数字化全过程动态控制智能交流接触器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及器械智能控制领域，特别是一种数字化全过程动态控制智能交流接触器。通过采用数字化芯片实现了交流接触器吸合过程速度闭环控制（基于线圈电流下降沿斜率），直接控制动静铁心及动静触头的撞击能量，可大幅度减少吸合过程中的铁心与触头弹跳；吸持过程工作于电流闭环斩波模式，自动调整斩波频率，防止产生音频噪声，同时能在较宽的输入电压范围内维持吸持电流的稳定，进行节能无声闭环运行；分断过程将整流滤波后的直流负压施加到线圈两端，迫使线圈电流快速下降，电磁系统快速退磁，触头迅速在零前某一时刻分断，并具有零电流分断的自校正功能，可以克服接触器的动作分散性及触头磨损等因素造成的零电流分断控制失败。
【专利说明】数字化全过程动态控制智能交流接触器
【技术领域】
[0001]本发明涉及器械智能控制领域，特别是一种数字化全过程动态控制智能交流接触器。
【背景技术】
[0002]近年来交流接触器的智能化控制发展迅速，出现了多种控制方案。早期大多采用交流接触器高电压直流起动、低电压直流保持的开环控制方案，将单片机为核心的控制模块与改造后的交流接触器本体相结合，实现起动过程的选择性分段控制和吸持阶段的节能无声运行。但是，由于交流接触器本体结构的原因，在工作过程中铁心和线圈的动作分散性很大，即使对同一台接触器工作次数的增加，动作值还将发生变化，给智能控制带来一定的难度。随着电子技术和控制技术的发展，带反馈控制的交流接触器脉宽调制控制方案得到关注。文献[1-2]提出了一种带电压反馈的接触器脉宽调制智能控制方案，并对接触器的动态工作过程及磁系统的发热情况进行分析，文献[3]采用脉宽调制技术控制永磁接触器起动过程，实现了无位置传感器的永磁接触器优化控制，但其起动过程中电参量均为开环控制。文献[4]研究了小容量交流接触器的抗电压跌落开环控制方案，包括控制模块中开关电源的设计及故障保护功能的实现。文献[5]提出了一种闭环斩波起动的交流接触器智能控制方案，可灵活调节接触器的激磁电流。以上控制方案中都是以单片机作为核心控制器件，对接触器的整个运行过程进行控制，配合外部的模拟电源控制芯片或开关电路，间接实现对接触器激磁状态的闭环或者开环控制，使接触器的性能得到一定的提升，但所需器件较多，不能通过单一控制芯片实现对接触器激磁状态的直接控制，在控制过程中难以高效的融入复杂的控制策略，制约了接触器的有效控制。
[0003]参考文献
[I]刘颖异，陈德桂，纽春萍，等.带电压反馈的智能接触器动态特性及触头弹跳的仿真与研究[J].中国电机工程学报，2007，27 (30):20-25。
[0004][2]季良，陈德桂，刘颖异，等.带电压反馈智能接触器的热分析模型[J].西安交通大学学报，2010，44 (8):90-95。
[0005][3]汪先兵，林鹤云，房淑华，等.无位置传感器的智能永磁接触器弱磁控制及合闸动态特性分析[J].中国电机工程学报，2011,31(18):93-99。
[0006][4]汤龙飞，许志红.交流接触器新型智能抗电压跌落控制模块的设计[J].中国电机工程学报，2012，32 (27):95_103。
[0007][5]汤龙飞，许志红.闭环斩波起动交流接触器控制模块设计[J].中国电机工程学报.2013,33(18): 132-139。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是发明一种数字化全过程动态控制智能交流接触器。通过采用数字化芯片实现了交流接触器吸合过程速度闭环控制(基于线圈电流下降沿斜率)，直接控制动静铁心及动静触头的撞击能量，可大幅度减少吸合过程中的铁心与触头弹跳；吸持过程工作于电流闭环斩波模式，自动调整斩波频率，防止产生音频噪声，同时能在较宽的输入电压范围内维持吸持电流的稳定，进行节能无声闭环运行；分断过程将整流滤波后的直流负压施加到线圈两端，迫使线圈电流快速下降，电磁系统快速退磁，触头迅速在零前某一时刻分断，并具有零电流分断的自校正功能，可以克服接触器的动作分散性及触头磨损等因素造成的零电流分断控制失败。
