技术领域
[0001] 本
发明涉及制动技术，特别涉及一种能耗制动方法及装置。
背景技术
[0002] 目前
变频器能耗制动主要有两种方法：(1)通过制动
电阻进行制动；(2)使用直流制动方式进行制动。第一种方法需要增加外围器件，增加成本，同时降低了系统整体的可靠性；第二种方法制动效果不是特别明显，而且只能在低频状态下使用，同时该方法将
能量全部消耗到
电机上，会影响电机寿命。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于提供一种能耗制动方法及装置，使得可以在不增加外围器件的条件下可以对电机进行制动，节约成本；同时，还可以在全
频率段对电机进行制动，实用性强；且制动速度快，可以延长电机寿命。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种能耗制动方法，包含以下步骤：
[0005] 用户预先设置变频器的制动控
制模式；其中，所述制动控制模式为矢量制动模式或者标量制动模式；
[0006] 判断预设的制动控制模式是否为所述矢量制动模式；
[0007] 若是，则进入所述矢量制动模式，对电机进行矢量制动；若否，则进入所述标量制动模式，对所述电机进行标量制动。
[0008] 本发明还提供了一种能耗制动装置，包含：变频器；
[0009] 其中，所述变频器包含：设置模
块、判断模块、矢量制动模块与标量制动模块；
[0010] 所述设置模块，用于预先设置变频器的制动控制模式；其中，所述制动控制模式为矢量制动模式或者标量制动模式；
[0011] 所述判断模块，用于判断预设的制动控制模式是否为所述矢量制动模式；若是，则触发所述矢量制动模块，对电机进行矢量制动；若否，则触发所述标量制动模块，对所述电机进行标量制动。
[0012] 本发明实施方式相对于
现有技术而言，可以不增加外围器件，利用变频器作为能耗制动装置，对电机进行制动，从而使得节约了成本；而且，用户可以预先设置变频器的制动控制模式，其中，制动控制模式为矢量制动模式或者标量制动模式；无论是矢量制动模式还是标量制动模式，电机都将部分能量输出至能耗制动装置，能耗制动装置与电机共同消耗能量直至完成对电机的制动，比由电机单独进行能量消耗的制动速度快，且由能耗制动装置消耗掉部分能量，可以减少电机消耗的能量，延长电机的寿命；同时，能耗制动装置还可以在全频率段对电机进行制动，提升了能耗制动装置的实用性。这样，本发明可以在不增加外围器件的条件下可以对电机进行制动，节约成本；同时，还可以在全频率段对电机进行制动，实用性强，且制动速度快，可以延长电机的寿命。
[0013] 另外，在所述进入所述矢量制动模式，对电机进行矢量制动的步骤中，包含以下子步骤：
[0014] 由制动转矩
控制器根据预先设置的目标控制物理量与该物理量的反馈量进行闭环运算，并生成输出反向制动转矩；
[0015] 由转矩
限幅控制器对所述输出反向制动转矩进行限幅，并生成转矩
电流Iqref；
[0016] 由转矩电流控制器根据所述Iqref生成q轴
输出电压Uq；其中，所述q轴为转矩电流的同步选择轴；
[0017] 由励磁电流调节器根据所述Iqref动态调整励磁电流并产生最大的输出励磁电流Idref；
[0018] 由励磁电流控制器根据所述Idref生成d轴输出电压Ud；其中，所述d轴为磁链电流同步旋
转轴；
[0019] 由
编码器实时监测所述电机的转速SPDfdb并计算电
角度θ；或由无速
传感器实时预估所述电机的转速SPDfdb并计算所述电角度；
[0020] 由脉冲宽度
调制器PWM根据所述Uq、所述Ud与所述θ进行矢量运算生成
三相电压，对所述电机进行矢量制动。
[0021] 由于励磁电流调节器动态调整励磁电流并产生最大的输出励磁电流Idref，使得电机电流到达最大值，同时一定程度增加电流的谐波，使电机更大程度地消耗能量，进一步
加速了对电机的制动。
