一种线圈类负载电压暂降保护设备的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种线圈类负载电压暂降保护设备，该设备输入端连接单相交流电源，输出端与接触器线圈端子相连，包括EMI滤波电路、单相整流滤波电路、单片机控制电路、驱动放大电路以及DC/DC变换电路；其中，所述EMI滤波电路的输出端与所述单相整流滤波电路相连；所述单相整流滤波电路输出端与所述DC/DC变换电路相连；所述单片机控制电路采样输入端与所述单相整流滤波电路相连，输出端与所述驱动放大电路的输入端相连；驱动放大电路的输出端与所述DC/DC变换电路相连。本发明保护设备将所有功能模块集成在一个电路板上，具有体积小、重量轻、集成化高的优点，本发明的输出端直接连接在交流接触器线圈上，安装方便。
【专利说明】一种线圈类负载电压暂降保护设备
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种接触器控制系统，具体涉及一种应用于线圈类负载的接触器线圈 电压暂降保护设备。
【背景技术】
[0002] 电磁式交流接触器是一种应用广泛的产品，可以用来接通或分断带负载的交流主 电路或大容量的控制电路。在厂用交流电网发生电压暂降时，电磁式接触器线圈的会出现 欠压或失压脱扣动作而引起接触器主触点释放。因此，为了防止接触器线圈在发生电压暂 降时造成其主触点释放，目前采取的措施有以下几点：
[0003] 1应用断电延时继电器、电机再启动器；
[0004] 2采用储能延时元件；
[0005] 3应用延时锁扣头装置；
[0006] 4采用双电源供电；
[0007] 5采用UPS进行系统保护；
[0008] 但是，将以上设备安装在接触器线圈上存在着可靠性低，线路复杂，成本高的缺 点，因此一种可靠性高、线路简单、成本低的线圈类负载电压暂降保护设备的开发很有必 要。
【发明内容】
[0009] 发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种可靠性高、线路简单、成本低的 线圈类负载电压暂降保护设备，将该保护设备安装在接触器线圈上，安装方便，集成化高。
[0010] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术手段为：
[0011] -种线圈类负载电压暂降保护设备，该设备输入端连接单相交流电源，输出端与 交流接触器线圈端子相连；包括EMI滤波电路、单相整流滤波电路、单片机控制电路、驱动 放大电路以及DC/DC变换电路；其中，所述HMI滤波电路的输出端与所述单相整流滤波电路 相连；所述单相整流滤波电路输出端与所述DC/DC变换电路相连；所述单片机控制电路采 样输入端与所述单相整流滤波电路相连，所述单片机控制电路输出端与所述驱动放大电路 的输入端相连；所述驱动放大电路的输出端与所述DC/DC变换电路相连。
[0012] 其中，所述单片机控制电路的单片机型号为STM32F101RBT，单片机控制电路设有 两个电压采样输入端U1和U2,电压采样输入端U1串联Rl、R2后接地，电压采样输入端U2 串联R3、R4后接地，单片机包括ΑΝ0端口和AN1端口，R1和R2之间连接ΑΝ0端口，R3和R4 之间连接AN1端口，单片机还包括PWM信号输出端口和AN2端口，单片机通过AN2端口与电 阻R5串联接地，同时单片机通过AN2端口采集M0S管电流，单片机还包括PA7端口，单片机 通过PA7端口接地，单片机还包括端口 1，单片机通过端口 1接3. 3V电压端，单片机还包括 端口 2和端口 3,单片机的端口 2和端口 3分别与晶振连接。
[0013] 其中，所述EMI滤波电路包括交流输入L和N，EMI滤波后的输出L1和N1，滤波电 感、电容和电阻，L和N端口通过电容Cl连接，L和N端口通过滤波电感与L1和N1端口连 接，L1和N1端口通过电容C2连接，电容C2与R并联，L1端口与电容C3串联接地，N1端口 和C4串联接地。
[0014] 其中，所述单相整流滤波电路包括LI、Nl、U+、U-端口，L1端连接二极管D1的阳 极，D3的阴极，N1端连接二极管D2的阳极，D4的阴极，U+端连接D1和D2的阴极，U-端连 接D3和D4的阳极，U+、U-端通过电容C5连接。
