節能型永磁電磁制動器線圈的斬波控制

時奕洲

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節能型永磁電磁制動器線圈的斬波控制

時奕洲

（南京市中華中學，江蘇 南京 210019）

針對寬電壓供電環境下的永磁電磁制動器的技術要求，采用脈沖寬度的調制技術對永磁機構線圈勵磁電壓實現斬波恒壓控制，使永磁機構電磁力保持恒定。相比于制動線圈傳統的連續直流供電方式，具有較好的節能效果。同時，運用擾動信號前饋將電磁制動器線圈組件的供電電壓波動去線性地調節鋸齒波斜率，從而使PWM脈沖寬度能線性地反映供電電壓的波動，令電磁制動器線圈兩端電壓的變化與PWM脈沖寬度所構成的電磁制動器線圈伏秒關系保持恒定，最終確保制動器線圈組件在供電電壓波動情況下依然能保持輸出恒定的磁場，使制動器銜鐵可靠地克服永磁磁場保持旋轉設備正常運轉。經實驗驗證，該斬波控制電路能夠在外部供電電壓波動情況下控制永磁制動器銜鐵被快速、穩定可靠地吸合。

永磁電磁制動器；脈沖；調制技術；勵磁電壓

1 概述

本文涉及的永磁電磁制動器屬于直流電電磁彈簧壓力制動器，是工礦企業廣泛使用的拖曳電機電磁制動的專用設備，在電氣傳動系統中起制動作用，被廣泛應用于冶金、建筑、化工等電力傳動系統。電磁制動器具有結構簡單，控制、安裝方便等優點。

直流電電磁彈簧壓力制動器（以下簡稱電磁制動器）是依靠彈簧變形所產生的壓力對摩擦組件進行作用，使摩擦組件依靠彈簧提供的壓力轉換成摩擦力，從而實現制動。電磁制動器包括定子組件和轉子組件，定子組件包括一個通電可產生磁場的線圈組件、內磁軛、外磁軛和永磁體，永磁電磁制動器工作時（線圈組件處于通電狀態），在線圈組件失電時，銜鐵在永磁體產生的磁力下被吸附到內磁軛和外磁軛的端面上，通過銜鐵表面與內磁軛和外磁軛的表面的摩擦形成摩擦力，這樣旋轉設備的主軸在受到銜鐵的摩擦力后停止轉動，達到制動的目的；在線圈組件通電時，線圈組件產生與永磁體磁場相反的磁場，永磁體的磁場被線圈組件產生的磁場克服，銜鐵在彈簧的拉力下離開內磁軛和外磁軛的端面并形成間隙。此時制動解除，旋轉動力設備的主軸在動力驅動的作用下開始轉動，電磁制動器將長時間工作于非制動狀態，即線圈組件將長時間處于通電狀態，并由此產生能耗。本文將主要研究電磁制動器線圈組件在寬電壓供電環境下如何可靠、穩定與節能地工作。

傳統電磁制動器中主要通過整流裝置將交流電轉換成直流電并供給制動器線圈，使制動器線圈處于長時間連續工作狀態，由此產生較大的能耗。此外，在實際工況下，由于供電電壓波動會使電磁制動器線圈兩端電壓不穩定，導致制動器線圈組件產生磁場不穩定，進而使銜鐵無法可靠、穩定地克服永磁體的磁場作用，令電磁制動器銜鐵與內磁軛和外磁軛的表面的摩擦力增加，影響旋轉設備主軸的正常運轉。作為新型電磁制動器的重要組成部分，制動器線圈組件驅動系統的優劣直接影響到整個電磁制動器的節能與可靠性。針對上述問題，本文提出采用PWM脈沖驅動方式使制動器電磁線圈工作在斬波狀態，通過脈寬調制技術調節制動器線圈兩端電壓平均值，從而調節制動器在啟動和保持工況下的制動力，實現電磁制動器的節能運行；同時，采用供電電壓擾動前饋技術來控制電磁制動器線圈的斬波驅動電路，使電磁制動器可以適應外部供電電壓的波動而保持輸出恒定的電磁力，有效提高制動器的可靠性。

