈值，为泻放工作点电压与电压滞环值之差；

本实施例中，所述第二控制器根据所述瞬时电压与预设的电压阈值的差值得到电压因子占空比具体是指：

所述第二控制器当所述瞬时电压大于所述第一电压阈值时，得到的电压因子占空比为1；当所述瞬时电压小于所述第二电压阈值时，得到的电压因子占空比为0；其它情况则保持和上个采样周期相同的电压因子占空比。

本发明还提供了一种电压源逆变器制动电路的控制方法，包括：

采样测量直流母线的瞬时电压；

根据所述瞬时电压、制动PWM占空比和制动电阻的阻值R计算得到所述制动电阻的瞬时功率；

对所述瞬时功率进行低通滤波得到所述制动电阻的平均功率；

对所述制动电阻的允许最大功率和所述平均功率的差值进行比例、积分，得到功率因子占空比；

根据所述瞬时电压与预设的电压阈值的差值得到电压因子占空比；

得到所述电压因子占空比和所述功率因子占空比的乘积；

以所述乘积作为所述制动PWM占空比，生成PWM波形，并输入给用于驱动所述制动电路的驱动电路。

进一步地，所述得到功率因子占空比的步骤后、得到所述电压因子占空比和所述功率因子占空比的乘积的步骤前还包括：

将所述功率因子占空比限制在0到1之间，包括0和1。

进一步地，所述根据所述瞬时电压与预设的电压阈值的差值得到电压因子占空比的步骤中，采用比例积分方式得到电压因子占空比，或采用Bang-Bang方式得到电压因子占空比。

进一步地，采用Bang-Bang方式得到电压因子占空比；

所述预设的电压阈值包括：

第一电压阈值，为泻放工作点电压与电压滞环值之和；

第二电压阈值，为泻放工作点电压与电压滞环值之差；

所述根据所述瞬时电压与预设的电压阈值的差值得到电压因子占空比的步骤包括：

当所述瞬时电压大于所述第一电压阈值时，得到的电压因子占空比为1；当所述瞬时电压小于所述第二电压阈值时，得到的电压因子占空比为0；其它情况则保持上个采样周期相同的电压因子占空比。

本发明的技术方案针对使用制动电阻的实际泻放需求，提出了一种新的制动电阻控制策略，该控制方案充分考虑了制动电阻的额定功率，使用率，电阻值以及最大允许冲击时间，既考虑了直流母线电压限制的需求，也考虑了制动电阻的最大功率和冲击时间限制，通过电压因子通道和功率因子通道的联合设计，实现了制动电阻的优化泻放控制。本发明可通过软件来灵活实现配置工作参数。本发明的技术方案已通过基于TMS320F28335的浮点DSP控制平台，用永磁同步电机的弱磁失控等实验验证了有效性和实用性。

附图说明

图1为实施例一的电压源逆变器制动电路的控制装置的示意框图；

图2为实施例一的例子里，永磁同步电机弱磁失控情况下直流母线电压和制动电阻流过的电流的示意图；

图3为实施例一的例子里，直流母线电压与泻放工作点电压比较接近条件下的直流母线电压和制动电阻流过的电流的示意图；

图4为实施例一的例子里，直流母线电压长期大于泻放工作点电压条件下的直流母线电压和制动电阻流过的电流的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行更详细的说明。

需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例以及实施例中的各个特征可以相互结合，均在本发明的保护范围之内。另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