[0015] 其中，所述驱动放大电路包括PWM信号输入端和PWM1信号输出端，三极管Q1和三 极管Q2的基极与PWM输入端连接，三极管Q1的集电极连接12V电压端，三极管Q2的发射 极接地，电阻R1两端分别连接三极管Q1的基极和集电极，三极管Q1的发射极和三极管Q2 的集电极连接并通过电阻R2与PWM1信号输出端连接，电阻R2的一端分别与三极管Q1的 发射极和三极管Q2的集电极连接，电阻R2的另一端分别与电阻R3的一端、二极管D6的阴 极和PWM1连接，电阻R3的另一端和稳压二极管D6的阳极接地，PWM1信号输出端连接稳压 二极管D6的阴极。
[0016] 其中，所述DC/DC变换电路包括U+、U-端和L2、N2输出端，U+、U-端通过电容C6 连接，二极管D5的阴极分别连接U+端和L2输出端，二极管D5的阳极分别连接N2输出端 和M0S管的漏极，M0S管的源极连接电阻R s的一端，M0S管的栅极连接PWM1端，电阻Rs的 另一端连接U-端。
[0017] 有益效果：相比于现有技术，本发明保护设备将所有功能模块集成在一个电路板 上，且各个模块的电路设计简单合理，设备外输入的交流电经EMI滤波电路和单相整流滤 波电路后能得到高压直流电，驱动放大电路采用合理的电路布局能够将单片机控制电路的 输出功率放大到所需值，另外，本发明的保护设备输出端直接连接在交流接触器线圈上，安 装方便。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1为本发明线圈类负载电压暂降保护设备的结构示意图；
[0019] 图2为单片机控制电路图；
[0020] 图3为EMI滤波电路图；
[0021] 图4为单相整流滤波电路图；
[0022] 图5为驱动放大电路图；
[0023] 图6为DC/DC变换电路的拓扑结构图；
[0024] 图7为电流PI控制算法框图；
[0025] 图8为本发明保护设备中单片机控制电路的算法流程图；
[0026] 其中，1、EMI滤波电路；2、单相整流滤波电路；3、单片机控制电路；4、驱动放大电 路；5、DC/DC变换电路。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合实施例和附图对本发明进行进一步的说明。
[0028] 结合图1?8,本发明的线圈类负载电压暂降保护设备输入端连接单相交流电源， 输出端与交流接触器线圈端子相连；其包括EMI滤波电路1、单相整流滤波电路2、单片机控 制电路3、驱动放大电路4以及DC/DC变换电路5 ;其中，EMI滤波电路1的输出端与单相整 流滤波电路2相连；单相整流滤波电路2输出端与DC/DC变换电路5相连；单片机控制电路 3采样输入端与单相整流滤波电路2相连，单片机控制电路3输出端与驱动放大电路4的输 入端相连；驱动放大电路4的输出端与DC/DC变换电路5相连，驱动放大电路4末级输出端 采用仙童半导体的MOS管作为其功率管。
[0029] EMI滤波电路包括L、N、L1、N1端口和滤波电感，L和N端口通过电容C1连接，L和 N端口通过滤波电感与L1和N1端口连接，L1和N1端口通过电容C2连接，电容C2与R并 联，L1端口与电容C3串联接地，N1端口和C4串联接地；
[0030] 单相整流滤波电路包括LI、Nl、U+、U-端口，L1端连接二极管D1的阳极，D3的阴 极，N1端连接二极管D2的阳极，D4的阴极，U+端连接D1和D2的阴极，U-端连接D3和D4 的阳极，U+、U-端通过电容C5连接，通过电容C5实现滤波；
[0031] 单片机控制电路的单片机型号为STM32F101RBT，单片机控制电路设有两个电压采 样输入端U1和U2,电压采样输入端U1串联Rl、R2后接地，电压采样输入端U2串联R3、R4 后接地，单片机包括ΑΝ0端口和AN1端口，R1和R2之间连接ΑΝ0端口，R3和R4之间连接 AN1端口，单片机还包括PWM信号输出端口和AN2端口，单片机通过AN2端口与电阻R5串联 接地，同时单片机通过AN2端口采样M0S管电流，单片机还包括PA7端口，单片机通过PA7 端口接地，单片机还包括端口 1，单片机通过端口 1接3. 3V电压端，单片机还包括端口 2和 端口 3,单片机的端口 2和端口 3分别与晶振连接；
