节能型永磁电磁制动器线圈的斩波控制

时奕洲



节能型永磁电磁制动器线圈的斩波控制

时奕洲

（南京市中华中学，江苏 南京 210019）

针对宽电压供电环境下的永磁电磁制动器的技术要求，采用脉冲宽度的调制技术对永磁机构线圈励磁电压实现斩波恒压控制，使永磁机构电磁力保持恒定。相比于制动线圈传统的连续直流供电方式，具有较好的节能效果。同时，运用扰动信号前馈将电磁制动器线圈组件的供电电压波动去线性地调节锯齿波斜率，从而使PWM脉冲宽度能线性地反映供电电压的波动，令电磁制动器线圈两端电压的变化与PWM脉冲宽度所构成的电磁制动器线圈伏秒关系保持恒定，最终确保制动器线圈组件在供电电压波动情况下依然能保持输出恒定的磁场，使制动器衔铁可靠地克服永磁磁场保持旋转设备正常运转。经实验验证，该斩波控制电路能够在外部供电电压波动情况下控制永磁制动器衔铁被快速、稳定可靠地吸合。

永磁电磁制动器；脉冲；调制技术；励磁电压

1 概述

本文涉及的永磁电磁制动器属于直流电电磁弹簧压力制动器，是工矿企业广泛使用的拖曳电机电磁制动的专用设备，在电气传动系统中起制动作用，被广泛应用于冶金、建筑、化工等电力传动系统。电磁制动器具有结构简单，控制、安装方便等优点。

直流电电磁弹簧压力制动器（以下简称电磁制动器）是依靠弹簧变形所产生的压力对摩擦组件进行作用，使摩擦组件依靠弹簧提供的压力转换成摩擦力，从而实现制动。电磁制动器包括定子组件和转子组件，定子组件包括一个通电可产生磁场的线圈组件、内磁轭、外磁轭和永磁体，永磁电磁制动器工作时（线圈组件处于通电状态），在线圈组件失电时，衔铁在永磁体产生的磁力下被吸附到内磁轭和外磁轭的端面上，通过衔铁表面与内磁轭和外磁轭的表面的摩擦形成摩擦力，这样旋转设备的主轴在受到衔铁的摩擦力后停止转动，达到制动的目的；在线圈组件通电时，线圈组件产生与永磁体磁场相反的磁场，永磁体的磁场被线圈组件产生的磁场克服，衔铁在弹簧的拉力下离开内磁轭和外磁轭的端面并形成间隙。此时制动解除，旋转动力设备的主轴在动力驱动的作用下开始转动，电磁制动器将长时间工作于非制动状态，即线圈组件将长时间处于通电状态，并由此产生能耗。本文将主要研究电磁制动器线圈组件在宽电压供电环境下如何可靠、稳定与节能地工作。

传统电磁制动器中主要通过整流装置将交流电转换成直流电并供给制动器线圈，使制动器线圈处于长时间连续工作状态，由此产生较大的能耗。此外，在实际工况下，由于供电电压波动会使电磁制动器线圈两端电压不稳定，导致制动器线圈组件产生磁场不稳定，进而使衔铁无法可靠、稳定地克服永磁体的磁场作用，令电磁制动器衔铁与内磁轭和外磁轭的表面的摩擦力增加，影响旋转设备主轴的正常运转。作为新型电磁制动器的重要组成部分，制动器线圈组件驱动系统的优劣直接影响到整个电磁制动器的节能与可靠性。针对上述问题，本文提出采用PWM脉冲驱动方式使制动器电磁线圈工作在斩波状态，通过脉宽调制技术调节制动器线圈两端电压平均值，从而调节制动器在启动和保持工况下的制动力，实现电磁制动器的节能运行；同时，采用供电电压扰动前馈技术来控制电磁制动器线圈的斩波驱动电路，使电磁制动器可以适应外部供电电压的波动而保持输出恒定的电磁力，有效提高制动器的可靠性。

2 设计原理

电磁制动器的工作过程根据工况分为2个阶段，即启动阶段和维持阶段。启动阶段需要为制动器线圈组件提供较高的励磁电压，并持续一定的时间，让制动器线圈组件产生足够强的磁场，并确保电磁制动器衔铁能快速、可靠地克服永磁磁场，解除对旋转设备主轴的制动状态；在维持阶段（制动器非制动状态），电磁制动器线圈组件通过维持较低的端电压来维持制动器线圈组件产生足够强的磁场，使衔铁能够稳定、持续地克服永磁磁场的作用力，使之与旋转设备主轴之间保持足够间隙，令旋转设备正常运转，这就需要电磁制动器线圈组件长时间保持恒定的电压，电磁制动器在非制动状态就会产生不可避免的能耗。因此，电磁制动器线圈组件的供电方式将决定制动器的工作能耗，因此，本文采用直流脉冲电压供电方式。对于电磁制动器线圈组件在励磁状态下带动衔铁动作过程的控制，一方面是在电磁制动器衔铁动作过程中调节制动器线圈组件的电压，使得电磁制动器线圈组件产生的磁场能带动衔铁快速、可靠地克服制动器永磁磁场的反力，使电磁制动器衔铁迅速、可靠地解除与旋转设备主轴的摩擦力；另一方面，在电磁制动器维持工况下保持衔铁处于可靠的开合状态下，调低电磁制动器线圈组件电压脉冲的占空比，以最小功耗确保电磁制动器线圈组件产生足够强度的磁场，使衔铁能可靠地克服永磁磁场的作用力与旋转设备主轴保持足够间隙，达到电磁制动器线圈组件节能运行的目的。电磁制动器动作过程中线圈两端脉冲电压的变化如图1所示。

