三相异步电动机的能耗制动控制模块技术领域本实用新型涉及一种用供给电动机直流的方法的用于交流电动机的停 止的装置，尤其是一种电动机断电时，供给电动机直流电源用以消耗电动机 转子惯性能量产生制动力矩，使电动机停转的三相异步电动机的能耗制动控 制模块。 背景技术三相异步电动机，特别是鼠笼式三相异步电动机做为机械设备的配套动 力，因其具有结构简单、运行可靠及便于维护等优点，得到广泛应用。电动 机在应用过程中经常需要有制动功能，以满足各种机械准确定位、往复运转、 频繁起动的要求。如木工机械、食品机械、印刷机械、冶金机械及各种机床。 目前，三相异步电动机的制动方式通常分为机械制动和电力制动两大类。机械制动是采用机械装置使电动机在断开电源后迅速停转的制动方法。 如三相异步电动机目前广泛应用的电磁抱闸式制动器，是在电动机上附加圆 盘型直流电磁制动器构成。该电磁抱闸式制动器由于使用摩擦片，存在摩擦 片磨损的现象，从而出现刹车气隙增大或磨偏的问题，导致制动效果变差。 因此该型制动需要时常进行维护。电力制动是使电动机在断开电源的同时产生一个和实际转向相反的电 磁力矩，使之迅速停转的制动方法。其包括反接制动和能耗制动。反接制动是使电动机在断开正常运转电源的同时改变其定子绕组的电 源相序，使之有反转趋势而产生较大的制动力矩的制动方法。反接制动由于 电动机的冲击电流大，且要求对速度进行检测，故很少采用。能耗制动是使电动机在断开正常运转电源的同时，在两相绕组中接通直 流电源，在电动机定、转子间的气隙中产生一个静止的直流磁场，转子因惯 性在磁场中旋转，使转子导条中产生感应电势并流过感应电流，该电流与静 止磁场相互作用消耗电动机转子惯性能量产生制动力矩，使电动机迅速停转 的制动方法。制至少一个处于 笫一相线上的第一延时触点延时断开的延时电路以及在电动机停止运行后， 从电源取得交流电压并转换成施加到电动机定子绕组的直流电的直流电源 产生电路，所述直流电源产生电路从笫一相线和另一笫二相线之间取得交流 线电压。其是将线电压转换成直流电施加到电动机绕组中以产生制动力矩，使电动机迅速停转。能耗制动产生的制动力矩的大小与通入定子绕组的直流 电流的大小和制动开始时电动机的转速有关。在同样的转速下，通入定子绕 组的直流电流越大，产生的制动力矩越大。因此，该公开文件中还公开了一 种通过调节可调电阻大小控制可控硅导通时间及通入定子绕组直流电流大 小，进而调节制动力矩大小的技术方案。现有公开的文件中其电动机的主电路、控制电路、及直流电源的产生与 输入电路是独立存在的。其应用时需进行配接，没有形成标准产品，为其推 广与应用带来了限制。并且其通过可调电阻调节通入定子绕组的直流电流的 大小是属于人工调整，实现不了自动智能化调节，存在着调整不当会造成直 流电流过大而烧毁电动机定子绕组的不足。 发明内容为了克服现有技术中电动机能耗制动的各单元独立、没有形成标准产品 造成使用受限及制动直流电流大小不易控制的不足，本实用新型提供一种可 安装在电动机接线盒内、与电动机一体化设计的三相异步电动机的能耗制动 控制模块。该能耗制动控制模块采用嵌入式单片机控制，电子线路紧凑、智 能化程度高，安装使用方便，运行安全可靠，电动机制动精准。 ，本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案为： 一种三相异步电动机 的能耗制动控制模块，包括-电源单元，采用开关电源模式，用于提供能耗制动控制模块工作所需的 直流电压；以及单片机控制单元；以及制动直流电压输出单元，该单元采用可控硅整流模块，在电动机停机时， 其输出的直流电压送至电动机的两相定子绕组中，以产生制动力矩；其特征在于：制动直流电压输出单元中的可控硅整流模块工作时的导通 角是通过单片机控制单元检测电动机的工作状态，并由预设程序进行控制导 通角的大小，以调整制动所需的直流电压输出的时间及大小。所述的能耗制动控制模块，还包括-过零信号检测单元，该单元的输出信号送至单片机控制单元的逻辑输入 端，作为单片机控制单元控制可控硅整流模块的触发角参考零点；运行状态检测单元，该单元将电动机的运行状态采样信号输送至单片机 控制单元，作为单片机控制单元判断电动机运行状态的依据；绕组温度检测单元，该单元通过温度传感器的变化产生信号送至单片机控制单元，作为单片机控制单元判断电动机绕组温度是否超限的依据；制动电流检测单元，该单元通过对制动电流主回路的电阻压降采样产生 信号送至单片机控制单元，作为单片机控制单元判断制动电流是否超限的依据。