[0022] 另外，在所述用户预先设置变频器的制动控制模式的步骤之前，还包含以下步骤：切换至预设的调制模式。另外，所述调制模式为七段式调制模式。由于七段式模式每个
开关器件在一个开关周期内都会开关一次，这样可以更大程度地消耗能量，所以可以进一步加速对电机的制动。
[0023] 另外，在所述切换至预设的调制模式的步骤之前，还包含以下步骤：提升所述变频器的开关频率。提升变频器的开关频率，开关器件发热就会变大，这样，可以更大程度地消耗能量，所以可以进一步加速对电机的制动。
附图说明
[0024] 图1是根据本发明第一实施方式的能耗制动方法
流程图；
[0025] 图2是根据本发明第一实施方式中的控制制动的方法流程图；
[0026] 图3是根据本发明第二实施方式的能耗制动方法流程图；
[0027] 图4是根据本发明第三实施方式中的矢量制动模式流程图；
[0028] 图5是根据本发明第三实施方式中的能耗
制动系统的结构示意图；
[0029] 图6是根据本发明第三实施方式中的具有旁路功能的能耗制动系统的结构示意图；
[0030] 图7是根据本发明第四实施方式中的标量制动模式流程图；
[0031] 图8是根据本发明第五实施方式的能耗制动装置的结构示意图；
[0032] 图9是根据本发明第六实施方式的能耗制动装置的结构示意图；
[0033] 图10是根据本发明第七实施方式中的矢量制动模块的结构示意图；
[0034] 图11是根据本发明第八实施方式中的标量制动模块的结构示意图。
具体实施方式
[0035] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本
申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和
修改，也可以实现本申请各
权利要求所要求保护的技术方案。
[0036] 本发明的第一实施方式涉及一种能耗制动方法，具体流程如图1所示，包含以下步骤：
[0037] 步骤101，用户预先设置变频器的制动控制模式。其中，制动控制模式为矢量制动模式或者标量制动模式。具体地说，在本实施方式中，将变频器作为能耗制动装置，不需要增加
外围设备，且变频器对电机的的制动控制模式包含两种，分别为矢量制动模式和标量制动模式。在实际应用时，用户(使用者)选择合适的制动控制模式并预先设置好。这样，可以在全频率段对电机进行制动，提升了能耗制动方法的实用性。
[0038] 步骤102，判断预设的制动控制模式是否为矢量制动模式。若是，则执行步骤103；若否，则执行步骤104。
[0039] 步骤103，进入矢量制动模式，对电机进行矢量制动。当预设的制动控制模式为矢量制动模式时，便进入矢量制动模式，对电机进行矢量制动。在进行矢量制动时，由变频器内置的脉冲宽度调制器(PWM)对获取的q轴输出电压(Uq)、d轴输出电压(Ud)与电角度(θ)进行矢量运算并生成三相电压，对电机进行控制。其中，q轴为转矩电流的同步选择轴，d轴为磁链电流同步
旋转轴。在矢量制动过程中，电机把部分能量输出至变频器，变频器与电机共同消耗能量，直至完成对电机的制动。这样，比由电机单独进行能量消耗的制动速度快；且由能耗制动装置消耗掉部分能量，可以减少电机消耗的能量，延长电机的寿命。
[0040] 步骤104，进入标量制动模式，对电机进行标量制动。当预设的制动控制模式不为矢量制动模式时，便进入标量制动模式，对电机进行标量制动。在进行标量制动时，由变频器内置的脉冲宽度调制器(PWM)对获取的当前运行速度(f(k))与调制度(m)进行标量运算并生成三相电压，对电机进行控制。在标量制动过程中，电机也把部分能量输出至变频器，变频器与电机共同消耗能量，直至完成对电机的制动。这样，比由电机单独进行能量消耗的制动速度快；且由能耗制动装置消耗掉部分能量，可以减少电机消耗的能量，延长电机的寿命。