[0009]本发明采用以下方案实现:一种数字化全过程动态控制智能交流接触器，包括一交流电源P，其特征在于:还包括一数字控制单元M，所述的交流电源P经整流模块A和滤波电容D后变为直流，该直流的输出端与电阻Rl的一端、第一电力电子开关SI的第一端以及第一快恢复二极管D2的一端连接；该直流的接地端与电阻R2的一端、第二快恢复二极管D3的一端以及第二电力电子开关S4的第二端连接；所述电阻Rl的另一端与电阻R2的另一端连接；所述第一电力电子开关SI的第二端、第二快速恢复二极管D3的第二端与接触器线圈C的一端连接；所述第一快速恢复二极管D2的另一端与第二电力电子开关S4的第一端连接；所述数字控制单元M连接有用于所述交流接触器分断时间自校正的自校正电路Z、触头电流检测电路K、人机接口电路W、泵升电压隔离采样电路U、用于采集接触器线圈电流的电流传感器1、第一隔离驱动电路Ql以及第二隔离驱动电路Q2。
[0010]在本发明一实施例中，根据所述第一电力电子开关S1、第二电力电子开关S4的工作状态能定义三种电路状态:第一电力电子开关S1、第二电力电子开关S4同时导通时，直流正向电压施加在线圈两端，定义此时电路状态为+1态；第一电力电子开关S1、第二电力电子开关S4同时截止且线圈电流不为零时，线圈电流通过第一、二快恢复二极管D2、D3续流，将能量回馈到滤波电容D，接触器线圈C两端承受直流负向电压，定义此时电路状态为-1态；第一电力电子开关S1、第二电力电子开关S4只有一个导通且线圈电流不为零时，线圈通过其中一个开关管和一个快恢复二极管续流，接触器线圈端电压为负的续流管压降，定义此时电路状态为O态。
[0011]在本发明一实施例中，所述交流接触器的工作过程包括三个阶段:
吸合阶段:接到吸合控制命令后，数字控制单元M开始控制交流接触器闭环起动，PWM控制方式选择开/关控制模式，开/关控制模式通过将数字控制单元M内的定时器分为多段控制，每一段都有一个基准值，当采样值大于基准值时，输出占空比为0%的PWM信号，关断开关管，如果采样值小于基准值，则输出占空比为100%的PWM信号，实现快速开关控制；吸持阶段:吸合过程结束后，交流接触器转入吸持控制程序，此时，通过设定PWM工作频率和占空比，使电路在+1态和-1态之间快速的切换，从而维持线圈电流的动态恒定；
分断阶段:利用数字控制单元M中的高速模拟比较器进行硬件并行检零，检测触头电流过零点，当接到分断指令时，数字控制单元M会从上一个电流过零点开始进行一段时间的延时后执行分断指令，快速的将电路置为-1态，线圈电流迅速下降到0，保证触头在设定的零前区域快速分断，减小分断电弧。
[0012]在本发明一实施例中，所述吸持阶段具有速度闭环和电流闭环双闭环工作模式，用速度外环控制电流内环；设定一个电流内环的执行频率，通过数字控制单元(M)的高速AD采样线圈电流值并与给定值比较，当大于给定值时占空比更新为0%，当小于给定值时占空比更新为100%，电流内环快速的将电流值调节到给定值；速度外环检测线圈电流下降沿斜率，在起动过程中，当电路处于-1态时，线圈端电压为负，该负压能迫使线圈电流快速下降，配合+1态下的电流快速上升，提高电流的调节速度；