所述的能耗制动控制模块，还包括：三相定子绕组接线端子，该接端子与电动机定子绕组相连接，其中的两 相定子绕组接线端子作为电动机停机时制动直流电压输出单元接入电动机 两相定子绕组的接线端子，第三相定子绕组接线端子作为运行状态信号检测单元的输入端子；线电压接线端子，该接线端子与三相电源中的两相相连接，选取线电压作为提供给控制模块工作用电源；故障报警信号接线端子，当电动机出现异常时，产生的报警信号由该接 线端子输出；电动机制动信号接线端子，当电动机制动时，产生的制动信号由该接线 端子输出；电动机运行状态接线端子，当电动机的运行状态发生变化时，产生的指示信号由该接线端子输出；温度传感器接线端子，用于连接控制模块与设置在电动机定子绕组中的 温度传感器。所述过零信号检测单元，至少包括一个比较运算放大器、两个降压电阻、 两个限位电路及一个整流电路，来自三相电源中的两相电压分别通过与其相 应的降压电阻降压后，与相应的限位电路相连接，经限位电路对电压限位后 分别送入比较放大器的正相、反相输入端，通过两相电压的相位变化可在放 大器的输出端产生正、负交替的矩形方波信号，该方波信号经整流电路整流 后形成单向方波信号，该单向方波信号送入单片机控制单元作为检测该两相 之间交流线电压的过零检测信号，其中所述的限位电路是用两个二极管反向 并联而成。所述的绕组温度检测单元，至少包括一个用于检测绕组温度变化的温度 传感器、 一个放大器件、 一个恒流源，该恒流源为温度传感器提供一固定电 流，该温度传感器将固定电流转换成电压信号送入放大器件的输入端，经放 大器件放大后送入单片机控制单元，用于检测绕组温度的变化。所述电动机运行状态检测单元，至少包括一个第一运算放大器、第二运 算放大器、整形电路及精密整流电路，来自三相电源中的一相电压经降压、 限幅后输入第一运算放大器的同相输入端进行放大，然后分成两路： 一路经 第二运算放大器放大后，再经整形电路整形，形成脉冲方波信号，输入单片 机控制单元的逻辑输入端；另一路经精密整流电路整流，形成模拟信号，输 入单片机控制单元的模拟输入端，所形成的脉冲方波信号和模拟信号作为单 片机控制单元检测电动机运行状态的依据；所述的整形电路为一非门电路； 所述的精密整流电路为利用集成运算放大器实现的精密整流电路。所述的制动电流检测单元，至少包括一个取样电阻、 一个运算放大器， 取样电阻串接在制动电流主回路中，通过取样获得模拟电压信号，该电压信 号经运算放大器放大后送至单片机控制单元，该放大后的电压信号作为单片机控制单元检测制动电流是否超限的依据。所述的单片机控制单元采用可编程式单片机，该可编程式单片机对控制 模块的控制步骤为：在电动机运行过程中不断地对电动机运行状态及绕组温 度进行检测，当绕组温度出现异常时，单片机发出报警信号；当电动机的运 行状态出现停机时，单片机控制开启制动所需的直流电压输出，并同时对制 动电流进行测试，当制动电流超限时，单片机发出报警信号；否则直至电动 机制动结束，单片机控制切断制动直流电压。本实用新型的控制模块由于采用集成IC，所用的电子元器件数量明显减 少，结构紧凑，有利于安装在电动机的接线盒内，可形成一个标准产品，与 电动机形成一体化结构，安装使用方便，有利于推广应用。同时由于采用可 编程式单片机进行控制，控制方式灵活、智能化程度高，能够确保电动机安 全、平稳地制动。 附图说明下面结合实施例和附图对本实用新型做进一步说明。图1是电动机采用A接法时与控制模块的接线图。图2是电动机采用Y接法时与控制模块的接线图。图3是控制模块中各单元连接框图。图4是模块中运行状态检测单元线路图。图5是模块中制动电流检测单元线路图。图6是模块中制动直流电压输出控制单元线路图。图7是模块中绕组温度检测单元线路图。图8是模块中过零检测单元线路图。图9是图1及图2中接线端子排Jl上的各接线端子与模块内部及电动 机定子绕组连接的示意图。图IO是模块中单片机控制单元控制程序流程图。 