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摘 要 本来根据工业制动控制对控制器件响应快速，灵敏性，准确性及可靠性等要求，结合制动系统机械部分的特点设计了一种变级制动控制电路，电路并无复杂的反馈环节，通过相应的整流电路来实现制动过程的控制，由实际生产过程中所总结的数据对电路参数进行设置，以满足电机启停频繁、迅速制动的要求。
关键词 交流异步电机；变级制动；电磁制动；整流电路
中图分类号：TM343 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）032-023-02
异步电动机的制动方法主要有两大类，即电气制动和机械制动。电气制动是使电动机产生一个与原来转子转动方向相反的制动转矩而迫使其迅速停止，常用的有反馈制动，反接制动、能耗制动等。机械制动是采用机械制动装置来强迫电动机迅速停止，一般采用直流电磁制动。本文主要讨论的是电磁制动。
电磁制动属于失电制动，也被称为安全制动，目前应用广泛。常用的电磁制动采用不变直流电源有其弊端，现分析如下：
1）为使制动器能连续工作，设计时就要减小电流，主要是控制衔铁和电磁铁间的工作间隙。因为电流和工作间隙的平方成正比， 所以工作间隙选的很小， 大约为1 mm左右， 较小的工作间隙给制造、调试带来困难， 工作间隙稍有磨损其间隙变化率就很大， 所以需要经常调整工作间隙。
2）在保持吸合状态的工作时段，电流没有减下来，为了避免励磁线圈发热，只能是多用些铜材和钢材，既浪费材料又浪费电能，更重要的是，制动器的工作电流大，储存了较多的电磁能，断电后衔铁不能快速脱开制动，制动时间几乎不合格。
为了克服上述不足，减少电路电流，降低储存的磁场能，使制动器断电后能快速脱开制动， 节约电能和降低励磁线圈温升，本文设计了一种变级制动控制电路，使直流电磁制动器在不同的工作时段采用不同的制动电流，以满足电机启停频繁、迅速制动的要求。
1 直流电磁制动机构
直流电磁制动系统，其结构如图1所示。
在旋转轴系上装有制动盘，在机壳上装有只可以轴向滑动，但不能转动的摩擦盘和通电线圈。制动时，在线圈中通以一定的电流，电磁铁产生足够的电磁力，该电磁力使摩擦盘向下运动，与制动盘摩擦，产生所需的制动效果。起动运行时，回复电磁铁先通电，电磁力使摩擦盘向上运动，摩擦盘与制动盘脱离，并使回复电磁铁处于气隙最小的位置。该动作完成后，轴系才可以加速旋转。回复电磁铁的运动部分与摩擦盘刚性连接。采用两个电磁铁后，该部分的动作实现了完全電控，避免了采用机械弹簧支撑时存在的适配问题，该制动过程由电磁线圈控制，线圈中有电流通过时，通过电磁铁吸合机械制动机构，通过抱紧电机轴产生较大阻力矩来实现制动。
2 变级控制电路
由于制动系统开始制动时所受阻力矩较大，因此要求线圈中有较大电流通过。一段时间后，电机转矩减小，制动机构所需的制动阻力矩也相应减小，以减少机械磨损和能量消耗，因此电路线圈中只需很小的维持，这些通过相应的控制电路来实现。
本文拟设计为桥式全波/半波可转换整流电路，电磁制动器启动瞬间，电路为全波整流电路，负载线圈两端电压较高，从而流过线圈电流较大，制动器输出阻力矩也较大。5 s后，由延时电路控制继电器线圈得电，从而继电器开关动作，电路切换为半波整流电路。此时负载线圈两端电压为启动瞬间的一半左右，线圈中电流与制动器输出阻力矩也为启动瞬间的一半左右。
2.1 整流电路
目前常用的整流电路主要分为单（三）相半波可控整流电路，单（三）相桥式全控整流电路， 单（三）相全波可控整流电路和单（三）相桥式半波整流电路。
在理想状况下，根据功率等效的原理，经过积分计算后，全波整流得到的有效电压值与电源电压有效值相同，半波整流得到的有有效电压值为电源有效电压值的一半。
本次电机及制动系统均接入380 V单相工业电源，因此本次控制电路根据单相整流相关理论进行设计。电源波形为正弦波。
380 V单相电源经全波整流后，结合相关整流电路，电磁制动器可得到380 V左右启动电压；380 V单相电源经半波整流后，电磁制动器可得到全波整流一半左右制动电压。
此在开始制动时候采用桥式全波整流，整流后波形如图4所示。图2中，虚线部分为全波整流后波形，实线部分为全波整流前波形。