[0041] 值得一提的是，在本实施方式中，还涉及一种控制制动的方法，具体流程如图2所示，包含以下步骤：
[0042] 步骤201，切断电源开关。该电源为电机提供能量，可以是市电
电网。在制动时切断电源开关，可以避免电网输入能量。
[0043] 步骤202，进入制动模式。在本步骤中，包含步骤101～104等子步骤。
[0044] 步骤203，判断是否完成制动。若是，则执行步骤204；若否，则执行步骤202，直至电机的速度为0或低于设定的速度。当电机的速度为0或低于设定的速度时，完成制动过程。
[0045] 步骤204，退出制动模式。
[0046] 在对电机制动前先切断电源开关，可以避免电网输入能量影响制动。
[0047] 与现有技术相比，可以不增加外围器件，利用变频器作为能耗制动装置，对电机进行制动，从而使得节约了成本；而且，用户可以预先设置变频器的制动控制模式，无论是矢量制动模式还是标量制动模式，电机都将部分能量输出至能耗制动装置，能耗制动装置与电机共同消耗能量直至完成对电机的制动，比由电机单独进行能量消耗的制动速度快，且由能耗制动装置消耗掉部分能量，可以减少电机消耗的能量，延长电机的寿命；同时，能耗制动装置还可以在全频率段对电机进行制动，提升了能耗制动装置的实用性。
[0048] 本发明的第二实施方式涉及一种能耗制动方法，具体流程如图3所示。第二实施方式在第一实施方式的
基础上作了进一步改进，主要改进之处在于：在本发明第二实施方式中，先提升变频器的开关频率，并使用损耗更大的调制模式，使电机更大程度消耗能量，进一步加速对电机的制动。
[0049] 具体地说，在本实施方式中，包含以下步骤：
[0050] 步骤301，提升变频器的开关频率。其中，变频器的开关可以以一定频率导通或关断。通过提升变频器的开关频率，开关器件发热就会变大，这样，可以更大程度地消耗能量(这是由开关器件(比如IGBT(绝缘栅双极型晶体管)等)决定的)，所以可以进一步加速对电机的制动。
[0051] 步骤302，切换至预设的调制模式。在本实施方式中，调制模式可以为七段式调制模式。根据对电机的制动要求，选择合适的调制模式并切换至预先设置好的调制模式，比如说，预设的调制模式为七段式调制模式，由于七段式模式每个开关器件在一个开关周期内都会开关一次(而有些调试模式，如五段式调制，有两个开关器件<上下桥>在一个开关周期内是不动作的，如此，开关器件耗能就会减少一些)，这样，可以更大程度地消耗能量，所以可以进一步加速对电机的制动。
[0052] 需要说明的是，不同调制模式会让开关器件在一个开关周期里有不同的开关次数和开通时间，根据开关器件(如IGBT)特性，开关次数越多、开通时间越长，就使得开关器件
散热越大。
[0053] 步骤303，用户预先设置变频器的制动控制模式。本步骤与第一实施方式中的步骤101类似，在此不再赘述。
[0054] 步骤304，判断预设的制动控制模式是否为矢量制动模式。若是，则执行步骤305；若否，则执行步骤306。
[0055] 步骤305，进入矢量制动模式，对电机进行矢量制动。本步骤与第一实施方式中的步骤103类似，在此不再赘述。
[0056] 步骤306，执行标量制动模式，对电机进行标量制动。本步骤与第一实施方式中的步骤104类似，在此不再赘述。
[0057] 在本实施方式中，提升变频器的开关频率，并切换至预设的调制模式(如7段式调试模式)可以更大程度地消耗能量，进一步加速对电机的制动。
[0058] 本发明第三实施方式涉及一种能耗制动方法。第三实施方式为第一实施方式的进一步细化，给出了具体的能耗制动方法。在本发明的第三实施方式中，给出了矢量制动模式的具体方法，具体流程如图4所示，保证了本发明实施方式的可行性。
[0059] 在本实施方式中，以图5所示的系统结构为例进行说明。其中，K1为电源开关，可以手动控制，系统不能控制；变频器的输入电压为380V，不可控整流对应
母线电压为540V，当母线电压超过800V时进行过压保护。