具体实施方式图1给出了电动机采用A接法时与制动控制模块的接线图。9接线图。 在图l、图2中，制动模块的上设有三个接线端子排J1、 J2及J3。 在J1的接线端子排上设有三相定子绕组接线端子U1、 VI、 Wl和线电压接线端子LI-D和L3-D。三相定子绕组接线端子Ul、 VI、 Wl与电动机的三相定子绕组相连接，其中定子绕组接线端子VI、 Wl作为制动直流电压输出单元接入电动机两相定子绕组的接线端子，定子绕组接线端子Ul作为运行状态信号检测单元的输入端子。线电压接线端子L1-D、 L3-D，该接线端子分别与三相电源中的IJ1、 Wl 相相连接，选取U1、 Wl相间的线电压作为提供给控制模块工作用电源。在J2接线端子排上设有故障报警信号接线端子J21、电机制动信号接线 端子J22及电机运行状态信号接线端子J23。故障报警信号接线端子J21包括有接线端子1、 2、 3。在电动机正常运 行时，接线端子1与接线端子3处于常开状态，接线端子2与接线端子3处 于常闭状态。当电动机出现异常时，接线端子2与接线端子3断开，接线端 子1与接线端子3接通，接线端子间连接状态产生的变化形成的报警信号由 接线端子输出。电动机制动信号接线端子J22包括有接线端子4、 5、 6。在电动机正常 运行时，接线端子4与接线端子6处于常闭状态，接线端子5与接线端子6 处于常开状态。当电动机制动时，接线端子4与接线端子6断开，接线端子 5与接线端子6接通，接线端子间连接状态产生的变化形成的制动信号由接 线端子输出。动机运行状态接线端子J23包括有接线端子7、 8、 9。在电动机正常运 转时，接线端子7与接线端子9处于常闭状态，接线端子8与接线端子9处 于常开状态。当电动机停机时，接线端子7与接线端子9断开，接线端子8 与接线端子9接通，接线端子间连接状态产生的变化形成的动机运行状态指 示信号由接线端子输出。在J3接线端子排上设有两个温度传感器接线端子用于连接控制模块与 设置在电动机定子绕组中的温度传感器。如图3所示，该制动控制模块包括一个电源单元， 一个采用ATMEL公司 的ATmegal6单片机为核心的单片机控制单元和一个制动直流电压输出单元。电源单元，采用开关电源模式，用于提供能耗制动控制模块工作所需的 直流电压。该直流电压是由图1中所示的接线端子排Jl上的Ll-D及L3-D 接线端子输入的380V线电压转换而成。制动直流电压输出单元采用可控硅整流模块，在电动机停机时，其输出 的直流电压送至电动机的两相定子绕组中，以产生制动力矩；该单元中的可 控硅整流模块工作时的导通角是由单片机控制单元检测电动机的工作状态， 并由预设程序进行控制导通角的大小，以调整制动所需的直流电压输出的时 间及大小。在图3中，该制动控制模块还一过零信号检测单元、 一运行状态检测单 元、 一绕组温度检测单元、 一制动电流检测单元，各单元分别输出相应信号 送至单片机控制单元进行处理，并由电源单元为其提供工作电源。图4是运行状态检测单元的线路图。从图4中可以看到，来自Ul相的 电压经降压电阻R28降压、分压电阻R73分压、限位电路Q2限位后送至运 算放大器U6A的同相输入端，经运算放大器U6A放大后，信号分成两路：一 路送至比较放大器U6B的反相输入端，比较放大器U6B输出的矩形方波信号 经二极管Q13整流、非门电路U2C整形后送至单片机控制单元的逻辑输入端; 一路送至由运算放大器U6C与U6D组成的精密整流电路，经精密整流后作为 模拟信号送至单片机控制单元的模似输入端。在状态检测过程中，单片机控 制单元对电动机运行状态的判断依据为：当矩形方波信号由0转为0、 1交 替时，表示电动机由待机状态转为运行状态，当模拟信号小于设定值时，表 示电动机由运行状态转为制动状态，当矩形方波信号转为0时，表示电动机 制动状态结束，转入待机状态。图5是制动电流检测单元的线路图。串接于电动机VI、 Wl两相定子绕组中的取样电阻R55及R54取样后，电阻R55的取样电压经电阻R50、 R51 送至放大器U9的同相输入端，电阻R54的取样电压经电阻R53、 R52送至放 大器U9的反相输入端，经放大器U9差动放大后，送入单片机控制单元，作 为单片机控制单元检测制动电流是否超限的依据。

