CN217362937U - 电机制动电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型的电机制动电路，能够以简单的电路快速制动电机并较好地保护电机驱动器，其包括：三相永磁电机；一个制动电阻；三个二极管，各自的负极与三相永磁电机的各相绕组连接，各自的正极共同连接制动电阻的一端；与三相永磁电机的各相绕组连接的作为3相逆变电路的构成部分的三个半导体开关元件；公共端与三个半导体开关元件共同连接、常闭端与制动电阻的另一端连接的继电器，当停止经由3相逆变电路对三相永磁电机供电而三相永磁电机被拖动时，继电器的公共端与常闭端接通，三相永磁电机的任一相绕组经由与其连接的半导体开关元件中的反向并联二极管、继电器、制动电阻及与另两相绕组连接的两个二极管，与另两相绕组之间形成闭合电流回路。

Description

电机制动电路

技术领域

本实用新型涉及电机制动电路，其能够使被切断供电的电机制动。更具体地，涉及能够接入到现有的电机驱动器中的电机制动电路。

背景技术

在生活生产中电机被广泛应用，例如能够用于电动工具、家用电器、机械设备等。在很多情况下，需要电机能够自动地快速制动，特别是在电机驱动器发生故障的情况下，电机快速制动能够更好地保障设备的安全。

电机的制动方式有机械制动和电磁制动，当前通用电机一般采用电磁制动的方式。而电磁制动又分为能耗制动、反接制动和再生制动。能耗制动是在电机脱离交流电源后，对其定子绕组施加直流电压，利用转子感应电流与静止磁场的作用以达到制动的目的，采用能耗制动方式的现有技术例如有专利文献1所公开的电动自行车的快速能耗制动装置。反接制动是在切断电机的正常运转电源的同时改变电机定子绕组的电源相序，使其有反转趋势而产生较大的制动力矩来达到制动的目的。采用反接制动方式的现有技术例如有专利文献2所公开的电动机电子制动器。再生制动是在电机要制动时作为发电机运转，利用惯性带动电机转子旋转而产生反转力矩，将制动所产生的能量消耗或存储来达到制动的目的。采用再生制动方式的现有技术例如有专利文献3所公开的伺服驱动器及其再生制动控制方法、系统。

专利文献1为CN201040491Y，专利文献2为CN1226761A，专利文献3为CN113114072A。

实用新型内容

采用专利文献1中记载的能耗制动的制动方式，需要配备直流电源以及相应的控制器和电路，存在电路复杂且成本高的问题。

采用专利文献2中记载的反接制动的制动方式，制动的准备性差，制动过程冲击力强烈，容易损坏传动部件，所以应用面较窄。

采用专利文献3中记载的再生制动的制动方式，当电机制动而处于发电状态时，能量反馈至直流回路，使得母线电压升高。为了保护电子元器件，需要通过分压电阻采集母线电压的信息，当母线电压达到设计的上限阈值，则导通功率管，实现制动，这样的方式需要母线达到一定的电压幅度才会实现电机制动，而不能实现让电机快速停下来。而且在电机驱动器发生故障时，也无法对电机进行制动，无法更好地保护电子元器件的安全。此外，该方式的制动电路结构复杂，成本较高。

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本实用新型提供一种电机制动电路，采用较为简单的电路来实现电机的制动，能够降低制动电路的配置成本。并且，本实用新型的制动电路能够简便地接入到现有的电机驱动器中，适用面广。并且，能够快速地制动电机使其停止运转，即使电机驱动器发生故障也能够制动电机，能够更好地保护电子元器件的安全。

