基于電機(jī)繞組能量自消耗的泵升電壓抑制研究

黃天太

（南京康尼電子科技有限公司，江蘇 南京 210009）

0 引言

電機(jī)廣泛應(yīng)用于各種機(jī)電設(shè)備中，尤其是無(wú)刷直流電機(jī)、永磁同步電機(jī)、三相異步電機(jī)等，目前普遍采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，通過(guò)功率開(kāi)關(guān)管組成的逆變電路實(shí)現(xiàn)控制[1-4]。電機(jī)在實(shí)際工作中往往處于不同的工作狀態(tài)，如加速、減速、快速制動(dòng)、恒速度或恒力矩運(yùn)行，甚至處于釋放狀態(tài)下被外力帶動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)，其中快速制動(dòng)或被外力拖動(dòng)的工況會(huì)導(dǎo)致電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，此時(shí)，其繞組產(chǎn)生再生能量，該能量通過(guò)逆變器中的功率開(kāi)關(guān)管內(nèi)部的體二極管（或外部并聯(lián)的二極管）傳輸至直流母線，流經(jīng)直流母線的儲(chǔ)能電容后返回繞組，形成回路，此過(guò)程會(huì)導(dǎo)致直流母線電壓升高，即形成泵升電壓[5-8]。由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器逆變電路直流母線上一般都有其他電路或器件，泵升電壓過(guò)高而得不到有效的釋放，則會(huì)導(dǎo)致這些電路中的器件因過(guò)壓而擊穿失效，甚至最終引起母線對(duì)地短路，因此，應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)采取有效措施抑制泵升電壓。本文首先簡(jiǎn)要介紹了常規(guī)的幾種泵升電壓的抑制方法及其主要特征，然后提出了一種基于電機(jī)繞組能量自消耗的泵升電壓抑制方法，并分別給出了單獨(dú)軟件和硬件實(shí)現(xiàn)的方案，最后對(duì)兩種實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 常規(guī)的泵升電壓抑制方法

泵升電壓的抑制過(guò)程就是系統(tǒng)再生能量的處理過(guò)程，對(duì)于大功率傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，泵升電壓對(duì)應(yīng)的能量較大，一般把這些電能通過(guò)整流回饋電網(wǎng)，即回饋制動(dòng)[9-13]。而對(duì)于中小功率的傳動(dòng)系統(tǒng)，一般有兩種方式：其一，設(shè)計(jì)泄放電路，當(dāng)泵升電壓高于設(shè)定值時(shí)，將能量通過(guò)功率電阻泄放以熱量的形式消耗，即能耗制動(dòng)。如果頻繁制動(dòng)會(huì)產(chǎn)生較大的熱量，需要考慮系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)；其二，增加母線電容容量，將泵升電壓產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)在電容中，主要目的不是為了利用這個(gè)能量，而是通過(guò)增大電容的容量吸收再生能量，從而抑制泵升電壓上升的幅度和速度，但電容量的增加，會(huì)增加系統(tǒng)的體積和成本，在電容充電過(guò)程中也會(huì)增加系統(tǒng)的涌流[14-15]?；仞佒苿?dòng)需要將再生能量通過(guò)整流電路和軟件控制實(shí)現(xiàn)，電阻消耗的方式需要大功率泄放電阻，母線電容吸收方式需要大容量的電容器，這些方式均需要額外的硬件，甚至軟件的輔助，系統(tǒng)復(fù)雜度和成本均有不同程度增加。

2 基于電機(jī)繞組能量自消耗的泵升電壓抑制

2.1 基于電機(jī)繞組能量自消耗的泵升電壓抑制的基本原理

針對(duì)中小功率的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以通過(guò)電機(jī)繞組能量自消耗的方式對(duì)泵升電壓進(jìn)行抑制，其基本原理是：在電機(jī)產(chǎn)生泵升電壓時(shí)，通過(guò)恰當(dāng)?shù)目刂齐姍C(jī)驅(qū)動(dòng)器逆變電路中功率開(kāi)關(guān)管的狀態(tài)，使電機(jī)繞組兩端直接形成閉合回路，再生能量在電機(jī)繞組上消耗，從而避免了泵升電壓的產(chǎn)生，同時(shí)，繞組中的電流切割磁力線形成阻力，也達(dá)到了制動(dòng)的效果?？梢苑謩e單獨(dú)從軟件和純硬件電路上實(shí)現(xiàn)，不需要額外的整流回饋電路、電阻泄放電路或增加母線儲(chǔ)能電容，特別適用于因快速制動(dòng)或外力拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的泵升電壓的抑制。為簡(jiǎn)化模型，本文以有刷直流電機(jī)為例進(jìn)行分析介紹，對(duì)于無(wú)刷直流電機(jī)、永磁同步電機(jī)和異步電機(jī)等，原理和方法相同。