[0060] 具体地说，矢量制动模式包含以下步骤：
[0061] 步骤401，由制动转矩控制器根据预先设置的目标控制物理量与该物理量的反馈量进行闭环运算，并生成输出反向制动转矩。在本实施方式中，目标控制物理量为母线电压(Udcref)，母线电压反馈量记为Udcfdb。比如，可以预先设置目标控制母线电压为700V，以当前母线电压值作为制动转矩控制器的反馈量，进行闭环运算并产生输出反向制动转矩(Troq)。
[0062] 步骤402，由转矩限幅控制器对输出反向制动转矩进行限幅，并生成转矩电流(Iqref)。转矩限幅控制器将制动转矩控制器输出的输出反向制动转矩(简称，输出转矩)进行限幅处理，确定转矩电流(Iqref)(即等效输出转矩)并输出至转矩电流控制器。其中，转矩限幅控制器根据工艺、要求以及机械结构，确定最大输出反向制动转矩，当制动转矩控制器要求的输出反向制动转矩超过允许的最大输出反向制动转矩时，就限制转矩的增加，以产生允许的最大输出反向制动转矩。
[0063] 步骤403，由转矩电流控制器根据Iqref生成q轴输出电压(Uq)；其中，q轴为转矩电流的同步选择轴。
[0064] 步骤404，由励磁电流调节器根据Iqref动态调整励磁电流并产生最大的输出励磁电流(Idref)。励磁电流调节器是根据输出转矩(或者Iqref)动态调整励磁电流，以此达到输出最大电流的目的，其中， Ies为用户为系统设定的直流制动时输出电流，一般不超过变频器(或电机)额定电流(该限制主要出于安全无故障运行的考虑)，Ies越大耗能越大。另外，励磁电流调节器本身带有励磁电流的上下限幅，可以防止磁饱和或欠励磁。
[0065] 由于励磁电流调节器可以动态调整励磁电流并产生最大的输出励磁电流(Idref)，使得电机电流到达最大值，同时一定程度增加电流的谐波，使电机可以更大程度地消耗能量，进一步加速了对电机的制动。
[0066] 步骤405，由励磁电流控制器根据Idref生成d轴输出电压(Ud)；其中，d轴为磁链电流同步旋转轴。
[0067] 步骤406，由编码器实时监测电机的转速(SPDfdb)并计算电角度(θ)。或者，由无速传感器实时预估电机的转速SPDfdb并计算电角度。
[0068] 步骤407，由脉冲宽度调制器(PWM)根据Uq、Ud与θ进行矢量运算生成三相电压，对电机进行矢量制动。本实施方式中的矢量运算与传统矢量运算一致，在此不再赘述。
[0069] 到此为止，矢量制动模式介绍完毕。
[0070] 需要说明的是，在本实施方式中，还包含以下步骤：由变频器内置的电流转换器(abc-dq)将电机的
采样电流Ia、Ib、Ic变换为当前励磁电流Idfdb与当前转矩电流Iqfdb，并分别反馈至励磁电流控制器与转矩电流控制器。这种坐标变换是矢量控制的基础，因为矢量控制的理论依据是将交流电机解耦成直流电机，如此就会有励磁电流和转矩电流两个互相垂直的量，其可以直观地在dq
坐标系中体现。
[0071] 值得一提的是，图5所示的系统结构只是一种具体实现方式，在实际应用中，还可以采用图6所示的具有旁路功能的系统。在很多变频器应用场合，当运行中的变频器出现故障或其他特殊情况时，为了不影响正常作业流程，需要将电机切换至工频状态下运行。如当运行中的变频器出现故障后，断开开关K1、K2，延时一小段时间，等电机反电动势消失后，再连入K3，从而实现自动系统旁路。其中，K1、K2、K3是开关装置，如
真空接触器等，该装置可以是手动控制，也可以是系统自动控制。
[0072] 本发明第四实施方式涉及一种能耗制动方法。第四实施方式为第一实施方式的进一步细化，给出了具体的能耗制动方法。在本发明的第四实施方式中，给出了标量制动模式的具体方法，具体流程如图7所示，保证了本发明实施方式的可行性。
[0073] 在本实施方式中，同样以图5所示的系统结构为例进行说明。变频器的输入电压为380V，不可控整流对应母线电压为540V，当母线电压超过800V时进行过压保护。