本实用新型的第一方面的电机制动电路，包括：三相永磁电机；一个制动电阻；三个二极管，各自的第一极性的一端分别与所述三相永磁电机的各相绕组连接，各自的第二极性的另一端共同地连接到所述制动电阻的一端；作为3相逆变电路的构成部分的三个半导体开关元件，其分别与所述三相永磁电机的各相绕组连接；继电器，其公共端与所述三个半导体开关元件共同地连接，其常闭端与所述制动电阻的另一端连接，其中，当停止经由所述3相逆变电路对所述三相永磁电机的供电、三相永磁电机因外力或惯性而被拖动时，所述继电器的所述公共端与所述常闭端接通，所述三相永磁电机的任意一相绕组经由与其连接的半导体开关元件中的反向并联二极管、所述继电器、所述制动电阻以及与其他两相绕组连接的两个二极管，与所述其他两相绕组之间形成闭合电流回路。

本实用新型的第二方面的电机制动电路，是在第一方面的电机制动电路中，还包括对所述继电器和所述三个半导体开关元件进行控制的MCU控制器，在对所述三相永磁电机供电而使其正常转动时，在所述MCU控制器的控制下所述继电器的公共端与所述常闭端之间的连接被断开。

本实用新型的第三方面的电机制动电路，是在第一方面的电机制动电路中，在对所述三相永磁电机供电而使其正常转动时，在所述MCU控制器的控制下经由所述3相逆变电路来对所述三相永磁电机进行旋转驱动。

本实用新型的第四方面的电机制动电路，是在第一至第三方面的电机制动电路中，所述三个半导体开关元件为NPN型的IGBT，所述三个二极管的所述第一极性为负极，所述第二极性为正极。

本实用新型的第五方面的电机制动电路，是在第一至第三方面的电机制动电路中，所述三个半导体开关元件由一个智能功率模块提供。

本实用新型的第六方面的电机制动电路，是在第一至第三方面的电机制动电路中，所述三个半导体开关元件为三个分立的IGBT。

依据本实用新型的电机制动电路，仅用简单的电路即能够实现电机的制动，能够降低制动电路的配置成本。并且，所用的电路不需要改变原有电机驱动器的电路结构，能够简便地接入到现有的电机驱动器中，能够适用于电动工具、家用电器、机械设备等中使用的电机。另外，本实用新型的制动电路利用电机脱离电源后的转动来产生制动力，能够快速地制动电机使其停止运转。并且，由于制动电路在工作时不需要电源，所以即使电机驱动器发生故障也能够制动电机，能够更好地保护电子元器件的安全。

附图说明

图1是本实用新型的电机制动电路的简化电路图。

图2是本实用新型的制动电路的详细电路图。

图3是本实用新型的制动电路中的智能功率模块的内部电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行说明。当然，此处描述的实施例仅为完整描述的示例，并不限定本实用新型的保护范围，基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型中，除另有说明的之外，用语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接也可以是可拆卸连接，或形成为一体；“连接”可以是机械连接也可以是电连接，可以是直接相连也可以通过中间媒介间接相连。

附图所示的内容均为示意，并不代表产品的实际结构，为了便于说明和理解，各部件的比例并不一定与实际产品一致。

首先参照图1说明本实用新型的电机制动电路的主要构成部分。

图1示出了本实用新型的电机制动电路的简化电路图。如图1所示，制动电路100主要包括继电器115、制动电阻114、和二极管111、112、113，它们被连接至由MCU控制器116控制的3相逆变电路I和三相永磁电机110的U、V、W三相绕组，其中，3相逆变电路I包括半导体开关元件101-106。这里，MCU控制器116和3相逆变电路I等构成现有的电机驱动器，MCU控制器116、3相逆变电路I中的一部分半导体开关元件101、103、105以及三相永磁电机110与上述继电器115、制动电阻114、和二极管111、112、113一起构成一个完整的制动电路100。当制动电路工作时，利用电磁感应产生对抗电机转动的力，来实现电机的快速停止，当使三相永磁电机110正常转动时，MCU控制器116能够通过3相逆变电路I来实现对三相永磁电机110的旋转控制。