实施例一、一种电压源逆变器制动电路的控制装置，如图1所示，包括：

用于驱动制动电路的驱动电路；

测量单元，可以但不限于为一电压传感器，用于采样测量直流母线的瞬时电压U_dc；

计算单元，用于根据所述瞬时电压U_dc、制动PWM占空比和制动电阻的阻值R计算得到所述制动电阻的瞬时功率；

低通滤波器LPF，用于对所述瞬时功率进行低通滤波得到所述制动电阻的平均功率；

第一控制器，用于对所述制动电阻的允许最大功率和所述平均功率的差值进行比例、积分，得到功率因子占空比；

第二控制器，用于根据所述U_dc与预设的电压阈值的差值得到电压因子占空比；

乘法器，用于得到所述电压因子占空比和所述功率因子占空比的乘积；

PWM波形生成器，用于以所述乘积作为所述制动PWM占空比，生成PWM波形，并输入给所述驱动电路。

本实施例中，所述装置还可以包括一限幅器，连接在所述第一控制器和所述乘法器之间，用于将所述功率因子占空比限制在0到1之间，包括0和1。

本实施例中，所述第一控制器和所述限幅器可合称为功率因子通道，所述第二控制器可合称为电压因子通道。

本实施例中，所述第一控制器可以为一个比例积分PI调节器；所述第二控制器也可以为一个比例积分PI调节器，或者为一个Bang-Bang控制器。

本实施例的核心思想是充分利用制动电阻的最大泻放能力，实现快速和安全的直流母线电压泵升电压控制。本实施例的方案中，如果所述功率差值(所述制动电阻的允许最大功率和所述平均功率的差值)为正(即所述平均功率小于预设的允许最大功率)，则根据所述电压占空比因子制动，如果第二控制器为Bang-Bang控制器，则是按照Bang-Bang方式控制制动；如果不为正(即所述平均功率达到或超过预设的允许最大功率)则根据对所述功率差值比例、积分得到的功率因子占空比实施制动泻放。

本实施例中，当所述第二控制器为Bang-Bang控制器时，所述预设的电压阈值可以包括：

第一电压阈值，为制动时直流母线电压泻放工作点电压(本文中简称为泻放工作点电压)与制动时直流母线电压滞环值(本文中简称为电压滞环值)之和；

第二电压阈值，为泻放工作点电压与电压滞环值之差。

本实施例中，所述第二控制器根据所述U_dc与预设的电压阈值的差值得到电压因子占空比具体可以是指：

所述第二控制器当U_dc大于所述第一电压阈值时，得到的电压因子占空比为1；当U_dc小于所述第二电压阈值时，得到的电压因子占空比为0；其它情况则保持上个采样周期相同的电压因子占空比。

可见，当直流母线电压大于泻放工作点电压与电压滞环值的和时，电压泻放电路工作；当直流母线电压小于泻放工作点电压与电压滞环值的差时，电压泻放电路停止工作。通过设置电压滞环值，可以避免制动电路在泻放工作点反复跳转。

实际应用时，也可设计为所述第二控制器当U_dc等于所述第一/第二电压阈值时，得到电压因子占空比为1/0。

本实施例由于同时考虑直流母线泵升电压的限制和制动电阻功率的限制，实现了制动泻放的优化控制。如果按照Bang-Bang方式控制制动，则允许在短时间内进行大电流放电处理，如有些电阻允许5秒10倍过载；电压因子通道设计采用滞环Bang-Bang控制可以得到灵敏的响应速度，电压因子通道输出的响应可以在数字控制器的一个采样周期内即可完成。

本实施例中，为控制直流母线电压的泵升，选择制动电阻时可考虑如下6个参数，这些参数可作为控制参数设定，并可以更改。

表1、制动放电控制相关设定参数

在选择元器件时，制动电阻的阻值的最小值可以根据泻放工作点电压(最大的直流母线电压)、制动器件的额定电流，以及制动电阻的使用降额率来确定。制动电阻的阻值的最小值＝泻放工作点电压/(制动器件的额定电流×使用降额率)。制动电阻的功率可以按下式来计算选择：

P＝I×I×R×S。

其中，S为制动使用频率(电机在整个速度范围内的减速工况频率)、I为制动器件的额定电流、R为制动电阻的阻值。

制动电阻的短时抗冲击允许时间可从电阻的应用手册中查询。

在实际使用中，为了提高可靠性，制动电阻的使用降额率规定了制动电阻的使用效率，以避免制动电阻过热而损坏，它会影响制动单元的制动效果。制动电阻的使用降额率设置越低，电阻的发热程度越小，电阻上消耗的能量越少，但制动效果越差，制动单元的容量也没有得到充分利用。