[0074] 具体地说，标量制动模式包含以下步骤：
[0075] 步骤701，由加速度闭环控制器根据预先设置的第一目标控制物理量与该物理量的反馈量进行反馈运算，并生成加速度(a)。其中，第一目标控制物理量为母线电压(Udcref)，母线电压的反馈量记为Udcfdb；此处加速度(a)是负值，也可以理解为减速时间。比如说，可以预先设定目标控制母线电压为700V，以当前母线电压值作为加速度闭环控制器的反馈量，进行闭环运算，并输出加速度(或者减速时间)。其中，母线电压需要超过变频器空载时不可控
整流桥输出的电压峰值(即网侧线电压峰值)，并在在母线电容能够承受的范围内。
[0076] 步骤702，由速度计算器根据上一时刻转速(f(k-1))与a计算当前时刻转速(f(k))。其中，转速也可以是频率。具体地说，速度计算器根据加速度闭环控制器输出的加速度(或者减速时间)，结合前一时刻转速(f(k-1))(或者频率)，计算当前运行速度(f(k))(或者频率)，以此作为标量制动所需的转速(或者频率)。
[0077] 步骤703，由电流闭环控制器根据预先设置的第二目标控制物理量及该物理量的反馈值进行闭环运算，生成调制度(m)。其中，第二目标控制物理量为当前的变频器的输出电流有效值(Iref)，输出电流有效值的反馈量记为Ifdb。具体地说，预先设定电流闭环控制器的目标输出电流为96％的电机额定电流，以当前变频器输出电流有效值作为电流闭环控制器的反馈量，进行闭环运算，并输出标量制动所需的调制度(m)。
[0078] 步骤704，由脉冲宽度调制器(PWM)根据m与f(k)进行标量运算生成三相电压，对电机进行标量制动。PWM根据调制度(m)与当前转速(f(k))(或者频率)，生成所需的三相电压(Uu、Uv、Uw)，对电机进行标量制动。
[0079] 到此为止，标量制动模式介绍完毕。
[0080] 在标量制动模式中，首先，通过调整减速度控制母线电压，避免减速过程中电网继续往变频器和电机输送能量；其次，通过调整调制度(m)，使得输出的电流尽可能大，则会2
更大程度增加电机的
铜损、
铁损以及开关器件的发热(由电机特性决定，简单而言即是IR，其中，I是电流，R是电机等效的电阻)，所以标量制动模式下，本方法能更大程度加快电机
动能的损耗(转
化成电能(母线电容电压升高)，转化成
热能(电机发热、变频器开关器件发热等))，以达到更快制动的效果。
[0081] 上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本
专利的保护范围内；对
算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。
[0082] 本发明的第五实施方式涉及一种能耗制动装置，包含：变频器；其中，变频器包含：设置模块、判断模块、矢量制动模块与标量制动模块，具体如图8所示。
[0083] 设置模块，用于预先设置变频器的制动控制模式；其中，制动控制模式为矢量制动模式或者标量制动模式。
[0084] 判断模块，用于判断预设的制动控制模式是否为矢量制动模式；若是，则触发矢量制动模块，对电机进行矢量制动；若否，则触发标量制动模块，对电机进行标量制动。
[0085] 不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的系统
实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。
[0086] 本发明的第六实施方式涉及一种能耗制动装置，具体结构如图9所示。第六实施方式在第五实施方式的基础上作了进一步改进，主要改进之处在于，在本发明第六实施方式中，还包含：开关频率提升模块与调制模式切换模块，使电机更大程度消耗能量，进一步加速对电机的制动。