下面，对制动电路的主要构成部分继电器115、制动电阻114、和二极管111、112、113进行说明。

继电器115能够切换半导体开关元件101、103、105与制动电阻114的连接和非连接。即，继电器115的公共端A与半导体开关101、103、105连接，常闭端B与制动电阻114连接，常开端C为悬空。在整个制动电路未通电的初始状态，继电器115的公共端A与常闭端B接通。在三相永磁电机110正常运转时，在MCU控制器116的控制下继电器115的公共端A与常开端C连接，公共端A与常闭端B之间被断开连接，即制动电阻114被断开连接从而制动电路不工作，MCU控制器能够通过控制3相逆变电路I中的半导体开关元件101-106来对三相永磁电机110进行旋转控制。在MCU控制器116停止对三相永磁电机110的供电或发生了停电故障时，半导体开关元件101-106截止，三相永磁电机110因外力或惯性而被拖动，此时，继电器115自动地返回到初始状态，继电器115的公共端A与常闭端B接通，制动电路工作，使得在三相永磁电机110内部流动反向电流产生对抗电机转动的力，并由制动电阻114快速消耗三相永磁电机110的停止所产生的热量。通过将继电器115常闭端B与制动电阻114连接，制动电路100在没有供电的状态下也能与公共端A导通而能够工作，即使电机驱动器发生故障而断电也能够制动电机，能够更好地保护电子元器件的安全。

制动电阻114的一端与继电器115的常闭端B连接，另一端与二极管111、112和113各自的正极连接。二极管111、112和113各自的负极分别与三相永磁电机110的U相绕组、V相绕组和W相绕组连接。在此，二极管111、112和113起到单向导通的作用，即、在制动电阻114所在的电路被接通时从制动电阻114向电机的三相绕组单向导通。

下面说明作为电机驱动器的构成部件的半导体开关元件101-106以及电阻118-120等。

图1中所示的3相逆变电路I中的半导体开关元件101-106，例如可以是NPN型的绝缘栅双极型晶体管，简称为IGBT，每个IGBT的集电极和发射极之间并联连接有一个反向二极管。然而，半导体开关元件101-106不限于使用IGBT，也可以是其他能够提供同样功能的半导体开关元件。其中，半导体开关元件101和102串联连接而构成上下桥臂，并与三相永磁电机110的一相绕组连接，图1所示为经由母线107与三相永磁电机110的U相绕组连接。具体而言，半导体开关元件101的发射极和半导体开关元件102的集电极共同地连接到母线107从而与三相永磁电机110的U相绕组连接。同样的，半导体开关元件103和104串联连接而构成上下桥臂，并经由母线108与三相永磁电机110的V相绕组连接，半导体开关元件105和106串联连接而构成上下桥臂，并经由母线109与三相永磁电机110的W相绕组连接。

半导体开关元件102的发射极与电流采样电阻118的一端连接，半导体开关元件104的发射极与电流采样电阻119的一端连接，半导体开关元件106的发射极与电流采样电阻的一端120连接，利用3个电流采样电阻118-120，能够测得该电路上的电流大小，在电流过大的情况下采取措施确保电路安全。

3个电流采样电阻118-120的另一端与滤波电容器117的一端连接，滤波电容器117的另一端与半导体开关元件101、103和105的集电极连接。滤波电容器117用于滤除供给到3相逆变电路I中的交流成分，使得直流成分更平滑。

其中，在现有技术的电机驱动器中已设有包括半导体开关元件的3相逆变电路，用于在MCU控制器的控制下对三相永磁电机110进行旋转驱动。本实用新型的制动电路100使用构成3相逆变电路I的一部分半导体开关元件来构成制动电路，能够实现新增的制动电路100的简化。

下面说明制动电路的动作。

在对三相永磁电机110供电而使其正常转动时，在MCU控制器116的控制下继电器115的公共端A与常闭端B之间的连接被断开，使得制动电路100不工作，进入电机运转模式。此时，MCU控制器116通过控制3相逆变电路I中的半导体开关元件101、102、103、104、105和106各自的开关动作而能够实现对三相永磁电机110的旋转控制。MCU控制器经由3相逆变电路I对三相永磁电机110的旋转控制是现有技术，因此省略具体的说明。