图6是制动直流电压输出控制单元线路图。图6中，来自L1-D接线端 子与L3-D接线端子间的交流线电压经可控硅T1半波整流后形成直流电压送 至电动机的VI相与Wl相定子绕组形成直流电流，该直流电流在电动机定、 转子间的气隙中产生一个静止的直流磁场，转子因惯性在磁场中旋转，使转 子导条中产生感应电势并流过感应电流，该电流与静止磁场相互作用消耗电 动机转子惯性能量产生制动力矩，使电动机迅速停转。图6中，单片机控制 单元输出控制信号经二极管Qll整流、非门电路U2D整形后送至可控硅的控 制极，可控硅Tl的导通角大小由单片机控制单元进行控制，通过控制可控 硅导通角的大小来控制电动机定子绕组中的直流电流的大小。

图7是绕组温度检测单元的线路图。在图7中，由电阻R78、 R82、 R80、 R109、放大器U4B组成恒流源，该恒流源产生一固定电流送至热敏电阻Rt， 热敏电阻Rt就是一温度传感器，其装置于电动机定子绕组之中，其随温度 变化阻值产生变化。热敏电阻Rt上的压降经电阻R101送至放大器U4A进行 放大，输出信号作为温度检测信号经电阻R65送至单片机控制单元，作为单 片机控制单元判断电动机绕组温度是否超限的依据；。