[0032] 驱动放大电路包括PWM信号输入端和PWM1信号输出端，三极管Q1和三极管Q2的 基极与PWM输入端连接，三极管Q1的集电极连接12V电压端，三极管Q2的发射极接地，电 阻R1两端分别连接三极管Q1的基极和集电极，三极管Q1的发射极和三极管Q2的集电极 连接并通过电阻R2与PWM1信号输出端连接，电阻R2的一端分别与三极管Q1的发射极和 三极管Q2的集电极连接，电阻R2的另一端分别与电阻R3的一端、二极管D6的阴极和PWM1 连接，电阻R3的另一端和二极管D6的阳极接地，PWM1信号输出端连接二极管D6的阴极；
[0033] DC/DC变换电路包括U+、U-端和L2、N2输出端，U+、U-端通过电容C6连接，二极管 D5的阴极分别连接U+端和L2输出端，二极管D5的阳极分别连接N2输出端和M0S管漏极， M0S管的源极连接电阻Rs的一端，M0S管的栅极连接PWM1端，电阻Rs的另一端连接U-端；
[0034] 单相交流电源连接EMI滤波电路1的L和N输入端口，EMI滤波电路1的LI、N1 输出端口与单相整流滤波电路2的L1、N1输入端口连接，单相整流滤波电路2的U+、U-输 出端口与DC/DC变换电路5的U+、U-输入端口连接；
[0035] 单片机控制电路3两个电压采样输入端U1和U2连接单相整流滤波电路2的电压 输出端口，单片机通过ΑΝ0和AN1端口对输入的电压进行采样，单片机程序采用数字PI算 法计算输出PWM的占空比信号，单片机的PWM信号输出端与驱动放大电路PWM信号输入端 连接，驱动放大电路的PWM1信号输出端与M0S管的栅极连接，M0S管的源极连接电阻R s，漏 极分别连接二极管D5的正极和N2输出端，接触器线圈直接连在DC/DC变换电路的L2和N2 输出端上。
[0036] 单片机控制电路3通过改变驱动放大电路4的M0S管Q的PWM占空比值来调节 DC/DC变换电路5的输出电流，从而保证接触器线圈的电流保持在恒定的数值，使得接触器 在交流电压不低于25%的额定电压时能够保持吸合。交流电网中的电压（输入电压不低 于25 %时），通过本保护装置，可以保证接触器线圈的电流恒定，从而保证接触器处于吸合 状态。
[0037] 本发明具体实施方法如下：
[0038] 接触器线圈电流给定值的设定，通过预先确定交流接触器的型号，确定其交流条 件下的保持功耗值（VA)，依据此数值来计算接触器线圈的保持电流，即接触器线圈电流给 定值=保持功耗（VA)/220V，然后在单片机控制程序中设定此电流给定值，作为电流PI计 算程序的给定值。
[0039] 系统上电后，交流电经EMI滤波电路1，单相整流电路2滤波后得到高压直流电，待 单片机稳定后，通过单片机的AD采样单元来采集单相整流后滤波前的整流电压（100Hz的 正弦半波），此电压数值送到过零检测子程序来计算，单片机找到交流输入过零点，单片机 给出PWM信号，延时60ms，PWM占空比值设定为100 %，经过驱动放大电路4放大后开通M0S 管，接触器线圈得到高压直流电而迅速吸合，60ms延时时间到，进入电流PI计算环节。
[0040] 电流PI计算环节：
[0041] 根据接触器线圈设定的电流给定值，通过电流数字PI来计算单片机控制器输出 PWM占空比。当单片机控制器检测到交流电压不低于25%的额定电压时，通过电流数字PI 来计算M0S管的PWM占空比，来保证流过线圈的电流恒定且足以维持线圈吸合而不释放。
[0042] 电流PI控制算法框图如图7所示，利用单片机AD模块来连续采集k与k-Ι时刻 接触器线圈的电流值，然后与电流给定值做差比较得到电流误差信号e (k)，e (k-Ι)，代入 (1)式来计算电流调节器输出的变化量再利用（2)式来计算电流控制环节的输出 值i (k)，其中e (k)，e (k-Ι)分别是k、k-Ι时刻的电流误差信号值，kp、ki分别表示比例系 数、积分系数，其数值分别为1、2。根据数字PI调节器的控制算法的差分方程，得到，
[0043] 数字 PI 调节器输出的变化量：Λ i (k) = kp [e (k) -e (k-1) ] +kie (k) (1)，
[0044] 增量式数字PI调节器的输出为：i(k) = i(k_l) + Ai(k) (2)，
[0045] 电流控制环节的输出值i (k)，是k时刻AD采样以及电流数字PI调节器计算后单 片机得到的一个数字量，数值范围〇?65536,单片机PWM主占空比寄存器是16位的，此数 字量在比较后送到单片机内部的PWM主占空比寄存器，来产生PWM控制信号，进一步来调节 接触器线圈的电流保持恒定，保证接触器吸合。