2.2 軟件抑制方法

直流有刷電機(jī)的控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示，軟件控制信號(hào)H1、H2、L1、L2經(jīng)過(guò)MOSFET Driver（如IR公司的IR2136）后驅(qū)動(dòng)由MOSFET Q1～Q4組成的H橋，軟件采集電機(jī)的電流和速度即可構(gòu)成電流環(huán)和速度環(huán)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。正常情況下，假設(shè)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，Q2載波，Q3持續(xù)導(dǎo)通，此時(shí)通過(guò)控制Q2載波的占空比即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度和轉(zhuǎn)矩的控制。

如果在電機(jī)正常運(yùn)行過(guò)程中需要快速制動(dòng)，或電機(jī)處于釋放狀態(tài)（電機(jī)處于自由狀態(tài)，Q1～Q4均處于關(guān)閉狀態(tài)）有外力拖動(dòng)，此時(shí)電機(jī)會(huì)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)，電機(jī)繞組產(chǎn)生的電流經(jīng)由D2-＞C1-＞Rs-＞D3返回，此過(guò)程中產(chǎn)生的電能會(huì)通過(guò)H橋逆變電路對(duì)直流母線電容C1充電，形成泵升電壓。

圖1 軟件控制方式抑制泵升電壓的電流回路Fig.1 Circuit loop of bumping voltage suppression by software

此種情況下，如圖2所示，可以將逆變電路H橋上管Q1、Q2配置為關(guān)閉模式，下管Q4設(shè)置載波工作模式，在Q4載波周期的導(dǎo)通期間，電機(jī)產(chǎn)生的發(fā)電電流經(jīng)繞組至Q4-＞D3返回電機(jī)繞組，電流在繞組上消耗；在Q4載波周期的截止期間，電機(jī)繞組產(chǎn)生的電流經(jīng)由 D2-＞C1-＞Rs-＞D3 返回電機(jī)繞組，向直流母線電容C1充電，因此，可將部分電機(jī)發(fā)電產(chǎn)生的能量消耗在電機(jī)繞上，從而達(dá)到抑制泵升電壓的目的。實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)調(diào)節(jié)Q4的占空比，使逆變電路直線母線電壓限制在設(shè)定的上下限范圍內(nèi)（上限V_upper，下限V_lower），達(dá)到良好的泵升電壓抑制效果，同時(shí)保持合適的電機(jī)制動(dòng)力。

圖2 軟件控制方式抑制泵升電壓的工作時(shí)序圖Fig.2 Sequence chart of bumping voltage suppression by software

2.3 純硬件抑制方法

如圖3所示，采用純硬件的方式，利用電機(jī)繞組自身消耗電機(jī)發(fā)電產(chǎn)生的能量。在逆變電路H橋開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)器（MOSFET Driver，如IR公司的IR2136，輸入低有效)前增加一個(gè)數(shù)據(jù)收發(fā)器（Bus Transceiver，如TI公司的SN74ACT245，由5 V電源供電，通過(guò)控制其使能信號(hào)En為低電平或高電平，可使其工作在導(dǎo)通狀態(tài)和高阻狀態(tài)），設(shè)置為數(shù)據(jù)從A至B，En為使能端，En為低時(shí)，數(shù)據(jù)從A-＞B，En為高時(shí)，輸出為高阻態(tài)。逆變電路H橋的直流母線電壓經(jīng)采樣分壓后輸入滯環(huán)電壓比較器（Hysteresis Comparator），設(shè)定滯緩電壓比較器參考輸入端電壓上限為V_upper，下限為V_lower，即允許的泵升電壓上限為V_upper。

