技术领域
[0001] 本
发明涉及电机控制领域，特别涉及一种电机控制系统的制动装置及方法。
背景技术
[0002] 大
动能容量的电机动
力设备
制动系统设计，需实现整机设备在最恶劣环境下的安全动作，如系统重载输出下，突然断电后，还存在负载持续做功的情况。又或在多电机控制系统中，部分电机故障时需要具备冗余功能，系统制动及通电恢复。电机冗余技术，可实现故障冗余运行，电气消隙，负载均衡等多种工作模式。故对比单电机驱动方案，双电机技术正在被越来越多的系统所选择。双电机或多电机系统，往往用于驱动重型负载，设备一般情况下都具有较大的
质量或者
转动惯量；
能量角度考虑，运动系统装置可视为一个能量池，而系统控制方案设计的根本是：控制电气系统输出
电能，使系统运动而转化为机械能；又通过控制制动系统，消耗机械能，使系统减速。在
伺服电机动力方案中，系统制动技术方式包括：
再生制动，将机械能转化为电能反馈给
电网或设备本身的电能储存单元，如
专利公告号：
CN106451713B名称为“电机制动能量回收系统”的文件；独立机械制动装置，通过
刹车装置制动
主轴，将机械能通过摩擦转变为
热能；外置制动
电阻，将机械能转化为电能在转化为热能，如专利公告号CN109743000A名称为“伺服电机制动
电路，伺服电机制动系统及制动方法”的专利。
[0003] 再生制动方案，其
缺陷在于当设备本身的储能容量到达极限，而电网又因故障断开后，再生制动系统失效；进一步地，当持续的负载外力做功，运动装置动能累积超过整机设计限值时，设备存在极大安全
风险，发生如故障的风电机在台风负载下解体的情况。机械制动装置，伺服电机一般都有内置保持刹车装置，但其无法应用于大容量刹车需求场合；而单独进行系统匹配设计的独立刹车装置，则导致系统体积变大，成本提高。外置制动电阻方案，在多电机系统发生单一电机故障时，其制动系统默认动作，其余正常电机也无法运转；而当系统存在不间断外力负载时，制动电阻长时间工作，其发热量往往需要考虑
散热装置的设计；一旦制动系统
过热失效，设备存在极大安全风险。
发明内容
[0004] 本发明旨在至少解决
现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种电机控制系统的制动装置，能够在不增加系统体积和成本的前提下实现电机制动。
[0005] 本发明还提出一种基于上述制动装置的电机控制系统的制动方法。
[0006] 根据本发明第一方面
实施例的一种电机控制系统的制动装置，包括：
控制器；刹车
开关，和所述控制器连接；运行单元，包括
驱动器、可控电阻组、电机和制动器，所述驱动器的输入端和所述控制器连接，所述刹车开关和所述制动器连接，所述可控电阻包括第一开关和第一级制动电阻，所述第一开关的使能端和所述控制器连接，所述电机通过所述第一开关分别和第一级制动电阻和所述驱动器连接；其中，所述运行单元至少有两个。
[0007] 根据本发明第一方面实施例的一种电机控制系统的制动装置，至少具有如下有益效果：当整机异常断电后，第一开关电气默认将第一级制动电阻接入电机，使电机拖动整机，整机进入被动减速状态，当整机通电异常恢复后，控制器控制刹车开关使能制动器，实现整机被动减速和主动复位。通过电阻和开关这样的高可靠性低成本的元器件，实现整机设备的被动安全和主动恢复，相对传统的刹车制动系统，不需增加体积就可以实现了成本和可靠性的最优化，实现恶劣工作场合的安全性设计方案。
[0008] 根据本发明的一些实施例，所述可控电阻组还包括第二开关和第二级制动电阻，所述第二开关的使能端和所述控制器连接，所述第二级制动电阻通过所述第二开关和所述第一级制动电阻连接。
[0009] 根据本发明的一些实施例，所述第一开关包括第一继电器，所述第一继电器的使能端和所述控制器连接，所述电机通过所述第一继电器的触点分别和所述第一级制动电阻及所述驱动器连接。
[0010] 根据本发明的一些实施例，所述第二开关包括第二继电器，所述第二继电器的使能端和所述控制器连接，所述第二级制动电阻通过所述第二继电器的触点和所述第一级制动电阻连接。
[0011] 根据本发明的一些实施例，所述刹车开关包括第三继电器，所述第三继电器的使能端和所述控制器连接，所述制动器通过所述第三继电器的触点接入制动器的工作电源并形成回路。
