阅读说明：本技术 一种基于超级电容-能耗电阻的可控再生制动系统及其控制方法 (Controllable regenerative braking system based on super capacitor-energy consumption resistor and control method thereof ) 是由 彭辉 吴美平 卢惠民 肖军浩 徐�明 曾志文 于 2020-04-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于超级电容-能耗电阻的可控再生制动系统及其控制方法,本发明的系统包括复合控制单元、超级电容、能耗电阻、锂电池供电电路、超级电容供电/制动电路、能耗电阻制动电路及电机驱动桥,电机驱动桥直流侧连接到正负极母线,锂电池供电电路、超级电容供电/制动电路、能耗电阻制动电路均连接到正负极母线,超级电容供电/制动电路包括电容降压桥和电容升压桥,能耗电阻制动电路包括能耗降压桥。本发明能够在基于超级电容的再生制动过程中电机速度可控且制动力矩恒定,使得超级电容可以更好地应用在电机传动系统中,电机制动时的动能能够尽可能多地存储在超级电容中,当电机制动模式发生切换时为无扰切换。(The invention discloses a controllable regenerative braking system based on a super capacitor-energy consumption resistor and a control method thereof. The invention can control the motor speed and keep the braking torque constant in the regenerative braking process based on the super capacitor, so that the super capacitor can be better applied to a motor transmission system, the kinetic energy of the motor during braking can be stored in the super capacitor as much as possible, and undisturbed switching is realized when the motor braking mode is switched.)

一种基于超级电容-能耗电阻的可控再生制动系统及其控制 方法

技术领域

本发明涉及超级电容的电机系统再生制动技术，具体涉及一种基于超级电容-能耗电阻的可控再生制动系统及其控制方法。

背景技术

电机驱动系统将动能回收至超级电容时电机速度的控制问题值得关注。如果电机驱动系统利用超级电容再生制动，当电机速度高时减速非常快，这是因为总线上的感应电动势V_bus与电机速度成正比。当V_bus低于超级电容电压V_cap时，电机的动能将不能再转化为超级电容的电能，电机将无法制动。在许多电机驱动场合是不允许这种情况出现的，例如电动汽车、电梯等等。而能耗电阻则能够保证电机速度在任何值时都能进行能耗制动，因此当电机速度较低时可利用能耗电阻制动。为了保证电机驱动系统制动时的平滑性、乘客的舒适性等，我们希望当制动系数固定时，电机减速的制动力矩应该恒定，即电机的加速度应为负常值，且电机从基于超级电容制动模式切换为基于能耗电阻制动模式时不应对电机速度造成抖动。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种基于超级电容-能耗电阻的可控再生制动系统及其控制方法，本发明能够在基于超级电容的再生制动过程中电机速度可控且制动力矩恒定，使得超级电容可以更好地应用在电机传动系统中，电机制动时的动能能够尽可能多地存储在超级电容中，当电机制动模式发生切换时为无扰切换。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于超级电容-能耗电阻的可控再生制动系统，包括复合控制单元、超级电容、能耗电阻R_er、锂电池供电电路、超级电容供电/制动电路、能耗电阻制动电路以及电机驱动桥S_mo，所述电机驱动桥S_mo交流侧与电机相连、直流侧连接到正负极母线，所述锂电池供电电路连接到正负极母线，所述超级电容供电/制动电路包括电容降压桥S_ec和电容升压桥S_c，所述超级电容依次通过电容降压桥S_ec、电容升压桥S_c连接到正负极母线，所述能耗电阻制动电路包括能耗降压桥S_er，所述能耗电阻R_er通过能耗降压桥S_er连接到正负极母线，所述复合控制单元的控制输出端分别通过PWM发生器与电机驱动桥S_mo、电容降压桥S_ec、电容升压桥S_c、能耗降压桥S_er的控制端相连。