图8是过零信号检测单元的线路图。从图8中可以看到，来自供电端子 L1-D相的电压通过降压电阻R20、 R25、 R70降压、经过限位电路Q17限位后 送入运算放大器U3A的同相输入端，来自供电端子L3-D的相电压通过降压 电阻R21、 R24降压、经过限位电路Q15限位后送入运算放大器U3A的反相 输入端，通过两相电压的相位变化在放大器的输出端输出一矩形正负交替的 方波信号，该矩形方波信号经二极管Q10单向整流后形成单向正方波信号， 再经整形电路U2A整形后送入单片机控制单元作为过零信号的检测判断。由 于电动机制动时，来自L1-D接线端子与L3-D接线端子之间的线电压经可控硅Tl整流后送至电动机的VI、 Wl两相定子绕组，因此通过测出LI-D接线 端子与L3-D接线端子之间的线电压的过零点来作为触发可控硅导通的基准 点，实现可控硅能够在交流线电压的正半周内导通。

限位电路Q15、 Q17是用两个二极管反向并联而成。

下面以图2中所示的电动机绕组采用Y接法时电动机的工作过程。由图 2中可见，三相电源经闸刀开关K控制通电与断电，然后经过接触器开关触 点Cl与电动机的三相定子绕组相连接，接线端子排Jl上的定子绕组接线端 子U1、 VI、 Wl也与电动机的三相定子绕组相连接。

图9是图1及图2中所示的接线端子排Jl上的各接线端子与模块内部 及电动机定子绕组连接的示意图。

从图9中可以看出，接线端子L3-D与W1是连在一起，当电动机处于运 转状态时，Ul、 VI、 Wl、 L1-D、 L3-D接线端子上带电，Ul相送入运行状态 检测单元作为输入信号，V1相由于与可控硅T1的负极相连而与控制模块内 部截止，Wl相由于与L3-D接线端子相连，与L1-D接线端子上的相电压共同 作为开关电源的输入电源。当电动机停机时，Ul、 Vl接线端子上的相电压消 失，LI-D与L3-D接线端子间的线电压依然存在，Wl接线端子由于与L3-D 接线端子相连然存在电压，此时L1-D接线端子的交流电压经过可控硅T1半 波整流后，送入电动机定子绕组V1相，经Wl相返回L3-D形成回路，电动 机的V1相与W1相定子绕组形成直流电流，在电动机定、转子间的气隙中产 生一个静止的直流磁场。同时整流后的直流电压与停机后Ul相绕组上产生 的感应电势相叠加送到运行状态检测单元。

图10是模块中单片机控制单元控制程序流程图。从图10中可以看出， 单片机控制单元的控制程序为下列顺序：

A、 接通电源以后，单片机控制单元首先进行初始化，包括单片机内的 AD转换器及看门狗的初始化；

B、 初始化完毕后通过对交流电源的周期迸行测量以校准可控硅的导通 角。由于当输入电源为50赫兹时，L1-D与L3-D的线电压的过零角度为ji，

13可控硅的导通角也是在过零角度为n的基础上进行设定，当输入电源偏离50 赫兹时，L1-D与L3-D的线电压的过零角度也随之偏离Ji，因此需要对交流 电源的周期进行测量一遍校准可控硅的导通角；

C、 在B步骤结束后进行制动电流检测，当制动电流超限，发出报警信 号，转入故障处理程序，否则转入步骤D;

D、 检测电动机的运行状态，当电动机处于待机状态时，重复步骤D;当 电动机处于运转状态时，转入步骤E，此时的测试依据是判断运行状态检测 单元输出的矩形方波信号时处于0电平还是0、 1互换状态。当矩形方波信 号时处于0电平时，表明电动机处于待机状态；若处于0、 l互换状态，则 表明电动机处于运转状态；

E、 检测电动机绕组温度，如果绕组温度超限，发出报警信号并转入故 障处理程序，否则转入步骤F;

F、 继续检测电动机的运行状态。如果电动机处于运转状态，则转入步 骤E;如果电动机出现停机状态，则转入步骤G。此时的测试依据是判断运 行状态检测单元输出的模拟信号相对于设定值是否减小，若减小，则表明电 动机处于停机状态。否则，电动机处于运转状态；

G、 启动制动用直流电压输出，单片机控制单元输出信号送至可控硅的 控制极，L1-D与L3-D间的线电压经过整流后将直流电压送至电动机的定子 绕组，通过控制可控硅的导通角大小来控制直流电压的大小；

H、 检测制动电流，如果制动电流超限，则发出报警信号并转入故障处 理程序，否则转入步骤I;

I、 检测电动机的运行状态，如果电动机没有停止运转，则转入步骤H; 如果电动机停止运转，则转入步骤J，此时检测依据是判断运行状态检测单 元输出的矩形方波信号时处于0电平还是0、 1互换状态，若处于0电平状 态，则表明电动机已经完全停止转动；若处于0、 1互换状态，则表明电动 机还在转动；

J、切除制动用直流电流输出，转入步骤D。