制动电阻的阻值为R，PWM制动占空比为D∈[0，1]，直流母线的瞬时电压为U_dc。则所述计算单元计算出的制动电阻消耗的瞬时功率为：

$P=\frac{{(U_{\mathrm{dc}}·D)}^2}{R}$

制动电阻一般具有抗冲击能力，允许短时过载运行，但不允许长期过载，利用抗冲击时间，可实现初始阶段的快速制动效果。

本实施例中，将制动电阻消耗的瞬时功率通过一个低通滤波器，所述低通滤波器为一阶低通滤波器，其时间常数为τ，输入为u，该一阶低通滤波器的输出x可近似认为是制动电阻的平均功率。

本实施例中，所述一阶低通滤波器的S域传递函数如下：

$x=\frac{1}{\mathrm{\tau s}+1}u$

其在数字控制内用Euler法离散化实现的差分方程：

$x_{k+1}=(1-\frac{T}{\tau })x_k+\frac{T}{\tau }u$

其中：T为系统采样周期，一阶低通滤波器的时间常数τ一般可以选择为1/3的制动电阻允许冲击时间。

在应用过程中，可定义并观察如下两个状态，以便根据实际情况调整硬件或软件参数。

制动电阻功率瞬时利用率：制动电阻的瞬时功率与额定功率的比值。

制动电阻功率的平均利用率：制动电阻的平均功率与额定功率的比值。

以制动电阻允许的最大功率为参考值，以制动电阻的平均功率作为反馈值，经比例积分(PI)调节器并经限幅处理得到功率因子占空比。PI调节器的设计如下：

$G\left(s\right)=K_p(1+\frac{1}{T_{I}s})---\left(1\right)$

积分环节采用梯形积分法实现离散化，数字控制器内增量式PI的差分实现方程如下：

${\mathrm{\Delta u}}_{\mathrm{PI}}=(K_p+\frac{K_{p}T}{2T_I})e\left(k\right)+(-K_p+\frac{K_{p}T}{{2T}_I})e(k-1)---\left(2\right)$

其中：K_p为比例增益，T_I为积分时间常数，T为系统采样周期，e(k)和e(k-1)分别是制动电阻的功率误差在当前采样周期的采样值和上一个采样周期的采样值，所述功率误差是所述参考值和所述反馈值的差值。

在电阻制动动作发生前，PWM制动占空比为0，制动电阻的当前平均功率为0，PI调节器处于饱和状态，功率因子占空比输出最大值100％。一旦直流母线泵升电压超过设定值，在制动电阻允许的冲击时间内，制动电阻的平均功率将缓慢上升，在没有超过允许的最大制动电阻功率以前，功率因子占空比输出保持最大值100％，从而可以在制动初期以连续方式实现泻放，快速降低U_dc上泵升的电压。如果泵升电压还没有完全降低下来，但超过了制动电阻允许的冲击时间，这时则不允许连续制动，将通过PI调节器自动进入占空比方式制动；在占空比方式下，制动电阻上的平均消耗功率将控制在允许最大功率内，此时按最大功率设定值自动计算占空比最大值。通过最大占空比限制，同时保证了制动效果和制动电阻的安全。当制动成功，直流母线电压降低到目标电压以下时，PWM制动占空比为0，制动电阻的平均功率将缓慢归零。

本实施例中，制动电路的PWM制动占空比可由电压因子占空比与功率因子占空比的乘积得到，从而兼顾了直流母线的电压限制需求和制动电阻的功率限制需求，实现了优化的制动泻放效果。

制动电路的PWM制动占空比的范围为[0，1]，可以但不限于由数字电路的三角波发生器和数字比较器构成PWM单元，控制占空比的生成。

本实施例的一个具体例子中，直流母线泵生电压的控制装置采用32位浮点DSP-TMS320F28335来实现，使用C语言编程实现全部控制算法，PWM单元的功能在TMS320F28335的DSP Epwm外设上很容易实现。采样频率为10K Hz.，电机位置通过旋转变压器绝对值编码器和基于AD2S1210芯片的解码电路来实现位置的反馈测量。DSP和解码芯片之间通过McBsp(作为SPI模式)接口实现串行总线连接，其中，AD2S1210的解码精度配置为12位。为提高可靠性，主电容采用了膜电容方案。

