智能電壓跟隨制動裝置的設計

王占友何琳

（海軍工程大學振動與噪聲研究所船舶振動噪聲重點實驗室武漢430033）

智能電壓跟隨制動裝置的設計

王占友何琳

（海軍工程大學振動與噪聲研究所船舶振動噪聲重點實驗室武漢430033）

電阻耗能制動在電機拖動系統有著廣泛的應用。但在以電池供電的電機拖動系統中，供電系統的母線電壓會隨著電池電量的下降而下降，而電機拖動系統又具有寬電壓范圍工作的特性，從而導致定電壓耗能制動控制系統不能很好地隨著母線電壓的下降及時起到控制母線電壓驟升的作用。針對這種情況，論文提出了一種智能電壓跟隨制動方案，能夠實時檢測判斷直流母線電壓，動態跟蹤母線電壓的變化，及時調整耗能制動保護電壓閾值，從而達到動態保護電機拖動系統的目的。結果表明，論文提出的智能電壓跟隨制動方案，能夠有效解決定電壓耗能制動控制系統存在的不足，在寬母線電壓范圍內能夠很好地起到保護電機驅動系統的作用。

耗能制動；智能電壓跟隨；電機驅動器

Class NumberTP23

1 引言

現代電力電子技術獲得了長足的發展，逆變器、伺服驅動器等在電機拖動系統中獲得了廣泛的應用，并且均配有制動系統［1～7］。電機驅動系統的供電一般分為兩類，一類是恒定電壓供電，例如市電220V和380V供電的電機拖動系統，這類系統的特點是供電電壓恒定，電壓波動不大；另一類是電池供電的電機驅動系統，這類系統的特點是供電的電壓會由于電池能量的損耗逐漸降低，只有當電池的電壓下降到一定程度時，驅動器才停止工作，而電機驅動器和電機可以在這個寬電壓范圍內正常工作［8～10］。在這兩類系統中，電機均在電動機狀態和發電機狀態兩種工作狀態下切換，當拖動系統處于驅動狀態時，電機工作在電動機狀態，電能由電源流向電動機，當拖動系統處于制動狀態時，電機工作在發電機狀態，此時電能由電機流向驅動器，形成的回饋電流會通過驅動器開關管的吸收回路流向直流母線，如圖1所示，對母線的支撐電容短時間內快速充電，電容的電荷快速增多，造成直流母線電壓快速上升，如果不及時將過剩的電能釋放掉，極有可能威脅電機控制器的安全，甚至燒毀電機控制器。

但目前市場上只有放電電壓閾值恒定的耗能制動裝置，當把這種制動裝置應用于變電壓供電系統時，由于保護電壓閾值恒定，只能按最高電壓來確定，當母線電壓下降較多時，這種耗能制動裝置就不能夠及時反應母線電壓的快速上升，不能及時將母線電壓控制在母線電壓的當前水平，會造成母線電壓的快速上升，當上升到母線電壓原有的最大值時，才啟動放電保護，耗掉過剩的電能，這會造成母線電壓在短時間內大范圍地變化，極有可能威脅系統的安全，造成系統工作的不穩定，因此需要研制一種電壓跟隨制動裝置來解決該問題。

2 總體方案

智能電壓跟隨制動裝置如圖2所示。該單元由隔離濾波模塊，母線電壓、電流采樣模塊，功率管溫度采樣模塊，信號采集調理模塊，過壓、過流、過溫保護模塊，通信模塊，驅動模塊，看門狗模塊，中央處理器模塊，制動單元主回路模塊組成。

中央處理器模塊是整個裝置的核心，負責采集母線電壓、電流的數值，判斷直流母線的當前最新狀態，及時修正放電的電壓閾值，實現對直流母線電壓的動態跟蹤；處理過壓、過流及過溫信號，及時啟動保護機制，防止燒毀裝置；當系統確認直流母線過壓時，啟動放電系統，防止母線電壓的過度上升；通過總線與整個控制系統通信，及時將電壓、電流及本裝置的一些狀態參數傳送給整個控制系統，實現信息共享。