可选地，所述锂电池供电电路包括锂电池和电感器L_b，所述锂电池通过电感器L_b连接到正负极母线。

可选地，所述电容降压桥S_ec、电容升压桥S_c之间并联布置有电容器。

可选地，所述正负极母线之间并联布置有电容器C_L。

可选地，所述超级电容和电容降压桥S_ec之间串接有电感器L_ec，所述电容升压桥S_c和正负极母线的正极母线之间串接有电感器L_c。

此外，本发明还提供一种基于超级电容-能耗电阻的可控再生制动系统的控制方法，在电机系统需要启动或加速时，所述复合控制单元关闭能耗降压桥S_er并开启电容降压桥S_ec、电容升压桥S_c，超级电容的输出电压先经过电容降压桥S_ec、电容升压桥S_c升压至锂电池电压V_high，然后与锂电池供电电路一起通过电机驱动桥S_mo驱动电机；在电机系统制动时默认处于超级电容制动模式且在满足指定触发条件时切换至能耗电阻制动模式；其中，所述超级电容制动模式下复合控制单元关闭能耗降压桥S_er和能耗降压桥S_er并开启电容升压桥S_c，电机动能通过电容升压桥S_c升压后给超级电容充电以控制电机速度；所述能耗电阻制动模式下复合控制单元关闭电容降压桥S_ec和电容升压桥S_c并开启能耗降压桥S_er，电机动能通过能耗电阻R_er耗散以控制电机速度。

可选地，所述满足指定触发条件具体是指满足下述两条条件中的任意一条：

上式中，Γ指条件，V_bus是正负极母线的总线电压，V_th是电容升压桥S_c的阈值电压，V_cap是超级电容的电压，V_high是锂电池电压。

可选地，所述复合控制单元包含采用软件或者硬件实现的模式切换控制器OMSC、第一自抗扰控制器ADRC1和第二自抗扰控制器ADRC2以及模式切换控制器OMSC，所述模式切换控制器OMSC用于在电机系统制动时在满足指定触发条件时切换至能耗电阻制动模式，所述第一自抗扰控制器ADRC1用于基于超级电容制动模式控制电机速度，所述第二自抗扰控制器ADRC2用于基于能耗电阻制动模式控制电机速度。

可选地，所述第一自抗扰控制器ADRC1的输入为电机速度v_b和指定参考速度v_g、输出用于通过PWM发生器控制电容降压桥S_ec。

可选地，所述第二自抗扰控制器ADRC2的输入为电机速度v_b和指定参考速度v_g、输出用于通过PWM发生器控制能耗降压桥S_er。

和现有技术相比，本发明具有下述优点：本发明能够在基于超级电容的再生制动过程中电机速度可控且制动力矩恒定，使得超级电容可以更好地应用在电机传动系统中，电机制动时的动能能够尽可能多地存储在超级电容中，当电机制动模式发生切换时为无扰切换。

附图说明

图1为本发明实施例方法的电路原理示意图。

图2为本发明实施例中的控制原理示意图。

图3为本发明实施例中的实验对比曲线示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例基于超级电容-能耗电阻的可控再生制动系统包括复合控制单元、超级电容、能耗电阻R_er、锂电池供电电路、超级电容供电/制动电路、能耗电阻制动电路以及电机驱动桥S_mo，电机驱动桥S_mo交流侧与电机相连、直流侧连接到正负极母线，锂电池供电电路连接到正负极母线，超级电容供电/制动电路包括电容降压桥S_ec和电容升压桥S_c，超级电容依次通过电容降压桥S_ec、电容升压桥S_c连接到正负极母线，能耗电阻制动电路包括能耗降压桥S_er，能耗电阻R_er通过能耗降压桥S_er连接到正负极母线，复合控制单元的控制输出端分别通过PWM发生器与电机驱动桥S_mo、电容降压桥S_ec、电容升压桥S_c、能耗降压桥S_er的控制端相连。图1中，m_mo、m_ec、m_c、m_er为调制信号，分别用于控制对应的PWM发生器产生PWM波控制电机驱动桥S_mo、电容降压桥S_ec、电容升压桥S_c、能耗降压桥S_er。v_b为测量得到的电机速度值，用于电机控制。