当在MCU控制器116的控制下停止对所述三相永磁电机110的供电或者发生了停电故障时，继电器115的公共端A与所述常闭端B接通。此时，三相永磁电机110因外力或惯性而被拖动时产生感应电动势，使得三相永磁电机110的任意一相绕组经由与其连接的半导体开关元件中的反向并联二极管、继电器115、制动电阻114以及与其他两相绕组连接的两个二极管，与所述其他两相绕组之间形成闭合电流回路，进入电机制动模式。具体而言，外力（或惯性力）对电机进行拖动，由于电磁感应定律，使得电机的U、V、W出现电位差。假设当前电压U>V=W，则感应电流从U相绕组流出至半导体开关元件101，并通过半导体开关元件101中的反向并联二极管流向继电器115，而继电器115与制动电阻114当前处于导通状态，所以电流将通过二极管112和二极管113继续流向V相绕组和W相绕组（二极管111则处于截止状态），在三相永磁电机110的U、V、W相绕组形成导通的回路。此时，由所产生的上述感应电流而产生对抗电机转动的力，由此实现快速制动。在V > U=W和W >V=U的情况下，也同样能够在三相永磁电机110的U、V、W相绕组形成导通的回路，由所产生的上述感应电流而产生对抗电机转动的力，从而实现快速制动。

在三相永磁电机110因感应电流而快速制动时，产生再生电能。制动电阻114将所产生的再生电能转化为热能进行消耗，由此保护电路的安全。

以上从原理的角度说明了本实用新型的电机制动电路，下说参照图2和图3说明其具体实施例。

图2示出了本实用新型的一个实施例的电机制动电路100的具体电路图。

在图2中，RL-CTRL为制动电路100的控制引脚，该引脚连接MCU控制器的控制引脚，由MCU进行控制。R69、R76为限流电阻，分别采用150欧姆和100欧姆的电阻。U9为光耦，用于驱动继电器115，其采用中国台湾亿光品牌的型号为EL357N(D)(TA)-G的光耦。D12为续流二极管，用于保护电路不被感应电动势击穿，采用SS14肖特基二极管。RY1A和RY1B为继电器115，用于控制制动电阻114的连接和非连接，采用日本欧姆龙公司的型号为G2R-1-E/12VDC的小型继电器。R77为制动电阻114，用于在制动时消耗再生电能，其为电阻2.2欧姆、功率25W的制动电阻。D13、D14、D15为超快恢复二极管，即上述的二极管111、112、113，采用型号为SF1006的超快恢复二极管。U6为智能功率模块（IPM），提供上述3相逆变电路I中的6个半导体开关即半导体开关元件101-106等部件，采用德国英飞凌公司的型号为IKCM15L60GD的功率模块。

以上说明了实现本实用新型的电机制动电路100各主要构成元器件的具体型号及其电路图，但这些元器件不限于图2所示的具体型号。只要能够实现本实用新型的制动电路100要实现的各种功能，可以为任意的型号。在实际选用时，能够根据电路的额定功率等各种特性来适当选用。

图3示出了提供制动电路与电机驱动器中共用的6个半导体开关元件101-106的智能功率模块即德国英飞凌公司的型为IKCM15L60GD的功率模块的内部电路图。在IKCM15L60GD的功率模块中设有6个IGBT，其能够用作3相逆变电路I中的6个半导体开关元件101-106，并提供本实用新型的制动电路100中的半导体开关元件101、103、105。当然，也可以选用其他型号的智能功率模块，该智能功率模块中的IGBT的个数不限于6个，也可以多于6个，当用于本实用新型的制动电路100时使用其中的6个即可。