當前母線電壓的獲取采用雙冗余的方案，即通過兩種方法獲得母線的當前電壓，可有效防止由于一些故障導致母線電壓的漏判及誤判。兩種方法為

1）制動單元通過采樣電流信號來判斷電機的工作狀態，當電流正向流動時，即電流采樣值為正時，說明當電機處于電動機狀態，此時存儲當前電壓值V1作為計算放電電壓的閾值的基值，放電電壓的計算公式為

2）通過驅動器判斷電機的工作狀態，通過總線讀取驅動器測得的母線電壓作為當前直流母線電壓值V2。

中央處理器通過對比V1和V2的大小及前一時刻的值，確定當前母線的電壓值。

1）采樣電路的設計

電壓和電流的采樣采用電流型霍爾傳感器，實現強電和弱電的分離，同時由于電流型傳感器具有更好的抗干擾能力，可有效提高系統的抗干擾能力，保證系統的安全。由于霍爾傳感器輸出的是電流，需要將電流信號轉換為弱電壓信號，再通過放大調理，將傳感器的信號送到中央處理器的A/D轉換模塊，實現信號的數據采集。具體電路如圖3所示。

圖中的電阻R1將霍爾傳感器輸出的電流信號轉換為電壓信號后，輸入信號幅值調理電路，調理電路由兩個反相器組成，第一個反相器調理信號的大小，第二個反相器增益為1，主要功能是將第一級輸出的信號再反相還原，最后送到處理器的A/D進行采集。如果采樣電壓信號，只需將圖2中的電阻R1去掉即可。

2）制動單元主回路的設計

制動單元主回路設計為斬波電路的形式，如圖4所示，圖中R是耗能電阻，D是續流二極管，開關管選擇IGBT。其工作原理為當控制電路得到啟動信號后，通知驅動電路發出高頻方波信號控制IGBT的開關，當IGBT導通時，母線通過制動電阻和開關管形成導通回路，電能消耗在電阻上，當IGBT關閉時，二極管D與制動電阻形成閉合回路，開始續流，防止電壓過高燒毀IGBT。IGBT兩端并聯無感電容，形成吸收回路，吸收電壓尖峰，防止IGBT被擊穿。

3）驅動電路的設計

驅動電路采用UC3843B設計。該芯片是高性能固定頻率電流模式控制器，專為離線和直流至直流變換器應用而設計，具有可微調的振蕩器、能進行精確的占空比控制、溫度補償的參考、高增益誤差放大器、電流取樣比較器和大電流圖騰柱式輸出，是驅動功率IGBT的理想器件。同時還具有良好的保護特性，包括輸入和參考欠壓鎖定，逐周電流限制、可編程輸出靜區時間和單個脈沖測量鎖存。其內部原理如圖5所示，芯片引腳功能說明如表1。

根據本裝置的功能需求，設計如圖6所示的驅動電路。芯片的1腳和2腳串接有R10和C7組成的放大器補償電路，提高放大器的反應速度，同時將2腳通過電阻R26直接接地，也就是將芯片內部的誤差放大器負端輸入置零。3腳的功能是電流取樣，將該引腳通過電阻R32上拉至電源電壓VCC，同時接至三極管T3的集電極端，三極管的射極接地，基極接控制信號，通過控制信號的高低可以將3腳的電平在0和VCC之間進行切換，從而達到控制6腳驅動脈沖輸出的目的。4腳是RT/CT端，通過在該引腳接入電阻和電容來控制驅動脈沖的頻率和脈寬，電阻的另一端要接8腳，電容的另一端接地，驅動脈沖頻率的計算公式為

本電路電阻R15阻值滿足大于5K的條件，因此可以用此式來估算驅動脈沖的頻率。6腳和8腳均接2個去耦合電容。驅動脈沖6腳串10Ω的電阻后驅動功率管，同時將驅動端加一去耦合電容，防止干擾串入導致開關管的誤動作。

4）軟件設計

軟件流程設計采用循環和中斷相結合的方式。在循環中，軟件完成通信、采樣、母線電壓的判斷等，而過流、過熱、過欠壓及過載故障均采用中斷機制，當故障到來時，及時中斷當前的程序進入中斷處理程序，保證系統響應的及時性。軟件工作流程如圖7所示。