[0012] 根据本发明的一些实施例，所述制动器的工作电源包括AC-DC转换模
块，所述AC-DC转换模块用于为所述制动器提供工作
电压。
[0013] 根据本发明第二方面实施例的一种电机控制系统的制动方法，基于本发明实施例第一方面所述的制动装置，包括：当系统供电异常断开时，进行被动减速保护；当单个运行单元中的电机故障时，进行冗余运行；当系统异常断电而又恢复供电时，进行主动制动。
[0014] 根据本发明第二方面实施例的一种电机控制系统的制动方法，具有第一方面所述的制动装置的有益效果，在此不做赘述。
[0015] 根据本发明的一些实施例，所述被动减速保护的步骤包括：每个运行单元中可控电阻组切换为默认状态，第一级制动电阻与电机形成闭合回路，闭合回路将动能转换为热能，整机系统快速减速刹车直至设备停止，或第一级制动电阻发热量与负载做功相平衡的低速运行状态。
[0016] 根据本发明的一些实施例，所述冗余运行的步骤包括：控制器发出控制
信号至可控电阻组的第一开关和第二开关，使故障电机对应运行单元的第二级制动电阻组和第一级制动电阻组
串联后与电机形成闭合回路，正常电机对应的运行单元正常运作。
[0017] 根据本发明的一些实施例，所述主动制动步骤包括：控制器通讯各个运行单元的驱动器，使其恢复待机状态，控制器输出
控制信号控制第一开关，第一级制动电阻断开，电机
短路，进入刹车减速状态，直至刹车力矩再次与负载外力平衡，然后控制器输出控制信号至刹车开关，刹车开关启动制动器闭合刹车，整机停止运动，系统复位。
[0018] 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0019] 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0020] 图1为本发明实施例制动装置的模块
框图；
[0021] 图2为本发明实施例可控电阻组的模块框图；
[0022] 图3为本发明实施例刹车开关的模块框图；
[0023] 图4为本发明实施例电阻三相Y接模型图；
[0024] 图5为本发明实施例等效电路模型图；
[0025] 图6为本发明实施例制动方法的
流程图。
具体实施方式
[0026] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0027] 在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
[0028] 本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
[0029] 一种电机控制系统的制动装置，包括：控制器1；刹车开关2，和所述控制器1连接；运行单元，包括驱动器3、可控电阻组4、电机5和制动器6，所述驱动器3的输入端和所述控制器1连接，所述刹车开关2和所述制动器6连接，所述可控电阻包括第一开关42和第一级制动电阻41，所述第一开关42的使能端和所述控制器1连接，所述电机5通过所述第一开关42分别和第一级制动电阻41和所述驱动器3连接；其中，所述运行单元至少有两个。
[0030] 当整机异常断电后，第一开关42电气默认将第一级制动电阻41接入电机5，使电机5拖动整机，整机进入被动减速状态，当整机通电异常恢复后，控制器1控制刹车开关2使能制动器6，实现整机主动减速和复位。通过电阻和开关这样的高可靠性低成本的元器件，实现整机设备的被动安全和主动恢复，相对传统的刹车制动系统，不需增加体积就可以实现了成本和可靠性的最优化，实现恶劣工作场合的安全性设计方案。
[0031] 在一些实施例中，还可以通过增加第二开关44和第二级制动电阻43，第二开关44将高阻值的第二级制动电阻43连同第一级制动电阻41接入电机5，当单一运行单元中的电机故障，控制器控制第二开关44闭合及第一开关42打开(恢复默认)，使第二级制动电阻43连同第一级制动电阻41接入电机5，电机5即脱离拖动状态，控制器1控制其余运行单元的电机动作，实现整机冗余运行。