图2 全波整流后波形图
5 s后，要求电路线圈中电流为开始制动时电路线圈中的一半，此时可将电路切换成桥式半波整流电路，这个过程由计时器延时实现，5 s后继电器开关动作，电路变为桥式半波整流电路。桥式半波整流电路原理图如图3所示。整流后波形如图4所示。
线圈电流为全波整流时线圈电流的一半，制动器输出制动转矩减小。必须注意的是，开合直流线圈时产生的过电压也容易击穿整流元器件和励磁线圈。所以，电路必须按照安全要求设计附加的过电压保护与防击穿保护等设置，以确保电路的性能。
2.2 延时电路
本文采用CD4541B可编程计时器实现5s的计时，CD4541B由一个16阶二进制计数器，一个振荡器，它由外部R-C部分（2个电阻器和一个电容器），一个自动上电重置电路和输出控制逻辑控制。正边沿时钟跳跃时计数器计数，并且计数器可以通过MASTER RESET输入重新设置。
根据计算，选定RTC的值为21.4 kΩ，CTC的值为0.1μf，则RS的值为RS=2RTC=42.8 kΩ。此时f = 1/（2.3RTCCTC）=203 Hz，计数周期T=1/f=0.00492 s，根据频率选择表当A=0，B=1时，计数为1024，此时延时为0.00492s*1024=5.06 s。符合5 s的延时要求。
延时电路如图5所示。
控制电路接通电源后，由于二极管D3的半波整流作用，晶闸管g端电压不低于a端电压，芯片CD4541B输出低电平，k中无电流通过，因此晶闸管不导通，此时继电器中线圈无电流通过，CD4541B芯片得电并开始计数，5 s后，输出高电平，k中有电流通过，晶闸管导通，继电器线圈中有电流通过，继电器开关动作。电路中，D1对电路起保护作用，电路电源断开瞬间，继电器线圈中感应电压很大，此时通过继电器线圈与D1组成的回路释放线圈中的电磁能，对整个电路起保护作用。 2.3 主控制电路
主控制电路的作用是进行桥式全波/半波整流切换，通过继电器开关控制，根据前面提到桥式全波与半波整流电路的相关特点，主电路设计如图6所示。
端口1与断口2接入交流电源，CJ为继电器常闭开关，L为制动器负载线圈。接通电源时，电路为桥式全波整流电路，制动器线圈两端得到有效值约为380 V的直流电压，5s后，继电器开关CJ断开，电路转换为桥式半波整流电路，制动器线圈两端得到有效值减半的直流半波电压，相应地，其线圈中电流减半。
图6 控制电路主电路
电路中，R与RV为压敏电阻，压敏电阻是一种新型的过电压保护元件，又称VYJ浪涌吸收器，其系列型号为MY31。它是由氧化锌、氧化铅等烧结制成的非线性电阻元件，具有正反向相同的很陡的伏安特性。正常工作时漏电流极小（μA级），故损耗小，遇到浪涌电压时反应很快，可通过数千安培的放电电流IY。因此抑制过电压的能力极强。在本电路中利用压敏电阻这种特性对电路起保护作用，防止制动器线圈在得电或失电瞬间产生很大过电压损坏电路。
2.4 控制电路全图
完整的控制电路如圖7所示，根据设计的制动控制电路，制动器的工作过程如下：电路接通电源后，由于芯片CD4541B输出低电平，可控硅晶闸管管脚k中无电流通过，晶闸管不通，继电器线圈中无电流通过，继电器开关不动作，保持闭合状态。主电路为桥式全波整流电路，而此时延时电路开始计数，5 s后，芯片CD4541B输出高电平，可控硅晶闸管管脚k中有电流通过，晶闸管导通，继电器线圈得电，从而继电器开关动作，主电路转换为桥式半波整流电路。此时制动器线圈两端电压为制动器启动电压的一半，继电器线圈电流及输出阻力矩均减半。
3 总结
本文结合实际生产中的要求设计了一种异步电机变级制动控制电路，通过相应的整流电路来实现制动过程的控制，启动瞬间制动电压接近380 V，一段时间（5 s）后，制动电压降为原来一半左右，此时线圈中电流约为启动时线圈电流的一半。5 s延时通过相应的延时电路来实现。电路并无复杂的反馈环节，满足电机启停频繁、迅速制动的要求。
参考文献
[1]邓星钟.机电传动控制[M].湖北：华中科技大学出版社，2000.
[2]李勇，崔友，陆永平.一种高速电磁制动器制动过程的动态特性分析[J].电气工程技术报，2007，22（8）.
[3]李凯，陈景，苗峰.直流电磁制动器电源的处理[J].防爆电机，1998，96（3）.