图1 制动器线圈脉冲电压脉宽调节示意图

整个电磁制动器线圈组件的斩波控制由线圈组件供电模块和斩波器脉冲宽度调制模块组成。线圈组件供电模块中的整流滤波电路将交流电变换为平滑的直流电，通过开关管与线圈组件构成斩波电路，电磁制动器线圈组件通过斩波电路获得宽度可调的脉冲直流电；RC延时电路完成制动器的启动与保持工况的定时切换，脉冲宽度调节（PWM）电路为斩波电路提供脉冲驱动信号，进而驱动半导体开关器件的通断，通过脉冲宽度的调节控制制动器线圈组件端电压的等效值。辅助电源为脉冲宽度调制模块提供直流电压。图2为控制器框图。

图2 控制器框图

3 电路设计

3.1 电磁制动器供电与斩波电路

整个电磁制动器线圈组件的供电采用整流器将220 V交流电转换成脉动直流电，再通过滤波电容滤除直流纹波转换成平滑的直流电压，然后与半导体开关器件相连构成直流斩波电路，如图3所示。通过对开关管V的PWM脉冲控制，形成对电磁制动器线圈组件的脉冲直流供电。

图3 供电与斩波电路

3.2 电压扰动前馈技术与PWM形成电路

由于驱动器外接220 V交流电源，电压的波动会直接引起整流以后的直流电压波动，进而造成制动器线圈端电压的波动，最终导致制动器线圈励磁电压的波动，使制动器线圈产生的电磁力随外部供电电压波动而变化，影响制动器闸瓦的可靠开合状态。因此，本文通过1个555时基电路输出一个90%占空比的宽脉冲信号，该宽脉冲信号通过图4中的三极管T1控制由电阻R1、电阻R8和电容C6构成的RC充放电电路（宽脉冲高电平时C6充电，低电平时C6放电），形成锯齿波信号。当控制器外部交流供电电压波动时，整流滤波电路输出的直流电压随之波动，而这个波动将线性改变锯齿波信号的上升斜率，即锯齿波波形的斜率线性地反映供电电压的变化；该锯齿波信号则与图5中模拟多路开关U3分时提供的参考电压通过比较器U22比较后，形成不同工况下不同脉冲宽度的PWM脉冲信号，并以此驱动开关管为制动器电磁线圈提供脉冲直流励磁电流。

本电路设计的创新点即在于利用供电电压扰动前馈技术线性控制锯齿波斜率，当整流电路直流侧电压随交流电压上升而上升时，电容C6的充电速率上升，使得制动线圈两端的脉冲电压幅值上升，电容C6上的充电电压波形的斜率随之上升，与固定电平的参考电压比较后电平翻转时间提前，使其形成的PWM脉冲占空比缩小（即线圈两端通电时间缩短，占空比下降）；反之，制动线圈两端的脉冲电压幅值下降，PWM脉冲占空比增大，如图6所示。

图4 RC锯齿波与PWM脉冲形成电路

图5 延时与多路开关

此外，由于加在制动器线圈上的脉冲电压幅值随供电电压而同向波动，与此同时线圈脉冲的供电时间（脉冲宽度）则反向变化，无论直流电压如何上下波动，制动线圈两端的脉冲电压的伏秒关系仍能保持恒定，从而保证制动器线圈始终能产生一个恒定的电磁力，使制动器闸瓦始终处于稳定可靠的开合状态，实现了制动器在宽电压供电条件下仍然可以稳定、可靠工作。

3.3 基于RC延时与多路开关的工况切换

由于制动器分别需要工作在2种工况下，即启动与保持，因此，本文同样运用RC电路与比较器配合构成延时电路，利用RC延时电路控制多路模拟开关分时向比较器U22提供不同的参考电平，将启动基准电压与保持基准电压通过多路开关分时送给PWM电路中的比较器，如图6所示，从而分别在启动和保持工况下为PWM形成电路提供不同的电压比较基准，最终实现不同工况下的不同占空比的PWM脉冲直流供电，即在启动阶段，为了确保制动器衔铁快速、有效脱离旋转设备主轴，采用大占空比脉冲驱动，而在保持阶段，在保证制动器衔铁被可靠吸合并解除对旋转设备制动的前提下，采用低占空比脉冲驱动，从而使电磁制动器线圈组件以较低的能耗运行，并实现节能。

图6 锯齿波与PWM波形

4 结束语

本文所研制的新型永磁制动器线圈组件斩波控制器，通过扰动电压前馈控制调节PWM脉冲的占空比，并用该PWM脉冲控制半导体开关管，进而控制永磁制动器线圈组件在不同工况下输出所需的恒定磁场，以此带动制动器衔铁克服永磁磁场与旋转设备主轴保持足够间隙，使旋转设备可靠运行。通过实验验证，新型永磁制动器线圈组件斩波控制器与现有技术相比，具有以下优点：①制动器励磁电压分时控制，启动阶段高电压，维持阶段低电压，有效降低电磁制动器线圈组件功耗，实现节能；②在供电电压波动情况下仍能确保电磁制动器线圈组件产生恒定的磁场，使电磁制动器衔铁足以克服永磁磁场作用而被可靠吸合；③电磁制动器线圈组件所需的启动电压和维持电压均可调节，便于满足不同型号电磁制动器的参数要求。

TM352

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.22.053

2095－6835（2018）22－0053－03

〔编辑：张思楠〕