[发明专利]永磁无刷直流电机全速域准恒定电流回馈制动方法

说明书

本发明公开了一种永磁无刷直流电机全速域准恒定电流回馈制动方法，对于以全桥结构逆变器驱动的三相星形连接无刷直流电机，首先根据其绕组的电感、电阻、反电势设置参考电流，使得电机绕组的制动电流保持在参考电流附近；然后计算电机转速，并判断第三相反电势的正负；其次，根据电机转速、绕组的电感、绕组的电阻和脉宽调制周期，结合第三相反电势的正负，计算临界电流；接着，根据临界电流判断电机绕组电流状态所对应的函数；最后，令电机绕组电流状态所对应的函数等于参考电流，计算占空比，根据占空比控制逆变器的下桥臂开关状态。本发明降低了系统的成本，能够使回馈电流始终保持系统设定值附近，实现了准恒定电流回馈控制。

技术领域

本发明涉及电机回馈制动方法，尤其涉及一种永磁无刷直流电机全速域准恒定电流回馈制动方法。

背景技术

在很多的实际应用场合，对不同的电动工具的制动性能有不同的要求。电动扳手，螺丝刀等多种工具在拆卸器件时，如若没有设计良好的制动策略，在零件已经不再固定后电机持续旋转，将会使得所拆卸器件存在坠落的危险；往复锯、冲击钻等工具在离开操作面后也需要快速制动，防止对操作人员产生威胁。

为了实现系统的简单和小型化，希望能尽量减少机械制动组件，可以通过设计永磁无刷直流的控制策略来实现制动。永磁无刷直流电机可以通过电磁方式进行制动。电磁制动的实质就是控制电枢电流，使其产生与电机转子旋转方向相反的电磁转矩，来实现制动。

电动工具所用电机转速较高，常达数万转，需要在较短的时间内迅速减速，这对制动策略提出了很高的要求。而且电动工具中的齿轮箱、刀头、锯齿等机械部件与无刷直流电机相比，其转动惯量很大，这将进一步增加了系统制动策略的设计难度。

目前使用较多的电磁制动策略主要有能耗制动、反接制动和回馈制动等。

其中，回馈制动是可以通过逆变器的控制使电机从电动状态进入发电状态，使电机绕组的储能和作动部件的机械能回馈给母线输入侧。这一特点能提高系统的能量利用率，十分适合使用锂电池的便携式手持电动工具。同时，采用回馈制动不需要增添附件的功率器件，仅改变原有的逆变器的控制策略即可实现。所以综合考虑下，将采用回馈制动作为主要的制动策略来进行分析和使用。

回馈制动是通过一定的电子开关线路使电机由电动状态进入发电状态，此时电磁转矩起制动作用，电机所发出的电能回馈到电源。回馈制动通过控制器即可对回馈电流进行有效控制，而无需通过改变系统硬件结构来实现，这种控制方式可以使制动效果与能量回馈效果达到综合最佳。因此，从系统可靠性，制动性能以及节能上综合考虑，回馈制动是一种较理想的电气制动方式。

电机工作于能量回馈模式下的制动方式称为回馈制动。在制动过程中，控制驱动器使电流方向与正向运行时相反，便会产生制动性质的转矩。当产生的电压高于蓄电池电压时，可以将电流回馈至蓄电池，达到能量回馈的目的。

对于系统的回馈制动策略设计，需要考虑不多个方面。整个制动过程在实现快速制动的目标之外，还需要保证系统器件的安全和可靠。在实际运用中，必须考虑如下方面：

1.制动转矩。制动过程力求迅速平稳，不宜有过大的抖动。在实现制动后应不在产生电磁转矩，防止电机反转。其制动转矩也应满足操作者使用过程中的舒适性，防止迅速制动带来的反向作用力对使用者的产生不适或危害。

2.回馈电流。回馈的电流大小将影响制动转矩，通常希望其数值较大。但是过大的回馈电流会损坏无刷直流电机的驱动器和输入侧的锂电池及周边电路。所以所设计的制动控制策略需要将回馈电流控制在一个合适的范围内。

3.回馈能量。制动时转移的能量与制动速度和制动时间有关。制动的速度取决于制动转矩和回馈电流。在回馈制动的过程中，如果将绕组的电磁储能和作动器件的机械能都转移至输入侧，可能会引起锂电池短时间内过充或系统储能电容的电压抬升。这将损害锂电池，甚至会在短时间内产生较大的电压，破坏整个控制系统。故需要综合考虑各器件，对回馈制动过程的持续时间进行设计。