在本发明一实施例中，所述数字控制单元M采用了 PWM引脚改写功能，在起动过程中，人为改写PWM引脚状态，使-1态引起的下降沿斜率与运动反电势引起的下降沿斜率相互剥离，当数字控制单元M完成斜率检测后快速退出引脚改写，由PWM模块重新接管引脚状态，用于将线圈电流快速调节到给定值，做到斜率检测与电流控制快速交错进行；在起动过程中通过控制动铁心速度来优化接触器起动过程，减少触头弹跳。
[0013]在本发明一实施例中，所述自校正控制电路Z含控制按钮和测试电路，在交流接触器主触头通电之前，按下控制按钮，进行固有分断动作时间测试，记录于芯片中，作为零电流分断的校正参数，有效避免了接触器动作的分散性。接触器经过长时间工作以后，由于机构老化和触头磨损等原因，动作时间发生改变，可以进行离线校准，确保接触器的零电流分断控制，提高了控制的可靠性。
[0014]数字信号控制器的出现，使得数据处理速度和精度得到了更大提升；将外围电路集成，简化了硬件设计，更具有成本优势，布线简单，电磁干扰相对较小，稳定可靠；数字控制下的开关管损耗小，效率高；采用数字信号处理器来控制交流接触器，可实现各种复杂的过程控制，运行稳定性好、灵活性高、通用性好。
[0015]本发明设计了一种交流接触器数字化全过程动态控制方案，采用数字化芯片实现了交流接触器吸合过程速度闭环控制(基于线圈电流下降沿斜率)，直接控制动静铁心及动静触头的撞击能量，可以大幅度减少吸合过程中的铁心与触头弹跳；吸持过程工作于电流闭环斩波模式，自动调整斩波频率，防止产生音频噪声，同时能在较宽的输入电压范围内维持吸持电流的稳定，进行节能无声闭环运行；分断过程将整流滤波后的直流负压施加到线圈两端，迫使线圈电流快速下降，电磁系统快速退磁，触头迅速在零前某一时刻分断，并具有零电流分断的自校正功能，可以克服接触器的动作分散性及触头磨损等因素造成的零电流分断控制失败。
[0016]与目前交流接触器的智能控制方案相比，本课题具有如下优点:
(I)将数字芯片弓I入交流接触器的智能控制中。吸合速度环、吸持电流环以及分断过程的零点检测等功能，均可以采用软件编程完成，实现了对磁路激磁状态灵活的软件控制，便于在编程中融入智能控制策略；使用数字控制后可以动态改变电路结构，仅靠软件控制就可以使电路在+1态、-1态、O态间变化；接触器线圈为高频激励，在开关管导通及关断瞬间会存在尖峰干扰，采用数字控制后可以避开尖峰进行采样，准确检测线圈电流及触头过零点；在计算电流斜率时可以多次检测计算平均电流，然后用平均电流计算斜率，使斜率计算更准确；这些都是模拟系统及单片机控制系统无法做到的。
[0017](2)主电路采用了全新的拓扑结构。采用两个开关管配合两个快恢复二极管可以方便的在线圈两端施加正的或负的激励电压，加快了线圈电流的调节速度，同时又避免了施加负压时线圈电流反向，防止在分断控制中出现重吸合的现象，通过对开关管导通状态的灵活控制，可以使电路在+1态、-1态、O态间灵活变化，方便接触器吸合过程速度闭环控制及快速分断控制。
[0018](3)吸合过程速度闭环、斜率检测控制。在吸合过程中采用速度闭环控制可以直接控制接触器的动铁心速度，进而直接控制了动静触头的撞击速度及动静铁心的撞击速度，从本质上减少触头弹跳；另外速度闭环控制可以避免在接触器起动过程中铁心速度为O的情况，保证接触器可靠吸合；采用斜率检测间接反映接触器动铁心的速度，从而进行无速度传感器的接触器速度闭环控制，与有速度传感器的方案相比(断路器中一般存在位移传感器)成本低，不存在安装问题，同时也避免了传感器的使用寿命问题，不失为一种理想的控制方案。
[0019](4)具有自校正功能。在分断过程中，增加了自校正离线校准功能，在交流接触器主触头通电之前，进行固有分断动作时间测试，将其记录于芯片中，作为零电流分断的校正参数，有效避免了接触器动作的分散性。在接触器长时间工作之后，还可以进行动作时间的校准，有效提高了零电流分断控制的可靠性，提高了接触器寿命。同时，线圈两端承受的负压，加快了线圈电流的下降速度及触头的分断速度，降低了接触器动作的分散性的影响，提高了分断过程的精确控制。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为数字化自校正全过程动态控制原理框图。