表1 UC3843B外圍引腳功能

3 實驗結果

根據本文方案研制了樣機，并進行了模擬實驗。實驗方法為：采用交流調壓器模擬電池電量逐漸下降的過程，輸出電壓隨之下降，交流調壓器的輸出接整流濾波電路，將交流轉變為直流供給電機驅動器，在電壓下降過程中的不同點反復測試電機制動時母線電壓的變化情況，結果表明，本文研制的裝置能夠跟隨母線電壓的變化實時調整放電電壓閾值，從而在電機制動對直流母線充電時，及時將多余的電能通過外接大功率電阻消耗掉，將母線電壓穩定在當前值，效果良好。

4 結語

本文針對目前耗能制動裝置放電電壓閾值不能靈活調整，應用于寬電壓范圍工作的驅動系統，當母線電壓下降較多時，由于制動不及時容易造成母線電壓大幅振蕩，從而影響驅動系統安全的問題，提出了一種智能電壓跟隨制動解決方案。給出了詳細設計方案，研制了樣機，并進行了實際驗證。結果表明，本文設計的電壓跟隨制動裝置，能夠自動判別并跟蹤母線電壓的變化，及時調整放電電壓閾值以跟蹤母線電壓，從而當變電壓工作的驅動系統處于發電狀態時，本裝置能夠及時做出反應，將制動產生的多余電能及時消耗掉，將母線電壓控制在當前水平，從而很好地保護了驅動系統安全。

［1］Chiara Fiori，Kyoungho Ahn，Hesham A.Rakha.Power-based electric vehicle energy consumption model：Model development and validation［J］.Applied Energy，2016，168：257-268.

［2］曾建軍，林知明，張建德.地鐵制動能量分析及再生技術研究［J］.電氣化鐵道，2006，06：33-36.

［3］周尚明.電阻-逆變型再生制動能量地面吸收裝置的節能分析［J］.城市軌道交通研究，2013，09：111-114，119.

［4］麥莉，張繼紅，宗長富等.基于電液制動系統的車輛穩定性控制［J］.吉大學報（工學版），2010，40（3）：607-613.

［5］唐鵬，周玉柱.超級電容在電動汽車上的應用探討機［J］.移動電源與車輛，2012，1：31-35.

［6］史麗萍，湯家升，羅明，等.制動能量吸收裝置的選取及其控制分析［J］.城市軌道交通研究，2013，8：92-96.

［7］李洪亮，樊平.基于超級電容器的礦用電動輪自卸車再生制動的研究［J］.煤礦機械，2013，34（3）：61-63.

［8］劉開國.城軌交通供電系統節能措施與經濟運行［J］.現代城市軌道交通，2009，01：13-14.

［9］楊晶.蓄電池電機車的再生制動運行分析［J］.煤礦機械，2008，29（11）：79-81.

［10］陳華光，曾紅，王迎旭.基于DSP的電動輪自卸車電制動控制系統的設計［J］.礦山機械，2010，38（9）：40-43.

Design of Intelligent Voltage Following Brake

WANG ZhanyouHE Lin
（NationalKeyLaboratoryonShipVibration&Noise，Instituteof Noise&Vibration，Naval Universityof Engineering，Wuhan 430033）

The resistance energy consumption braking mode through resist has been adopted widely in motor drive system.But in the motor drive system which is powered by batteries，the bus voltage will fall with the decline of battery level，while the motor driver can work normally，thus the fixed voltage energy consumption brake can't work well，it can't control the bus voltage with the decline of battery level.In this case，this paper proposes an intelligent voltage following brake design，it can adjust voltage threshold of discharge of electricity with the decline of bus voltage，thus the motor drive system can be protected perfectly.As a result，the design of intelligent voltage following brake proposed in this paper can make up for the shortage of the fixed voltage energy consumption brake，it can work within the wide bus voltage range.

energy consumption brake，intelligent voltage following，motor driver

TP23

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.07.040

2017年1月9日，

2017年2月27日

王占友，男，博士后，工程師，研究方向：檢測與控制。何琳，男，碩士，教授，博士生導師，研究方向：振動與噪聲控制。