[0046] 在本发明中，通过拨码开关设定额定输入电压时保持电流给定值，单片机时刻检 测交流输入电压和接触器线圈电流，通过数字PI计算，来调节M0S管的占空比，保持线圈电 流恒定。当交流输入电压下降时，线圈保持电流会下降，单片机主动增加电流给定，通过数 字PI计算，来增加 M0S管的占空比，保证线圈保持电流恒定；当交流输入电压上升时，线圈 保持电流会增加，单片机主动减小电流给定，通过数字PI计算，来减小M0S管的占空比，保 证线圈保持电流恒定；故交流电压在额定电压25%?130%范围变化时，接触器主触点保 持吸合。
[0047] 本发明保护设备不能多个并联工作，其输出端只能接在一个交流接触器线圈上。
【权利要求】
1. 一种线圈类负载电压暂降保护设备，该设备输入端连接单相交流电源，输出端与交 流接触器线圈端子相连，其特征在于：包括EMI滤波电路、单相整流滤波电路、单片机控制 电路、驱动放大电路以及DC/DC变换电路；其中，所述EMI滤波电路的输出端与所述单相整 流滤波电路相连；所述单相整流滤波电路输出端与所述DC/DC变换电路相连；所述单片机 控制电路采样输入端与所述单相整流滤波电路相连，所述单片机控制电路输出端与所述驱 动放大电路的输入端相连；所述驱动放大电路的输出端与所述DC/DC变换电路相连。
2. 根据权利要求1所述的线圈类负载电压暂降保护设备，其特征在于：所述单片机控 制电路的单片机型号为STM32F101RBT，单片机控制电路设有两个电压采样输入端U1和U2， 电压采样输入端U1串联R1、R2后接地，电压采样输入端U2串联R3、R4后接地，单片机包括 ANO端口和AN1端口，R1和R2之间连接ANO端口，R3和R4之间连接AN1端口，单片机还包 括PWM信号输出端口和AN2端口，单片机通过AN2端口与电阻R5串联接地，同时单片机通 过AN2端口采集MOS管电流，单片机还包括PA7端口，单片机通过PA7端口接地，单片机还 包括端口 1，单片机通过端口 1接3. 3V电压端，单片机还包括端口 2和端口 3,单片机的端 口 2和端口 3分别与晶振连接。
3. 根据权利要求1所述的线圈类负载电压暂降保护设备，其特征在于：所述EMI滤波 电路包括交流输入端口 L和N，EMI滤波后输出端口 L1和N1，以及滤波电感、电容和电阻， L和N端口通过电容C1连接，L和N端口通过滤波电感与L1和N1端口连接，L1和N1端口 通过电容C2连接，电容C2与R并联，L1端口与电容C3串联接地，N1端口和C4串联接地。
4. 根据权利要求1所述的线圈类负载电压暂降保护设备，其特征在于：所述单相整流 滤波电路包括LI、Nl、U+、U-端口，L1端连接二极管D1的阳极，D3的阴极，N1端连接二极 管D2的阳极，D4的阴极，U+端连接D1和D2的阴极，U-端连接D3和D4的阳极，U+、U-端 通过电容C5连接。
5. 根据权利要求1所述的线圈类负载电压暂降保护设备，其特征在于：所述驱动放大 电路包括PWM信号输入端和PWM1信号输出端，三极管Q1和三极管Q2的基极与PWM输入端 连接，三极管Q1的集电极连接12V电压端，三极管Q2的发射极接地，电阻R1两端分别连接 三极管Q1的基极和集电极，三极管Q1的发射极和三极管Q2的集电极连接并通过电阻R2 与PWM1信号输出端连接，电阻R2的一端分别与三极管Q1的发射极和三极管Q2的集电极 连接，电阻R2的另一端分别与电阻R3的一端、二极管D6的阴极和PWM1连接，电阻R3的另 一端和稳压二极管D6的阳极接地，PWM1信号输出端连接稳压二极管D6的阴极。
6. 根据权利要求1所述的线圈类负载电压暂降保护设备，其特征在于：所述DC/DC变 换电路包括U+、U-端和L2、N2输出端，U+、U-端通过电容C6连接，二极管D5的阴极分别连 接U+端和L2输出端，二极管D5的阳极分别连接N2输出端和MOS管的漏极，MOS管的源极 连接电阻R s的一端，MOS管的栅极连接PWM1端，电阻Rs的另一端连接U-端。
【文档编号】H02M3/157GK104143915SQ201410350592
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年7月22日 优先权日:2014年7月22日
【发明者】陈文波 申请人:南京国臣信息自动化技术有限公司