電機控制系列模塊解析（22）—

一、零矢量剎車

基本概念

逆變器通常采用三相橋式結構，包含六個功率開關元件（如IGBT或MOSFET），分為上橋臂和下橋臂。每個橋臂由兩個反并聯的開關元件組成，上橋臂和下橋臂對應于電機三相繞組的正負端。正常工作時，逆變器通過交替開關上下橋臂的開關元件，向電機提供三相交流電。

“三個下橋打開”狀態（零矢量，三個上橋打開亦然）：意味著逆變器的三個下橋開關元件全部處于開通狀態（即“ON”狀態）。在這種情況下，電機三相繞組的負端直接連接到直流電源的負極（通常為地），相當于電機各相繞組的低端被短路。

制動剎車過程：在這種開關狀態下，由于電機繞組的低端短路，電機內部的感應電動勢（由旋轉的轉子切割定子磁場產生）無法形成回路，無法產生正常的電磁轉矩。相反，電機轉子會受到以下作用力：

反電動勢制動（也稱為再生制動或回饋制動）：電機轉子繼續旋轉時，其感應電動勢會在短路的繞組中產生電流。根據楞次定律，此電流產生的磁場會阻礙原磁場的變化，即阻礙轉子的旋轉，從而對電機產生制動作用。
渦流制動（也稱為磁滯制動）：在電機繞組被短路的情況下，轉子磁場與定子繞組間的相對運動會產生渦流，這些渦流在繞組及鐵芯中產生熱量，消耗機械能，起到制動效果。
風阻、摩擦等機械阻力：電機在減速過程中，自然會受到風阻、軸承摩擦、機械部件慣性等固有阻力的影響，這些阻力也會協助減速和停車。

應用場合與特點： “逆變器三個下橋打開進行制動剎車”這種方式主要用于需要快速停車或緊急制動的場合，其特點包括：

（1）快速響應：通過直接改變逆變器開關狀態即可實現制動，響應速度快。

（2）不能實現能量回收。

（3）發熱與散熱問題：由于短路電流可能導致繞組和鐵芯發熱增加，需確保系統的熱設計和散熱措施能夠有效應對，防止過熱或過流。

原理分析

由上圖的公式可知，在brake剎車過程中，剎車電流表達式的第一項為穩態電流項，第二項為瞬態電流項，當反電勢電壓相位為零，電壓和電流相位為接近90度時，則此時瞬態電流最大，最大瞬態幅值為穩態電流項幅值與瞬態電流項幅值之和。

注意常規剎車brake的應用問題：電機被外力拖拽導致發電時，逆變器上的六個反并聯二極管?在六個MOS未開通時?形成一個?三相不控整流橋（或者是單相不控整流橋），此時引起的母線泵升電壓?峰值?為?當前電機反電勢?線電壓峰值，一般電機額定轉速所對應的反電勢峰值設計值在供電電壓附近（對于驅動器而言就是穩態母線電壓值），當外界拖拽力度足夠大，外界拖拽得電機轉速超過其兩倍額定轉速時，這意味著此時的驅動器泵升電壓可能超過兩倍的供電電壓，很可能導致功率開關管?MOS?過壓?損壞，同時由于電機繞組阻抗較小，所形成的整流橋給?母線電容充電的瞬時電流可能會先?導致?MOS的反并聯二極管過流損壞（此事件概率較小）。由于此時供電電壓過高，在此電壓域下的數模電路器件耐壓不夠都有可能發生損壞。

剎車brake本身是否會造成器件損壞？是的，當外界拖拽力度足夠大，外界拖拽得電機轉速高于電機額定轉速時，此時若直接進入brake狀態（即直接將電機繞組短路），由于電機繞組阻抗較小，會導致?已開通的 MOS?過流損壞；若外力持續不斷用力拖拽電機高速旋轉，也會導致?因長期處于brake狀態?已開通的 MOS?發生過熱損壞。剎車brake本身除了可能損壞芯片本身器件，其長時間的大電流也可能導致電機退磁。

實際剎車brake時，方案本身是在電機轉速不高，泵升電壓剛起來的時候就進行brake；且若外力持續不斷用力拖拽電機高速旋轉，brake動作本身為占空比?或者?是滯環開關?或者是?輪換開關，以此減小brake本身帶來的電流沖擊?以及緩解持續brake導致的MOS過熱問題。

