一种基于运动反电势估算的接触器闭环控制方法及系统与流程

本发明涉及接触器领域，特别是一种基于运动反电势估算的接触器闭环控制方法及系统。

背景技术：

接触器广泛应用于各种工业控制系统中，其性能指标直接影响整个系统的安全、稳定。

近年来接触器的智能控制技术发展迅速，主要有如下控制方案：

1、交流接触器高压直流起动、低压直流吸持方案，使交流接触器的激磁方式从交流转变成直流；

2、接触器的pwm闭环控制方案，以线圈电压或线圈电流作为反馈，闭环调节电磁机构激磁电压的占空比，使接触器控制方式从开环进入闭环；

3、接触器的位移闭环控制方案，根据线圈电压、线圈电流及磁路参数估算动铁心实时位移，实现位移闭环控制，从而间接控制触头运动速度；

4、接触器斜率闭环控制方案，在起动过程中检测运动反电势引起的线圈电流下降斜率，采用斜率外环控制电流内环,从而间接控制触头运动速度，减少触头弹跳。

从以上智能控制方案可以看出：直接或间接的控制动铁心速度可以优化接触器动态过程，提高触头的接通及分断能力。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于运动反电势估算的接触器闭环控制方法及系统，实现基于运动反电势的闭环控制，来间接控制动铁心的运动速度，提高接触器的接通及分断能力。

本发明采用以下方案实现：一种基于运动反电势估算的接触器闭环控制方法，具体包括以下步骤：

步骤s1：构建接触器电磁机构的数字化模型；

步骤s2：引入滑动模式控制器来估算接触器动铁心的运动反电势；

步骤s3：将步骤s2估算的运动反电势与参考运动反电势比较产生误差值，并由此来控制接触器电磁系统的激磁电流，从而实现基于运动反电势的闭环控制，来间接控制动铁心的运动速度，提高接触器的接通及分断能力。

进一步地，步骤s1中，所述接触器电磁机构的数字化模型为：

式中，ucoil表示线圈电压，icoil为线圈电流，rcoil表示线圈电阻，lcoil表示线圈自感，es为动铁心运动反电势。

进一步地，步骤s2具体包括以下步骤：

步骤s21：在每个pwm开关周期计算并更新磁路电感值；

步骤s22：按照接触器电磁机构的数字化模型对电磁机构的电参量使用软件表示方式，使用电磁机构的数字化模型的估算线圈电流来匹配实际测量的线圈电流icoil，假设数字化模型中的估算运动反电势与实际运动反电势es相同，并在maxsmcerror；

步骤s23：当电磁机构的数字化模型的估算线圈电流与实际测量的线圈电流icoil之间的误差值error小于限制值maxsmcerror时，滑动模式控制器工作于线性范围内，其输出z为：对于线性范围外的误差值，滑动模式控制器工作于饱和区，当误差值error大于零时，其输出z为z＝+kslide，否则，其输出为z＝-kslide；其中kslide为定义的滑模增益，滑动模式控制器的输出z为校正因子；

步骤s24：将校正因子z加到电磁机构的数字化模型的电压项，在每一个开关周期ts中都重复执行n次步骤s23，直到实际测量的线圈电流icoil等于电磁机构的数字化模型的估算线圈电流并根据当前的校正因子z得到当前开关周期内校正后的运动反电势为

进一步地，步骤s3具体包括以下步骤：

步骤s31：将步骤s2得到的运动反电势进行低通滤波处理，降低滑动模式控制器产生的抖振，得到干扰较小的运动反电势；

步骤s32：将步骤s31滤波处理后的运动反电势反馈给电磁机构的数字化模型，用于在下一个开关周期中对运动反电势进行估算，同时将步骤s31滤波处理后的运动反电势与参考运动反电势eref比较，产生误差值，用于接触器电流内环的控制，电流内环控制pwm控制器产生pwm信号，pwm信号经隔离驱动电路后控制施加在电磁机构两端的高频方波电压的导通周期数及占空比，从而实现闭环控制。