如上所述，本实用新型的电机制动电路100共用了电机驱动器中原有的部分电路、即3相逆变电路I中的半导体开关101、103和105，所以仅用简单的电路即能够实现电机的制动，能够降低制动电路的配置成本。并且，所增加的电路不需要改变原有电机驱动器的电路结构，能够简便地接入到现有的电机驱动器中，能够适用于电动工具、家用电器、机械设备等中使用的电机。另外，本实用新型的制动电路利用电机脱离电源后的转动来产生制动力，能够快速地制动电机使其停止运转。并且，由于制动电路在工作时不需要电源，所以即使电机驱动器发生故障也能够制动电机，能够更好地保护电子元器件的安全。

本实用新型的电机制动电路不限于上述说明，在本实用新型的宗旨内可进行各种变更，变更后得到的技术方案都在本实用新型的范围内。

例如，在上述实施方式中，各3相逆变电路I中的半导体开关元件101-106采用了NPN型的IGBT，与此相应地，二极管111、112和113各自的正极与制动电阻114连接，二极管111、112和113各自的负极分别与三相永磁电机110的U相绕组、V相绕组和W相绕组连接。但是，本实用新型不限于上述的实施方式，当各半导体开关元件101-106采用PNP型的半导体晶体管时，与此相应地，二极管111、112和113各自的负极与制动电阻114连接，二极管111、112和113各自的正极分别与三相永磁电机110的U相绕组、V相绕组和W相绕组连接，同样能够实现本实用新型的技术效果。

此外，在图2和图3所示的实施例中，用一个设有6个IGBT的功率模块来提供3相逆变电路I中的6个半导体开关元件101-106，并提供本实用新型的制动电路100中的半导体开关元件101、103、105。但是本实用新型不限于上述的实施方式，也可以用6个分立的IGBT器件来提供3相逆变电路I中的6个半导体开关元件101-106，并提供本实用新型的制动电路100中的半导体开关元件101、103、105。

Claims (6)

1.一种电机制动电路，其特征在于，包括：

三相永磁电机；

一个制动电阻；

三个二极管，各自的第一极性的一端分别与所述三相永磁电机的各相绕组连接，各自的第二极性的另一端共同地连接到所述制动电阻的一端；

作为3相逆变电路的构成部分的三个半导体开关元件，其分别与所述三相永磁电机的各相绕组连接；

继电器，其公共端与所述三个半导体开关元件共同地连接，其常闭端与所述制动电阻的另一端连接，

其中，当停止经由所述3相逆变电路对所述三相永磁电机的供电、三相永磁电机因外力或惯性而被拖动时，所述继电器的所述公共端与所述常闭端接通，所述三相永磁电机的任意一相绕组经由与其连接的半导体开关元件中的反向并联二极管、所述继电器、所述制动电阻以及与其他两相绕组连接的两个二极管，与所述其他两相绕组之间形成闭合电流回路。

2.如权利要求1所述的电机制动电路，其特征在于：

还包括对所述继电器和所述三个半导体开关元件进行控制的MCU控制器，

在对所述三相永磁电机供电而使其正常转动时，在所述MCU控制器的控制下所述继电器的公共端与所述常闭端之间的连接被断开。

3.如权利要求2所述的电机制动电路，其特征在于：

在对所述三相永磁电机供电而使其正常转动时，在所述MCU控制器的控制下经由所述3相逆变电路来对所述三相永磁电机进行旋转驱动。

4.如权利要求1-3中任一项所述的电机制动电路，其特征在于：

所述三个半导体开关元件为NPN型的IGBT，所述三个二极管的所述第一极性为负极，所述第二极性为正极。

5.如权利要求1-3中任一项所述的电机制动电路，其特征在于：

所述三个半导体开关元件由一个智能功率模块提供。

6.如权利要求1-3中任一项所述的电机制动电路，其特征在于：

所述三个半导体开关元件为三个分立的IGBT。

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