圖3 純硬件方式抑制泵升電壓的電流回路Fig.3 Circuit loop of bumping voltage suppression by hardware

工作過(guò)程如圖4所示：當(dāng)有外力拖動(dòng)電機(jī)發(fā)電時(shí)，電機(jī)繞組產(chǎn)生的電流經(jīng)由D2-＞C1-＞Rs-＞D3返回電機(jī)繞組形成閉合回路，此過(guò)程中產(chǎn)生的電能會(huì)通過(guò)H橋逆變電路對(duì)直流母線電容C1充電，形成泵升電壓，直流母線V_Bus電壓上升，當(dāng)其電壓上升至V_upper時(shí)，比較器反轉(zhuǎn)，輸出高電平給數(shù)據(jù)收發(fā)器的En端，數(shù)據(jù)收發(fā)器將 H1、H2、L1、L2與軟件信號(hào) HIN1、HIN2、LIN1、LIN2斷開(kāi)，H1、H2狀態(tài)由上拉電阻確定，為高電平，L1、L2狀態(tài)由下拉電阻確定，為低電平，此時(shí)，H橋逆變電路的下管Q3、Q4處于導(dǎo)通狀態(tài)，上管Q1、Q2處于截止?fàn)顟B(tài)，電機(jī)繞組發(fā)電產(chǎn)生的電流將經(jīng)由Q4-＞D3返回電機(jī)繞組形成閉合回路，再生能量消耗在電機(jī)繞組上，不再為直流母線的電容充電，因此不會(huì)產(chǎn)生泵升電壓，直流母線電壓隨著其他電路的緩慢消耗下降，當(dāng)其下降至設(shè)定值V_lower下時(shí)，滯環(huán)電壓比較器再次發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出低電平給En，恢復(fù)軟件信號(hào)HIN1、HIN2、LIN1、LIN2對(duì)H橋的控制。系統(tǒng)可反復(fù)在兩種模式下切換，使直流母線的電壓始終不超過(guò)設(shè)定允許值V_upper，從而達(dá)到抑制泵升電壓的效果。

圖4 純硬件方式抑制泵升電壓的工作時(shí)序圖Fig.4 Sequence chart of bumping voltage suppression by hardware

2.4 兩種實(shí)現(xiàn)方式的對(duì)比分析

利用電機(jī)繞組能量自消耗的方式抑制泵升電壓的兩種方案在電路硬件上都較為簡(jiǎn)單，軟件控制實(shí)現(xiàn)方案中將下管（Q4） 的工作模式調(diào)整為完全導(dǎo)通，則與純硬件的方案等效。硬件實(shí)現(xiàn)方案具備更高的可靠性，而軟件實(shí)現(xiàn)方案具備更高的靈活性。

系統(tǒng)初始化啟動(dòng)軟件尚未完成配置的階段，或者運(yùn)行異常甚至死機(jī)無(wú)法控制逆變電路的開(kāi)關(guān)管，此時(shí)若產(chǎn)生泵升電壓，軟件實(shí)現(xiàn)方式將無(wú)法抑制，純硬件的方案通過(guò)硬件電路的檢測(cè)和控制，一旦泵升電壓超出設(shè)定值，則強(qiáng)行切換至繞組的能量自消耗模式，抑制泵升過(guò)高導(dǎo)致系統(tǒng)其它器件或電路失效，這種場(chǎng)合適合采用硬件實(shí)現(xiàn)方案。

在某些機(jī)電系統(tǒng)中，電機(jī)處于釋放狀態(tài)需要外力拖動(dòng)的場(chǎng)合，如設(shè)備故障需要外力復(fù)位電機(jī)驅(qū)動(dòng)的終端機(jī)械裝置，此時(shí)，在外力復(fù)位時(shí)會(huì)產(chǎn)生泵升電壓，采用純硬件的方式可能會(huì)出現(xiàn)阻力很大，需緩慢拖動(dòng)才可復(fù)位甚至無(wú)法復(fù)位，此時(shí)如果采用軟件抑制方式，則可控性較好，可以在外力拖動(dòng)電機(jī)的阻力與泵升電壓大小之間形成良好的平衡，這種場(chǎng)合適合采用軟件實(shí)現(xiàn)方案。

3 結(jié)論

基于電機(jī)繞組能量自消耗的泵升電壓抑制，可分別單獨(dú)通過(guò)軟件對(duì)逆變電路開(kāi)關(guān)管的控制以及純硬件兩種方案實(shí)現(xiàn)，硬件電路簡(jiǎn)單，便于實(shí)施，相較于常規(guī)的泵升電壓抑制方法在某些應(yīng)用中具有良好的實(shí)用價(jià)值。