二、Brake應用需求

Brake剎車方法為發零矢量（強制上三管開通或下三管開通）。

涉及Brake的需求有：（系統性考慮為客戶進行定制解決方案）

弱磁區發生故障需要母線過壓抑制與Brake配合：在電機進入弱磁區（高速運行時，通過弱磁控制降低磁鏈以保持電機轉矩）時，若出現故障導致電機發電電流較大，母線電壓可能出現過沖。此時Brake（零矢量剎車）介入，通過短路電機繞組降低電流，有助于抑制母線電壓上升，保護電力電子設備和電池系統。
Brake上三管和下三管輪換（零矢量111和000進行輪換控制），以使熱均勻分布在逆變器的六個管子上：在實施Brake時，不僅可以通過下三管全開（000狀態）進行制動，也可以輪換至上三管全開（111狀態）。這樣，制動過程中產生的熱量會在逆變器的六個開關元件（IGBT/MOSFET）之間更均勻地分布，避免單個元件過熱，延長器件壽命，提高系統可靠性。
Brake過程中對地短路檢測：在執行Brake操作時，實時監測逆變器下三管（或上三管）與地之間的狀態，確保短路狀態正確且穩定。任何異常（如開關元件失效導致的實際短路狀態與預期不符）都將觸發故障報警或保護動作，防止設備損壞或安全事故。
Brake過程中電流過大檢測：即使在Brake模式下，也要監控電機繞組電流，以防因電機參數變化、負載突變等原因導致電流過大。一旦檢測到電流超過設定閾值，應立即采取措施（如減小直流側電壓、調整開關狀態等）限制電流，防止逆變器過載或電機過熱。
啟動前強制Brake（初始位置檢測要求轉子靜止狀態）：在電機啟動前，尤其是需要進行精確初始位置檢測（如通過霍爾傳感器、編碼器或者初始位置檢測算法均要求轉子靜止狀態等）時，強制電機進入Brake狀態，確保轉子靜止，便于準確獲取初始位置信息，為后續啟動和控制提供準確參考。
逆風啟動強制進Brake：當電機應用于風力發電等場景，遇到逆風（風向與電機旋轉方向相反）導致電機反向發電時，強制進入Brake狀態，阻止電機反轉并及時消耗反向電能，保護系統免受過電壓沖擊。
停機瞬間強制進Brake：在電機停機瞬間，尤其是需要快速停車或遇到緊急情況時，立即切換至Brake狀態，利用短路制動快速降低電機轉速，實現精準、安全停車。
故障發生強制進Brake：無論何種類型的故障（如過溫、過壓、過流、通訊故障等），一旦檢測到，均應立即啟動Brake操作，將電機置于短路制動狀態，防止故障進一步惡化，保護設備安全，并為故障診斷和恢復爭取時間。

總結起來，零矢量剎車（Brake）功能集成了母線電壓抑制、熱分布優化、故障檢測與保護、啟動與停車控制等多個關鍵功能，體現了在電機控制系統中對Brake策略的全方位應用和精細化管理，旨在確保電機運行的安全、穩定和高效。實際應用中可綜合輸出電流檢測值、母線電壓檢測值來綜合評判Brake使能與關斷，此為不連續的高頻Brake的來源。

三、零矢量的其他妙用

零矢量的定義：在電機控制領域，特別是在三相交流電機（如永磁同步電機、異步電機）的變頻驅動系統中，零矢量是指電機三相繞組中電流的合成矢量與定子磁鏈方向垂直，或等效為電機繞組中沒有電流流過（即電流為零）的狀態。具體來說：

電流矢量：在電機的dq坐標系（直軸-d軸、交軸-q軸）中，零矢量表示d軸電流（Id）和q軸電流（Iq）同時為零，即Id = Iq = 0。此時，電機定子磁場與轉子磁場相互作用為零，電機不產生電磁轉矩。
開關狀態：在逆變器層面，零矢量對應于一種特定的開關狀態，通常是逆變器的上橋臂和下橋臂中對應同一相的開關元件同時關斷，或者三相繞組的任意兩相被短路，使得該相繞組電壓為零。例如，在三相橋式逆變器中，零矢量可以對應于所有下橋開關元件全開（000狀態）或所有上橋開關元件全開（111狀態），形成電機三相繞組對地或對電源的短路。

隨機PWM

隨機PWM（Random PWM）是一種脈寬調制（PWM）技術，它改變了傳統PWM信號中開關狀態按固定順序或規則重復出現的方式，轉而采用隨機化的方法確定開關狀態的序列。在電機控制應用中，隨機PWM的主要特點和優勢包括：

降低電磁噪聲：由于開關狀態的切換不再遵循周期性規律，減少了電機和電源系統中與開關頻率相關的特定頻段噪聲，有助于符合EMC（電磁兼容性）標準，減輕對周邊敏感設備的干擾。
減小轉矩脈動：對于使用SVPWM（空間矢量PWM）的電機驅動系統，隨機PWM通過在基本電壓矢量之間插入隨機選擇的零矢量或小幅度非零矢量，可以更均勻地分散轉矩脈動，改善電機運行的平穩性，降低機械振動和噪聲。
改善電機熱分布：通過隨機化開關狀態，可以避免逆變器中個別開關元件長期處于連續導通或關斷狀態，使得電機內部和逆變器的熱分布更加均衡，有助于延長器件壽命。
增強抗干擾能力：隨機PWM信號不易受到外部諧波干擾的影響，因為其非周期性特征使得干擾信號難以與PWM信號同步，從而提高了系統的抗干擾性能。

結合零矢量的定義與隨機PWM技術，可以理解為在隨機PWM控制策略中，零矢量的插入不再是按照預定的規則或順序進行，而是根據某種隨機化算法（如馬爾科夫鏈算法、混沌映射等）生成的隨機序列來決定何時、以何種方式插入零矢量。這樣做的目的是為了在保持電機所需平均轉矩輸出的同時，通過隨機化手段改善電機的電磁兼容性、降低噪聲、優化熱管理和增強系統穩定性。

當然工程上還有改變載波頻率或者零序分量的方式來實現隨機PWM。