[0032] 参见图1、图2和图3，在一些实施例中，控制器1；刹车开关2，和所述控制器1连接；两个并行的运行单元，每个运行单元包括驱动器3、可控电阻组4、电机5和制动器6，所述驱动器3的输入端和所述控制器1连接，所述刹车开关2和所述制动器6连接，所述可控电阻包括第一开关42和第一级制动电阻41、第二开关44和第二级制动电阻43，所述第一开关42的使能端和所述控制器1连接，所述电机5通过所述第一开关42分别和第一级制动电阻41和所述驱动器3连接，第一开关42可以选择将第一级制动电阻41接入电机5形成电机5-电阻放电回路，或将驱动器3接入电机5使电机5正常工作；所述第二开关44的使能端和所述控制器1连接，所述第二级制动电阻43通过所述第二开关44和所述第一级制动电阻41连接，第二开关44可以选择将第二级制动电阻43和第一级制动电阻41串接或者不将第二级制动电阻43接入。在其他实施例中，运行单元的数量可以依据实际所需电机5数量而改变，还可以为3、
4、5等整数。本发明实施例采用的Y-Y接型三相制动电阻-电机5系统，可变换为Y对星接，星对Y接，星对星接的组成系统，线路不同但功能相同。
[0033] 在本发明一些实施例中，第一开关42包括第一继电器，所述第一继电器的使能端和所述控制器1连接，所述电机5通过所述第一继电器的触点分别和所述第一级制动电阻41及所述驱动器3连接。所述第二开关44包括第二继电器，所述第二继电器的使能端和所述控制器1连接，所述第二级制动电阻43通过所述第二继电器的触点和所述第一级制动电阻41连接。第一开关42和第二开关44还可以采用电动开关或单刀双掷开关等。所述刹车开关2包括第三继电器21，所述第三继电器21的使能端和所述控制器1连接，所述制动器6通过所述第三继电器21的触点接入制动器6的工作电源并形成回路。本发明实施例的总供电电源采用AC输入，为系统各个部件供电，所述制动器6的工作电源包括AC-DC转换模块7，所述AC-DC转换模块7用于将AC输入转变为所述制动器6的工作电压。
[0034] 本实施例的工作原理包括：
[0035] 1.整机异常系统断电，控制系统进行被动减速保护：
[0036] (1)设备系统运行中，发生供电突然断开后，则每个运行单元中可控电阻组4切换为默认状态，此时第一继电器及第二继电器关闭；
[0037] (2)默认状态中，第一级制动电阻41与电机5形成闭合回路，负载带动电机5发电，电机5-电阻回路将动能转换为热能，期间可使整机系统快速减速刹车；
[0038] (3)随着设备运转速度降低，经过3个时间常数后，设备动能基本泄放完成后；设备会处于停止，或电阻发热量与负载做功相平衡的低速运行状态。
[0039] 2.整机系统单电机5故障，控制系统进行冗余运行的步骤：
[0040] (1)控制器1通过对驱动器3的监控，实现电机5的故障判断；
[0041] (2)当控制器1发现其中一套伺服电机5出现故障，包括驱动器3断电或故障，输出控制信号；
[0042] a.至故障电机5对应运行单元的可控电阻组4，关闭第一继电器驱动，打开第二继电器驱动；
[0043] b.至正常电机5对应运行单元的可控电阻组4，打开第一继电器驱动。
[0044] (3)故障电机5的运行单元此时，第二级制动电阻43组和第一级制动电阻41组串联后与电机5形成闭合回路。第一级制动电阻41为低值电阻，第二级制动电阻43为高值电阻，其通过限制回路
电流，从而限制电机5制动转矩，至不影响其它电机5的驱动。
[0045] (4)正常电机5的运行单元此时，电机5断开第一级制动电阻41组，连通驱动器3；
[0046] (5)控制器1对正常伺服电机5发出正常运行指令，整机系统即处于冗余运行状态。
[0047] 显而易见地，在一些实施例中可以取消第二级制动电阻43改为UVW三相空接设计，亦可实现单电机5冗余运行；区别是此方案冗余运行时，由于无法提供消隙力矩导致抗扰性能下降。而通过接入第二级制动电阻43，第二级制动电阻43为高值电阻，其通过限制回路电流，从而限制电机5制动转矩，至不影响其它电机5的驱动，抗扰性能好。
[0048] 3.系统异常断电而又恢复供电后，系统带负载情况下主动减速，实现电机控制系统复位。
[0049] (1)由上述可知，断电后，制动系统处于默认状态，继电器1和继电器2均处于打开状态，此时仅第一级制动电阻41与电机5形成闭合回路。
[0050] (2)上电后，控制器1通讯各个运行单元的驱动器3，使其恢复待机状态，即驱动器3端UVW短接。
[0051] (3)控制器1输出控制信号，使第一继电器处于闭合状态，第一级制动电阻41断开，而电机5UVW短路。
[0052] (4)由于电机5内阻极小，电机5短路后即处于刹车减速状态，直至刹车力矩再次与负载外力平衡。