[0021]图中P为交流电源，A为整流模块，D为滤波电容，RU R2为分压电阻，SI为第一电力电子开关，S4为第二电力电子开关，D2、D3为第一、二快恢复二极管，C为接触器线圈，I为电流传感器，W为人机接口电路，U为泵升电压隔离采样电路，M为数字控制单元，Z为自校正控制电路，K为接触器触头电流检测电路，Ql为第一隔离驱动电路，Q2为第二隔离驱动电路。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
[0023]请参见图1，本实施例提供一种数字化全过程动态控制智能交流接触器，包括一交流电源P，其特征在于:还包括一数字控制单元M，所述的交流电源P经整流模块A和滤波电容D后变为直流，该直流的输出端与电阻Rl的一端、第一电力电子开关SI的第一端以及第一快恢复二极管D2的一端连接；该直流的接地端与电阻R2的一端、第二快恢复二极管D3的一端以及第二电力电子开关S4的第二端连接；所述电阻Rl的另一端与电阻R2的另一端连接；所述第一电力电子开关SI的第二端、第二快速恢复二极管D3的第二端与接触器线圈C的一端连接；所述第一快速恢复二极管D2的另一端与第二电力电子开关S4的第一端连接；所述数字控制单元M连接有用于所述交流接触器分断时间自校正的自校正电路Z、触头电流检测电路K、人机接口电路W、泵升电压隔离采样电路U、用于采集接触器线圈电流的电流传感器1、第一隔离驱动电路Ql以及第二隔离驱动电路Q2。
[0024]具体的，交流电源P经整流模块A和滤波电容D后，变为平稳的直流；S1、S4为电力电子开关，可以控制其导通或截止，D2、D3为快恢复二极管，根据S1、S4两个开关管的状态可以定义3种电路状态:S1、S4同时导通时，直流正向电压施加在线圈两端，定义此时电路状态为+1态；S1、S4同时截止且线圈电流不为零时，线圈电流通过二极管D2、D3续流，将能量回馈到滤波电容，线圈两端承受直流负向电压，定义此时电路状态为-1态；S1、S4只有一个导通且线圈电流不为零时，线圈通过一个开关管和一个续流二极管续流(假设为S4、D3)，线圈端电压为负的续流管压降，幅值较小，定义此时电路状态为O态。霍尔电流传感器I用于检测接触器线圈电流；人机接口电路W用于系统的启停控制，模块的在线运行或自校正状态选择及运行状态显示；电阻Rl、R2及泵升电压隔离采样电路U用于检测滤波电容的泵升电压；隔离驱动电路Ql及隔离驱动电路Q2分别用于驱动开关管S1、S4 ;触头电流检测电路K用于检测接触器主触头的电流值；自校正电路Z用于接触器分断时间的自校正；整个控制系统的核心为数字控制系统M，根据线圈电流值及触头电流值进行灵活的吸合阶段速度闭环起动、吸持阶段节能无声运行、分断过程零电流分断控制。
[0025]工作过程如下:
1、吸合阶段:接到吸合控制命令后，数字控制系统M开始控制交流接触器闭环起动，PWM控制方式选择开/关控制模式，开/关控制模式通过将芯片内的定时器分为多段控制，每一段都有一个基准值，当采样值大于基准值时，输出占空比为0%的PWM信号，关断开关管，如果采样值小于基准值，则输出占空比为100%的PWM信号，实现快速开关控制。