如图1所示，锂电池供电电路包括锂电池和电感器L_b(图1中标注为L_b，R_b)，锂电池通过电感器L_b连接到正负极母线，作用为储能。

如图1所示，超级电容和电容降压桥S_ec之间串接有电感器L_ec，电容升压桥S_c和正负极母线的正极母线之间串接有电感器L_c。此外，电感器L_c(图1中标注为L_c，R_c)和电感器L_ec(图1中标注为L_ec，R_ec)作用为储能。

如图1所示，电容降压桥S_ec、电容升压桥S_c之间并联布置有电容器，起到稳定电压的作用。如图1所示，正负极母线之间并联布置有电容器C_L，电容器C_L为母线两端的稳压电容，起到稳定母线电压的作用。

此外，本实施例还提供一种前述基于超级电容-能耗电阻的可控再生制动系统的控制方法，在电机系统需要启动或加速时，复合控制单元关闭能耗降压桥S_er并开启电容降压桥S_ec、电容升压桥S_c，超级电容的输出电压先经过电容降压桥S_ec、电容升压桥S_c升压至锂电池电压V_high，然后与锂电池供电电路一起通过电机驱动桥S_mo驱动电机；在电机系统制动时默认处于超级电容制动模式且在满足指定触发条件时切换至能耗电阻制动模式；其中，超级电容制动模式下复合控制单元关闭能耗降压桥S_er和能耗降压桥S_er并开启电容升压桥S_c，电机动能通过电容升压桥S_c升压后给超级电容充电以控制电机速度；能耗电阻制动模式下复合控制单元关闭电容降压桥S_ec和电容升压桥S_c并开启能耗降压桥S_er，电机动能通过能耗电阻R_er耗散以控制电机速度。

本实施例中，满足指定触发条件具体是指满足下述两条条件中的任意一条：

上式中，Γ指条件，V_bus是正负极母线的总线电压，V_th是电容升压桥S_c的阈值电压，V_cap是超级电容的电压，V_high是锂电池电压。V_bus≤V_th表示总线电压V_bus小于等于升压电路的阈值电压V_th，此时电机系统的动能将无法继续存储进超级电容；V_cap≥V_high表示超级电容的电压V_cap大于等于锂电池电压V_high，此时超级电容容量已满，电机系统的动能也无法继续存储进超级电容；这两个条件为或的关系，即任一条件满足即为满足指定触发条件。

如图2所示，本实施例中的复合控制单元包含采用软件或者硬件实现的模式切换控制器OMSC、第一自抗扰控制器ADRC1和第二自抗扰控制器ADRC2以及模式切换控制器OMSC，模式切换控制器OMSC用于在电机系统制动时在满足指定触发条件时切换至能耗电阻制动模式，第一自抗扰控制器ADRC1用于基于超级电容制动模式控制电机速度，第二自抗扰控制器ADRC2用于基于能耗电阻制动模式控制电机速度。

第一自抗扰控制器ADRC1用于基于超级电容制动模式控制电机速度。如图2所示，第一自抗扰控制器ADRC1的输入为电机速度v_b和指定参考速度v_g、输出用于通过PWM发生器控制电容降压桥S_ec。第二自抗扰控制器ADRC2用于基于能耗电阻制动模式控制电机速度。如图2所示，第二自抗扰控制器ADRC2的输入为电机速度v_b和指定参考速度v_g、输出用于通过PWM发生器控制能耗降压桥S_er。需要说明的是，第一自抗扰控制器ADRC1和第二自抗扰控制器ADRC2均为自抗扰控制器，自抗扰控制器为现有控制器技术，故其具体实现在此不再赘述。