[0053] (5)控制器1输出控制信号，使制动系统刹车开关2中的第三继电器21闭合，制动器6闭合刹车，整机停止运动。制动器6采用的电机5内置的通电使能型保持制动器6，可变换为断电使能型保持制动器6，或者直接外置型的制动刹车器，其制动逻辑原理相同。
[0054] (6)控制器1通讯各个运行单元的驱动器3，命令其状态使能，并输出转矩，设备进入控制运动状态。
[0055] 下面给出本发明实施例的设计原理说明，以便本领域人员实施本发明：
[0056] 第一级制动电阻41的设计原理说明：
[0057] 电阻值是对系统的能量池极大值进行匹配设计；其工作时，实现电机5在额定过载工作范围内系统能量的最大泄放。
[0058] (1)电机5分析模型:
[0059] 电机5的反电动势常数
[0060] 转矩常数
[0061] 转矩常数Kt与反电动势Ke的关系：
[0062] Kt＝√3·Ke 式3
[0063] 线圈内阻为z；
[0064] 过载能力：N倍额定电流的耐受时间为T(s)。
[0065] (3)制动电阻三相Y接模型分析：
[0066] 电阻三相Y接模型图参见图4，
[0067] 相电压 UL线电压：式4
[0068] 相电流， I为线电流，z为内阻，R为制动电阻值式5
[0069] (4)机械运动系统分析
[0070] 系统的转动惯量J(kg·m2)，
[0071] 系统能量E＝ER+EF+Ef；ER转动动量，EF负载做功，Ef
摩擦力做功式6[0072] 转动动量 J—转动惯量，ω-转速式7
[0073] 系统换路时，可等效为图5所示电路模型图。流经制动电阻R的电流I＝i1+i2，i2为机械能量泄放形成的电流，i1为负载克服系统动摩擦力做功形成电流。
[0074] (5)综上，对系统进行动态分析，有以下结论：
[0075] 等效电容
[0076] 等效网络t时刻的电流为： 其中Ut为换路时电压值。
[0077] (6)由上式可知，通过匹配设计制动电阻R值，可实现T时间内电机5最大过载电流，从而实现机械能的最大释放，即所设计系统的最大的减速性能。
[0078] 第二级制动电阻43的设计原理说明：
[0079] 电阻值是对系统最大冗余运行速度和电阻散热结构功率的匹配设计，使冗余电机5产生的反向转矩，不影响正常电机5的驱动动作。
[0080] 制动负载系统电机5固定转速Nx时，线电流有效值：
[0081] R＝R1+R2，R1-第一级制动电阻41，R2-第二级制动电阻43；
[0082]
制动功率P(W): 其中UL＝Ken×Nx；
[0083] 电机5制动负载Tz(％): T-电机5额定转矩，其中
[0084] 由上式可知，已确定第一级制动电阻41R1，电机5制动负载最大限制Tz(设计值如20％)，制动功率限制P(如200W)；则可对第二级制动电阻43R2进行匹配设计。
[0085] 本发明实施例还提出一种电机控制系统的制动方法，基于上述制动装置，参见图6，制动方法包括以下步骤：当系统供电异常断开时，进行被动减速保护；当单个运行单元中的电机5故障时，进行冗余运行；当系统异常断电而又恢复供电时，进行主动制动。
[0086] 进一步，所述被动减速保护的步骤包括：每个运行单元中可控电阻组4切换为默认状态，第一级制动电阻41与电机5形成闭合回路，闭合回路将动能转换为热能，整机系统快速减速刹车直至设备停止，或第一级制动电阻41发热量与负载做功相平衡的低速运行状态。
[0087] 进一步，所述冗余运行的步骤包括：控制器1发出控制信号至可控电阻组4的第一开关42和第二开关44，使故障电机5对应运行单元的第二级制动电阻43组和第一级制动电阻41组串联后与电机5形成闭合回路，正常电机5对应的运行单元正常运作。
[0088] 进一步，所述主动制动步骤包括：控制器1通讯各个运行单元的驱动器3，使其恢复待机状态，控制器1输出控制信号控制第一开关42，第一级制动电阻41断开，电机5短路，进入刹车减速状态，直至刹车力矩再次与负载外力平衡，然后控制器1输出控制信号至刹车开关2，刹车开关2启动制动器6闭合刹车，整机停止运动，系统复位。
[0089] 本实施例的方法实现整机设备的被动安全，主动恢复，以及冗余运行功能。相对传统的刹车制动系统，实现了成本和可靠性的最优化，实现恶劣工作场合的安全性设计方案。