[4]阳可斌，沈立祥，董庭鸿.压敏电阻在电磁制动三相异步电动机制动线圈保护中的应用[J].云南冶金，2000（S1）.
关键词 交流异步电机；变级制动；电磁制动；整流电路
中图分类号：TM343 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）032-023-02
异步电动机的制动方法主要有两大类，即电气制动和机械制动。电气制动是使电动机产生一个与原来转子转动方向相反的制动转矩而迫使其迅速停止，常用的有反馈制动，反接制动、能耗制动等。机械制动是采用机械制动装置来强迫电动机迅速停止，一般采用直流电磁制动。本文主要讨论的是电磁制动。
电磁制动属于失电制动，也被称为安全制动，目前应用广泛。常用的电磁制动采用不变直流电源有其弊端，现分析如下：
1）为使制动器能连续工作，设计时就要减小电流，主要是控制衔铁和电磁铁间的工作间隙。因为电流和工作间隙的平方成正比， 所以工作间隙选的很小， 大约为1 mm左右， 较小的工作间隙给制造、调试带来困难， 工作间隙稍有磨损其间隙变化率就很大， 所以需要经常调整工作间隙。
2）在保持吸合状态的工作时段，电流没有减下来，为了避免励磁线圈发热，只能是多用些铜材和钢材，既浪费材料又浪费电能，更重要的是，制动器的工作电流大，储存了较多的电磁能，断电后衔铁不能快速脱开制动，制动时间几乎不合格。
为了克服上述不足，减少电路电流，降低储存的磁场能，使制动器断电后能快速脱开制动， 节约电能和降低励磁线圈温升，本文设计了一种变级制动控制电路，使直流电磁制动器在不同的工作时段采用不同的制动电流，以满足电机启停频繁、迅速制动的要求。
1 直流电磁制动机构
直流电磁制动系统，其结构如图1所示。
在旋转轴系上装有制动盘，在机壳上装有只可以轴向滑动，但不能转动的摩擦盘和通电线圈。制动时，在线圈中通以一定的电流，电磁铁产生足够的电磁力，该电磁力使摩擦盘向下运动，与制动盘摩擦，产生所需的制动效果。起动运行时，回复电磁铁先通电，电磁力使摩擦盘向上运动，摩擦盘与制动盘脱离，并使回复电磁铁处于气隙最小的位置。该动作完成后，轴系才可以加速旋转。回复电磁铁的运动部分与摩擦盘刚性连接。采用两个电磁铁后，该部分的动作实现了完全電控，避免了采用机械弹簧支撑时存在的适配问题，该制动过程由电磁线圈控制，线圈中有电流通过时，通过电磁铁吸合机械制动机构，通过抱紧电机轴产生较大阻力矩来实现制动。
2 变级控制电路
由于制动系统开始制动时所受阻力矩较大，因此要求线圈中有较大电流通过。一段时间后，电机转矩减小，制动机构所需的制动阻力矩也相应减小，以减少机械磨损和能量消耗，因此电路线圈中只需很小的维持，这些通过相应的控制电路来实现。
本文拟设计为桥式全波/半波可转换整流电路，电磁制动器启动瞬间，电路为全波整流电路，负载线圈两端电压较高，从而流过线圈电流较大，制动器输出阻力矩也较大。5 s后，由延时电路控制继电器线圈得电，从而继电器开关动作，电路切换为半波整流电路。此时负载线圈两端电压为启动瞬间的一半左右，线圈中电流与制动器输出阻力矩也为启动瞬间的一半左右。
2.1 整流电路
目前常用的整流电路主要分为单（三）相半波可控整流电路，单（三）相桥式全控整流电路， 单（三）相全波可控整流电路和单（三）相桥式半波整流电路。
在理想状况下，根据功率等效的原理，经过积分计算后，全波整流得到的有效电压值与电源电压有效值相同，半波整流得到的有有效电压值为电源有效电压值的一半。
本次电机及制动系统均接入380 V单相工业电源，因此本次控制电路根据单相整流相关理论进行设计。电源波形为正弦波。
380 V单相电源经全波整流后，结合相关整流电路，电磁制动器可得到380 V左右启动电压；380 V单相电源经半波整流后，电磁制动器可得到全波整流一半左右制动电压。
此在开始制动时候采用桥式全波整流，整流后波形如图4所示。图2中，虚线部分为全波整流后波形，实线部分为全波整流前波形。
图2 全波整流后波形图
5 s后，要求电路线圈中电流为开始制动时电路线圈中的一半，此时可将电路切换成桥式半波整流电路，这个过程由计时器延时实现，5 s后继电器开关动作，电路变为桥式半波整流电路。桥式半波整流电路原理图如图3所示。整流后波形如图4所示。