模式切换控制器原理：基于事件触发的模式切换控制器作用是管理与之相连的控制器，当触发条件满足时激活这些控制器，核心问题是如何设计触发条件。本实施例中，模式切换控制器OMSC的工作原理是当触发条件满足后，第二自抗扰控制器ADRC2将被激活，电机系统制动模式将从超级电容制动模式切换为能耗电阻制动模式。当V_bus≤V_th时制动能量将无法存储进超级电容，电机系统不能继续制动，或者当V_cap≥V_high时，电机系统也无法继续制动。能耗电阻R_er虽然可以一直耗散能量进行制动，但是其不能存储能量，电机系统的动能转化为能耗电阻R_er的热能耗散掉。因此，应让超级电容尽可能多地吸收制动能量，直到超级电容无法存储能量，此时再将制动模式由超级电容制动模式切换到能耗电阻制动模式。如果模式切换控制器OMSC的触发条件满足，第二自抗扰控制器ADRC2将被激活，第一自抗扰控制器ADRC1将被关闭，电机系统制动模式从超级电容制动模式切换到能耗电阻制动模式。充电电压越高，超级电容吸收能量就越快，电机在将制动时产生的能量存储进超级电容电压之前先将总线电压V_bus通过电容升压桥S_c升压至高电压V_hight，然而升压模块存在阈值电压V_th，如果V_bus≤V_th，升压模块将失去作用，制动能量无法存储进超级电容，电机制动时总线电压V_bus与电机速度成正比，即电机速度越高总线电压越高，当电机速度低于某一值后升压模块将失去作用，此时模式切换控制器需要将制动模式由超级电容模式切换到能耗电阻模式。

为了证明本实施例基于超级电容-能耗电阻的可控再生制动系统及其应用方法的性能，本实施例中在电机传动系统中做了一系列实验，实验结果如图3所示。其中，图3(a)所示为基于超级电容制动时的制动效果，图3(b)所示为基于能耗电阻制动时的制动效果，图3(c)所示为所需要的理想制动效果。由图中可看出当电机基于超级电容制动时，电机速度大于3r/s，制动效果显著，电机速度低于3r/s，几乎无制动效果，电机从最大速度减速到3r/s只需要0.2s，当电机速度低于3r/s时，只能依靠摩擦力减速，电机从3r/s减速到0r/s耗时超过6s。然而电机速度在任何值时都能够利用能耗电阻制动。因此为了使电机整个制动过程中速度都可控，需要将超级电容与能耗电阻R_er结合，当V_bus>V_th时利用超级电容制动，当V_bus<V_th时利用能耗电阻R_er制动。

综上所述，为了解决基于超级电容的电机驱动系统在再生制动时速度可控问题，现有的技术只考虑了利用超级电容与锂电池组成混合电源以驱动电机系统，并未考虑电机在再生制动时的速度控制问题。为此，本实施例提供一种基于超级电容与能耗电阻组成的混合可控再生制动方案，包含电路拓扑结构及无扰切换复合控制方法。使电机在再生制动时全程速度可控，且两种制动模式切换时对速度无扰动。在设计电路拓扑结构时为超级电容设计单独的能量回收电路，同时也为能耗电阻设计单独的能量耗散电路，当电机开始制动时，电机驱动系统的动能首先存储在超级电容中，同时控制流向超级电容的电流以控制电机速度，当电机速度将至某一值时将制动模式由基于超级电容的再生制动模式切换至能耗电阻耗散制动模式，此时同样控制流过耗散电阻的电流以控制电机速度。两种制动模式切换时必然会对电机的速度控制有扰动，严重时可能会造成系统失控，为此本实施例设计了和第一自抗扰控制器ADRC1输入参数、控制原理完全相同的第二自抗扰控制器ADRC2，同样基于第二自抗扰控制器ADRC2将被激活后基于电机速度v_b和指定参考速度v_g输出用于控制信号并通过PWM发生器控制能耗降压桥S_er，从而达到切换时控制量无抖动，实现无扰切换的目的。

上述只是本发明的系统框架，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。