吸持阶段具有速度闭环和电流闭环双闭环工作模式，用速度外环控制电流内环；设定一个电流内环的执行频率，通过数控系统的高速AD采样线圈电流值并与给定值比较，当大于给定值时占空比更新为0%，当小于给定值时占空比更新为100%，电流内环快速的将电流值调节到给定值；速度外环检测线圈电流下降沿斜率，在起动过程中，当电路处于-1态时，线圈端电压为负，该负压可以迫使线圈电流快速下降，配合+1态下的电流快速上升，提高了电流的调节速度，电流的快速动态响应使动铁心速度闭环控制成为可能，但同时-1态引起的电流下降沿斜率叠加到运动反电势引起的电流下降沿斜率中，使得速度闭环控制变得困难，本发明采用了 PWM引脚改写功能，在起动过程中，人为改写PWM引脚状态，使-1态引起的下降沿斜率与运动反电势引起的下降沿斜率相互剥离，当芯片完成斜率检测后快速退出引脚改写，由PWM模块重新接管引脚状态，用于将线圈电流快速调节到给定值，做到斜率检测与电流控制快速交错进行；在起动过程中通过控制动铁心速度来优化接触器起动过程，减少触头弹跳，这是一种全新的控制思路，只有采用了数字芯片才可能完成。
[0026]2、吸持阶段:吸合过程结束后，接触器转入吸持控制程序，此时，通过设定PWM工作频率和占空比，使电路在+1态和-1态之间快速的切换，从而维持线圈电流的动态恒定，将接触器的线圈电流维持在一个较低的数值，同时又能保证斩波频率，避免了接触器电磁系统产生音频噪声。
[0027]3、分断阶段:利用数字控制系统M中的高速模拟比较器进行硬件并行检零，检测触头电流过零点，当接到分断指令时，系统会从上一个电流过零点开始进行一段时间的延时后执行分断指令，快速的将电路置为-1态，线圈电流迅速下降到0，保证触头在设定的零前区域快速分断，减小分断电弧。
[0028]在分断过程中，负压加快了电流的下降速度及触头的分断速度，降低了分散性的影响，可以精确控制分断电流相位，做到在主电路电流的零点前某一特定区域快速分断，大幅度减小分断电弧的能量，提高接触器的电寿命。负压不仅缩短了从执行分断到触头刚分之间的延时，同时也提高了触头的分断速度，这两点都有利于零电流快速分断的成功进行。
[0029]自校正控制电路Z的工作原理:自校正控制电路Z含控制按钮和测试电路，在交流接触器主触头通电之前，按下控制按钮，进行固有分断动作时间测试，记录于芯片中，作为零电流分断的校正参数，有效避免了接触器动作的分散性。接触器经过长时间工作以后，由于机构老化和触头磨损等原因，动作时间发生改变，可以进行离线校准，确保接触器的零电流分断控制，提高了控制的可靠性。
[0030]过压及过流保护:系统控制线圈电流快速下降时，线圈电流通过两个二极管D2、D3快速的向滤波电容回馈电能，磁路的磁场能迅速转化为滤波电容的电场能，在该能量转换过程中，滤波电容电压会升高即泵升电压，系统实时检测滤波电容D泵升电压及线圈电流I，若发生过压及过流故障，则系统迅速将电路置为O态，模块续流关断，避免继续馈能造成的泵升电压继续升高，并锁定PWM，同时发出声光报警，等待手动复位。
[0031]以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
【权利要求】
1.一种数字化全过程动态控制智能交流接触器，包括一交流电源(P)，其特征在于:还包括一数字控制单元(M)，所述的交流电源(P)经整流模块(A)和滤波电容(D)后变为直流，该直流的输出端与电阻Rl的一端、第一电力电子开关(SI)的第一端以及第一,决恢复二极管(D2)的一端连接；该直流的接地端与电阻R2的一端、第二快恢复二极管(D3)的一端以及第二电力电子开关(S4)的第二端连接；所述电阻Rl的另一端与电阻R2的另一端连接；所述第一电力电子开关(SI)的第二端、第二快速恢复二极管(D3)的第二端与接触器线圈(C)的一端连接；所述第一快速恢复二极管(D2)的另一端与第二电力电子开关(S4)的第一端连接；所述数字控制单元(M)连接有用于所述交流接触器分断时间自校正的自校正电路(Z)、触头电流检测电路(K)、人机接口电路(W)、泵升电压隔离采样电路(U)、用于采集接触器线圈电流的电流传感器(I)、第一隔离驱动电路(Ql)以及第二隔离驱动电路(Q2)。
