節(jié)能型永磁電磁制動器線圈的斬波控制

時奕洲

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節(jié)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(xué)，江蘇 南京 210019）

針對寬電壓供電環(huán)境下的永磁電磁制動器的技術(shù)要求，采用脈沖寬度的調(diào)制技術(shù)對永磁機構(gòu)線圈勵磁電壓實現(xiàn)斬波恒壓控制，使永磁機構(gòu)電磁力保持恒定。相比于制動線圈傳統(tǒng)的連續(xù)直流供電方式，具有較好的節(jié)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(diào)節(jié)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(gòu)成的電磁制動器線圈伏秒關(guān)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(zhuǎn)設(shè)備正常運轉(zhuǎn)。經(jīng)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(wěn)定可靠地吸合。

永磁電磁制動器；脈沖；調(diào)制技術(shù)；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(yè)廣泛使用的拖曳電機電磁制動的專用設(shè)備，在電氣傳動系統(tǒng)中起制動作用，被廣泛應(yīng)用于冶金、建筑、化工等電力傳動系統(tǒng)。電磁制動器具有結(jié)構(gòu)簡單，控制、安裝方便等優(yōu)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(chǎn)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(zhuǎn)換成摩擦力，從而實現(xiàn)制動。電磁制動器包括定子組件和轉(zhuǎn)子組件，定子組件包括一個通電可產(chǎn)生磁場的線圈組件、內(nèi)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(tài)），在線圈組件失電時，銜鐵在永磁體產(chǎn)生的磁力下被吸附到內(nèi)磁軛和外磁軛的端面上，通過銜鐵表面與內(nèi)磁軛和外磁軛的表面的摩擦形成摩擦力，這樣旋轉(zhuǎn)設(shè)備的主軸在受到銜鐵的摩擦力后停止轉(zhuǎn)動，達到制動的目的；在線圈組件通電時，線圈組件產(chǎn)生與永磁體磁場相反的磁場，永磁體的磁場被線圈組件產(chǎn)生的磁場克服，銜鐵在彈簧的拉力下離開內(nèi)磁軛和外磁軛的端面并形成間隙。此時制動解除，旋轉(zhuǎn)動力設(shè)備的主軸在動力驅(qū)動的作用下開始轉(zhuǎn)動，電磁制動器將長時間工作于非制動狀態(tài)，即線圈組件將長時間處于通電狀態(tài)，并由此產(chǎn)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(huán)境下如何可靠、穩(wěn)定與節(jié)能地工作。

傳統(tǒng)電磁制動器中主要通過整流裝置將交流電轉(zhuǎn)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(xù)工作狀態(tài)，由此產(chǎn)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(wěn)定，導(dǎo)致制動器線圈組件產(chǎn)生磁場不穩(wěn)定，進而使銜鐵無法可靠、穩(wěn)定地克服永磁體的磁場作用，令電磁制動器銜鐵與內(nèi)磁軛和外磁軛的表面的摩擦力增加，影響旋轉(zhuǎn)設(shè)備主軸的正常運轉(zhuǎn)。作為新型電磁制動器的重要組成部分，制動器線圈組件驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)劣直接影響到整個電磁制動器的節(jié)能與可靠性。針對上述問題，本文提出采用PWM脈沖驅(qū)動方式使制動器電磁線圈工作在斬波狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制技術(shù)調(diào)節(jié)制動器線圈兩端電壓平均值，從而調(diào)節(jié)制動器在啟動和保持工況下的制動力，實現(xiàn)電磁制動器的節(jié)能運行；同時，采用供電電壓擾動前饋技術(shù)來控制電磁制動器線圈的斬波驅(qū)動電路，使電磁制動器可以適應(yīng)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(shè)計原理

電磁制動器的工作過程根據(jù)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(xù)一定的時間，讓制動器線圈組件產(chǎn)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(zhuǎn)設(shè)備主軸的制動狀態(tài)；在維持階段（制動器非制動狀態(tài)），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(chǎn)生足夠強的磁場，使銜鐵能夠穩(wěn)定、持續(xù)地克服永磁磁場的作用力，使之與旋轉(zhuǎn)設(shè)備主軸之間保持足夠間隙，令旋轉(zhuǎn)設(shè)備正常運轉(zhuǎn)，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(tài)就會產(chǎn)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(tài)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(diào)節(jié)制動器線圈組件的電壓，使得電磁制動器線圈組件產(chǎn)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(zhuǎn)設(shè)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(tài)下，調(diào)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(chǎn)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(zhuǎn)設(shè)備主軸保持足夠間隙，達到電磁制動器線圈組件節(jié)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(diào)節(jié)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(diào)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(guān)管與線圈組件構(gòu)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(diào)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(diào)節(jié)（PWM）電路為斬波電路提供脈沖驅(qū)動信號，進而驅(qū)動半導(dǎo)體開關(guān)器件的通斷，通過脈沖寬度的調(diào)節(jié)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(diào)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(shè)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(zhuǎn)換成脈動直流電，再通過濾波電容濾除直流紋波轉(zhuǎn)換成平滑的直流電壓，然后與半導(dǎo)體開關(guān)器件相連構(gòu)成直流斬波電路，如圖3所示。通過對開關(guān)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(shù)與PWM形成電路

由于驅(qū)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(dǎo)致制動器線圈勵磁電壓的波動，使制動器線圈產(chǎn)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(tài)。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(gòu)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(dāng)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(guān)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(qū)動開關(guān)管為制動器電磁線圈提供脈沖直流勵磁電流。

本電路設(shè)計的創(chuàng)新點即在于利用供電電壓擾動前饋技術(shù)線性控制鋸齒波斜率，當(dāng)整流電路直流側(cè)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(zhuǎn)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(guān)

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(guān)系仍能保持恒定，從而保證制動器線圈始終能產(chǎn)生一個恒定的電磁力，使制動器閘瓦始終處于穩(wěn)定可靠的開合狀態(tài)，實現(xiàn)了制動器在寬電壓供電條件下仍然可以穩(wěn)定、可靠工作。

3.3 基于RC延時與多路開關(guān)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(gòu)成延時電路，利用RC延時電路控制多路模擬開關(guān)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(guān)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(xiàn)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(zhuǎn)設(shè)備主軸，采用大占空比脈沖驅(qū)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(zhuǎn)設(shè)備制動的前提下，采用低占空比脈沖驅(qū)動，從而使電磁制動器線圈組件以較低的能耗運行，并實現(xiàn)節(jié)能。

圖6 鋸齒波與PWM波形

4 結(jié)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(diào)節(jié)PWM脈沖的占空比，并用該PWM脈沖控制半導(dǎo)體開關(guān)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(zhuǎn)設(shè)備主軸保持足夠間隙，使旋轉(zhuǎn)設(shè)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(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)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(xiàn)節(jié)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(chǎn)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(diào)節(jié)，便于滿足不同型號電磁制動器的參數(shù)要求。

TM352

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.22.053

2095－6835（2018）22－0053－03

〔編輯：張思楠〕