本发明还提供了一种基于上文所述的基于运动反电势估算的接触器闭环控制方法的系统，包括电磁机构、隔离驱动电路、用以驱动所述电磁机构的电磁机构驱动电路、用以采集电磁机构线圈电流的电流传感器、用以采集电磁机构线圈电压的电压传感器、以及嵌入式控制芯片；

所述嵌入式控制芯片中执行步骤s1至步骤s3的方法，所述嵌入式控制芯片输出的pwm信号经所述隔离驱动电路隔离放大后作用于所述电磁机构驱动电路。

进一步地，所述电磁机构驱动电路采用斩波控制电路。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明根据接触器电磁机构的数字化模型，引入滑动模式控制器来估算接触器动铁心的运动反电势，该估算运动反电势与参考运动反电势比较产生误差值，根据误差值来控制接触器电磁系统的激磁电流，从而实现基于运动反电势的闭环控制，来间接控制动铁心的运动速度，提高接触器的接通及分断能力。

附图说明

图1为本发明实施例的接触器电路模型示意图。

图2为本发明实施例的控制原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图2所示，本实施例提供了一种基于运动反电势估算的接触器闭环控制方法，具体包括以下步骤：

步骤s1：构建接触器电磁机构的数字化模型；

步骤s2：引入滑动模式控制器来估算接触器动铁心的运动反电势；

步骤s3：将步骤s2估算的运动反电势与参考运动反电势比较产生误差值，并由此来控制接触器电磁系统的激磁电流，从而实现基于运动反电势的闭环控制，来间接控制动铁心的运动速度，提高接触器的接通及分断能力。

在本实施例中，从电路控制的角度来看，接触器电磁系统可等效为图1所示的电路模型。其中，接触器磁路电压平衡方程可用式(1)表示：

根据式(1)求解icoil，可得步骤s1中，接触器电磁机构的数字化模型为：

式中，ucoil表示线圈电压，icoil为线圈电流，rcoil表示线圈电阻，lcoil表示线圈自感，es为动铁心运动反电势。

在数字域中，可将式(2)写为：

式中，ts为开关控制周期，由式(2)数字化后得到的式(3)可以采用数字控制技术进行方便的求解。

在本实施例中，步骤s2具体包括以下步骤：

步骤s21：在每个pwm开关周期计算并更新磁路电感值；

步骤s22：按照接触器电磁机构的数字化模型对电磁机构的电参量使用软件表示方式，使用电磁机构的数字化模型的估算线圈电流来匹配实际测量的线圈电流icoil，假设数字化模型中的估算运动反电势与实际运动反电势es相同，并在maxsmcerror；

步骤s23：当电磁机构的数字化模型的估算线圈电流与实际测量的线圈电流icoil之间的误差值error小于限制值maxsmcerror时，滑动模式控制器工作于线性范围内，其输出z为：对于线性范围外的误差值，滑动模式控制器工作于饱和区，当误差值error大于零时，其输出z为z＝+kslide，否则，其输出为z＝-kslide；其中kslide为定义的滑模增益，滑动模式控制器的输出z为校正因子；

步骤s24：将校正因子z加到电磁机构的数字化模型的电压项，在每一个开关周期ts中都重复执行n次步骤s23，直到实际测量的线圈电流icoil等于电磁机构的数字化模型的估算线圈电流并根据当前的校正因子z得到当前开关周期内校正后的运动反电势为

在本实施例中，步骤s3具体包括以下步骤：

步骤s31：将步骤s2得到的运动反电势进行低通滤波处理，降低滑动模式控制器产生的抖振，得到干扰较小的运动反电势；

步骤s32：将步骤s31滤波处理后的运动反电势反馈给电磁机构的数字化模型，用于在下一个开关周期中对运动反电势进行估算，同时将步骤s31滤波处理后的运动反电势与参考运动反电势eref比较，产生误差值，用于接触器电流内环的控制，电流内环控制pwm控制器产生pwm信号，pwm信号经隔离驱动电路后控制施加在电磁机构两端的高频方波电压的导通周期数及占空比，从而实现闭环控制。