[0087] 具体地说，开关频率提升模块，用于提升变频器的开关频率。
[0088] 调制模式切换模块，用于切换至预设的调制模式。其中，调制模式为七段式调制模式。
[0089] 由于第二实施方式与本实施方式相互对应，因此本实施方式可与第二实施方式互相配合实施。第二实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，在第二实施方式中所能达到的技术效果在本实施方式中也同样可以实现，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第二实施方式中。
[0090] 本发明第七实施方式涉及一种能耗制动装置。第七实施方式为第五实施方式的进一步细化，给出了矢量制动模块的具体结构，如图10所示，保证了本发明实施方式的可行性。
[0091] 具体地说，矢量制动模块包含：制动转矩控制器、转矩限幅控制器、转矩电流控制器、励磁电流调节器、励磁电流控制器、编码器或者无速传感器、与脉冲宽度调制器。
[0092] 制动转矩控制器，用于根据预先设置的目标控制物理量与该物理量的反馈量进行闭环运算，并生成输出反向制动转矩。
[0093] 转矩限幅控制器，用于对输出反向制动转矩进行限幅，并生成转矩电流(Iqref)。
[0094] 转矩电流控制器，用于根据Iqref生成q轴输出电压(Uq)；其中，q轴为转矩电流的同步选择轴。
[0095] 励磁电流调节器，用于根据Iqref动态调整励磁电流并产生最大的输出励磁电流(Idref)。
[0096] 励磁电流控制器，用于根据Idref生成d轴输出电压(Ud)；其中，d轴为磁链电流同步旋转轴。
[0097] 编码器，用于实时监测电机的转速(SPDfdb)并计算电角度(θ)。或者，无速传感器，用于实时预估电机的转速SPDfdb并计算电角度。
[0098] 脉冲宽度调制器(PWM)，用于根据Uq、Ud与θ进行矢量运算生成三相电压，对电机进行矢量制动。
[0099] 由于第三实施方式与本实施方式相互对应，因此本实施方式可与第三实施方式互相配合实施。第三实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，在第三实施方式中所能达到的技术效果在本实施方式中也同样可以实现，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第三实施方式中。
[0100] 本发明第八实施方式涉及一种能耗制动装置。第八实施方式为第五实施方式的进一步细化，给出了标量制动模块的具体结构，如图11所示，保证了本发明实施方式的可行性。
[0101] 具体地说，标量制动模块包含：加速度闭环控制器、速度计算器、电流闭环控制器与脉冲宽度调制器。
[0102] 加速度闭环控制器，用于根据预先设置的第一目标控制物理量与该物理量的反馈量进行反馈运算，并生成加速度(a)。
[0103] 速度计算器，用于根据上一时刻转速(f(k-1))与a计算当前时刻转速(f(k))。
[0104] 电流闭环控制器，用于根据预先设置的第二目标控制物理量及该物理量的反馈值进行闭环运算，生成调制度(m)。
[0105] 脉冲宽度调制器(PWM)，用于根据m与f(k)进行标量运算生成三相电压，对电机进行标量制动。
[0106] 由于第四实施方式与本实施方式相互对应，因此本实施方式可与第四实施方式互相配合实施。第四实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，在第四实施方式中所能达到的技术效果在本实施方式中也同样可以实现，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第四实施方式中。
[0107] 本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