2 設計原理

電磁制動器的工作過程根據工況分為2個階段，即啟動階段和維持階段。啟動階段需要為制動器線圈組件提供較高的勵磁電壓，并持續一定的時間，讓制動器線圈組件產生足夠強的磁場，并確保電磁制動器銜鐵能快速、可靠地克服永磁磁場，解除對旋轉設備主軸的制動狀態；在維持階段（制動器非制動狀態），電磁制動器線圈組件通過維持較低的端電壓來維持制動器線圈組件產生足夠強的磁場，使銜鐵能夠穩定、持續地克服永磁磁場的作用力，使之與旋轉設備主軸之間保持足夠間隙，令旋轉設備正常運轉，這就需要電磁制動器線圈組件長時間保持恒定的電壓，電磁制動器在非制動狀態就會產生不可避免的能耗。因此，電磁制動器線圈組件的供電方式將決定制動器的工作能耗，因此，本文采用直流脈沖電壓供電方式。對于電磁制動器線圈組件在勵磁狀態下帶動銜鐵動作過程的控制，一方面是在電磁制動器銜鐵動作過程中調節制動器線圈組件的電壓，使得電磁制動器線圈組件產生的磁場能帶動銜鐵快速、可靠地克服制動器永磁磁場的反力，使電磁制動器銜鐵迅速、可靠地解除與旋轉設備主軸的摩擦力；另一方面，在電磁制動器維持工況下保持銜鐵處于可靠的開合狀態下，調低電磁制動器線圈組件電壓脈沖的占空比，以最小功耗確保電磁制動器線圈組件產生足夠強度的磁場，使銜鐵能可靠地克服永磁磁場的作用力與旋轉設備主軸保持足夠間隙，達到電磁制動器線圈組件節能運行的目的。電磁制動器動作過程中線圈兩端脈沖電壓的變化如圖1所示。

圖1 制動器線圈脈沖電壓脈寬調節示意圖

整個電磁制動器線圈組件的斬波控制由線圈組件供電模塊和斬波器脈沖寬度調制模塊組成。線圈組件供電模塊中的整流濾波電路將交流電變換為平滑的直流電，通過開關管與線圈組件構成斬波電路，電磁制動器線圈組件通過斬波電路獲得寬度可調的脈沖直流電；RC延時電路完成制動器的啟動與保持工況的定時切換，脈沖寬度調節（PWM）電路為斬波電路提供脈沖驅動信號，進而驅動半導體開關器件的通斷，通過脈沖寬度的調節控制制動器線圈組件端電壓的等效值。輔助電源為脈沖寬度調制模塊提供直流電壓。圖2為控制器框圖。

圖2 控制器框圖

3 電路設計

3.1 電磁制動器供電與斬波電路

整個電磁制動器線圈組件的供電采用整流器將220 V交流電轉換成脈動直流電，再通過濾波電容濾除直流紋波轉換成平滑的直流電壓，然后與半導體開關器件相連構成直流斬波電路，如圖3所示。通過對開關管V的PWM脈沖控制，形成對電磁制動器線圈組件的脈沖直流供電。