线圈电流为全波整流时线圈电流的一半，制动器输出制动转矩减小。必须注意的是，开合直流线圈时产生的过电压也容易击穿整流元器件和励磁线圈。所以，电路必须按照安全要求设计附加的过电压保护与防击穿保护等设置，以确保电路的性能。
2.2 延时电路
本文采用CD4541B可编程计时器实现5s的计时，CD4541B由一个16阶二进制计数器，一个振荡器，它由外部R-C部分（2个电阻器和一个电容器），一个自动上电重置电路和输出控制逻辑控制。正边沿时钟跳跃时计数器计数，并且计数器可以通过MASTER RESET输入重新设置。
根据计算，选定RTC的值为21.4 kΩ，CTC的值为0.1μf，则RS的值为RS=2RTC=42.8 kΩ。此时f = 1/（2.3RTCCTC）=203 Hz，计数周期T=1/f=0.00492 s，根据频率选择表当A=0，B=1时，计数为1024，此时延时为0.00492s*1024=5.06 s。符合5 s的延时要求。
延时电路如图5所示。
控制电路接通电源后，由于二极管D3的半波整流作用，晶闸管g端电压不低于a端电压，芯片CD4541B输出低电平，k中无电流通过，因此晶闸管不导通，此时继电器中线圈无电流通过，CD4541B芯片得电并开始计数，5 s后，输出高电平，k中有电流通过，晶闸管导通，继电器线圈中有电流通过，继电器开关动作。电路中，D1对电路起保护作用，电路电源断开瞬间，继电器线圈中感应电压很大，此时通过继电器线圈与D1组成的回路释放线圈中的电磁能，对整个电路起保护作用。 2.3 主控制电路
主控制电路的作用是进行桥式全波/半波整流切换，通过继电器开关控制，根据前面提到桥式全波与半波整流电路的相关特点，主电路设计如图6所示。
端口1与断口2接入交流电源，CJ为继电器常闭开关，L为制动器负载线圈。接通电源时，电路为桥式全波整流电路，制动器线圈两端得到有效值约为380 V的直流电压，5s后，继电器开关CJ断开，电路转换为桥式半波整流电路，制动器线圈两端得到有效值减半的直流半波电压，相应地，其线圈中电流减半。
图6 控制电路主电路
电路中，R与RV为压敏电阻，压敏电阻是一种新型的过电压保护元件，又称VYJ浪涌吸收器，其系列型号为MY31。它是由氧化锌、氧化铅等烧结制成的非线性电阻元件，具有正反向相同的很陡的伏安特性。正常工作时漏电流极小（μA级），故损耗小，遇到浪涌电压时反应很快，可通过数千安培的放电电流IY。因此抑制过电压的能力极强。在本电路中利用压敏电阻这种特性对电路起保护作用，防止制动器线圈在得电或失电瞬间产生很大过电压损坏电路。
2.4 控制电路全图
完整的控制电路如圖7所示，根据设计的制动控制电路，制动器的工作过程如下：电路接通电源后，由于芯片CD4541B输出低电平，可控硅晶闸管管脚k中无电流通过，晶闸管不通，继电器线圈中无电流通过，继电器开关不动作，保持闭合状态。主电路为桥式全波整流电路，而此时延时电路开始计数，5 s后，芯片CD4541B输出高电平，可控硅晶闸管管脚k中有电流通过，晶闸管导通，继电器线圈得电，从而继电器开关动作，主电路转换为桥式半波整流电路。此时制动器线圈两端电压为制动器启动电压的一半，继电器线圈电流及输出阻力矩均减半。
3 总结
本文结合实际生产中的要求设计了一种异步电机变级制动控制电路，通过相应的整流电路来实现制动过程的控制，启动瞬间制动电压接近380 V，一段时间（5 s）后，制动电压降为原来一半左右，此时线圈中电流约为启动时线圈电流的一半。5 s延时通过相应的延时电路来实现。电路并无复杂的反馈环节，满足电机启停频繁、迅速制动的要求。
参考文献
[1]邓星钟.机电传动控制[M].湖北：华中科技大学出版社，2000.
[2]李勇，崔友，陆永平.一种高速电磁制动器制动过程的动态特性分析[J].电气工程技术报，2007，22（8）.
[3]李凯，陈景，苗峰.直流电磁制动器电源的处理[J].防爆电机，1998，96（3）.
[4]阳可斌，沈立祥，董庭鸿.压敏电阻在电磁制动三相异步电动机制动线圈保护中的应用[J].云南冶金，2000（S1）.