电机控制系列模块解析（22）—— 零矢量刹车

一、零矢量刹车

基本概念

逆变器通常采用三相桥式结构，包含六个功率开关元件（如IGBT或MOSFET），分为上桥臂和下桥臂。每个桥臂由两个反并联的开关元件组成，上桥臂和下桥臂对应于电机三相绕组的正负端。正常工作时，逆变器通过交替开关上下桥臂的开关元件，向电机提供三相交流电。

“三个下桥打开”状态（零矢量，三个上桥打开亦然）： 意味着逆变器的三个下桥开关元件全部处于开通状态（即“ON”状态）。在这种情况下，电机三相绕组的负端直接连接到直流电源的负极（通常为地），相当于电机各相绕组的低端被短路。

制动刹车过程： 在这种开关状态下，由于电机绕组的低端短路，电机内部的感应电动势（由旋转的转子切割定子磁场产生）无法形成回路，无法产生正常的电磁转矩。相反，电机转子会受到以下作用力：

1. 反电动势制动（也称为再生制动或回馈制动）：电机转子继续旋转时，其感应电动势会在短路的绕组中产生电流。根据楞次定律，此电流产生的磁场会阻碍原磁场的变化，即阻碍转子的旋转，从而对电机产生制动作用。

2. 涡流制动（也称为磁滞制动）：在电机绕组被短路的情况下，转子磁场与定子绕组间的相对运动会产生涡流，这些涡流在绕组及铁芯中产生热量，消耗机械能，起到制动效果。

3. 风阻、摩擦等机械阻力：电机在减速过程中，自然会受到风阻、轴承摩擦、机械部件惯性等固有阻力的影响，这些阻力也会协助减速和停车。

应用场合与特点： “逆变器三个下桥打开进行制动刹车”这种方式主要用于需要快速停车或紧急制动的场合，其特点包括：

（1）快速响应：通过直接改变逆变器开关状态即可实现制动，响应速度快。

（2）不能实现能量回收。

（3）发热与散热问题：由于短路电流可能导致绕组和铁芯发热增加，需确保系统的热设计和散热措施能够有效应对，防止过热或过流。

原理分析

由上图的公式可知，在brake刹车过程中，刹车电流表达式的第一项为稳态电流项，第二项为瞬态电流项，当反电势电压相位为零，电压和电流相位为接近90度时，则此时瞬态电流最大，最大瞬态幅值为稳态电流项幅值与瞬态电流项幅值之和。

注意常规刹车brake的应用问题：电机被外力拖拽导致发电时，逆变器上的六个反并联二极管 在六个MOS未开通时 形成一个 三相不控整流桥（或者是单相不控整流桥），此时引起的母线泵升电压 峰值 为 当前电机反电势 线电压峰值，一般电机额定转速所对应的反电势峰值设计值在供电电压附近（对于驱动器而言就是稳态母线电压值），当外界拖拽力度足够大，外界拖拽得电机转速超过其两倍额定转速时，这意味着此时的驱动器泵升电压可能超过两倍的供电电压，很可能导致功率开关管 MOS 过压 损坏，同时由于电机绕组阻抗较小，所形成的整流桥给 母线电容充电的瞬时电流可能会先 导致 MOS的反并联二极管过流损坏（此事件概率较小）。由于此时供电电压过高，在此电压域下的数模电路器件耐压不够都有可能发生损坏。


刹车brake本身是否会造成器件损坏？是的，当外界拖拽力度足够大，外界拖拽得电机转速高于电机额定转速时，此时若直接进入brake状态（即直接将电机绕组短路），由于电机绕组阻抗较小，会导致 已开通的 MOS 过流损坏；若外力持续不断用力拖拽电机高速旋转，也会导致 因长期处于brake状态 已开通的 MOS 发生过热损坏。刹车brake本身除了可能损坏芯片本身器件，其长时间的大电流也可能导致电机退磁。


实际刹车brake时，方案本身是在电机转速不高，泵升电压刚起来的时候就进行brake；且若外力持续不断用力拖拽电机高速旋转，brake动作本身为占空比 或者 是滞环开关 或者是 轮换开关，以此减小brake本身带来的电流冲击 以及 缓解持续brake导致的MOS过热问题。

二、Brake应用需求

Brake刹车方法为发零矢量（强制上三管开通或下三管开通）。

涉及Brake的需求有：（系统性考虑为客户进行定制解决方案）

1. 弱磁区发生故障需要母线过压抑制与Brake配合： 在电机进入弱磁区（高速运行时，通过弱磁控制降低磁链以保持电机转矩）时，若出现故障导致电机发电电流较大，母线电压可能出现过冲。此时Brake（零矢量刹车）介入，通过短路电机绕组降低电流，有助于抑制母线电压上升，保护电力电子设备和电池系统。

2. Brake上三管和下三管轮换（零矢量111和000进行轮换控制），以使热均匀分布在逆变器的六个管子上： 在实施Brake时，不仅可以通过下三管全开（000状态）进行制动，也可以轮换至上三管全开（111状态）。这样，制动过程中产生的热量会在逆变器的六个开关元件（IGBT/MOSFET）之间更均匀地分布，避免单个元件过热，延长器件寿命，提高系统可靠性。