实验用的四对极永磁同步电机(PMSM)的各项参数为：额定输出功率5.5KW，额定转速1500rpm，额定转矩35Nm，电势系数1.026Vs/rad，转矩系数2.18Nm/A，相绕组电阻0.35Ω，Ld＝7.3mH，Lq＝7.8mH。制动电阻平均功率计算的一阶低通滤波器时间常数为0.33倍电阻允许冲击时间。

直流母线电压的测量通过系统的DAC输出监控；制动电阻流过的电流通过电流钳接示波器测量。制动电阻阻值32ohm，制动电阻功率1000KW，制动电阻的使用降额率设置为50％，制动电阻的短时抗冲击允许时间设置为3s；功率因子通道的PI调节器的Kp＝0.8，T_I＝0.3s；电压滞环宽度设置为5V。

图2所示的实验结果为PMSM在交流220V整流为310V的直流供电条件下，制动电压工作点设置325V，在PMSM工作于空载速度控制模式，并已进入弱磁控制状态，关闭控制使能，出现弱磁失控状态(短时直流母线电压U_dc＞泻放工作点电压U_brake)，直流母线电压在PMSM弱磁失控后电压迅速泵升，并触发制动电路以100％的占空比工作，通过大约0.5S的时间后(小于制动电阻的短时抗冲击允许时间)，将制动电压限制在允许的范围以内，期间在制动电阻上产生连续的制动电流。

图3所示的实验结果为直流母线电压U_dc与泻放工作点电压U_brake(设置为305V)比较接近条件下的直流母线电压和制动电阻流过的电流。

图4所示的实验结果为直流母线电压U_dc长期大于泻放工作点电压U_brake(设置为285V)条件下的直流母线电压和制动电阻流过的电流。泻放电阻处于占空比工作方式，有效地以电阻可承受的最大功率能力实现泻放。

实施例二、一种电压源逆变器制动电路的控制方法，包括：

采样测量直流母线的瞬时电压U_dc；

根据所述瞬时电压U_dc、制动PWM占空比和制动电阻的阻值R计算得到所述制动电阻的瞬时功率；

对所述瞬时功率进行低通滤波得到所述制动电阻的平均功率；

对所述制动电阻的允许最大功率和所述平均功率的差值进行比例、积分，得到功率因子占空比；

根据所述U_dc与预设的电压阈值的差值得到电压因子占空比；

得到所述电压因子占空比和所述功率因子占空比的乘积；

以所述乘积作为所述制动PWM占空比，生成PWM波形，并输入给用于驱动所述制动电路的驱动电路。

本实施例中，所述得到功率因子占空比的步骤后、得到所述电压因子占空比和所述功率因子占空比的乘积的步骤前还可以包括：

将所述功率因子占空比限制在0到1之间，包括0和1。

本实施例中，所述根据所述U_dc与预设的电压阈值的差值得到电压因子占空比的步骤中，可以采用比例积分方式得到电压因子占空比，或采用Bang-Bang方式得到电压因子占空比。

本实施例中，当采用Bang-Bang方式得到电压因子占空比时，所述预设的电压阈值可以包括：

第一电压阈值，为泻放工作点电压与电压滞环值之和；

第二电压阈值，为泻放工作点电压与电压滞环值之差。

本实施例中，所述根据所述U_dc与预设的电压阈值的差值得到电压因子占空比的步骤具体可以包括：

当U_dc大于所述第一电压阈值时，得到的电压因子占空比为1；当U_dc小于所述第二电压阈值时，得到的电压因子占空比为0；其它情况则保持上个采样周期相同的电压因子占空比。

实际应用时，也可设计为所述第二控制器当U_dc等于所述第一/第二电压阈值时，得到电压因子占空比为1/0。

上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现，也可以采用软件功能模块的形式实现，不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。