如图2所示，本实施例还提供了一种基于上文所述的基于运动反电势估算的接触器闭环控制方法的系统，包括电磁机构、隔离驱动电路、用以驱动所述电磁机构的电磁机构驱动电路、用以采集电磁机构线圈电流的电流传感器、用以采集电磁机构线圈电压的电压传感器、以及嵌入式控制芯片；

所述嵌入式控制芯片中执行步骤s1至步骤s3的方法，所述嵌入式控制芯片输出的pwm信号经所述隔离驱动电路隔离放大后作用于所述电磁机构驱动电路。

其中，交直流输入电源经整流滤波后变为较平稳的直流电压，施加到电磁机构驱动电路中的in+及in-节点；电磁机构驱动电路中的s1、s4为电力电子开关；d2、d3为快恢复二极管，共同组成斩波控制电路，驱动电源从out+及out-节点输出，并施加到接触器的电磁机构；电流传感器用于检测电磁机构线圈电流，电压传感器用于检测电磁机构的线圈电压；采用嵌入式控制芯片来实现整体的闭环控制方案；芯片输出的pwm信号经隔离驱动电路的隔离放大后作用于电磁机构驱动电路。

在本实施例中，所述嵌入式控制芯片中的控制策略具体包括三个部分：

一、磁路电感更新模块：接触器在动作过程中，随着动静铁心间气隙的变化及自身磁路饱和深度的变化都会导致磁路电感迅速变化，因此需要在每个pwm开关周期(ts)计算并更新磁路电感值，首先磁链按照式(4)计算：

ψ＝∫(ucoil-icoilrcoil)dt(4)

之后按照式(5)计算得出磁路电感值：

计算出的电感值lcoil经数字低通滤波器滤波后再输出给smc(slidemodecontroller，滑动模式控制器)运动反电势估算器，用于在每个开关周期ts内更新磁路电感。

二、smc运动反电势估算器：估算器基于滑动模式控制器构建，按照接触器电磁机构的数字化模型对电磁机构的电参量使用软件表示方式，然而为了使测量电流icoil和估算电流相匹配，数字化模型需要使用闭环控制来进行校正，具体实现原理为：考虑用两种方式表示接触器电磁机构，一种是硬件表示方式即实际的接触器电磁机构，一种是软件表示方式即数字化电磁机构模型，两个系统使用相同的输入电压ucoil，使用数字化电磁机构模型中的估算线圈电流来匹配测量线圈电流icoil，假设数字化模型中的估算运动反电势与实际运动反电势es相同，在滑模控制器中定义一个限制值maxsmcerror，当误差值error小于error时，滑模控制器工作于线性范围内，输出为：kslide·error/maxsmcerror，kslide为定义的滑模增益；对于线性范围外的误差值，滑模控制器工作于饱和区，输出为+kslide或-kslide，如图2所示取决于error的符号，可以避免smc的抖振。滑模控制器的输出就是校正因子z，用来对数字化电磁机构模型进行闭环校正，该校正因子被加到数字化模型的电压项，在每一个开关周期ts中都重复执行n次该过程，直到测量电流icoil等于估算电流此时可得到当前开关周期内校正后的运动反电势为

三、闭环控制模块：一旦滑模控制器对数字化模型校正完成后，即可更新当前开关周期的估算反电势并采用数字低通滤波器lpf对其进行滤波处理，降低滑模控制器产生的抖振，得到干扰较小的运动反电势，随后滤波后的反电势估计值一方面反馈给数字化电磁机构模型，用于在下一个开关周期中对进行估算。另一方面与参考运动反电势eref比较，产生误差值，用于接触器电流内环的控制，电流内环控制pwm控制器产生pwm信号，pwm信号经隔离驱动电路后控制施加在电磁机构两端高频方波电压的导通周期数及占空比，从而实现闭环控制。

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。