3. Brake过程中对地短路检测： 在执行Brake操作时，实时监测逆变器下三管（或上三管）与地之间的状态，确保短路状态正确且稳定。任何异常（如开关元件失效导致的实际短路状态与预期不符）都将触发故障报警或保护动作，防止设备损坏或安全事故。

4. Brake过程中电流过大检测： 即使在Brake模式下，也要监控电机绕组电流，以防因电机参数变化、负载突变等原因导致电流过大。一旦检测到电流超过设定阈值，应立即采取措施（如减小直流侧电压、调整开关状态等）限制电流，防止逆变器过载或电机过热。

5. 启动前强制Brake（初始位置检测要求转子静止状态）： 在电机启动前，尤其是需要进行精确初始位置检测（如通过霍尔传感器、编码器或者初始位置检测算法均要求转子静止状态等）时，强制电机进入Brake状态，确保转子静止，便于准确获取初始位置信息，为后续启动和控制提供准确参考。

6. 逆风启动强制进Brake： 当电机应用于风力发电等场景，遇到逆风（风向与电机旋转方向相反）导致电机反向发电时，强制进入Brake状态，阻止电机反转并及时消耗反向电能，保护系统免受过电压冲击。

7. 停机瞬间强制进Brake： 在电机停机瞬间，尤其是需要快速停车或遇到紧急情况时，立即切换至Brake状态，利用短路制动快速降低电机转速，实现精准、安全停车。

8. 故障发生强制进Brake： 无论何种类型的故障（如过温、过压、过流、通讯故障等），一旦检测到，均应立即启动Brake操作，将电机置于短路制动状态，防止故障进一步恶化，保护设备安全，并为故障诊断和恢复争取时间。

总结起来，零矢量刹车（Brake）功能集成了母线电压抑制、热分布优化、故障检测与保护、启动与停车控制等多个关键功能，体现了在电机控制系统中对Brake策略的全方位应用和精细化管理，旨在确保电机运行的安全、稳定和高效。实际应用中可综合输出电流检测值、母线电压检测值来综合评判Brake使能与关断，此为不连续的高频Brake的来源。

三、零矢量的其他妙用

零矢量的定义： 在电机控制领域，特别是在三相交流电机（如永磁同步电机、异步电机）的变频驱动系统中，零矢量是指电机三相绕组中电流的合成矢量与定子磁链方向垂直，或等效为电机绕组中没有电流流过（即电流为零）的状态。具体来说：

1. 电流矢量：在电机的dq坐标系（直轴-d轴、交轴-q轴）中，零矢量表示d轴电流（Id）和q轴电流（Iq）同时为零，即Id = Iq = 0。此时，电机定子磁场与转子磁场相互作用为零，电机不产生电磁转矩。

2. 开关状态：在逆变器层面，零矢量对应于一种特定的开关状态，通常是逆变器的上桥臂和下桥臂中对应同一相的开关元件同时关断，或者三相绕组的任意两相被短路，使得该相绕组电压为零。例如，在三相桥式逆变器中，零矢量可以对应于所有下桥开关元件全开（000状态）或所有上桥开关元件全开（111状态），形成电机三相绕组对地或对电源的短路。

随机PWM

随机PWM（Random PWM）是一种脉宽调制（PWM）技术，它改变了传统PWM信号中开关状态按固定顺序或规则重复出现的方式，转而采用随机化的方法确定开关状态的序列。在电机控制应用中，随机PWM的主要特点和优势包括：

1. 降低电磁噪声：由于开关状态的切换不再遵循周期性规律，减少了电机和电源系统中与开关频率相关的特定频段噪声，有助于符合EMC（电磁兼容性）标准，减轻对周边敏感设备的干扰。

2. 减小转矩脉动：对于使用SVPWM（空间矢量PWM）的电机驱动系统，随机PWM通过在基本电压矢量之间插入随机选择的零矢量或小幅度非零矢量，可以更均匀地分散转矩脉动，改善电机运行的平稳性，降低机械振动和噪声。

3. 改善电机热分布：通过随机化开关状态，可以避免逆变器中个别开关元件长期处于连续导通或关断状态，使得电机内部和逆变器的热分布更加均衡，有助于延长器件寿命。

4. 增强抗干扰能力：随机PWM信号不易受到外部谐波干扰的影响，因为其非周期性特征使得干扰信号难以与PWM信号同步，从而提高了系统的抗干扰性能。

结合零矢量的定义与随机PWM技术，可以理解为在随机PWM控制策略中，零矢量的插入不再是按照预定的规则或顺序进行，而是根据某种随机化算法（如马尔科夫链算法、混沌映射等）生成的随机序列来决定何时、以何种方式插入零矢量。这样做的目的是为了在保持电机所需平均转矩输出的同时，通过随机化手段改善电机的电磁兼容性、降低噪声、优化热管理和增强系统稳定性。

当然工程上还有改变载波频率或者零序分量的方式来实现随机PWM。

转速跟踪

另外高频的零矢量的使用可以用于检测永磁电机的转速，用于正在高速运行的永磁电机的初始位置和初始速度的估计，待后续详细叙述......