圖3 供電與斬波電路

3.2 電壓擾動前饋技術與PWM形成電路

由于驅動器外接220 V交流電源，電壓的波動會直接引起整流以后的直流電壓波動，進而造成制動器線圈端電壓的波動，最終導致制動器線圈勵磁電壓的波動，使制動器線圈產生的電磁力隨外部供電電壓波動而變化，影響制動器閘瓦的可靠開合狀態。因此，本文通過1個555時基電路輸出一個90%占空比的寬脈沖信號，該寬脈沖信號通過圖4中的三極管T1控制由電阻R1、電阻R8和電容C6構成的RC充放電電路（寬脈沖高電平時C6充電，低電平時C6放電），形成鋸齒波信號。當控制器外部交流供電電壓波動時，整流濾波電路輸出的直流電壓隨之波動，而這個波動將線性改變鋸齒波信號的上升斜率，即鋸齒波波形的斜率線性地反映供電電壓的變化；該鋸齒波信號則與圖5中模擬多路開關U3分時提供的參考電壓通過比較器U22比較后，形成不同工況下不同脈沖寬度的PWM脈沖信號，并以此驅動開關管為制動器電磁線圈提供脈沖直流勵磁電流。

本電路設計的創新點即在于利用供電電壓擾動前饋技術線性控制鋸齒波斜率，當整流電路直流側電壓隨交流電壓上升而上升時，電容C6的充電速率上升，使得制動線圈兩端的脈沖電壓幅值上升，電容C6上的充電電壓波形的斜率隨之上升，與固定電平的參考電壓比較后電平翻轉時間提前，使其形成的PWM脈沖占空比縮小（即線圈兩端通電時間縮短，占空比下降）；反之，制動線圈兩端的脈沖電壓幅值下降，PWM脈沖占空比增大，如圖6所示。

圖4 RC鋸齒波與PWM脈沖形成電路

圖5 延時與多路開關

此外，由于加在制動器線圈上的脈沖電壓幅值隨供電電壓而同向波動，與此同時線圈脈沖的供電時間（脈沖寬度）則反向變化，無論直流電壓如何上下波動，制動線圈兩端的脈沖電壓的伏秒關系仍能保持恒定，從而保證制動器線圈始終能產生一個恒定的電磁力，使制動器閘瓦始終處于穩定可靠的開合狀態，實現了制動器在寬電壓供電條件下仍然可以穩定、可靠工作。

3.3 基于RC延時與多路開關的工況切換

由于制動器分別需要工作在2種工況下，即啟動與保持，因此，本文同樣運用RC電路與比較器配合構成延時電路，利用RC延時電路控制多路模擬開關分時向比較器U22提供不同的參考電平，將啟動基準電壓與保持基準電壓通過多路開關分時送給PWM電路中的比較器，如圖6所示，從而分別在啟動和保持工況下為PWM形成電路提供不同的電壓比較基準，最終實現不同工況下的不同占空比的PWM脈沖直流供電，即在啟動階段，為了確保制動器銜鐵快速、有效脫離旋轉設備主軸，采用大占空比脈沖驅動，而在保持階段，在保證制動器銜鐵被可靠吸合并解除對旋轉設備制動的前提下，采用低占空比脈沖驅動，從而使電磁制動器線圈組件以較低的能耗運行，并實現節能。

圖6 鋸齒波與PWM波形

4 結束語

本文所研制的新型永磁制動器線圈組件斬波控制器，通過擾動電壓前饋控制調節PWM脈沖的占空比，并用該PWM脈沖控制半導體開關管，進而控制永磁制動器線圈組件在不同工況下輸出所需的恒定磁場，以此帶動制動器銜鐵克服永磁磁場與旋轉設備主軸保持足夠間隙，使旋轉設備可靠運行。通過實驗驗證，新型永磁制動器線圈組件斬波控制器與現有技術相比，具有以下優點：①制動器勵磁電壓分時控制，啟動階段高電壓，維持階段低電壓，有效降低電磁制動器線圈組件功耗，實現節能；②在供電電壓波動情況下仍能確保電磁制動器線圈組件產生恒定的磁場，使電磁制動器銜鐵足以克服永磁磁場作用而被可靠吸合；③電磁制動器線圈組件所需的啟動電壓和維持電壓均可調節，便于滿足不同型號電磁制動器的參數要求。

TM352

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.22.053

2095－6835（2018）22－0053－03

〔編輯：張思楠〕