2.根据权利要求1所述的数字化全过程动态控制智能交流接触器，其特征在于:根据所述第一电力电子开关(SI)、第二电力电子开关(S4)的工作状态能定义三种电路状态:第一电力电子开关(SI)、第二电力电子开关(S4)同时导通时，直流正向电压施加在线圈两端，定义此时电路状态为+1态；第一电力电子开关(SI)、第二电力电子开关(S4)同时截止且线圈电流不为零时，线圈电流通过第一、二快恢复二极管(D2、D3)续流，将能量回馈到滤波电容(D)，接触器线圈(C)两端承受直流负向电压，定义此时电路状态为-1态；第一电力电子开关(SI)、第二电力电子开关(S4)只有一个导通且线圈电流不为零时，线圈通过其中一个开关管和一个快恢复二极管续流，接触器线圈端电压为负的续流管压降，定义此时电路状态为O态。
3.根据权利要求2所述的数字化全过程动态控制智能交流接触器，其特征在于:所述交流接触器的工作过程包括三个阶段: 吸合阶段:接到吸合控制命令后，数字控制单元(M)开始控制交流接触器闭环起动，PWM控制方式选择开/关控制模式，数字控制单元(M)内的定时器分为多段控制，每一段都有一个基准值，当采样值大于基准值时，输出占空比为0%的PWM信号，关断开关管，如果采样值小于基准值，则输出占空比为100%的PWM信号，实现快速开关控制； 吸持阶段:吸合过程结束后，交流接触器转入吸持控制程序，此时，通过设定PWM工作频率和占空比，使电路在+1态和-1态之间快速的切换，从而维持线圈电流的动态恒定； 分断阶段:利用数字控制单元(M)中的高速模拟比较器进行硬件并行检零，检测触头电流过零点，当接到分断指令时，数字控制单元(M)会从上一个电流过零点开始进行一段时间的延时后执行分断指令，快速的将电路置为-1态，线圈电流迅速下降到0，保证触头在设定的零前区域快速分断，减小分断电弧。
4.根据权利要求3所述的数字化全过程动态控制智能交流接触器，其特征在于:所述吸持阶段具有速度闭环和电流闭环双闭环工作模式，用速度外环控制电流内环；设定一个电流内环的执行频率，通过数字控制单元(M)的高速AD采样线圈电流值并与给定值比较，当大于给定值时占空比更新为0%，当小于给定值时占空比更新为100%，电流内环快速的将电流值调节到给定值；速度外环检测线圈电流下降沿斜率，在起动过程中，当电路处于-1态时，线圈端电压为负，该负压能迫使线圈电流快速下降，配合+1态下的电流快速上升，提高电流的调节速度。
5.根据权利要求4所述的数字化全过程动态控制智能交流接触器，其特征在于:所述数字控制单元(M)采用了 PWM引脚改写功能，在起动过程中，人为改写PWM引脚状态，使-1态引起的下降沿斜率与运动反电势引起的下降沿斜率相互剥离，当数字控制单元(M)完成斜率检测后快速退出引脚改写，由PWM模块重新接管引脚状态，用于将线圈电流快速调节到给定值，做到斜率检测与电流控制快速交错进行；在起动过程中通过控制动铁心速度来优化接触器起动过程，减少触头弹跳。
6.根据权利要求1所述的数字化全过程动态控制智能交流接触器，其特征在于:所述自校正控制电路(Z)含控制按钮和测试电路，在交流接触器主触头通电之前，按下控制按钮，进行固有分断动作时间测试，记录于芯片中，作为零电流分断的校正参数，有效避免了接触器动作的分散性；接触器经过长时间工作以后，由于机构老化和触头磨损等原因，动作时间发生改变，可以进行 离线校准，确保接触器的零电流分断控制，提高了控制的可靠性。
【文档编号】H01H47/02GK103456566SQ201310368626
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年8月21日 优先权日:2013年8月21日
【发明者】许志红, 汤龙飞 申请人:福州大学